無線光通信技術(shù)的應(yīng)用

嚴(yán) 婧

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

0 引言

自從1960年出現(xiàn)激光以來，由于其良好的單色性、方向性及高亮度性特點，其在多個領(lǐng)域中的應(yīng)用非常突出，特別是在通信領(lǐng)域。由于其極大地促進了通信領(lǐng)域的發(fā)展，因此激光的應(yīng)用掀開了現(xiàn)代光通信史上嶄新的一頁，經(jīng)過多年的創(chuàng)新發(fā)展，各項基本技術(shù)也有了很大的進步，在當(dāng)今的信息傳遞中占有非常重要的地位。

1 無線光通信的概述

光通信主要分為有線光通信和無線光通信兩種。有線光通信即光纖通信，是當(dāng)前廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)。

1.1 無線光通信的定義

無線光通信又被稱為自由空間光通信(Free Space Optical Communication， FSOC)，由于激光具有明顯優(yōu)勢，一般無線光通信大都以激光為載體，所以一般無線光通信指的是無線激光通信(OWC)，又稱自由空間激光通信(FSO)。

激光通信指的是利用激光光束作為信息載體來傳遞信息的一種通信方式，它和傳統(tǒng)的電通信一樣，也有兩種形式，即有線激光通信和無線激光通信。其中有線激光通信主要以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒質(zhì)進行信息傳遞的光纖通信，光纖的應(yīng)用在近二、三十年得到了非常迅速的發(fā)展，截至目前，光纖已經(jīng)成為遠(yuǎn)距離、高速信息傳輸?shù)墓歉?，成為廣域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳輸主要傳輸媒介，傳統(tǒng)的電纜通信正在逐漸被光纖所替代[1]。但是就目前的情況來看，光纖的安裝難度和費用是光纖使用的主要問題，特別是在惡劣天氣或惡劣地質(zhì)條件下敷設(shè)光纜時其工程施工難度更大，建設(shè)周期更長，費用也更高。

無線激光通信不再使用光纖等傳播媒介，直接利用激光在大氣或外太空中進行信號傳遞，可進行語音、數(shù)據(jù)、電視、多媒體圖像的高速雙向傳送，不僅包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，還包括地面站的光通信，是目前國內(nèi)外研究的熱點項目，并且開始投入大量人力和物力來爭奪這一領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

1.2 無線光通信的發(fā)展歷程

早在1880年發(fā)明了電話的貝爾，在發(fā)明了電話之后，便有了利用光來通話的想法，于是他利用太陽光作為光源，用硒晶體作為光的接收器，成功完成了213 m的光電話試驗。但是由于其穩(wěn)定性較差，再加上當(dāng)時無線電技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)時主流通信技術(shù)，因此無線光通信技術(shù)的發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。后來美國科學(xué)家梅曼在1960年發(fā)明了紅寶石激光器，這種激光器可以作為通信光源，從此激光通信又被提到了研究的日程上。直到20世紀(jì)70年代，光纖通信取代大氣光通信開始成為人們研究發(fā)展的重點，再后來到1998年無線光通信又重新進入了激烈競爭的通信領(lǐng)域，成為非常有競爭力的無線通信工具，無線光通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，與光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本一致，主要區(qū)別在于信道由光纖變成了大氣，收發(fā)設(shè)備上也發(fā)生了變化。

圖1 FSOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1.3 無線光通信的優(yōu)勢及劣勢

無線光通信與其他無線技術(shù)相比無需向無線管委會申請頻率執(zhí)照，其使用的機型也比較小，架設(shè)方便，對于解決寬帶接入的問題比較方便快捷。其主要的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)頻帶寬，速度高。由于無線光通信的傳輸介質(zhì)不同于傳統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，以空氣為傳輸介質(zhì)的特點使得頻帶比較寬，短距離傳輸速度比較高；(2)兼容多種通信協(xié)議。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸對協(xié)議的依賴性非常強，無線光通信系統(tǒng)突破了這一限制，比如當(dāng)前主流的以太網(wǎng)、ATM等都支持無線光通信；(3)搭建方便。無論是在何地，都可以進行空間的架設(shè)，并且架設(shè)周期短，大大節(jié)省了人力方面的成本；(4)安全性能高。無線光通信適合的是非常窄的波束，方向性比較強，在抗干擾或抗竊聽方面的比較強[2]。和光纖相比其成本也比較低，大概只有光纖成本的五分之一。其主要劣勢表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)無線光通信對位置的精度要求非常高。因此自然界的風(fēng)、雨、雷等都可能會對無線光通信發(fā)射器或接收器的位置帶來偏移的可能性，即使一點微小的位置偏差就會影響光信號的發(fā)射和接收；(2)無線光通信對空氣的質(zhì)量也有較高的要求?？諝庵猩⑸涞牧Ｗ右矔Πl(fā)射或接收的光信號帶來偏差方面的影響；(3)無線光通信主要適用于短距離數(shù)據(jù)的傳輸。長距離數(shù)據(jù)的傳輸是光纖的優(yōu)勢，但是卻是無線光通信的缺點，因此無線光通信的運用范圍變得非常窄；(4)安全因素。由于無線光通信一般都采用激光作為光源，所以對人體的安全會帶來一定的影響。

