无线光通信系统的传输与接入问题研究

盖 松

（中移铁通有限公司 潍坊分公司，山东 潍坊 261041）

0 引 言

无线光通信（Free Space Optical，FSO）的原理主要为利用光作为信号载体，然后利用无线通信的方式将信号发射出去。现阶段，人们在接入宽带的过程中可供选择的宽带接入技术较多，将其应用于现实生活中能够弥补数字通信、光纤通信的不足之处，更好地满足近地通信需求。

1 FSO系统概述

本文所研究的FSO系统是从发射器产生并发送光信号，工作原理主要为光信号发送、大气载输、光信号接收，具体如图1所示。

图1 FSO系统工作原理

2 FSO系统传输与接入的常见问题及关键技术

2.1 常见问题

首先，FSO系统所应用的FSO技术属于1种新型的宽带接入技术，传输距离越长，光束宽度越宽，最后将会导致信号接入端的接收机无法接收大气信道中的光电信号。目前，在1 km以下可以得到最佳的信号传输效果和最佳的信号传输质量[1]。

其次，气候条件对于FSO系统应用性能存在直接影响，因为该系统信号传输与接入中介为大气信道，所以晴朗的天气对FSO系统应用性能影响最低，而雨雪、雷电、大雾天气则影响较大。众多实践研究表明，晴朗天气下FSO的衰弱经验值为3～5 dB/km，雷电或下雨天气下FSO的衰弱经验值为5～50 dB/km，雪天下FSO的衰弱经验值为50～150 dB/km，雾天下FSO的衰弱经验值为50～300 dB/km。

最后，城市内的建筑群落阻碍与防护林晃动等对于FSO系统传输端和接入端的光束瞄准存在直接影响。

2.2 关键技术

（1）光源技术与调制技术。FSO中存在干扰的背景光，系统需要大功率的光源，同时需要保证调制功率较高，才能够在背景光的干扰下迅速捕获光信号、有效跟踪信号传输与接入的目标。一般情况下，为抑制背景光对信号接收质量的影响，工作人员可调制的光源频率范围为数十赫兹至数万赫兹。但如果想保证FSO系统运行能够接入与传输质量上乘的激光光束，那么相关工作人员则需将激光器的工作频段控制在几十兆赫兹至几十吉赫兹[2]。

（2）APT技术。FSO系统传输端、接入端间的传播需要严格的视距控制，原子探针层析（Atom Probe Tomography，APT）技术的科学应用是解决障碍物阻挡、摇晃影响FSO系统信号传输与接入质量的关键手段。APT信号能够在大角度范围内捕捉目标，捕获的范围一般能够高达20°甚至更大，捕获的视场角大约有几毫弧度，灵敏度为10 pW，跟踪精度为几十毫弧度。此外，在信号保持方面，APT技术能够实现信号的实时瞄准，且满足信号有效跟踪的需求。

除上述关键技术外，关于FSO系统的信号收发质量，相关工作人员仍需对大气信道的环境展开进一步研究。FSO系统运行的过程中，无论是近地间、还是近地与天空间的信号传输，大气信道中的各个参数均是随机的，而大气信道中，大气对于传输端输出的光电信号所存在的作用主要源于大气折射、散射以及衰减，其中折射会导致FSO系统接入端接入光电信号前，光电信号发生波前失真[3]。散射与衰减则会导致光电信号的光能量损失，增加光电信号误码率。在雾天，大气中的雾粒子因更为接近波长，所以更易于吸收FSO系统所传输的光电能量。

3 FSO系统传输与接入的设计重点

3.1 多脉冲位置调制

多脉冲位置调制的基本原理为将连续的L个二进制信号调制到Q个时隙组成的时段，光脉冲出现在其中的P个时隙上，P个脉冲会按照一定规律排列。L、Q、P之间的关系可表示为

基于列表法多脉冲位置调制（Multi-Pulse Pulse Position Modulation，MPPM）的编码映射方法见表1。

表1 多脉冲位置调制列表法

2个脉冲的MPPM示意如图2所示。

图2 2个脉冲的MPPM示意

如果不采取列表法，还可以采取三角矩阵的方式，即

相较于列表法而言，三角矩阵方法应用于比特流数目较多的FSO系统中更具灵活性[4]。

3.2 大气湍流

FSO系统在运行的过程中其传输光束受到大气湍流的影响，因对流层中的温度与压力等参数不可控，所以大气对于光束所存在的折射率也是随机的、不可控的。大气湍流会产生诸多的漩涡元，这些漩涡元受温度、密度等参数的影响发生折射率的改变，在风速影响下漩涡元或产生、或消失、或快速运动，其变化频率最高可达数百赫兹，而光电信号在大气环境中受漩涡元的影响将会发生弯曲、漂移甚至扩展、畸形等现象，继而造成FSO系统接入端光电信号的抖动与闪烁[5]。大气湍流是导致FSO系统接入端光电信号误码率增加的关键原因，大气湍流模型是相关工作人员在设计FSO系统过程中了解大气湍流强度的关键，但大气湍流模型相对较多，相关工作人员仍需合理选择，对此本节在陈列大气湍流模型的基础上选择1个模型，以期为FSO系统设计中解决大气湍流的问题提供理论指导。

