結(jié)合WDM-PI的多光束發(fā)射無(wú)線光通信系統(tǒng)性能分析

董亞歡，付強(qiáng)，劉哲綺

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

無(wú)線光通信技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代人日常生活中不可或缺的一部分。隨著人們對(duì)通信需求的增加，利用現(xiàn)有設(shè)施同時(shí)提升通信系統(tǒng)通信容量和通信質(zhì)量就變得極其重要。自由空間光通信（Free space optics，F(xiàn)SO）也被稱為無(wú)線光通信技術(shù)（Wireless optical communication，WOC），是一種非常有前景的信息傳輸技術(shù)[1-3]。FSO鏈路具有通信容量大、抗截獲能力強(qiáng)、不占用無(wú)線電頻譜資源、部署成本低、安裝過(guò)程簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。波分復(fù)用（Wavelength division multiplexing，WDM）是可提高光鏈路帶寬能力技術(shù)中的一種[7]，將兩種或多種不同波長(zhǎng)攜帶信息的光載波信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器復(fù)用在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后恢復(fù)原信號(hào)。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。WDM在原有基礎(chǔ)通信設(shè)施之上，可用于提高光學(xué)系統(tǒng)的帶寬容量[4-5]。隨著通信業(yè)務(wù)的急速增長(zhǎng)，系統(tǒng)容量的提高勢(shì)在必行，為了在已鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)快速、低成本的系統(tǒng)升級(jí)，業(yè)內(nèi)人士不斷研究新的光通信復(fù)用技術(shù)，其中將偏振復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于光通信系統(tǒng)引起了眾多專家學(xué)者的極大關(guān)注。偏振復(fù)用技術(shù)利用光在單模光纖中傳輸時(shí)的偏振特性，用傳輸波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)立且相互正交的偏振態(tài)分別傳輸兩路信號(hào)，成倍提高了系統(tǒng)容量、增加了頻譜利用率，是可以升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備通信容量的關(guān)鍵技術(shù)。在偏振復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用偏振交錯(cuò)（Polarized interference，PI）可以減小信道間的非線性影響，為了提升無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸容量，減小傳輸損耗，現(xiàn)提出WDMPI多光束發(fā)射無(wú)線光通信傳輸系統(tǒng)。

最早在2005年，Vanden等人[8]首次提出偏振交錯(cuò)可以減小信道間的非線性傳輸?shù)挠绊?，且論證表明了，對(duì)于多個(gè)共傳播信道，極化交錯(cuò)最小化了非線性效應(yīng)。首次證明了通過(guò)偏振交錯(cuò)傳輸可以減少偏振復(fù)用傳輸中的非線性效應(yīng)損耗，開(kāi)創(chuàng)了利用偏振交錯(cuò)提高傳輸質(zhì)量的先河。2014年，CHAUDHARY等人[9]結(jié)合 WDM-PI交叉方案對(duì)衛(wèi)星間通信系統(tǒng)的湍流進(jìn)行研究。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)指向誤差角擾動(dòng)下，能夠在兩顆衛(wèi)星之間1 000 km的星間光鏈路上傳輸120 Gbps。2015年，SHARMA 等人[10]研究了在傳輸指向誤差的影響下，采用波分復(fù)用和偏振交錯(cuò)混合方案成功傳輸1 000 km以上120 Gbps的高速數(shù)據(jù)。同年，他們采用相同的方案，在3 500 km的星間鏈路上進(jìn)行6個(gè)信道的傳輸，在3 500 km的星間鏈路，顯示成功傳輸20×6 Gbps數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)只分析了真空基本無(wú)信道衰減的仿真結(jié)果。2016年，SHATNAWI[12]將偏振交錯(cuò)應(yīng)用于星間通信，首次實(shí)現(xiàn)將交替信號(hào)反轉(zhuǎn)碼（Alternate mark inversion，AMI）和WDM與PI集成，開(kāi)發(fā)基于AMI-WDM-PI的綜合衛(wèi)星間通信系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在5 000 km的星間光鏈路上傳輸20×8 Gbps數(shù)據(jù)。2018年，SINGH[13]報(bào)道了雨雪天氣條件下兩種基于波分復(fù)用的無(wú)線光通信系統(tǒng)，在雨雪天氣條件下，分別在16.5 km和1.07 km的鏈路距離上成功傳輸32×10 Gbps的數(shù)據(jù)。2021年，PRAKASH等人[14]利用毫米波設(shè)計(jì)分析了高速四通道波分復(fù)用光纖無(wú)線電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了30～70 km的單模光纖數(shù)據(jù)傳輸，在70 km長(zhǎng)度使用100 GHz的載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)10 Gbps的高數(shù)據(jù)速率信號(hào)傳輸。目前大部分專家學(xué)者將波分復(fù)用結(jié)合偏振交錯(cuò)的通信系統(tǒng)應(yīng)用于仿真星際間的通信，在此方向上研究者已證實(shí)了將波分復(fù)用于偏振交錯(cuò)結(jié)合可減少非線性效應(yīng)[8-11]。大氣湍流對(duì)光傳輸?shù)闹饕绊懹泄馐啤⒋髿忾W爍、光束擴(kuò)展和像點(diǎn)抖動(dòng)等。其中大氣閃爍和光束漂移對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)影響最大[15]，這兩者所導(dǎo)致的光強(qiáng)起伏在大氣激光通信中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)概率下降，出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸突發(fā)性錯(cuò)誤甚至通信中斷。提高激光通信系統(tǒng)的性能就必須設(shè)法減弱光強(qiáng)起伏[16-18]。多光束發(fā)射指在發(fā)射端從一些孔徑之間的距離大于大氣相干長(zhǎng)度的發(fā)射鏡中發(fā)射多束互不相干的激光束在遠(yuǎn)場(chǎng)接收端非相干疊加，以克服大氣激光傳輸中的湍流效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣信道的有效補(bǔ)償[19-23]。本文提出結(jié)合WDM-PI的多光束發(fā)射無(wú)限光通信系統(tǒng)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)通信容量可以成倍增加，且在通信容許范圍內(nèi)，達(dá)到可接受水平，為更好地解決“最后一公里”問(wèn)題給出了新的思路。

