RAISE: AraOptical 2.0: MISO Free-Space Optical Communications for Long-Distance, High-Capacity X-Haul Networking

RAISE:AraOptical 2.0:用于长距离、高容量 X-Haul 网络的 MISO 自由空间光通信

基本信息

  • 批准号:
    2336057
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 100万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-10-01 至 2025-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Rural towns are usually tens of miles or even farther away from one another, and many rural towns and agriculture farms are far away from their nearest Internet backbone connection points. Thus high-capacity, long-distance wireless x-haul networks serve as important middle-mile solutions for connecting rural towns and agriculture farms with one another and with the Internet backbone. However, the existing practice has been mostly limited to microwave bands, and these microwave x-haul systems tends to have limited communication capacity. Free-space optical communications (FSOC) have been explored for high-capacity wireless x-haul networks. However, the existing practice in long-distance FSOC has been limited to inter-satellite data transfers, and terrestrial FSOC has been limited to short-distance communications between close-by buildings. To enable FSOC-based long-distance, high-capacity terrestrial x-haul networking, this project will develop robust Multi Input Single Output (MISO) FSOC prototypes that are expected to become foundational components of rural broadband solutions. The enabled real-time data-intensive rural applications, such as agriculture automation and XR-based rural education, are expected to have transformative impact on rural industries and communities. The proposed MISO FSOC prototype will leverage spatial, polarization, and wavelength diversity to mitigate the impact of beam wandering and scintillation in long-distance terrestrial FSOC, and it will be tested for transmission distances from 1km to 10km and beyond by using different aperture sizes, spatial distances, and polarization states. This project will also develop the AraOptical 2.0 programmable networking system whose controller manages the control, monitoring, and data planes of the MISO FSOC system to optimize its operation and to integrate it into a holistic x-haul architecture. An AraOptical 2.0 link will be deployed in ARA PAWR (one of NSF’s advanced wireless testbeds), and, leveraging the four-season weather in Central Iowa, this project will conduct extensive measurement campaigns to investigate the behavior of MISO FSOC links together with co-located mmWave and microwave links, and it will develop machine learning models and optimal controls for MISO FSOC systems and long-distance, high-capacity x-haul networks in general. This project will generate first-of-its-kind real-world measurement data and models of long-distance FSOC systems under different weather conditions and experiment profiles, and they will serve as important tools for the broader research and education community. This project will create exciting opportunities for broadening participation in computing, and it will help enrich undergraduate and graduate research and education as well as K-12 outreach.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
农村城镇通常彼此相距数十英里甚至更远,许多农村城镇和农业农场远离他们最近的互联网骨干连接点。那种大容量,长距离无线X-Haul网络是将农村城镇和农业农场彼此连接起来以及与互联网骨干的重要中英里解决方案。但是,现有的实践主要限于微波频带,这些微波X-Haul系统往往具有有限的通信能力。为高容量无线X-Haul网络探索了自由空间光学通信(FSOC)。但是,长途FSOC的现有实践仅限于卫星间的数据传输,而地面FSOC仅限于近距离建筑物之间的短途通信。为了启用基于FSOC的长距离,高容量的地面X-HAUL网络,该项目将开发出强大的多输入单输出(MISO)FSOC原型,这些原型有望成为粗糙宽带解决方案的基础组成部分。启用的实时数据密集型农村应用程序,例如农业自动化和基于XR的农村教育,预计将对农村工业和社区产生变革性的影响。拟议的误差FSOC原型将利用空间,极化和波长多样性来减轻长距离陆地FSOC中光束徘徊和闪烁的影响,并通过使用不同的光圈大小,空间距离和极化状态来测试从1km到10km及以后的传输距离。该项目还将开发ARAOPTICTIC 2.0可编程网络系统,该系统控制器管理Miso FSOC系统的控制,监视和数据平面,以优化其操作并将其集成到整体X-Haul体系结构中。 ARA PAWR(NSF的高级无线测试床之一)将部署AraOptical 2.0链接,并利用爱荷华州中部的四个季节天气,将进行广泛的测量活动,以调查MISO FSOC链接的行为,并与copoted mmwave和Microwave链接以及最佳的模型以及IT型模型,并将其用于较长的机器链接,并将其用于较长的机器链接,并将其供应。一般而言,高容量X-Haul网络。该项目将在不同的天气条件和实验配置文件下生成首个现实世界中的测量数据以及长距离FSOC系统的模型,它们将作为更广泛的研究和教育社区的重要工具。该项目将为扩大计算机的参与创造令人兴奋的机会,并将有助于丰富本科和研究生研究和教育以及K-12宣传。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准来评估来获得的支持。

项目成果

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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