光无线通信系统技术探析

20世纪90年代后期，全球通信网络开始大规模扩容，先是广域网的不断扩展，接着是城域网的大量建设。与此同时，用户内部的局域网快速增长。将这些高速的局域网连接到运营商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。光纤虽能解决传输速率的问题，但铺设的昂贵和耗时却限制了它的发展。许多无线通信技术也能解决“最后一公里”问题，但存在频率通道的拥挤以及申请困难和电磁辐射的安全问题，如何提供快速、低价、安全的宽带接入，成为迫切需要解决的问题。

光的无线宽带传输是新近发展的接入方式，是光通信和无线通信结合的产物，光无线通信技术随着激光器件的工程开发利用而日趋成熟。它利用高度集中的光束穿透大气空间作为信息的传输载体，而不是通过光纤传送信号。这种技术的接入系统在组成结构上与光纤传送系统非常相似，物理组成也是非常简单的，用户无需申请无线频率，而且起始投资低，运营费用低，能快速装设，可提供与光纤系统相似的传送带宽。由于系统具有传输速率快、结构简单、组网灵活等特点，在跨江跨河等不具备有线接入条件和需快速组建通信网络的场合有很高的使用价值，也受到越来越多电信运营商的关注，应用范围不断扩大。已商用的这类系统，容量从 100 Mbit/s到2.5 Gbit/s。也有一些试验采用波分复用技术，达到160 Gbit/s的速率。尽管受到气象条件的限制，只能在较短的距离内使用，一般限于2 km以下。但在许多场合下，作为一种独特的方式，光无线接入可以起到很好的作用，成为当前已有几种宽带接入方式很好的补充手段。

1、光无线通信网的基本结构和技术

光无线通信是一种视距传输技术，其基础是电-光和光-电的转换，可以实现数据、影像和等的传输，以大气作为媒质。实际上激光出现后最先研制的就是光无线通信系统。光无线通信的优点是传输距离远、信道容量大、发射天线小、保密性好以及抗电磁干扰等。除此以外，光无线通信不需要许可执照，不需要铺设电缆，不需要挖沟，不需要租用线路，不需要频谱规划，建设周期短，对环境没有影响。宽带光无线通信的电子频谱位于极高的光频段，不存在微波等电磁干扰。光无线通信因为这些优点，越来越受到关注。

一个光无线通信系统构成如图1所示，包括三个部分：发射机、信道和接收机。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过空间送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号，值得注意的是，发送端和接收端之间，必须是互相视线可见的，两终端之间不能有阻挡。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光无线系统通常使用0.85μm或1.5 μm红外波段。0.85μm的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。1.5μm的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1.5μm的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1.5μm波长设备的功率可以比0.85μm的设备高2个等级， 1.5μm波长的光无线通信具有更广阔的使用前景。  



图1　光无线通信系统示意

光无线通信网按照组网的结构来说。可组成点对点、星形（点到多点）和格形（网状网）三种结构。点到点结构是最简单的网络拓扑，目前已使用的系统多数采用此结构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为高带宽的专线连接。点到点结构的优点是独立的链路，网络规划简单；其缺点也很多，例如不能低成本有效地进行扩展；光链路没有任何保护，有一个点出故障，链路就中断。它不适合电信级系统。

星形（点到多点）结构的优点是可以把业务集中到一点（集线器或中心节点）再接入核心网，效率较高、比较经济；其缺点是能提供的带宽较少，每条链路仍无冗余保护，可靠性较差。为了在视距内连接尽可能多的大楼，集线器的位置非常关键。

格形（网状网）结构的主要优点是通过多个网络节点可以提供几乎实时的迂回链路，使服务得到保护，即具有服务恢复或服务冗余度的特点。网状网结构还可以把业务集中到某些特定点：再有效地接入网络，比较符合电信级的要求。其缺点是传输距离短、成本高（每幢大楼有多条链路），网络规划复杂。

2、光无线通信存在的主要问题及解决方案

尽管光无线通信有许多优点，但也存在以下几个问题。

FSO（自由空间光通信）是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在1 km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4 km。多种因素影响其达不到99.999%的稳定性。为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。

对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾的影响较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5～15 dB/km；雨天，20～50 dB/km；雪天，50-150 dB/km；雾天，50～300 dB/km。可见影响最大的是雾天，这是因为雾中的散射粒子的半径与激光的波长在同一数量级上，而且散射粒子非常集中，从而使光线的传播方向发生偏转，造成空间、角度和时间上的扩展，如图2。对于这种大气现象处理的方式，与微波通信中对待雨衰相似。要在系统传输的计算中，为光信号的衰减留有足够的系统功率余量，以便在出现浓雾最大衰减的情况下，仍能接收到所需的光信号功率。重要的是，要获得所在地长期的气象统计资料，能够知道不同等级（能见度）的雾，即不同衰减的大气介质出现的统计规律。如果了解到衰减值大于某一指标出现的概率，就能确定光无线系统为了保证可用性的指标（比如99.9%），需要容纳多大的大气损耗。而传输距离的计算公式如式（1）所示。



图2　光子大气传播示意

显而易见，在经常出现浓雾的地区，同样的光无线系统，可能传送的距离要比无雾或少雾的地区短得多。所以，系统的设计一定要考虑地区的气象条件，以保证良好的性能。FSO系统在发射机和接收机之间需要严格的视线传播，使发送的光信号在接收端的光瓣能够覆盖接收望远镜，不会因为大气折射率的起伏而漂离目标。此外，建筑物结构的热膨或晃动将影响两个点之间的激光对准，实际测量中发现，大楼顶部的水平移动可达楼高的1/800～1/200。为保证可靠的数据传输，FSO系统的光链路两端的激光束的对准和跟踪是系统的关键技术之一。目前在国内外普遍采用扩束法、多束法和动态跟踪技术克服这些缺陷。扩束法是展宽激光的发射光束，但扩束法降低了接收端的光斑能量密度，传输距离和速度受到影响和限制，于是业界又提出了多束法，利用多个激光器和发射镜同时发射激光束，每个光束都以相同的发射角发射，在接收处就得到一个大而相互重叠的激光光斑。从而提高了接收端的能量密度，也扩大了可接收面积。

随着通信技术的发展，对FSO系统的传输速率和距离均提出了更高的要求，如果要提高这两个技术指标，就必须要增大激光器的发射功率和提高接收机的灵敏度，但扩束法和多束法对性能指标的改善有限，于是动态跟踪法就应运而生，即利用伺服系统通过反馈装置获得光束偏差信息，调整可调微镜，使光束时刻对准接收器。采用动态跟踪技术的FSO系统设备功能结构如图3所示，一般采用双反馈方式，外反馈是位置探测器输出的入射激光束的位置误差信号，内反馈是伺服系统控制的可调微镜的位置信号，入射激光束通过接收光学系统后，聚集到位置探测器上，位置探测器将激光束的位置误差信号输出到主处理器。同时可调微镜位置探测器将探测到的微镜位置信号送到控制处理器中，控制处理器利用优化的跟踪算法进行计算，输出的角度控制信号控制伺服系统调整可调微镜，使接收光学系统始终对准入射激光束。  



图3　动态跟踪技术FSO系统设备功能结构

激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响。人体也可能被激光系统释放的能量伤害。由于这类系统采用的是毫瓦量级的小功率光源，其主要的危险是激光对肉眼造成的伤害，所以产品要符合眼睛安全标准。