[论文解读] Spatial Beam Tracking and Data Detection for an FSO Link to a UAV in the Presence of Hovering Fluctuations

Hossein Safi, Akbar Dargahi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2019

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用 18

一句话总结

本文提出了一种用于无人机（UAV）自由空间光（FSO）链路的盲空间波束跟踪与数据检测方案，以应对因UAV悬停波动引起的波束失准问题。通过采用四象限探测器阵列和无导频信道估计算法，推导出跟踪误差和误比特率（BER）的闭式表达式，表明在UAV不稳定条件下，最优探测器尺寸可最小化跟踪误差。

ABSTRACT

Recent advances in small-scale unmanned aerial vehicles (UAVs) have opened up new horizons for establishing UAV-based free-space optical (FSO) links. However, FSO technology requires precise beam alignment while random fluctuations of hovering UAVs can induce beam misalignment and angle-of-arrival (AoA) fluctuations. For an FSO link to a UAV, we consider a quadrant detector array for optical beam tracking and study the effect of random hovering fluctuations of the UAV on the performance of the tracking method, and based on the degree of instabilities for the UAV, the optimum size of the detectors for minimizing the tracking error is found. Furthermore, for optimal detection of On - Off keying symbols, the receiver requires instantaneous channel fading coefficients. We propose a blind method to estimate the channel coefficients, i.e., without using any pilot symbols, to increase link bandwidth efficiency. To evaluate the performance of the considered system, closed-form expressions of tracking error and bit-error rate are derived. Moreover, Monte-Carlo simulation is carried out to corroborate the accuracy of the derived analytical expressions.

研究动机与目标

• 解决由随机悬停波动和到达角（AoA）变化引起的UAV FSO链路波束失准问题。
• 在UAV不稳定条件下，通过确定四象限探测器阵列中的最优探测器尺寸，最小化跟踪误差。
• 通过无导频信道估计算法实现OOK检测，消除导频符号，从而提升频谱效率。
• 推导跟踪误差和误比特率（BER）的闭式表达式，以实现系统性能的理论分析。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，确保在真实UAV动态特性和大气条件下的准确性。

提出的方法

• 在接收端采用四象限探测器阵列，以估计光束的到达角（AoA），实现空间波束跟踪。
• 推导出跟踪误差的闭式表达式，其为UAV悬停波动和探测器尺寸的函数。
• 提出一种用于OOK调制的无导频信道估计算法，避免使用导频符号，提升频带效率。
• 基于信噪比（SNR）和探测器选择的判决度量，以在未知信道状态信息（CSI）条件下最小化误码率。
• 采用统计信号处理方法建模噪声与衰落，利用Q函数近似进行BER分析。
• 在完美与不完美CSI条件下，推导出包含探测器选择与跟踪误差概率的BER理论表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在UAV悬停波动影响下，四象限探测器阵列中探测器的最优尺寸为何？该尺寸如何最小化跟踪误差？
• RQ2 UAV不稳定性引起的波束失准如何影响FSO链路的误比特率（BER）？
• RQ3 在无导频符号的条件下，能否有效实现OOK调制在FSO系统中的盲数据检测？
• RQ4 在未知信道状态信息条件下，所提出的波束跟踪与检测方案的理论性能如何？
• RQ5 与仿真结果相比，所推导的跟踪误差和BER闭式表达式的准确性如何？

主要发现

• 最优探测器尺寸被推导为UAV悬停不稳定性函数，可最小化均方跟踪误差。
• 所提出的盲检测方法通过消除OOK-FSO系统中对导频符号的需求，实现了高谱效率。
• 推导出跟踪误差与BER的闭式表达式，并通过蒙特卡洛仿真验证，结果高度准确。
• 在高信噪比条件下，当选择正确光电探测器时，BER性能显著提升，最优探测器尺寸下SNR增益可达3 dB。
• 跟踪误差随UAV悬停波动增大而上升，但最优探测器尺寸通过平衡背景噪声与光束位置偏移，有效缓解该影响。
• 在未知CSI条件下，理论BER表达式与仿真结果高度吻合，验证了所建模型的有效性。