[论文解读] 80-Gbit/s 100-m Free-Space Optical Data Transmission Link via a Flying UAV Using Multiplexing of Orbital-Angular-Momentum Beams

Long Li, Runzhou Zhang+13 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 46被引用 5

一句话总结

本论文展示了一项80-Gbit/s的自由空间光通信链路，通过在地面站与飞行中的无人飞行器（UAV）之间使用轨道角动量（OAM）复用技术，在100米往返距离上实现通信。通过传输两个OAM模式，每个模式调制40-Gbit/s的QPSK信号，系统在动态条件（如UAV移动、跟踪误差和大气湍流）下实现了高速率通信并分析了性能表现。

ABSTRACT

We explore the use of orbital-angular-momentum (OAM)-multiplexing to increase the capacity of free-space data transmission to moving platforms, with an added potential benefit of decreasing the probability of data intercept. Specifically, we experimentally demonstrate and characterize the performance of an OAM-multiplexed, free-space optical (FSO) communications link between a ground station and a moving unmanned-aerial-vehicle (UAV). We achieve a total capacity of 80 Gbit/s up to 100-m-roundtrip link by multiplexing 2 OAM beams, each carrying a 40-Gbit/s quadrature-phase-shift-keying (QPSK) signal. Moreover, we investigate for static, hovering, and moving conditions the effects of channel impairments, including: tracking errors, propeller-induced airflows, power loss, intermodal crosstalk, and system bit error rate (BER). We find the following: (a) when the UAV hovers in the air, the power on the desired mode fluctuates by 2.1 dB, while the crosstalk to the other mode is -19 dB below the power on the desired mode; and (b) when the UAV moves in the air, the power fluctuation on the desired mode increases to 4.3 dB and the crosstalk to the other mode increases to -10 dB. Furthermore, the channel crosstalk decreases with an increase in OAM mode spacing.

研究动机与目标

• 通过轨道角动量（OAM）复用技术，实现面向移动平台的高容量自由空间光（FSO）通信。
• 评估OAM复用FSO链路在动态条件（如UAV运动和环境扰动）下的性能表现。
• 评估信道损伤（包括跟踪误差、气流、功率损耗、模式间串扰和误码率（BER））对系统可靠性的影响。
• 研究OAM模式间距对移动FSO链路中串扰和系统性能的影响。
• 展示一种实用的、高数据速率的FSO链路，具备低截获概率通信的潜力。

提出的方法

• 复用两个OAM光束（ℓ = +1 和 ℓ = -1），以空间分离方式传输40-Gbit/s的QPSK信号，总容量达到80 Gbit/s。
• 使用地面发射端生成并向搭载接收阵列的移动UAV发送携带OAM的光束。
• 采用自适应光学和光束跟踪系统，在UAV飞行过程中保持对准并减轻指向误差。
• 测量目标OAM模式上的功率波动和模式间串扰水平，以量化不同飞行状态下的信号完整性。
• 分析静态、悬停和移动UAV状态下误码率（BER）的表现，以评估系统鲁棒性。
• 改变OAM模式间距，研究其对串扰抑制的影响，结果表明模式分离越大，隔离性能越优。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地面站与飞行中的UAV之间，使用OAM复用技术的自由空间光通信链路可实现的最高速率是多少？
• RQ2 UAV的跟踪误差和螺旋桨产生的气流如何影响OAM复用FSO系统中的信号功率稳定性与串扰水平？
• RQ3 在静态、悬停和移动UAV状态下，误码率（BER）性能有何差异？
• RQ4 增加OAM模式间距在多大程度上可降低移动FSO链路中的模式间串扰？
• RQ5 OAM复用技术能否在真实动态环境下，为机载平台提供实用且安全的高容量通信链路？

主要发现

• 该系统通过使用两个OAM模式（每个模式承载40 Gbit/s的QPSK调制信号），在100米往返自由空间光链路上实现了总数据速率80 Gbit/s。
• 当UAV悬停时，目标OAM模式的功率波动为2.1 dB，对另一模式的串扰比目标模式功率低19 dB。
• 在UAV飞行过程中，目标模式的功率波动增加至4.3 dB，对另一模式的串扰恶化至-10 dB。
• 随着OAM模式间距的增加，模式间串扰降低，表明更大的模式分离可提升信号隔离度。
• 在所有测试条件下，系统均保持可接受的BER性能，证明了其在移动FSO通信中的可行性。
• 结果表明，OAM复用技术可支持高容量、安全的移动平台FSO链路，尽管动态条件会引入可测量的损伤。