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 文獻標識碼：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，主要因為激光具備高指向性、傳輸目標準確、發(fā)射光束窄的特點，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，主要因為光波的波長短，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)點上進行設(shè)備安裝，建設(shè)工期以小時為單位，適合作為應(yīng)急類光纖通信故障后備或者臨時性大容量通信鏈路建設(shè)，容易進行撤換和重新部署；第三是信息容量大，指以光波為信息載體的傳輸速度可達10Gb/s，實驗室的無線光通信設(shè)備傳輸速度甚至可達到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，實現(xiàn)電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的全透明傳輸；第四是運營成本低，其無需昂貴的工程管道鋪設(shè)和使用中的維護費用，造價是傳統(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，空氣中的水分子會衰減波的傳播，對波長具有選擇性，一般會選用損耗低的窗口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對人體眼睛的損傷問題，經(jīng)試驗證明，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光強度或波形自動定位和跟蹤；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，因為激光直線傳輸使其擴散角度較小，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因大氣層參數(shù)隨機性易產(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。大氣始終處于運動狀態(tài)下的不穩(wěn)定體系中，其折射率隨著時間和空間變化無規(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導(dǎo)致多光信號造成嚴重的衰減，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動狀態(tài)下因折射率隨機變化造成的光束擴展、光束彎曲、光強閃爍等影響，例如光強閃爍影響，其指光束通過湍流漩渦時，光束直徑內(nèi)的獨立形成散射和衍射現(xiàn)象，是光強在折射率隨機變化下高低起伏，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，而且會增加光束的傳輸損耗，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致通信的錯誤和中斷，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能解決大氣湍流和大氣擾動的動態(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，實時測量波前誤差并進行補償，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立圖像探測器的透鏡組成，其作用時實時測量波前誤差，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?，在光路中改變、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，傳感器即會測量得平面波，證明鏡面形變抵消大氣擾動所致的波前誤差，校正成功。波前控制器的實質(zhì)則為一個具備高速、大容量的計算機系統(tǒng)，其作用是處理波前誤差信息并轉(zhuǎn)換為控制驅(qū)動信號，然后驅(qū)動波前校正器產(chǎn)生與畸變波前大小相等、符號相反的波前校正量，實時補償因大氣湍流擾動畸變波前。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)會導(dǎo)致例如光束彎曲、光束擴展、光束閃爍、成像跳動等問題，易增加接收端的誤碼率，嚴重時導(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)”減小接受光強的起伏狀況，但是其要求光束到達接收端時的光束展寬度足夠，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)，增加通信強度、質(zhì)量和概率。于此，從發(fā)射分集角度做出多個發(fā)射器一個接收器的討論。以下討論中，均以各個發(fā)射機相互獨立、互不影響、服從統(tǒng)一分布為

模型。

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

現(xiàn)令一個發(fā)射器被接收端探測的概率為P，當有m個發(fā)射器時的探測概率為Pm，忽略每一個發(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)射器個數(shù)保持在1～4個左右，經(jīng)試驗結(jié)果證明，如圖1所示，當Xσ=0.01時，增加發(fā)射器的個數(shù)對通信概率的影響很??；當Xσ=0.1時，兩個發(fā)射器比一個發(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，只會增加設(shè)備成本和復(fù)雜度。所以，在實際配置時，需根據(jù)通信系統(tǒng)的具體功能選擇合適的發(fā)射器個數(shù)。

3.2 發(fā)射功率一定與發(fā)射器的關(guān)系

現(xiàn)令一個發(fā)射器被接收端探測的概率為P，當有m個發(fā)

圖1 不同Xσ下不同發(fā)射器個數(shù)的通信概率

圖2 總功率受限和不限情形對比圖

射器時的探測概率為Pm，總發(fā)射概率為P總。經(jīng)試驗結(jié)果證明，如圖2所示，當Xσ=0.1時發(fā)射的總功率變化和不變情況下通信概率變化情形，發(fā)射器個數(shù)依次也是1～4個左右，結(jié)論如下：一是當場強閾值比值大于0.5時，一個發(fā)射時的通信概率開始小于1，隨著場強閾值的增加而劇烈減少；二是當場強閾值比值大于0.5后，多個發(fā)射的情況比一個發(fā)射時通信概率高，但是四個比三個的通信概率增加不明顯；三是當總功率一定時，隨著發(fā)射機個數(shù)的增加通信概率在減小，增加發(fā)射機個數(shù)只會使通信的概率減小，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；四是當總功率不受限制時，增加發(fā)射機的個數(shù)可使探測概率增加，并且最好選用2～3個支路。

參考文獻

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