Demonstration of 100 Gbps coherent free-space optical communications at LEO tracking rates

signer do·2023년 11월 27일

논문: Demonstration of 100 Gbps coherent free-space optical communications at LEO tracking rates

1. Abstract

FSO 통신은 기존 무선 주파수가 실질적인 한계에 도달함에 따라 우주선이 겪는 data-flow 병목 현상을 완화할 준비가 되어 있다. Optical Signal은 데이터 전송률을 수십 배 향상시킬 수 있지만, 훨씬 더 정확한 지향이 요구되어 대기 turbulence 영향을 많이 받는다.
사용 가능한 자유도를 최대한 활용하여 data capacity를 극대화하는 Coherent detection 방법에는 수신된 신호를 single-mode fiber에 결합해야 하는 복잡성이 추가된다.

이 논문에서는 상용품의 optical terminal과 drone-mount된 되반사체(retroreflector) 사이의 turbulent가 있는 대기를 가로지르는 coherent $1550nm$ link를 제시한다.
$200Hz$ 의 tip/tilt AO(적응광학) 안정화와 함께 구동되는 $10Hz$ 의 machine vision optical tracking을 통해 지향 오차와 대기 turbulence를 보정한다. 강건한 single mode fiber coupling을 유지함으로써, 지구 궤도에 있는 우주선과 동일한 최대 $1.5deg/s$ 의 각속도로 추적하는 동안 중단 없는 100Gbps FSO link를 제공한다. 일관된 통신의 더 큰 data capacity와 기존 광섬유 기반 기술과의 호환성이 static link에서 입증됨에 따라, 궁극적으로 ground station을 통해 ground - low earth orbit 링크에서 Tbps(테라비트)도 달성할 수 있다.

2. Introduction

optical 주파수 통신은 광섬유 네트워크의 도래함에 따라 지상 통신을 혁신을 일으켰다. 그러나 free-space에서는 아직은 아니다. 여전히 RF 통신이 많은 기여를 하고 있다.
carrier frequeny(반송파)에서 $order of Magnitude$ 가 증가할수록 RF에서(kHz-GHz) OF(Thz)로 증가하면 data capacity도 그에 비례하여 증가하므로 optical domain으로 이동하면 새로운 challenge가 생긴다.

엄격한 PAT
ms단위로 optical beam 전파에 큰 영향을 주는 대기 turbulence

ground-to-ground, ground-to-air, ground-to-space link를 위한 FSO 통신의 잠재력을 달성하기 위해 대기 turbulence 효과를 반드시 줄여야 한다.

대부분 FSO 통신의 쉬운 구현에서는 빛의 세기로 On-off keying나 Pulse Position Modulation 방식으로 data를 변조한다. 이러한 detect-dection 방식은 detector가 얼마나 수신광의 intesity를 측정하는지에 변조 성능이 달린다.

Coherent detection method는 반면 수신 신호를 local oscillator(LO)와 혼합하여 phase와 polarisation 정보를 유지하므로 data를 인코딩하고 channel capacity 및 유비쿼터스 fiber 기반 기술과의 호환성을 최대한 활용할 수 있는 자유도를 추가적으로 제공한다.
이러한 Coherent 방식은 광섬유 직경이 $8 \sim 10μm$ 인 single mode fiber(SMF)로 수신된 빛을 coupling 해야하며, 더 큰 multi-mode fiber(> $50μm$ )나 기존 직접 변조를 사용한 detector와 비교하면 pointing error와 turbulence에 더 민감하다.

현재, 지구 관측 위성은 대용량의 data를 생성하기 때문에 사용 가능한 RF 대역폭을 사용하여 지상으로 전송하기 전에 on-board에서 압축이 필요한 경우가 많고, 전력이 집중되고, data의 fidelity(압축 입력 출력 데이터의 유사성)가 줄어든다.
LEO의 예시로, 임의의 ground station이 spacecraft를 포착하는데 하루에 오직 몇 분이다. data 전송에 제약을 가진다. LEO spacecraft는 relay spacecraft(보통 지구 정지 궤도 위성)를 통해 data를 전송할 수 있고, 하지만 전송거리가 1000km 대비 $35000km$ 로 늘어나서, SWaP 시스템에 부담이 된다. 이러한 병목 현상을 해소하기 위해 NASA의 테라바이트 적외선 전달 시스템은 cubset에 적합한 $200Gbps$ 의 coherent LEO-to-ground downlink가 가능한 optical terminal를 개발하는 것이 목표다.