（1）对数正态分布。对数正态分布模型主要用于较弱的大气湍流强度中，对应的计算公式为

式中：I为传输的信号强度；为对数光强方差；erf(x)为误差函数。

（2）K分布。K分布模型主要用于较强的大气湍流强度中，对应的计算公式为

式中：I＞0；α＞0；Γ(·)为伽马函数；α为与离散分布有效数相关的正平均数；Kv(x)为第二类正贝塞尔公式。

（3）指数韦伯分布。上述各函数模型均不能保证应用大孔径各湍流强度实验数据的精准性，而Barrios等人基于韦伯衰落信道模型所提出的函数模型，则能够满足大孔径各湍流强度实验，对应的计算公式为

式中：Ij为服从韦伯分布的随机变量；wj为不同路径衰弱的平均因子，且归一化后可以得到∑wj=1。

通过上述的模型陈列得以明确指数韦伯分布模型更适用于FSO系统大气湍流问题中大气湍流强度的检测。

3.3 瞄准误差

除大气湍流外，FSO系统的性能还会受到各种天气因素与环境因素的限制，从而出现瞄准误差的问题。因FSO系统属于视距通信，即FSO系统的传输端与接入端均需要在1个可视的范围内，如果FSO系统所设置的光束直径较小，传输距离较长，那么一旦传输或接入设备所在的高楼、平台发生晃动，则会引发瞄准误差，即使是微小的晃动也会影响光斑中心无法与接入设备孔径对齐[6]。

4 无线光通信系统传输接入管理

FSO系统通信信道理论研究的侧重点相对较多，如光电信号在传输过程中的空间损耗、时间损耗以及接入端的噪声类型等。将FSO系统的应用领域作为基础对FSO系统的通信信道进行划分，主要涵盖室内信道与大气信道。关于室内通信信道，虽然信道的结构较为简单，但在具体应用的过程中仍会存在因墙壁以及桌子等外界因素阻碍光电信号传输，致使接入端的光电信号误码率增加。而大气信道则较为复杂，本文在研究的过程中所针对的就是大气信道。由此可见，无论通信信道如何，在FSO系统传输与接入的管理中，相关工作人员均需要考量到瞄准误差程度与大气湍流强度2个参数，在FSO系统正式投入应用之前，利用上文的各计算公式，通过FSO系统信号传输试验估算出2个参数的数值，并将其作为FSO系统改进设计的基础数据。

现阶段，国内通信设备的发展尚无法满足通信技术发展的需求，FSO系统亦是如此，所以在FSO系统传输与接入管理中相关工作人员应对FSO系统所应用的器件予以高度重视，保证所设置的器件能够满足FSO系统光电信号的传输与接入需求。由图1可知，在FSO系统中所应用的器件主要涵盖激光器、调制器、编码器、解调器等。因FSO技术的信号传输原理为传输端设备将电信号转化为光信号、接入设备将光信号转化为电信号，而不同设备的调控方式存在显著差异，加之光电信号基于光耦合后信号的准确值将会发生变化，所以在FSO系统设计与实现的过程中，相关工作人员还需关注耦合值的设置，以此避免因设计不全而影响FSO系统光电信号的接收效果。此外，在FSO系统设计与实现的过程中，相关工作人员应严格控制光学天线的设置位置，因FSO系统的光学天线大多为凹凸镜结构，在具体的应用中因信号的生成并不受传输电缆与通信电缆的影响，所以会形成1个向下的角度，这一角度不仅无法使光信号变得清晰，同时还会引发光信号发生严重的消耗，所以对光学天线位置的调制是降低光信号消耗的1个重要手段。

与此同时，FSO系统在运行中，广电信号对于人眼存在一定的危害，所以在FSO系统传输与接入管理的过程中还需关注工作人员的安全操作，建议相关工作人员能够根据传输端与接入端各设备的操作说明严格进行相关操作。

5 结 论

通过本文上述的理论研究得以明确FSO系统传输与接入存在2项关键问题，即大气湍流与瞄准误差，虽然两项问题均为外部不确定因素影响，但在FSO系统管理实践中，一方面工作人员可以利用相应的公式估算出具体的数值，了解FSO系统光电信号的传输效果；另一方面工作人员可以通过控制FSO系统传输端与接入端的设备降低误码率，促进光电信号传输质量的提升。