光無線通信系統(tǒng)技術(shù)解析

　　2、光無線通信存在的主要問題及解決方案

　　盡管光無線通信有許多優(yōu)點，但也存在以下幾個問題。

　　FSO（自由空間光通信）是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時波束就會變寬導(dǎo)致難以被接收點正確接收。目前，在1 km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠(yuǎn)只能達(dá)到4 km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%的穩(wěn)定性。為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來解決。

　　對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧的影響較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5～15 dB/km；雨天，20～50 dB/km；雪天，50-150 dB/km；霧天，50～300 dB/km?？梢娪绊懽畲蟮氖庆F天，這是因為霧中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一數(shù)量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成空間、角度和時間上的擴(kuò)展，如圖2。對于這種大氣現(xiàn)象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒?，為光信號的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余量，以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下，仍能接收到所需的光信號功率。重要的是，要獲得所在地長期的氣象統(tǒng)計資料，能夠知道不同等級（能見度）的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標(biāo)出現(xiàn)的概率，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(biāo)（比如99.9%），需要容納多大的大氣損耗。而傳輸距離的計算公式如式（1）所示。

圖2　光子大氣傳播示意

　　顯而易見，在經(jīng)常出現(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無線系統(tǒng)，可能傳送的距離要比無霧或少霧的地區(qū)短得多。所以，系統(tǒng)的設(shè)計一定要考慮地區(qū)的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系
統(tǒng)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視線傳播，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠(yuǎn)鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標(biāo)。此外，建筑物結(jié)構(gòu)的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準(zhǔn)，實際測量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動可達(dá)樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對準(zhǔn)和跟蹤是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國內(nèi)外普遍采用擴(kuò)束法、多束法和動態(tài)跟蹤技術(shù)克服這些缺陷。擴(kuò)束法是展寬激光的發(fā)射光束，但擴(kuò)束法降低了接收端的光斑能量密度，傳輸距離和速度受到影響和限制，于是業(yè)界又提出了多束法，利用多個激光器和發(fā)射鏡同時發(fā)射激光束，每個光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收處就得到一個大而相互重疊的激光光斑。從而提高了接收端的能量密度，也擴(kuò)大了可接收面積。

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對FSO系統(tǒng)的傳輸速率和距離均提出了更高的要求，如果要提高這兩個技術(shù)指標(biāo)，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機(jī)的靈敏度，但擴(kuò)束法和多束法對性能指標(biāo)的改善有限，于是動態(tài)跟蹤法就應(yīng)運而生，即利用伺服系統(tǒng)通過反饋裝置獲得光束偏差信息，調(diào)整可調(diào)微鏡，使光束時刻對準(zhǔn)接收器。采用動態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，一般采用雙反饋方式，外反饋是位置探測器輸出的入射激光束的位置誤差信號，內(nèi)反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調(diào)微鏡的位置信號，入射激光束通過接收光學(xué)系統(tǒng)后，聚集到位置探測器上，位置探測器將激光束的位置誤差信號輸出到主處理器。同時可調(diào)微鏡位置探測器將探測到的微鏡位置信號送到控制處理器中，控制處理器利用優(yōu)化的跟蹤算法進(jìn)行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統(tǒng)調(diào)整可調(diào)微鏡，使接收光學(xué)系統(tǒng)始終對準(zhǔn)入射激光束。

圖3　動態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)

　　激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響。人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。由于這類系統(tǒng)采用的是毫瓦量級的小功率光源，其主要的危險是激光對肉眼造成的傷害，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。