無線光通信系統(tǒng)的傳輸與接入問題研究

蓋 松

（中移鐵通有限公司 濰坊分公司，山東 濰坊 261041）

0 引 言

無線光通信（Free Space Optical，F(xiàn)SO）的原理主要為利用光作為信號載體，然后利用無線通信的方式將信號發(fā)射出去。現(xiàn)階段，人們在接入寬帶的過程中可供選擇的寬帶接入技術(shù)較多，將其應(yīng)用于現(xiàn)實生活中能夠彌補數(shù)字通信、光纖通信的不足之處，更好地滿足近地通信需求。

1 FSO系統(tǒng)概述

本文所研究的FSO系統(tǒng)是從發(fā)射器產(chǎn)生并發(fā)送光信號，工作原理主要為光信號發(fā)送、大氣載輸、光信號接收，具體如圖1所示。

圖1 FSO系統(tǒng)工作原理

2 FSO系統(tǒng)傳輸與接入的常見問題及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 常見問題

首先，F(xiàn)SO系統(tǒng)所應(yīng)用的FSO技術(shù)屬于1種新型的寬帶接入技術(shù)，傳輸距離越長，光束寬度越寬，最后將會導(dǎo)致信號接入端的接收機無法接收大氣信道中的光電信號。目前，在1 km以下可以得到最佳的信號傳輸效果和最佳的信號傳輸質(zhì)量[1]。

其次，氣候條件對于FSO系統(tǒng)應(yīng)用性能存在直接影響，因為該系統(tǒng)信號傳輸與接入中介為大氣信道，所以晴朗的天氣對FSO系統(tǒng)應(yīng)用性能影響最低，而雨雪、雷電、大霧天氣則影響較大。眾多實踐研究表明，晴朗天氣下FSO的衰弱經(jīng)驗值為3～5 dB/km，雷電或下雨天氣下FSO的衰弱經(jīng)驗值為5～50 dB/km，雪天下FSO的衰弱經(jīng)驗值為50～150 dB/km，霧天下FSO的衰弱經(jīng)驗值為50～300 dB/km。

最后，城市內(nèi)的建筑群落阻礙與防護林晃動等對于FSO系統(tǒng)傳輸端和接入端的光束瞄準存在直接影響。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）光源技術(shù)與調(diào)制技術(shù)。FSO中存在干擾的背景光，系統(tǒng)需要大功率的光源，同時需要保證調(diào)制功率較高，才能夠在背景光的干擾下迅速捕獲光信號、有效跟蹤信號傳輸與接入的目標。一般情況下，為抑制背景光對信號接收質(zhì)量的影響，工作人員可調(diào)制的光源頻率范圍為數(shù)十赫茲至數(shù)萬赫茲。但如果想保證FSO系統(tǒng)運行能夠接入與傳輸質(zhì)量上乘的激光光束，那么相關(guān)工作人員則需將激光器的工作頻段控制在幾十兆赫茲至幾十吉赫茲[2]。

（2）APT技術(shù)。FSO系統(tǒng)傳輸端、接入端間的傳播需要嚴格的視距控制，原子探針層析（Atom Probe Tomography，APT）技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用是解決障礙物阻擋、搖晃影響FSO系統(tǒng)信號傳輸與接入質(zhì)量的關(guān)鍵手段。APT信號能夠在大角度范圍內(nèi)捕捉目標，捕獲的范圍一般能夠高達20°甚至更大，捕獲的視場角大約有幾毫弧度，靈敏度為10 pW，跟蹤精度為幾十毫弧度。此外，在信號保持方面，APT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)信號的實時瞄準，且滿足信號有效跟蹤的需求。

除上述關(guān)鍵技術(shù)外，關(guān)于FSO系統(tǒng)的信號收發(fā)質(zhì)量，相關(guān)工作人員仍需對大氣信道的環(huán)境展開進一步研究。FSO系統(tǒng)運行的過程中，無論是近地間、還是近地與天空間的信號傳輸，大氣信道中的各個參數(shù)均是隨機的，而大氣信道中，大氣對于傳輸端輸出的光電信號所存在的作用主要源于大氣折射、散射以及衰減，其中折射會導(dǎo)致FSO系統(tǒng)接入端接入光電信號前，光電信號發(fā)生波前失真[3]。散射與衰減則會導(dǎo)致光電信號的光能量損失，增加光電信號誤碼率。在霧天，大氣中的霧粒子因更為接近波長，所以更易于吸收FSO系統(tǒng)所傳輸?shù)墓怆娔芰俊?/p>