在深入了解無(wú)線光通信系統(tǒng)提升信道容量的迫切需求后，基于現(xiàn)有的研究成果，將波分復(fù)用與偏振交錯(cuò)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種多光束發(fā)射無(wú)線光通信系統(tǒng)，提高無(wú)線光通信的綜合性能，進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試，給出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和結(jié)論。

1 WDM-PI系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)

本文將波分復(fù)用和偏振交錯(cuò)應(yīng)用于自由空間通信，自由空間光通信系統(tǒng)主要部件有發(fā)射模塊、傳輸信道和接收模塊。發(fā)射模塊主要包括：激光器光源、信號(hào)發(fā)射及調(diào)制電路、摻鉺光纖放大器和發(fā)射天線等。接收模塊主要包括：接收天線、光電探測(cè)器等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，多路信號(hào)經(jīng)過(guò)電/光轉(zhuǎn)化由不同波長(zhǎng)的光載波攜帶，再用復(fù)用器將多路光載波信號(hào)進(jìn)行合波；在接收端采用解復(fù)用器將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)出原始信號(hào)送到相應(yīng)的接收機(jī)[19]。波分復(fù)用系統(tǒng)充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，降低成本，且對(duì)各信道傳輸信號(hào)的速率、格式具有透明性，有利于數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的兼容，節(jié)省光纖和光中繼器，便于對(duì)已建成系統(tǒng)的擴(kuò)容，可提供波長(zhǎng)選路，建立透明的、具有高度可靠性的WDM通信系統(tǒng)。偏振復(fù)用技術(shù)利用光在單模光纖中傳輸時(shí)的偏振特性，用傳輸波長(zhǎng)的兩個(gè)獨(dú)立且相互正交的偏振態(tài)分別傳輸兩路信號(hào)，成倍提高了系統(tǒng)容量、增加了頻譜利用率，是可以升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備通信容量的關(guān)鍵技術(shù)。在偏振復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用偏振交錯(cuò)可以減小信道間的非線性影響，為了提升無(wú)線通信技術(shù)的傳輸容量，減小傳輸損耗，偏振交錯(cuò)技術(shù)將數(shù)據(jù)信道分為偶數(shù)信道和奇數(shù)信道，然后對(duì)信道進(jìn)行單獨(dú)復(fù)用，同時(shí)調(diào)整信道的偏振狀態(tài)使其正交。極化信號(hào)再通過(guò)光無(wú)線信道多路傳輸?shù)浇邮掌鳌?/p>

