無線光通信系統(tǒng)的傳輸與接入問題研究

楊樹軍

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453006)

0 引言

無線光通信(Free Space Optical,FSO)作為一種新的寬帶技術(shù),將光通信技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合,屬于自由空間的光通信范疇,能夠很好地處理受限于區(qū)域的有線通信問題,因此可以有效地滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與移動設(shè)備傳輸信號的需要。 無線光通信技術(shù)具有高效性、便捷性、靈活性等特點,并且設(shè)備成本逐步減小,因此將獲得普遍的應(yīng)用。 鑒于此,注重無線光通信傳輸與接入問題的研究,有助于更好地應(yīng)用該技術(shù),推動無線光通信的更好發(fā)展。

1 無線光通信系統(tǒng)

1.1 無線光通信系統(tǒng)的組成

無線光通信是指以媒介——大氣層進程傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?其可以很好地接入和傳輸光信號。 在收發(fā)端機間只要有足夠的發(fā)射功率與視距路徑條件,就可以傳輸光信號。 無線光通信系統(tǒng)能夠劃分為激光源、光學(xué)系統(tǒng)、接收機等,應(yīng)統(tǒng)一應(yīng)用望遠鏡和Er,Yb 光放大器,在實現(xiàn)“點對點”[1]的操作條件下,各階段都安裝有關(guān)的發(fā)射機與信號接收機,從而全程實現(xiàn)自由通信。其中,無線光通信系統(tǒng)的組成部分是接收機、接收光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、摻鉺光纖放大器、激光器(如圖1所示)。 系統(tǒng)基于光電轉(zhuǎn)換傳輸技術(shù),信號激勵源采用激光源模型,通過摻鉺光纖放大器對輸入信號實現(xiàn)放大傳輸。 摻鉺光纖為含有Er 離子的光纖,是摻鉺光纖放大器(EDFA)的核心部件。 輔助系統(tǒng)包括泵浦光源、無光源器件、控制單元以及監(jiān)控接口等部分。 無光源部分又可分為耦合器、光波分復(fù)用器、光纖連接器、隔離器。 光耦合器基于波分復(fù)用技術(shù)建立信號光與泵浦光的聯(lián)系,實現(xiàn)合二為一,然后利用光隔離器抑制光反射,保證放大器的穩(wěn)定性,此種方式可降低損耗,屏蔽偏振量,優(yōu)化隔離度。 再通過光濾波器減少輻射與噪聲,實現(xiàn)控制單元對系統(tǒng)的實時控制,并實時提供工作狀態(tài)信息。 該種方式增加了光纖通信的容量,同時兼具增益高、帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、損耗低等優(yōu)點。 所以光放大器件在當前光纖通信中得到廣泛應(yīng)用。 在操作過程中,發(fā)射機光源較易受到電信號的制約,要想有效地處理這種情況,須直接結(jié)合天線反射在檢驗器中聚集信號,從而進一步實現(xiàn)轉(zhuǎn)換光電信號的目標。 針對各種光波信號,大氣空間存在不同的穿透率,因此,在強穿透率的光波段會集聚無線光通信。

圖1 無線光通信系統(tǒng)的組成原理

1.2 無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢

FSO 是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物,是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統(tǒng)。 無線光通信的抗干擾性能良好,這是其他通信技術(shù)難以企及的,可以在水面或屋頂上直接架設(shè)。 無線光通信的方向性良好,并且波束較窄,因此其具備較高的安全系數(shù)。 無線光通信的經(jīng)濟成本比有線通信減少了約30%[2]。 無線光通信的通信范圍顯著擴大,無須受到地理條件的制約,還能夠充當應(yīng)急救災(zāi)或搶險的戰(zhàn)備,確保通信的順利傳輸。

FSO 在應(yīng)用實踐中,1 498 nm 或848 nm 的紅外光譜被經(jīng)常應(yīng)用,前者所使用的設(shè)備成本低,主要適用于短距離傳輸?shù)膱龊?后者所使用的設(shè)備成本較高,但是在傳輸距離、功率以及視覺安全方面表現(xiàn)更佳。 功率增大可有效減少外界惡劣因素的干擾,除此之外有效克服點對點通信頻譜占用成本問題,以光代替無線電波傳輸。 在抗干擾性能以及安全性能方面,無線光通信系統(tǒng)的功能深入提升,具備十分豐富的頻譜資源,不需要通過有關(guān)的技術(shù)協(xié)議或?qū)υS可證進行申請。

FSO 通信設(shè)備可以將光纖對接企業(yè)網(wǎng),特別是在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)建設(shè)中的應(yīng)用,避免了專線和鋪設(shè)光纖產(chǎn)生的運營費用,降低了企業(yè)運營的綜合成本,同時基于本地環(huán)路技術(shù),帶寬速度為45 Mbps～2.5 Gbps,通信質(zhì)量顯著提升,足以滿足企業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的各種需求。

