無線光通信技術(shù)概析

楊芳

摘要：文章討論了無線光通信中選擇波長、降低空間損耗、傳輸定位、消除閃爍散射、提速編碼等關(guān)鍵技術(shù)，然后研究了大氣信道對無線光通信鏈路的影響，介紹了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)（系統(tǒng)）的組成，最后從發(fā)射分集角度討論了大氣光通信中發(fā)射器的配置問題。

關(guān)鍵詞：無線光通信；大氣信道；發(fā)射器配置

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）35-0083-02

1 無線光通信關(guān)鍵技術(shù)概析

1.1 無線光通信技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的比較

無線光通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)的數(shù)字微波、銅纜數(shù)字用戶線、光纖、無線電等通信技術(shù)，其優(yōu)勢主要如下：第一是安全保密性高，主要因?yàn)榧す饩邆涓咧赶蛐?、傳輸目?biāo)準(zhǔn)確、發(fā)射光束窄的特點(diǎn)，使其發(fā)散角保持在毫弧度甚至微弧度的數(shù)量級，保證了傳輸信息的穩(wěn)定、安全和保密；第二是設(shè)備架設(shè)迅速，主要因?yàn)楣獠ǖ牟ㄩL短，使其通信天線的功耗、體積、質(zhì)量等品質(zhì)均優(yōu)于微波、毫米波等通信天線，加之無線光通信架設(shè)、組網(wǎng)迅速，只在通信節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，建設(shè)工期以小時(shí)為單位，適合作為應(yīng)急類光纖通信故障后備或者臨時(shí)性大容量通信鏈路建設(shè)，容易進(jìn)行撤換和重新部署；第三是信息容量大，指以光波為信息載體的傳輸速度可達(dá)10Gb/s，實(shí)驗(yàn)室的無線光通信設(shè)備傳輸速度甚至可達(dá)到150Gb/s，另外其通信的工作頻率在350THz左右，各種設(shè)備間不存在信號干擾，無需申請頻率使用許可，在協(xié)議兼容性良好的條件下，可以迭加任何傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的全透明傳輸；第四是運(yùn)營成本低，其無需昂貴的工程管道鋪設(shè)和使用中的維護(hù)費(fèi)用，造價(jià)是傳統(tǒng)通信工程的20%左右。

1.2 無線光通信技術(shù)組網(wǎng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)

采用無線光通信技術(shù)組網(wǎng)通信時(shí)需考慮下列關(guān)鍵技術(shù)對通信質(zhì)量的影響：其一是選擇波長，空氣中的水分子會(huì)衰減波的傳播，對波長具有選擇性，一般會(huì)選用損耗低的窗口850nm和1550nm波長，另外考慮到激光能量密度或功率密度超過次閾值時(shí)對人體眼睛的損傷問題，經(jīng)試驗(yàn)證明，1400nm波長以上的激光對人眼的致傷閾值是1400nm波長以下的激光的45倍左右，因此建議在室內(nèi)選擇1550nm波長的激光作為工作波長；其二是降低空間損耗，即通過提高發(fā)射功率、增加光束數(shù)量、聚焦波束、拓寬接受動(dòng)態(tài)范圍等措施，降低激光波束在空間傳輸過程中的損耗，再者需考慮不同氣象條件下空氣中水分子、水滴、顆粒等對激光傳輸造成的損耗；其三是傳輸定位，因日光、風(fēng)力、季節(jié)、雨雪等自然條件變化下，易引起建筑物及固定基座的位置偏移，可采用變焦以改變波束發(fā)散角或者利用CCD光強(qiáng)度或波形自動(dòng)定位和跟蹤；其四是消除閃爍和散射，因空氣內(nèi)部溫度的不均一性，大氣的折射系數(shù)存在明顯差異，易引起傳輸信號強(qiáng)度的變化，其影響范圍主要在大于500m的長距離通信中，可采用多波束或者利用相關(guān)檢測方法解決的手段，空氣散射主要指空氣內(nèi)部溫度不均一性造成的介質(zhì)折射率不同，易造成傳輸損耗，可采用合理規(guī)避排風(fēng)口、煙囪、高溫屋頂、管道等手段解決；其五是提高傳輸速度和編選特殊編碼，采用粗波分復(fù)用CWDM方法是提高傳輸速度的主要手段之一，編選特設(shè)編碼意在提高無線光通信的保密性，因?yàn)榧す庵本€傳輸使其擴(kuò)散角度較小，將接收器置于傳輸路徑中易導(dǎo)致傳輸中斷，若在光束的擴(kuò)散區(qū)域中則易使損耗過大，接收靈敏度要求過高，因此編選特殊編碼則可解決上述問題，提高無線光通信的保密性。