利用任意波形發(fā)生器（Arbitrary wavefo-rm generator，AWG）、馬赫曾德?tīng)枺∕ach Zehnder，MZM）調(diào)制器、波分復(fù)用器（Wavelength division multiplexer，WDM）、波分解復(fù)用器（Wavelength demultiplexer，DEWDM）、光電探測(cè)器（Photoelectric detector，PD）等功能模塊設(shè)計(jì)搭建了多光束發(fā)射無(wú)線光通信系統(tǒng)，表1給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 通信鏈路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

圖中展示了8個(gè)通道，每個(gè)通道攜帶4 Gbps的不歸零（Not return to zero，NRZ）數(shù)據(jù)，使用MZM調(diào)制器在激光光束上調(diào)制，光源波長(zhǎng)起始1 548.5 nm，相鄰信道間隔為0.8 nm，呈遞增狀，所有信道載波波長(zhǎng)分別為1 548.5 nm、1 549.3 nm、1 550.1 nm、1 550.9 nm、1 551.7 nm、1 552.5 nm、1 553.3 nm和1 554.1 nm。AWG產(chǎn)生NRZ數(shù)據(jù)發(fā)送到MZM調(diào)制器，調(diào)制器將AWG發(fā)出的電信號(hào)調(diào)制到激光上，數(shù)據(jù)通道分為奇偶信道，分別進(jìn)行多路波分復(fù)用。然后，將兩個(gè)多路復(fù)用器的輸出饋電給偏振控制器，使奇偶信道變?yōu)橄嗷フ恍盘?hào)，兩路正交信號(hào)通過(guò)自由空間傳輸?shù)浇邮斩?。接收端使用偏振分束器（Polari-zation beam splitter，PBS）將接收到的信號(hào)按照偏振狀態(tài)進(jìn)行分割，將其分為奇偶信號(hào)，進(jìn)而由輸出進(jìn)行解復(fù)用，使用光電探測(cè)器探測(cè)信號(hào)，信號(hào)通過(guò)低通濾波器，之后信號(hào)由眼圖儀、誤碼儀檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量。

圖2展示了經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制之后的激光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用后的光譜，對(duì)比于調(diào)制前，光譜會(huì)拓寬，如圖中放大位置所示。拓寬的光譜表示信號(hào)加載到了激光上，從調(diào)制器輸出的光攜帶有NRZ數(shù)據(jù)。

圖2 調(diào)制后的偶通道波分復(fù)用光譜

大氣湍流模擬池可以根據(jù)熱空氣對(duì)流大氣湍流原理建立湍流環(huán)境[21]。與基于空間光調(diào)制器和旋轉(zhuǎn)相位屏模擬的大氣湍流相比，熱空氣對(duì)流大氣湍流在物理上更接近于真實(shí)大氣湍流，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。慣性面積大，滿足2/3定律，均勻性好。它由模擬大氣箱和自動(dòng)控制器組成，如圖3（a）所示。大氣湍流模擬箱截面圖如圖3（b）所示。它主要由加熱板、冷卻板、湍流產(chǎn)生區(qū)和溫度補(bǔ)償區(qū)組成。箱體頂部的蓋板為冷卻板，可通過(guò)循環(huán)水保持穩(wěn)定的室溫（或低溫）。箱體的底板是三個(gè)相同的加熱板，可以通過(guò)電流均勻加熱，因此，箱體內(nèi)部溫度可以逐漸提高。溫度可調(diào)的加熱板和冷卻板均可由自動(dòng)控制器控制。當(dāng)受熱面和冷卻面之間的溫差保持恒定時(shí)，湍流就會(huì)形成。湍流模擬箱內(nèi)設(shè)有溫度探測(cè)器，實(shí)時(shí)測(cè)量箱內(nèi)各部件的溫度。有了這些探測(cè)器，自動(dòng)控制器可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)箱內(nèi)加熱板的溫度。

圖3 大氣湍流裝置示意圖

使用大氣湍流模擬池對(duì)WDN-PI系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，模擬信息一公里傳輸實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行無(wú)湍流、弱湍流、中湍流和強(qiáng)湍流情況下的4 Gbps信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)在湍流影響下的工作狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本節(jié)將討論結(jié)合WDM-PI的多光束發(fā)射無(wú)線光通信系統(tǒng)的通信性能，根據(jù)無(wú)線光通信鏈路的要求，一般接收端接收信號(hào)功率為[22]：

