2023年无线光通信技术概析.docx

无线光通信技术概析 杨芳 ：文章讨论了无线光通信中选择波长、降低空间损耗、传输定位、消除闪烁散射、提速编码等关键技术，然后研究了大气信道对无线光通信链路的影响，介绍了自适应光学技术（系统）的组成，最后从发射分集角度讨论了大气光通信中发射器的配置问题。 关键词：无线光通信； 大气信道； 发射器配置 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2022）35-0083-02 1 无线光通信关键技术概析 1.1 无线光通信技术与传统通信技术的比较 无线光通信技术相比于传统的数字微波、铜缆数字用户线、光纤、无线电等通信技术，其优势主要如下：第一是平安保密性高，主要因为激光具备高指向性、传输目标准确、发射光束窄的特点，使其发散角保持在毫弧度甚至微弧度的数量级，保证了传输信息的稳定、平安和保密； 第二是设备架设迅速，主要因为光波的波长短，使其通信天线的功耗、体积、质量等品质均优于微波、毫米波等通信天线，加之无线光通信架设、组网迅速，只在通信节点上进行设备安装，建设工期以小时为单位，适合作为应急类光纤通信故障后备或者临时性大容量通信链路建设，容易进行撤换和重新部署； 第三是信息容量大，指以光波为信息载体的传输速度可达10Gb/s，实验室的无线光通信设备传输速度甚至可到达150Gb/s，另外其通信的工作频率在350THz左右，各种设备间不存在信号干扰，无需申请频率使用许可，在协议兼容性良好的条件下，可以迭加任何传输协议，实现电路和数据业务的全透明传输； 第四是运营本钱低，其无需昂贵的工程管道铺设和使用中的维护费用，造价是传统通信工程的20%左右。 1.2 无线光通信技术组网通信中的关键技术 采用无线光通信技术组网通信时需考虑以下关键技术对通信质量的影响：其一是选择波长，空气中的水分子会衰减波的传播，对波长具有选择性，一般会选用损耗低的窗口850nm和1550nm波长，另外考虑到激光能量密度或功率密度超过次阈值时对人体眼睛的损伤问题，经试验证明，1400nm波长以上的激光对人眼的致伤阈值是1400nm波长以下的激光的45倍左右，因此建议在室内选择1550nm波长的激光作为工作波长； 其二是降低空间损耗，即通过提高发射功率、增加光束数量、聚焦波束、拓宽接受动态范围等措施，降低激光波束在空间传输过程中的损耗，再者需考虑不同气象条件下空气中水分子、水滴、颗粒等对激光传输造成的损耗； 其三是传输定位，因日光、风力、季节、雨雪等自然条件变化下，易引起建筑物及固定基座的位置偏移，可采用变焦以改变波束发散角或者利用CCD光强度或波形自动定位和跟踪； 其四是消除闪烁和散射，因空气内部温度的不均一性，大气的折射系数存在明显差异，易引起传输信号强度的变化，其影响范围主要在大于500m的长距离通信中，可采用多波束或者利用相关检测方法解决的手段，空气散射主要指空气内部温度不均一性造成的介质折射率不同，易造成传输损耗，可采用合理躲避排风口、烟囱、高温屋顶、管道等手段解决； 其五是提高传输速度和编选特殊编码，采用粗波分复用CWDM方法是提高传输速度的主要手段之一，编选特设编码意在提高无线光通信的保密性，因为激光直线传输使其扩散角度较小，将接收器置于传输路径中易导致传输中断，假设在光束的扩散区域中那么易使损耗过大，接收灵敏度要求过高，因此编选特殊编码那么可解决上述问题，提高无线光通信的保密性。 2 大气信道对无线光通信链路的影响 2.1 大气信道对无线光通信链路的影响 无线光通信系统的传输介质（载体）是大气信道，激光在大气信道中传输时因大气层参数随机性易产生大气衰减和大气湍流效应两类影响。大气衰减主要指大气中存在的气体分子、水雾粒子、气溶胶粒子、局部微粒等吸收或者散射辐射光能量，造成能量损失、能量重新分配或者能量偏移传播等现象。大气始终处于运动状态下的不稳定体系中，其折射率随着时间和空间变化无规那么变化，因此光波参量也随着折射率的变化而随机地影响到光束的传输质量。另外大气中雨、血、浓雾等自然恶劣条件也会导致多光信号造成严重的衰减，一般可采用提高功率的方法克服。