2 大氣信道對無線光通信鏈路的影響

2.1 大氣信道對無線光通信鏈路的影響

無線光通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)（載體）是大氣信道，激光在大氣信道中傳輸時(shí)因大氣層參數(shù)隨機(jī)性易產(chǎn)生大氣衰減和大氣湍流效應(yīng)兩類影響。大氣衰減主要指大氣中存在的氣體分子、水霧粒子、氣溶膠粒子、部分微粒等吸收或者散射輻射光能量，造成能量損失、能量重新分配或者能量偏移傳播等現(xiàn)象。大氣始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的不穩(wěn)定體系中，其折射率隨著時(shí)間和空間變化無規(guī)則變化，因此光波參量也隨著折射率的變化而隨機(jī)地影響到光束的傳輸質(zhì)量。另外大氣中雨、血、濃霧等自然惡劣條件也會(huì)導(dǎo)致多光信號造成嚴(yán)重的衰減，一般可采用提高功率的方法克服。大氣湍流主要指大氣湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下因折射率隨機(jī)變化造成的光束擴(kuò)展、光束彎曲、光強(qiáng)閃爍等影響，例如光強(qiáng)閃爍影響，其指光束通過湍流漩渦時(shí)，光束直徑內(nèi)的獨(dú)立形成散射和衍射現(xiàn)象，是光強(qiáng)在折射率隨機(jī)變化下高低起伏，造成波前失真和相位變化的問題，大氣湍流效應(yīng)不僅影響光束的傳輸途徑和光束的位置指向，而且會(huì)增加光束的傳輸損耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致通信的錯(cuò)誤和中斷，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能解決大氣湍流和大氣擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)損耗。

2.2 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)以光學(xué)波前為控制對象，實(shí)時(shí)測量波前誤差并進(jìn)行補(bǔ)償，保證接收口徑光束能量的最大值，消除或者減少大氣湍流的影響，其下的光學(xué)系統(tǒng)稱為相位共扼式（常規(guī)）自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，主要由波前傳感器、波前控制器、波前校正器等部件組成。波前傳感器由具備獨(dú)立圖像探測器的透鏡組成，其作用時(shí)實(shí)時(shí)測量波前誤差，將誤差信息傳送至波前校正器。波前校正器實(shí)質(zhì)是每秒形變近千次的反射元件，主要由鏡面背后的壓電晶體所致，其作用之一接收控制系統(tǒng)傳輸?shù)目刂菩盘枺诠饴分懈淖?、校正波前的形狀和誤差，輸出校正后的光束波；之二是修復(fù)入射光的波前，提高信噪比；之三是根據(jù)波差信號整形出射光，減小大氣折射率的影響，提升傳輸質(zhì)量；其作用機(jī)制是與波前傳感器形成回路，在波前控制器的控制下，若形成正確形狀，傳感器即會(huì)測量得平面波，證明鏡面形變抵消大氣擾動(dòng)所致的波前誤差，校正成功。波前控制器的實(shí)質(zhì)則為一個(gè)具備高速、大容量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其作用是處理波前誤差信息并轉(zhuǎn)換為控制驅(qū)動(dòng)信號，然后驅(qū)動(dòng)波前校正器產(chǎn)生與畸變波前大小相等、符號相反的波前校正量，實(shí)時(shí)補(bǔ)償因大氣湍流擾動(dòng)畸變波前。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)系統(tǒng)可放置在接收端，使得光電探測器探測到的信號能量集中，有效解決大氣湍流效應(yīng)的影響。