其中，PT為發(fā)射光功率；ηT和ηR分別是發(fā)射器光效率和接收器光效率；λ是波長(zhǎng)；d是發(fā)射鏡和接收鏡的直線距離；GT是發(fā)射鏡增益；GR是接收鏡增益；LT和LR分別是發(fā)射鏡和接收鏡的損耗。

圖4展示了第二信道在模擬傳輸距離為1 km，傳輸速率為4 Gbps，在大氣湍流影響從弱到強(qiáng)的影響下，接收機(jī)的實(shí)測(cè)眼圖和信噪比，圖4（a）—圖4（d）的信噪比分別為24.33 dB、16.03 dB、12.04 dB、5.93 dB，表明在 WDM-PI通信系統(tǒng)鏈路上，在中強(qiáng)湍流影響下，8個(gè)信道的信號(hào)均被成功發(fā)送，且信號(hào)被眼圖儀所識(shí)別。

圖4 不同湍流環(huán)境下眼圖對(duì)比

圖5為WDM-PI通信在自由空間與模擬大氣湍流池信道時(shí)的誤碼率實(shí)測(cè)曲線，如圖5（a）—圖5（d）所示，模擬1 km的4 Gbps傳輸信號(hào)，在湍流環(huán)境改變的情況下，湍流越強(qiáng)，接收功率越低，誤碼率越高。

圖5 信道平均誤碼曲線對(duì)比圖

在無(wú)湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)接收功率在WDM-PI系統(tǒng)和FSO情況分別是-20 dBm和-17.5 dBm，因此WDM-PI系統(tǒng)在無(wú)湍流情況下靈敏度高于FSO通信2.5 dBm；在弱湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)接收功率在WDM-PI系統(tǒng)和FSO情況分別是-15.3 dBm和-13.9 dBm，因此WDM-PI系統(tǒng)在弱湍流情況下靈敏度高于FSO通信1.4 dBm；在中湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)接收功率在WDM-PI系統(tǒng)和FSO情況分別是-11.7 dBm和-9.1 dBm，因此WDM-PI系統(tǒng)在中湍流情況下靈敏度高于FSO通信2.6 dBm；在強(qiáng)湍流情況下，誤碼率為1.0×10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)接收功率在WDM-PI系統(tǒng)和FSO情況分別是-5.3 dBm和-0.8 dBm，因此WDM-PI系統(tǒng)在強(qiáng)湍流情況下靈敏度高于FSO通信4.5 dBm，表明WDM-PI通信系統(tǒng)在提高信道容量的同時(shí)可降低大氣湍流對(duì)通信系統(tǒng)影響，降低了傳輸損耗，且系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)湍流的抵抗能力更強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文提出了一種數(shù)據(jù)速率為4 Gbps×8的通信系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)分析誤碼率、信噪比、眼圖質(zhì)量等不同的參量來(lái)評(píng)價(jià)其傳輸特性。由結(jié)果可知，所提系統(tǒng)在可控湍流池和自由空間的條件模擬一公里傳輸，在無(wú)湍流、弱湍流、中湍流、強(qiáng)湍流下的信噪比分別為24.33 dBm、16.03 dBm、12.04 dBm、5.93 dBm，數(shù)據(jù)表明信號(hào)在接收端成功接收，在傳輸過(guò)程中，WDM-PI系統(tǒng)傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)于FSO直接傳輸，誤碼率為1.0×10-6，系統(tǒng)分別處于無(wú)湍流、弱湍流、中湍流、強(qiáng)湍流時(shí)，WDM-PI系統(tǒng)靈敏度分別高于FSO通信2.5 dBm、1.4 dBm、2.6 dBm、4.5 dBm。表明WDM-PI通信系統(tǒng)在提高通信速率的同時(shí)可降低大氣湍流對(duì)通信系統(tǒng)影響，且系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)湍流的抵抗能力更強(qiáng)。因此，所提出的WDM-PI通信系統(tǒng)可以有效地增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸容量，提高傳輸質(zhì)量，為后續(xù)通信事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。