2 無線光通信的研究現(xiàn)狀

隨著無線光通信再次成為無線通信研究的重點，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)紛紛投入人力、物力和財力，再次重啟對無線光通信的深入研究。下面通過對國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)于無線光通信文獻的查閱，對國內(nèi)外關(guān)于無線光通信的相關(guān)文獻進行分析和研究。

2.1 國內(nèi)無線光通信的研究現(xiàn)狀

通過在知網(wǎng)上對國內(nèi)無線光通信相關(guān)文獻的搜索發(fā)現(xiàn)，2001—2021近20年間，關(guān)于無線光通信方面的文獻，從數(shù)量上來看共計1 339篇，其中發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上的有725篇，學(xué)位論文525篇，會議36次，報紙8篇，成果31項，其中2014年發(fā)表的無線光通信方面的文章最多，到2021年略有下降。這些無線光通信的文章主要發(fā)表在《光通信技術(shù)》《紅外與激光工程》以及《中國激光》等期刊雜志上，而學(xué)位論文則主要以北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)以及西安理工大學(xué)為主。

2.2 國外無線光通信的研究現(xiàn)狀

通過在知網(wǎng)上對國外無線光通信相關(guān)文獻的搜索發(fā)現(xiàn)，2001—2021近20年間，關(guān)于無線光通信方面的文獻，從數(shù)量上來看共計1 755篇，其中學(xué)術(shù)期刊1 534篇，會議203次，圖書16本，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2篇。其中2019年發(fā)表的數(shù)量最多，2021年略有下降。這些無線光通信方面的文獻主要發(fā)表在OpticsExpress,JournalofLightwaveTechnology:aJointIEEE/OSAPublication,PhysicaA:StatisticalMechanicsanditsApplications,AppliedOptics等國外的期刊上。

3 無線光通信的應(yīng)用

3.1 無線光通信的應(yīng)用場景

3.1.1 車載可見光通信

越來越多的車輛制造商開始用白光LED裝備新車輛。交通管制和市政建設(shè)單位也將交通信號燈和路燈用白光LED陣列取代?；贚ED可高速調(diào)制的特性，車輛之間、車輛與交通信號燈或路燈間可實現(xiàn)通信。像交通信號燈的狀態(tài)和周邊交通路況均可及時發(fā)送至駕駛員，及早做好剎車或道路選擇準(zhǔn)備。同時車載傳感器會將車輛的實時信息通過交通信號燈傳送至遠(yuǎn)程信息中心，增強車聯(lián)網(wǎng)的無線通信功能。類似的概念可用于機場飛機與地面航行控制器、飛機與飛機的無線光通信，以求得高安全性。

3.1.2 光學(xué)攝像頭通信

傳統(tǒng)的水下通信依賴于聲波技術(shù)，但通信速率受限很大。最近半導(dǎo)體光器件的飛速發(fā)展為水下高速光通信帶來了曙光。不同的海水對不同光波波長的吸收有顯著差別，海水組分對光的散射也很強。側(cè)重于對淺水至深水無線光通信系統(tǒng)構(gòu)架和技術(shù)作深入研究，用于海洋生物種群和海底石油勘探傳感系統(tǒng)。