大气湍流主要指大气湍流运动状态下因折射率随机变化造成的光束扩展、光束弯曲、光强闪烁等影响，例如光强闪烁影响，其指光束通过湍流漩涡时，光束直径内的独立形成散射和衍射现象，是光强在折射率随机变化下上下起伏，造成波前失真和相位变化的问题，大气湍流效应不仅影响光束的传输途径和光束的位置指向，而且会增加光束的传输损耗，严重时甚至会导致通信的错误和中断，采用自适应光学技术能解决大气湍流和大气扰动的动态损耗。 2.2 自适应光学技术 自适应光学技术以光学波前为控制对象，实时测量波前误差并进行补偿，保证接收口径光束能量的最大值，消除或者减少大气湍流的影响，其下的光学系统称为相位共扼式（常规）自适应光学系统，主要由波前传感器、波前控制器、波前校正器等部件组成。波前传感器由具备独立图像探测器的透镜组成，其作用时实时测量波前误差，将误差信息传送至波前校正器。波前校正器实质是每秒形变近千次的反射元件，主要由镜面背后的压电晶体所致，其作用之一接收控制系统传输的控制信号，在光路中改变、校正波前的形状和误差，输出校正后的光束波； 之二是修复入射光的波前，提高信噪比； 之三是根据波差信号整形出射光，减小大气折射率的影响，提升传输质量； 其作用机制是与波前传感器形成回路，在波前控制器的控制下，假设形成正确形状，传感器即会测量得平面波，证明镜面形变抵消大气扰动所致的波前误差，校正成功。波前控制器的实质那么为一个具备高速、大容量的计算机系统，其作用是处理波前误差信息并转换为控制驱动信号，然后驱动波前校正器产生与畸变波前大小相等、符号相反的波前校正量，实时补偿因大气湍流扰动畸变波前。自适应光学技术系统可放置在接收端，使得光电探测器探测到的信号能量集中，有效解决大气湍流效应的影响。 3 大气光通信中发射器的配置讨论 大气温度不均一造成的湍流效应会导致例如光束弯曲、光束扩展、光束闪烁、成像跳动等问题，易增加接收端的误码率，严重时导致通信中断，消除湍流效应的手段之一是利用“孔径平均效应〞减小接受光强的起伏状况，但是其要求光束到达接收端时的光束展宽度足够，对透镜尺寸提出了较高要求，通常利用分集技术消除或者减弱湍流效应，增加通信强度、质量和概率。于此，从发射分集角度做出多个发射器一个接收器的讨论。以下讨论中，均以各个发射机相互独立、互不影响、服从统一分布为 模型。 3.1 发射功率与发射器个数呈线性相关 现令一个发射器被接收端探测的概率为P，当有m个发射器时的探测概率为Pm，忽略每一个发射器小于接收端门限值，在联合条件下可满足通信概率的情形。使发射器个数保持在1～4个左右，经试验结果证明，如图1所示，当Xσ=0.01时，增加发射器的个数对通信概率的影响很小； 当Xσ=0.1时，两个发射器比一个发射器的探测概率有明显增加，但继续增加发射器那么影响不大，只会增加设备本钱和复杂度。所以，在实际配置时，需根据通信系统的具体功能选择适宜的发射器个数。 3.2 发射功率一定与发射器的关系 现令一个发射器被接收端探测的概率为P，当有m个发 图1 不同Xσ下不同发射器个数的通信概率 图2 总功率受限和不限情形比照图 射器时的探测概率为Pm，总发射概率为P总。经试验结果证明，如图2所示，当Xσ=0.1时发射的总功率变化和不变情况下通信概率变化情形，发射器个数依次也是1～4个左右，结论如下：一是当场强阈值比值大于0.5时，一个发射时的通信概率开始小于1，随着场强阈值的增加而剧烈减少； 二是当场强阈值比值大于0.5后，多个发射的情况比一个发射时通信概率高，但是四个比三个的通信概率增加不明显； 三是当总功率一定时，随着发射机个数的增加通信概率在减小，增加发射机个数只会使通信的概率减小，所以此种情况下不宜采用发射分集，可考虑采用接收分集； 四是当总功率不受限制时，增加发射机的个数可使探测概率增加，并且最好选用2～3个支路。 参考文献 [1] 苏磊.无线光通信技术及其应用[J].光通信技术， 2022，26（4）：22-25. [2] 王海先.大气中激光通信技术[J].红外与激光工程， 2022，30（2）：123-127.