光無(wú)線(xiàn)通信系統技術(shù)解析

　　2、光無(wú)線(xiàn)通信存在的主要問(wèn)題及解決方案

　　盡管光無(wú)線(xiàn)通信有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下幾個(gè)問(wèn)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，當傳輸超過(guò)一定距離時(shí)波束就會(huì )變寬導致難以被接收點(diǎn)正確接收。目前，在1 km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠只能達到4 km。多種因素影響其達不到99.999%的穩定性。為解決這個(gè)難題，一般會(huì )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(lái)解決。

　　對天氣非常敏感是FSO的另一個(gè)主要問(wèn)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。據測試，FSO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?jiàn)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(cháng)在同一數量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線(xiàn)的傳播方向發(fā)生偏轉，造成空間、角度和時(shí)間上的擴展，如圖2。對于這種大氣現象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統傳輸的計算中，為光信號的衰減留有足夠的系統功率余量，以便在出現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(cháng)期的氣象統計資料，能夠知道不同等級（能見(jiàn)度）的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)出現的統計規律。如果了解到衰減值大于某一指標出現的概率，就能確定光無(wú)線(xiàn)系統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(jiàn)，在經(jīng)常出現濃霧的地區，同樣的光無(wú)線(xiàn)系統，可能傳送的距離要比無(wú)霧或少霧的地區短得多。所以，系統的設計一定要考慮地區的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系
統在發(fā)射機和接收機之間需要嚴格的視線(xiàn)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(huì )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(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對準，實(shí)際測量中發(fā)現，大樓頂部的水平移動(dòng)可達樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數據傳輸，FSO系統的光鏈路兩端的激光束的對準和跟蹤是系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國內外普遍采用擴束法、多束法和動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)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(gè)激光器和發(fā)射鏡同時(shí)發(fā)射激光束，每個(gè)光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收處就得到一個(gè)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(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，對FSO系統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(gè)技術(shù)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(dòng)態(tài)跟蹤法就應運而生，即利用伺服系統通過(guò)反饋裝置獲得光束偏差信息，調整可調微鏡，使光束時(shí)刻對準接收器。采用動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統設備功能結構如圖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，內反饋是伺服系統控制的可調微鏡的位置信號，入射激光束通過(guò)接收光學(xué)系統后，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(shí)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(jìn)行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統調整可調微鏡，使接收光學(xué)系統始終對準入射激光束。

圖3　動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統設備功能結構

　　激光的安全問(wèn)題也會(huì )影響其使用，超過(guò)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釋放的能量傷害。由于這類(lèi)系統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。