1.3 無線光通信系統(tǒng)的缺陷

無線光通信效果受到大氣環(huán)境和傳輸距離的制約。 接收機和發(fā)射機間務(wù)必達到視線傳輸?shù)臈l件,倘若在高地頂放置設(shè)備,那么外部因素會制約其瞄準性。在各種氣象狀況之下,其信號傳輸效果也存在差別。例如,在霧天較易形成散射或發(fā)散的現(xiàn)象,從而顯著降低光信號的穩(wěn)定性;在雨雪條件下,光信號也會顯著減弱。 因此,無線光通信一般應(yīng)密切統(tǒng)一微波通信,從而實現(xiàn)其抗干擾性與抗衰減性的提升。

2 無線光通信的傳輸技術(shù)

無線光通信的傳輸帶寬類似于光纖通信技術(shù),其區(qū)別之處在于光纖通信的傳輸介質(zhì)是光纖,而無線光通信的傳輸媒介是空氣。 當今,無線光通信能夠達到4 000 m 的最遠傳輸距離,而傳輸速率最高能夠達到2.6 bit/s[3]。 無線光通信的傳輸媒介是光,因此能夠自主疊加全部的傳輸協(xié)議,從而推動了圖像、語音、數(shù)據(jù)等服務(wù)的透明化。 并且,作為非可視光的無線光通信,其具備較強的定向性和較窄的波束,不易在夜間被發(fā)現(xiàn)或竊聽,其保密性較優(yōu)。 作為一種視距寬帶技術(shù),無線光通信技術(shù)的信號傳輸效果與傳輸距離緊密相關(guān),例如傳輸距離較大,若超出相應(yīng)范圍后難以準確接收。當前可以確保1 000 m 范圍內(nèi)具備理想的信號傳輸效果,倘若在4 000 m 之外,則難以確保順利傳輸。

3 無線光通信的接入技術(shù)

在手機、通信用戶逐步增加的影響下,我們亟須解決偏遠區(qū)域的信號質(zhì)量提高問題。 為了更好地滿足客戶的實際需要,應(yīng)注重通信基站數(shù)量的持續(xù)增加。 當前,很多運營商在接入時基本應(yīng)用光纖光纜或微波的方式,對接入信號的設(shè)備指標要求較高。 在進行傳輸時,光信號較易受到反射或折射影響而形成串碼情況。并且,在此過程中,受到空氣折射與吸收的影響,光信號強度逐步減小,接收狀況受到嚴重制約。 鑒于此,無線光通信的信號接收機除了要求具備非常高的靈敏性,還應(yīng)該具有非常強的降干擾波譜與濾波效果[4]。

整體而言,無線光通信傳輸存在較為復(fù)雜的傳輸環(huán)境和較多影響傳輸?shù)囊蛩?因此需要比較廣泛的動態(tài)接收系統(tǒng)。 在地震和風(fēng)力等因素的制約下,接收設(shè)備形成相應(yīng)的位移或晃動,從而使激光器的瞄準受到進一步制約,造成難以順利通信。 目前,應(yīng)做好下面幾點工作:一是提高激光瞄準性能,結(jié)合應(yīng)用非機械設(shè)備精確和迅速地對準目標,并且提高接收機總功率,確保信噪比不減小的前提下提升接收機的信號質(zhì)量。 二是接入天線。 不受傳統(tǒng)路徑的限制,發(fā)射過程中的無線光通信的發(fā)射角難免形成以及傳輸方向存在較大的不確定性,這會損耗光信號。 為了更好地確保信號接收的準確性和靈敏性,應(yīng)將天線系統(tǒng)增設(shè)于接收端。天線系統(tǒng)的組成是凹凸面鏡,根據(jù)凹凸面鏡的光學(xué)理論聚焦信號,從而大大減少光信號損耗。 光學(xué)天線接收質(zhì)量受到天線孔徑的直接制約,應(yīng)根據(jù)實際工作現(xiàn)狀選用適宜的接收孔徑,避免孔徑太小或太大而降低接收質(zhì)量。 并且,還應(yīng)嚴格地對聚光斑點的精確性進行設(shè)置,提升光源的接收效率,避免損失光信號。 三是接入發(fā)射機。 發(fā)射機直接形成了無線信號,重點在于將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號。 通常無線光通信的傳輸不應(yīng)用光纜,其主導(dǎo)信號是橢圓光斑[5]。 由形成激光管芯,結(jié)合光學(xué)行為耦合運行,耦合準值與傳輸距離存在正比關(guān)系。 換言之,傳輸距離愈短,則具備愈高的耦合準值。 耦合準值的設(shè)定不但應(yīng)兼顧耦合效率,而且應(yīng)全面思考發(fā)散角值,避免影響接收信號和接收過程。