현재 5.6Gbps 기록의 LEO-to-ground optical data link는 coherent binay phase shift keying(BPSK)를 사용하여 2개의 ESA TESAT laser 통신 단말기 사이에서 구현되었다. 하나는 NFIRE spacecraft의 board에 있고 하나는 Spain의 Tenerife의 ground에 있다.
이 Terminal은 인공위성간 link를 위해 만들어졌기에, 대기 turbulence가 문제가 되지 않아 능동적인 turbulence 완화 기술이 필요없고; 오직 scintillation 효과를 줄이기 위해 ground 단말기 aperture만 감소시키는 경우이다.
$\sim 5m$ 빔 크기는 지상 단말에서 beam wander로 인한 deep fade 발생을 무시할 수 있지만, ground-to-space link의 turbulence가 지상에 집중되어 있다는 점을 고려하면 beam wander 현상은 uplink가 downlink보다 훨씬 크다.
이것은 link quality의 차이에 반영되어 각 hardware가 똑같아도 downlink는 Error-free인 반면 uplink는 BER이 $\sim 10^5$ 이다. data rate를 $100+Gbps$ 이상으로 끌어올리려면 최소한 downlink fiber coupling 효율을 개선하고 uplink의 beam wander를 사전 보상하기 위한 tip/tilt AO stabilization이 필요하다.
이러한 ground station은 현재 개발중이며 GEO로부터 AO-보정 SMF coupling을 시연했지만, 우리가 아는 한 tip/tilt AO stabilised coupling은 더 어려운 LEO의 추적 속도에서 시연된 적이 없다.

ground-to-airbone 플랫폼 사이의 Tip/tilt AO 안정화 high-speed coherent optical link는 이전에 구현되었다.

ground-to-light aircraft의 $10\sim20km$ link 거리에서 $100Gbps$ 양방향 quadrature amplitude modulation(QAM) link를 시연했다.
ground-to-drone mounted retroreflector의 왕복 $100m$ 의 시뮬레이션된 turbulence와 함께 2개 orbital angular momentum(OAM) multiplexed된 40Gbps quadrature phase shift keying(QPSK) link로 $80Gbps$ 를 시연했다.
Angular Tracking Rate가 각각 $\sim 0.2deg/s$ 와 $\sim 0.1deg/s$ 로 도달했지만, LEO와 유사한 추적 속도로 fiber coupling을 유지하는 것은 이 실험의 목표가 아니다.

ultra-high capacity의 coherent free-space optical 통신은 많은 group들이 static links로 구현했다.

16 channel QPSK로 건물 사이 $80m$ 에서 $1.6Tbps$ 달성
3 chanel QPSK로 1km에서 $160Gbps$ 달성
가장 큰 capacity link은 54 channel QPSK로 tip/tilt 안정화 기능과 turbulent $10.45km$ 에서 $13.16Tbps$ 달성
단일 channel에서 probablistic constellation shaping(APSK와 QAM을 개선한) 64-ary QAM로 42M에서 800Gbps

ground-to-space link에서 high-capacity 기술을 할려면 SMF coupling을 우지할 수 있는 tracking system이 요구된다. (큰 각속도와 대기 turbulence에서도)

이 논문에서는, 상용품의 optical terminal과 airborne drone 사이에 1550nm로 coherent free-space optical link의 결과를 소개한다.
tip/tilt AO system을 concurrent closed loop machine vision(MV) tracking과 결합하여, SMF coupled link를 LEO가 겉으로 보여주는 각속도인 $\sim 1.5deg/s$ 까지 유지한다.
자체 tip/tilt beacon 역할을 하는 되반사된 신호를 사용하는데, 대기의 reciprocity로 인해 우리 단말기는 target(드론) 지향을 유지하기 위한 "uplink"의 사전 보상뿐만 아니라 fiber coupling을 유지하기 위한 "downlink" beam의 보정 동시에 시연.

Western Australian Optical Ground Station(WAOGS-1)
Ground station 높이 해수면으로부터 $34m$
드론 높이 $120m$
Ground-to-Retroreflector 사이 거리 $1.4km$

3. Methods

optical breadboard는 다음을 포함. 이는 mount에 고정됨.

housing the optics
Machin Vision system
GPS receiver
SBC(Single Board Computer)

위성 통과를 simulation하기 위해, CCR(Corner Cuber Reflector)가 포함된 광학 payload를 장착한 드론을 사용하여 Swan River 상공 $120m$ 고도에서 가시거리 $500\sim700m$ 에서 접혀진 링크 거리인 최대 $1.4k$ m 떨어진 곳에서 비행함.

Corner Cuber Reflector들은 2가지 고정 위치에서 600m와 2.4km folded elngth에서 calibration과 문제해결을 수행했다.

3.1 mount design

우리의 optical 수신부 terminal 상용품은 PlaneWave L-350 precision altitude-azimuth 천문 mount를 사용했다.

smooth, accurate tracking을 제공
빠른 획득을 위해 1초에 $50deg/s$ 각속도로 휙돌 수 있다.
mount는 원격으로 SBC에서 조절된다.
internet을 통해 검색된 TLE(Two line element) 정보 또는 항공기 자동 종속 감시 방송(ADS-B) 또는 이 실험에서는 드론으로부터 $921.2MHz$ Long Range signal을 통해 드론에서 전송된 GPS 좌표를 통해 초기 Mount 지향이 결정될 수 있다.
제조사가 제공한 mount API는 기본적으로 TLE 정보를 받고 mount path를 계산한다. ADS-B와 GPS 좌표는 맞춤형 SW 계층에서 mount의 altitude와 azimuth 좌표로 변환된다.