3 FSO系統(tǒng)傳輸與接入的設(shè)計重點

3.1 多脈沖位置調(diào)制

多脈沖位置調(diào)制的基本原理為將連續(xù)的L個二進制信號調(diào)制到Q個時隙組成的時段，光脈沖出現(xiàn)在其中的P個時隙上，P個脈沖會按照一定規(guī)律排列。L、Q、P之間的關(guān)系可表示為

基于列表法多脈沖位置調(diào)制（Multi-Pulse Pulse Position Modulation，MPPM）的編碼映射方法見表1。

表1 多脈沖位置調(diào)制列表法

2個脈沖的MPPM示意如圖2所示。

圖2 2個脈沖的MPPM示意

如果不采取列表法，還可以采取三角矩陣的方式，即

相較于列表法而言，三角矩陣方法應(yīng)用于比特流數(shù)目較多的FSO系統(tǒng)中更具靈活性[4]。

3.2 大氣湍流

FSO系統(tǒng)在運行的過程中其傳輸光束受到大氣湍流的影響，因?qū)α鲗又械臏囟扰c壓力等參數(shù)不可控，所以大氣對于光束所存在的折射率也是隨機的、不可控的。大氣湍流會產(chǎn)生諸多的漩渦元，這些漩渦元受溫度、密度等參數(shù)的影響發(fā)生折射率的改變，在風(fēng)速影響下漩渦元或產(chǎn)生、或消失、或快速運動，其變化頻率最高可達數(shù)百赫茲，而光電信號在大氣環(huán)境中受漩渦元的影響將會發(fā)生彎曲、漂移甚至擴展、畸形等現(xiàn)象，繼而造成FSO系統(tǒng)接入端光電信號的抖動與閃爍[5]。大氣湍流是導(dǎo)致FSO系統(tǒng)接入端光電信號誤碼率增加的關(guān)鍵原因，大氣湍流模型是相關(guān)工作人員在設(shè)計FSO系統(tǒng)過程中了解大氣湍流強度的關(guān)鍵，但大氣湍流模型相對較多，相關(guān)工作人員仍需合理選擇，對此本節(jié)在陳列大氣湍流模型的基礎(chǔ)上選擇1個模型，以期為FSO系統(tǒng)設(shè)計中解決大氣湍流的問題提供理論指導(dǎo)。

（1）對數(shù)正態(tài)分布。對數(shù)正態(tài)分布模型主要用于較弱的大氣湍流強度中，對應(yīng)的計算公式為

式中：I為傳輸?shù)男盘枏姸龋粸閷?shù)光強方差；erf(x)為誤差函數(shù)。

（2）K分布。K分布模型主要用于較強的大氣湍流強度中，對應(yīng)的計算公式為

式中：I＞0；α＞0；Γ(·)為伽馬函數(shù)；α為與離散分布有效數(shù)相關(guān)的正平均數(shù)；Kv(x)為第二類正貝塞爾公式。

（3）指數(shù)韋伯分布。上述各函數(shù)模型均不能保證應(yīng)用大孔徑各湍流強度實驗數(shù)據(jù)的精準性，而Barrios等人基于韋伯衰落信道模型所提出的函數(shù)模型，則能夠滿足大孔徑各湍流強度實驗，對應(yīng)的計算公式為

式中：Ij為服從韋伯分布的隨機變量；wj為不同路徑衰弱的平均因子，且歸一化后可以得到∑wj=1。

通過上述的模型陳列得以明確指數(shù)韋伯分布模型更適用于FSO系統(tǒng)大氣湍流問題中大氣湍流強度的檢測。

3.3 瞄準誤差

除大氣湍流外，F(xiàn)SO系統(tǒng)的性能還會受到各種天氣因素與環(huán)境因素的限制，從而出現(xiàn)瞄準誤差的問題。因FSO系統(tǒng)屬于視距通信，即FSO系統(tǒng)的傳輸端與接入端均需要在1個可視的范圍內(nèi)，如果FSO系統(tǒng)所設(shè)置的光束直徑較小，傳輸距離較長，那么一旦傳輸或接入設(shè)備所在的高樓、平臺發(fā)生晃動，則會引發(fā)瞄準誤差，即使是微小的晃動也會影響光斑中心無法與接入設(shè)備孔徑對齊[6]。