3.1.3 室內(nèi)可見光定位

在大型復(fù)雜場所、建筑物內(nèi)、大樓內(nèi)，LED燈將遍布各地。白光LED光源可像GPS系統(tǒng)中的諸多衛(wèi)星一樣作為提供定位信息的泛在位置傳感器[3]。在大型購物場所，每個LED燈具有一個電標(biāo)識碼來代表它的位置，貨架及商品的擺放位置可預(yù)先由商家錄入圖庫。LED燈會連續(xù)廣播它們的位置信息和商業(yè)廣告信息。當(dāng)手持終端一旦進入服務(wù)區(qū)后，它可與LED燈實時通信以獲得這些信息。購物者通過鍵入商品類別或名稱快速搜索商品位置，并借助一系列LED燈的導(dǎo)向來快速找到商品。

3.1.4 室內(nèi)可見光通信

LED照明系統(tǒng)一個重要的附加應(yīng)用就是室內(nèi)移動終端(如手機、筆記本電腦等)嵌入的高速無線光接入和聯(lián)網(wǎng)。由于微波信號穿透建筑物時深度衰減，在許多場所由遠(yuǎn)方基站發(fā)射的信號其到達強度達不到通信性能的要求，致使話音斷續(xù)或數(shù)據(jù)鏈中斷。同時電磁波間相互干擾以及有限的頻譜資源導(dǎo)致系統(tǒng)容量的瓶頸[4]。無線光網(wǎng)具有上網(wǎng)速度快、鏈路性能高、大容量等優(yōu)點，已成為無線電系統(tǒng)的補充或替代，預(yù)期單鏈路可實現(xiàn)近于1 Gbps的通信速度，同一空間區(qū)域如有若干個終端同時介入，整個網(wǎng)絡(luò)可望達到幾十Gbps的容量，并可融合現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。

3.2 無線光通信應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

3.2.1 速度問題

盡管無線光通信的設(shè)備和組件雖然光譜比整個射頻光譜大3個數(shù)量級，但目前存在一些基本的限制，特別是在使用LED作為發(fā)射器時，使我們無法充分利用這一巨大的無線傳輸資源。為了克服這一限制，可以使用具有相似帶寬但發(fā)射光譜不同的多個設(shè)備，這被稱為波分復(fù)用(WDM)。從一些關(guān)于無線光通信的文獻了解到，采用這種波分利用技術(shù)，盡管發(fā)射光譜部分會重疊，但4個標(biāo)準(zhǔn)LED的聚合數(shù)據(jù)速率仍然可以達到15.7 Gbps。

3.2.2 帶寬問題

從上述要發(fā)射光譜為0.45 nm的紅光光源需要超過350 GHz的設(shè)備帶寬來看，顯然當(dāng)前的LED實現(xiàn)不了如此窄的帶寬發(fā)射光譜，而且用當(dāng)前無線通信技術(shù)要想實現(xiàn)350 GHz的發(fā)射設(shè)備帶寬也很難做到。這種設(shè)備的局限性目前也正是當(dāng)下一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。與點對點通信(如FSO)不同，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須在室內(nèi)環(huán)境中為潛在的大量終端用戶提供同步無線連接[5]。因此，還有一個額外的挑戰(zhàn)(除了設(shè)備帶寬)，這與鏈路和接收機靈敏度有關(guān)，這一方面是由于探測器尺寸小，另一方面是由于光功率分布廣泛。

3.2.3 精度要求問題

無線光信號的波粒特性所引起的收發(fā)取向性和傳輸信道的脆弱性對光信號的可靠傳輸與有效檢測提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，新型發(fā)散光源有別于傳統(tǒng)的點對點紅外激光通信，降低了收發(fā)對準(zhǔn)要求，使得系統(tǒng)更容易快速鋪設(shè)，但高性能的光學(xué)天線更具挑戰(zhàn)性。其次，光信號易受遮擋干擾和空間流體介質(zhì)的影響，需有效補償信道的脆弱性從而保證通信的可靠鏈接。最后，通過設(shè)計調(diào)制編碼、系統(tǒng)均衡、弱信號最優(yōu)檢測技術(shù)，揭示通信系統(tǒng)傳輸速率、距離、誤碼率、功率等多種因素的錯綜復(fù)雜的交織機理及系統(tǒng)所達到的通信性能極限。

4 結(jié)語

綜上所述，無線光通信技術(shù)的研究所面臨的挑戰(zhàn)本質(zhì)上是多學(xué)科的，不僅涉及設(shè)備物理、通信系統(tǒng)建模、信號處理、通信理論和算法，還涉及計算機科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。因此關(guān)于無線光通信的研究之路還很長，還需要從多方面入手，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)的專業(yè)知識，爭取能夠進行更深層次的研究和應(yīng)用。