3 大氣光通信中發(fā)射器的配置討論

大氣溫度不均一造成的湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致例如光束彎曲、光束擴(kuò)展、光束閃爍、成像跳動(dòng)等問題，易增加接收端的誤碼率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致通信中斷，消除湍流效應(yīng)的手段之一是利用“孔徑平均效應(yīng)”減小接受光強(qiáng)的起伏狀況，但是其要求光束到達(dá)接收端時(shí)的光束展寬度足夠，對透鏡尺寸提出了較高要求，通常利用分集技術(shù)消除或者減弱湍流效應(yīng)，增加通信強(qiáng)度、質(zhì)量和概率。于此，從發(fā)射分集角度做出多個(gè)發(fā)射器一個(gè)接收器的討論。以下討論中，均以各個(gè)發(fā)射機(jī)相互獨(dú)立、互不影響、服從統(tǒng)一分布為

模型。

3.1 發(fā)射功率與發(fā)射器個(gè)數(shù)呈線性相關(guān)

現(xiàn)令一個(gè)發(fā)射器被接收端探測的概率為P，當(dāng)有m個(gè)發(fā)射器時(shí)的探測概率為Pm，忽略每一個(gè)發(fā)射器小于接收端門限值，在聯(lián)合條件下可滿足通信概率的情形。使發(fā)射器個(gè)數(shù)保持在1～4個(gè)左右，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，如圖1所示，當(dāng)Xσ=0.01時(shí)，增加發(fā)射器的個(gè)數(shù)對通信概率的影響很小；當(dāng)Xσ=0.1時(shí)，兩個(gè)發(fā)射器比一個(gè)發(fā)射器的探測概率有明顯增加，但繼續(xù)增加發(fā)射器則影響不大，只會(huì)增加設(shè)備成本和復(fù)雜度。所以，在實(shí)際配置時(shí)，需根據(jù)通信系統(tǒng)的具體功能選擇合適的發(fā)射器個(gè)數(shù)。

3.2 發(fā)射功率一定與發(fā)射器的關(guān)系

現(xiàn)令一個(gè)發(fā)射器被接收端探測的概率為P，當(dāng)有m個(gè)發(fā)

圖1 不同Xσ下不同發(fā)射器個(gè)數(shù)的通信概率

圖2 總功率受限和不限情形對比圖

射器時(shí)的探測概率為Pm，總發(fā)射概率為P總。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，如圖2所示，當(dāng)Xσ=0.1時(shí)發(fā)射的總功率變化和不變情況下通信概率變化情形，發(fā)射器個(gè)數(shù)依次也是1～4個(gè)左右，結(jié)論如下：一是當(dāng)場強(qiáng)閾值比值大于0.5時(shí)，一個(gè)發(fā)射時(shí)的通信概率開始小于1，隨著場強(qiáng)閾值的增加而劇烈減少；二是當(dāng)場強(qiáng)閾值比值大于0.5后，多個(gè)發(fā)射的情況比一個(gè)發(fā)射時(shí)通信概率高，但是四個(gè)比三個(gè)的通信概率增加不明顯；三是當(dāng)總功率一定時(shí)，隨著發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)的增加通信概率在減小，增加發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)只會(huì)使通信的概率減小，所以此種情況下不宜采用發(fā)射分集，可考慮采用接收分集；四是當(dāng)總功率不受限制時(shí)，增加發(fā)射機(jī)的個(gè)數(shù)可使探測概率增加，并且最好選用2～3個(gè)支路。

參考文獻(xiàn)

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