4 無線光通信系統(tǒng)傳輸接入管理

FSO系統(tǒng)通信信道理論研究的側(cè)重點相對較多，如光電信號在傳輸過程中的空間損耗、時間損耗以及接入端的噪聲類型等。將FSO系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域作為基礎(chǔ)對FSO系統(tǒng)的通信信道進行劃分，主要涵蓋室內(nèi)信道與大氣信道。關(guān)于室內(nèi)通信信道，雖然信道的結(jié)構(gòu)較為簡單，但在具體應(yīng)用的過程中仍會存在因墻壁以及桌子等外界因素阻礙光電信號傳輸，致使接入端的光電信號誤碼率增加。而大氣信道則較為復(fù)雜，本文在研究的過程中所針對的就是大氣信道。由此可見，無論通信信道如何，在FSO系統(tǒng)傳輸與接入的管理中，相關(guān)工作人員均需要考量到瞄準誤差程度與大氣湍流強度2個參數(shù)，在FSO系統(tǒng)正式投入應(yīng)用之前，利用上文的各計算公式，通過FSO系統(tǒng)信號傳輸試驗估算出2個參數(shù)的數(shù)值，并將其作為FSO系統(tǒng)改進設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)階段，國內(nèi)通信設(shè)備的發(fā)展尚無法滿足通信技術(shù)發(fā)展的需求，F(xiàn)SO系統(tǒng)亦是如此，所以在FSO系統(tǒng)傳輸與接入管理中相關(guān)工作人員應(yīng)對FSO系統(tǒng)所應(yīng)用的器件予以高度重視，保證所設(shè)置的器件能夠滿足FSO系統(tǒng)光電信號的傳輸與接入需求。由圖1可知，在FSO系統(tǒng)中所應(yīng)用的器件主要涵蓋激光器、調(diào)制器、編碼器、解調(diào)器等。因FSO技術(shù)的信號傳輸原理為傳輸端設(shè)備將電信號轉(zhuǎn)化為光信號、接入設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，而不同設(shè)備的調(diào)控方式存在顯著差異，加之光電信號基于光耦合后信號的準確值將會發(fā)生變化，所以在FSO系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，相關(guān)工作人員還需關(guān)注耦合值的設(shè)置，以此避免因設(shè)計不全而影響FSO系統(tǒng)光電信號的接收效果。此外，在FSO系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)嚴格控制光學(xué)天線的設(shè)置位置，因FSO系統(tǒng)的光學(xué)天線大多為凹凸鏡結(jié)構(gòu)，在具體的應(yīng)用中因信號的生成并不受傳輸電纜與通信電纜的影響，所以會形成1個向下的角度，這一角度不僅無法使光信號變得清晰，同時還會引發(fā)光信號發(fā)生嚴重的消耗，所以對光學(xué)天線位置的調(diào)制是降低光信號消耗的1個重要手段。

與此同時，F(xiàn)SO系統(tǒng)在運行中，廣電信號對于人眼存在一定的危害，所以在FSO系統(tǒng)傳輸與接入管理的過程中還需關(guān)注工作人員的安全操作，建議相關(guān)工作人員能夠根據(jù)傳輸端與接入端各設(shè)備的操作說明嚴格進行相關(guān)操作。

5 結(jié) 論

通過本文上述的理論研究得以明確FSO系統(tǒng)傳輸與接入存在2項關(guān)鍵問題，即大氣湍流與瞄準誤差，雖然兩項問題均為外部不確定因素影響，但在FSO系統(tǒng)管理實踐中，一方面工作人員可以利用相應(yīng)的公式估算出具體的數(shù)值，了解FSO系統(tǒng)光電信號的傳輸效果；另一方面工作人員可以通過控制FSO系統(tǒng)傳輸端與接入端的設(shè)備降低誤碼率，促進光電信號傳輸質(zhì)量的提升。