4 無線光通信的傳輸、接入需要注意的問題

無線光通信技術(shù)有效地滿足了當前通信和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求,進而得到了大量用戶的肯定,屬于一種信息化大發(fā)展的產(chǎn)物。 然而,作為一種不夠先進的新生技術(shù),無線光通信技術(shù)的應(yīng)用存在兩個主要問題:一是通信受到大氣狀況的影響。 因為無線光通信的傳輸媒介是空氣,其難免受到大氣環(huán)境的制約。 如果天氣環(huán)境復(fù)雜,則常常存在通信中斷、信號質(zhì)量差、通信受阻等現(xiàn)象,例如露天中光信號的散射以及雨雪天會顯著降低信號傳輸效果[6]。 二是面臨點對點連接的問題。 由于充當視距寬帶通信技術(shù)的無線光通信需要具備相應(yīng)的視距寬帶通信技術(shù),這表明在具備相應(yīng)視線傳播媒介的情況下,才可以通過光發(fā)射機和光接收機傳輸以及接收信號。 如果在山區(qū)頂部或較高的建筑物頂部放置設(shè)備,則較易受到外力(大風(fēng)或地震)的影響形成晃動,進而制約激光器的精準性。 鑒于此,無線光通信的傳輸、接入需要注意以下問題。

4.1 注重管理設(shè)備以及機理控制

無線光通信的傳輸和接入需要遵循一定的規(guī)則,一是注重管理設(shè)備以及機理控制。 無線光通信系統(tǒng)的高速運行要求接收機、傳輸天線、發(fā)射機共同作用,為此,應(yīng)注重管理傳輸設(shè)備以及機理控制。 應(yīng)用無線光信號可以擺脫光纜傳輸路徑與光線的制約,在傳輸信號時會導(dǎo)致信號的損耗,從而使傳輸方向的確定受到影響。 為了降低光信號散發(fā)量,提升信號傳輸效果,需要選用適宜的光學(xué)天線,從而達到信號應(yīng)用標準,確保無線光的接收效率和接收度。 另外,需要有效管控接收機,接收機的信號接收過程較易受到外部信號的影響,從而降低信號傳輸效果。 為此,需綜合提升信號接收機的接收能力、抵抗以及辨別干擾信號的能力,這也是提高無線光通信傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵方式。

4.2 注重瞄準研究

傳輸過程中的信號常常受大氣層無線波、外部條件中的信號源等的影響,導(dǎo)致顯著的信號傳輸質(zhì)量降低或遺失,影響用戶的應(yīng)用效果。 為此,只有提升信號接收與發(fā)射間的瞄準精度,才可以確保信號接收與發(fā)射的準確性,這也是當今提高無線波傳輸質(zhì)量的研究趨勢。 在當今的瞄準研究中,可以結(jié)合非機械設(shè)備輔助激光器的準確、迅速對準過程,進而提高信號接收的準確度,降低信號損害,進而大大優(yōu)化無線光通信的傳輸效果。

4.3 應(yīng)用輔助系統(tǒng)

在接收與傳輸無線光通信中,輔助系統(tǒng)是不可缺少的裝置。 輔助系統(tǒng)可以引導(dǎo)信號的傳輸,提升信號傳輸?shù)木珳识扰c效率,這非常有利于提升無線光的通信效果。 在應(yīng)用輔助系統(tǒng)時,倘若在設(shè)備上安裝單獨的輔助系統(tǒng),不但浪費設(shè)備空間,而且增加通信設(shè)備的費用支出,不利于無線光通信技術(shù)的更好發(fā)展。 為此,輔助系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效地統(tǒng)一光學(xué)天線與接收器,從而減少費用支出,確保安裝過程的簡單化,便于設(shè)備的應(yīng)用。 總之,只有真正融合輔助系統(tǒng)的功能,開發(fā)出有著更多無線光通信技術(shù)的先進設(shè)備,才可以結(jié)合輔助系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)理想的信號傳輸效果。

4.4 注重設(shè)備的安全操作

無線光通信技術(shù)的應(yīng)用還應(yīng)注重設(shè)備的安全操作。 由于無線光信號會傷害人體,特別是會顯著傷害人的眼睛,因此,在接收與傳輸信號的過程中,操作人員還需要認真地根據(jù)有關(guān)指標操作設(shè)備,戴好眼罩,以降低光信號對眼睛的傷害。 并且,注重計算發(fā)射功率,在安全范圍內(nèi)控制功率,強化人身安全防護的效果。此外,在生產(chǎn)無線光通信設(shè)備時,生產(chǎn)商應(yīng)制定專門的操作手冊,保障高度工作者安全地操作設(shè)備。

5 結(jié)語

綜上所述,無線光通信技術(shù)具備良好的發(fā)展和應(yīng)用前景,也勢必變成通信行業(yè)以后的發(fā)展趨勢。 對于無線光通信技術(shù)而言,其最基礎(chǔ)的工作是傳輸與接入問題,因此,有關(guān)工作者應(yīng)高度重視管理設(shè)備、機理控制、瞄準研究、設(shè)備的安全操作以及應(yīng)用輔助系統(tǒng),并且持續(xù)探究更加有效的傳輸與接入技術(shù)手段,從而為無線光通信技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。