光無線通信系統(tǒng)技術解析

　　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，傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導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量，最遠只能達到4 km。多種因素影響其達不到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、更先進的光學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。可見影響最大的是霧天，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，造成空間、角度和時間上的擴展，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出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標出現(xiàn)的概率，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標（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)射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標。此外，建筑物結構的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準，實際測量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動可達樓高的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和跟蹤是系統(tǒng)的關鍵技術之一。目前在國內外普遍采用擴束法、多束法和動態(tài)跟蹤技術克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束，但擴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，也擴大了可接收面積。

　　隨著通信技術的發(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指標，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度，但擴束法和多束法對性能指標的改善有限，于是動態(tài)跟蹤法就應運而生，即利用伺服系統(tǒng)通過反饋裝置獲得光束偏差信息，調整可調微鏡，使光束時刻對準接收器。采用動態(tài)跟蹤技術的FSO系統(tǒng)設備功能結構如圖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，內反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調微鏡的位置信號，入射激光束通過接收光學系統(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)化的跟蹤算法進行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統(tǒng)調整可調微鏡，使接收光學系統(tǒng)始終對準入射激光束。

圖3　動態(tài)跟蹤技術FSO系統(tǒng)設備功能結構

　　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準。