3.2 Machine Vision

GPS와 TLE는 optical ground station을 정확히 지향할 수 있을 만큼 정밀하지 않다.
TLE/GPS와 tip/tilt AO system사이에 Acquistion과 Tracking의 중간 단계를 제공하기 위해 MV system이 optical closed loop control로 작동한다.

초점거리 $500mm$ lens
FOV ${1.0^{\circ }\times 0.75^{\circ }}$
1pixel에 $9μrad$ 의 정밀 해상도를 가진다.
푸른 하늘 배경에서 드론의 $532nm$ beacon LED의 SNR을 향상시키기 위해 광대역 녹색 필터가 추가
mount의 응답 시간은 Machine Vision 시스템으로부터 command를 수신할 수 있는 속도인 $\sim 15Hz$ 로 제한됨.

간헐적인 CPU 병목현상을 비파기 위해 camera 획득과 command rate를 10Hz로 제한.
각 camera image는 CCR를 둘러싸고 있는 target의 4개 beacon LED를 감지하기 위해 threshold를 설정
지향 오차는 threshold가 설정한 pixel의 질량 중심과 "Hot-spot"(역반사된 laser가 SMF에 다시 coupling되기 위해 target이 위치해야하는 pixel 좌표) 사이의 pixel 차이로 계산.
pixel 값의 차이는 Al과 Az의 error로 변환된 다음 SW PID 제어 루프에 공급되어 offset rate를 계산하고 ("/s= $1 \div 60^\circ$ /s) 단위로 hotspot 위 target을 지향하기 위해 mount에 적용.
hotspot은 $600m$ 및 $2.4km$ static link를 사용하여 비행전에 결정.
카메라는 x축이 azimuth에, y축이 고도에 맞춰 정렬되도록 mount위에서 정렬된다.

3.3 Coherent communications

$1550nm$ laser 통신 신호는 commercially-off-the-shelf C form-factor(CFP) 27.95 Gbaud dual polarization quadrature phase shift keying(dp-qpsk) digital coherent optics(DCO) MODULE

DCO(Digital Coherent Optics) 전력 측정은 $1Hz$ 에서 이루어지기 때문에 대기 turbulence로 인한 빠른 power 출렁임은 aliasing을 따른다.
따라서 90:10 BS는 수신된 빛의 10%를 monitoring PD로 전송하여 $2kHz$ 로 수신된 power 정보를 capture한다. 이 샘플 속도는 대기 coherence time보다 빠르기 때문에 turbulence 또는 지향 오차로 인한 짧은 지속 시간의 deep fade가 존재하는지 확인할 수 있으며, 드론이 통과하는 동안 신호가 관찰되면 강건한 SMF coupling의 목표가 성공적으로 달성된 것으로 볼 수 있습니다.

3.4 Optics

3.5 Drone

LEO 위성의 각운동을 묘사하기 위해, professional grade drone에 gimbal-mounted optical payload에 다음이 탑재됨.

$2inch$ 크기의 CCR
machine vision 추적용 4개의 $532nm$ beacon LED
payload orientation을 위한 camera
LoRa 통해 광학 터미널과의 상대 좌표 전달할 수 있는 GPS와 기압 고도계

드론의 최대 수평 속도는 $65km/h$ 이므로 $\sim 1deg/s$ 의 추적 각속도로 $700m$ 거리에서 묘사할 수 있다.

3.6 Flight Operations

이륙 후 드론은 규제가 제한된 120m 고도까지 상승하여 강 위의 위치로 이동한 다음 Beacon LED가 mount를 향하도록 gimbal pointing을 조정.
드론에 내장된 GPS 모듈은 드론 위치를 광학 단말 컴퓨터에 지속적으로 전송하고
단말은 이를 고도와 방위각으로 변환하여 드론을 지향.
카메라의 FOV 내에 LED가 보이면 MV loop가 닫히고 hotspot에서 드론 beacon을 획득하고 유지하도록 mount의 지향이 조정.
drone이 machine vision hotspot에 위치하면 laser가 CCR에 입사되고 신호가 터미널로 되반사.
그러나 드론과의 상대적으로 짧은 거리와 바람의 turbulence에 대한 민감성 때문에 return power은 tip/tilt loop가 closed와 signal이 안정적일 때까지 간헐적으로만 관찰.
Machine Vision과 tip/tilt loop를 동시에 실행하여 대기 turbulence로 인한 beam wander뿐만 아니라 이게 의도적인지, wind의 난기류이든 거시적인 모션을 보정하여 drone 추적을 한다.
Machine Vision은 높은 amplitude와 낮은 주파수( $\gtrsim 1Hz$ ) error를 mount로 조절
tip/tilt loop는 낮은 amplitude( $<2mrad$ )와 높은 주파수 error를 tip/tilt mirror로 조절