无线光通信系统的传输与接入问题研究

杨树军

(新乡职业技术学院,河南 新乡 453006)

0 引言

无线光通信(Free Space Optical,FSO)作为一种新的宽带技术,将光通信技术与无线通信技术相结合,属于自由空间的光通信范畴,能够很好地处理受限于区域的有线通信问题,因此可以有效地满足现代网络与移动设备传输信号的需要。 无线光通信技术具有高效性、便捷性、灵活性等特点,并且设备成本逐步减小,因此将获得普遍的应用。 鉴于此,注重无线光通信传输与接入问题的研究,有助于更好地应用该技术,推动无线光通信的更好发展。

1 无线光通信系统

1.1 无线光通信系统的组成

无线光通信是指以媒介——大气层进程传输的通信方式,其可以很好地接入和传输光信号。 在收发端机间只要有足够的发射功率与视距路径条件,就可以传输光信号。 无线光通信系统能够划分为激光源、光学系统、接收机等,应统一应用望远镜和Er,Yb 光放大器,在实现“点对点”[1]的操作条件下,各阶段都安装有关的发射机与信号接收机,从而全程实现自由通信。其中,无线光通信系统的组成部分是接收机、接收光学系统、发射光学系统、掺铒光纤放大器、激光器(如图1所示)。 系统基于光电转换传输技术,信号激励源采用激光源模型,通过掺铒光纤放大器对输入信号实现放大传输。 掺铒光纤为含有Er 离子的光纤,是掺铒光纤放大器(EDFA)的核心部件。 辅助系统包括泵浦光源、无光源器件、控制单元以及监控接口等部分。 无光源部分又可分为耦合器、光波分复用器、光纤连接器、隔离器。 光耦合器基于波分复用技术建立信号光与泵浦光的联系,实现合二为一,然后利用光隔离器抑制光反射,保证放大器的稳定性,此种方式可降低损耗,屏蔽偏振量,优化隔离度。 再通过光滤波器减少辐射与噪声,实现控制单元对系统的实时控制,并实时提供工作状态信息。 该种方式增加了光纤通信的容量,同时兼具增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、损耗低等优点。 所以光放大器件在当前光纤通信中得到广泛应用。 在操作过程中,发射机光源较易受到电信号的制约,要想有效地处理这种情况,须直接结合天线反射在检验器中聚集信号,从而进一步实现转换光电信号的目标。 针对各种光波信号,大气空间存在不同的穿透率,因此,在强穿透率的光波段会集聚无线光通信。

图1 无线光通信系统的组成原理

1.2 无线光通信系统的优势

FSO 是光通信和无线通信结合的产物,是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统。 无线光通信的抗干扰性能良好,这是其他通信技术难以企及的,可以在水面或屋顶上直接架设。 无线光通信的方向性良好,并且波束较窄,因此其具备较高的安全系数。 无线光通信的经济成本比有线通信减少了约30%[2]。 无线光通信的通信范围显著扩大,无须受到地理条件的制约,还能够充当应急救灾或抢险的战备,确保通信的顺利传输。

FSO 在应用实践中,1 498 nm 或848 nm 的红外光谱被经常应用,前者所使用的设备成本低,主要适用于短距离传输的场合,后者所使用的设备成本较高,但是在传输距离、功率以及视觉安全方面表现更佳。 功率增大可有效减少外界恶劣因素的干扰,除此之外有效克服点对点通信频谱占用成本问题,以光代替无线电波传输。 在抗干扰性能以及安全性能方面,无线光通信系统的功能深入提升,具备十分丰富的频谱资源,不需要通过有关的技术协议或对许可证进行申请。

FSO 通信设备可以将光纤对接企业网,特别是在企业内部网互联建设中的应用,避免了专线和铺设光纤产生的运营费用,降低了企业运营的综合成本,同时基于本地环路技术,带宽速度为45 Mbps～2.5 Gbps,通信质量显著提升,足以满足企业网络应用的各种需求。

1.3 无线光通信系统的缺陷

无线光通信效果受到大气环境和传输距离的制约。 接收机和发射机间务必达到视线传输的条件,倘若在高地顶放置设备,那么外部因素会制约其瞄准性。在各种气象状况之下,其信号传输效果也存在差别。例如,在雾天较易形成散射或发散的现象,从而显著降低光信号的稳定性;在雨雪条件下,光信号也会显著减弱。 因此,无线光通信一般应密切统一微波通信,从而实现其抗干扰性与抗衰减性的提升。

2 无线光通信的传输技术

无线光通信的传输带宽类似于光纤通信技术,其区别之处在于光纤通信的传输介质是光纤,而无线光通信的传输媒介是空气。 当今,无线光通信能够达到4 000 m 的最远传输距离,而传输速率最高能够达到2.6 bit/s[3]。 无线光通信的传输媒介是光,因此能够自主叠加全部的传输协议,从而推动了图像、语音、数据等服务的透明化。 并且,作为非可视光的无线光通信,其具备较强的定向性和较窄的波束,不易在夜间被发现或窃听,其保密性较优。 作为一种视距宽带技术,无线光通信技术的信号传输效果与传输距离紧密相关,例如传输距离较大,若超出相应范围后难以准确接收。当前可以确保1 000 m 范围内具备理想的信号传输效果,倘若在4 000 m 之外,则难以确保顺利传输。

3 无线光通信的接入技术

在手机、通信用户逐步增加的影响下,我们亟须解决偏远区域的信号质量提高问题。 为了更好地满足客户的实际需要,应注重通信基站数量的持续增加。 当前,很多运营商在接入时基本应用光纤光缆或微波的方式,对接入信号的设备指标要求较高。 在进行传输时,光信号较易受到反射或折射影响而形成串码情况。并且,在此过程中,受到空气折射与吸收的影响,光信号强度逐步减小,接收状况受到严重制约。 鉴于此,无线光通信的信号接收机除了要求具备非常高的灵敏性,还应该具有非常强的降干扰波谱与滤波效果[4]。

整体而言,无线光通信传输存在较为复杂的传输环境和较多影响传输的因素,因此需要比较广泛的动态接收系统。 在地震和风力等因素的制约下,接收设备形成相应的位移或晃动,从而使激光器的瞄准受到进一步制约,造成难以顺利通信。 目前,应做好下面几点工作:一是提高激光瞄准性能,结合应用非机械设备精确和迅速地对准目标,并且提高接收机总功率,确保信噪比不减小的前提下提升接收机的信号质量。 二是接入天线。 不受传统路径的限制,发射过程中的无线光通信的发射角难免形成以及传输方向存在较大的不确定性,这会损耗光信号。 为了更好地确保信号接收的准确性和灵敏性,应将天线系统增设于接收端。天线系统的组成是凹凸面镜,根据凹凸面镜的光学理论聚焦信号,从而大大减少光信号损耗。 光学天线接收质量受到天线孔径的直接制约,应根据实际工作现状选用适宜的接收孔径,避免孔径太小或太大而降低接收质量。 并且,还应严格地对聚光斑点的精确性进行设置,提升光源的接收效率,避免损失光信号。 三是接入发射机。 发射机直接形成了无线信号,重点在于将数据信号转换为光学信号。 通常无线光通信的传输不应用光缆,其主导信号是椭圆光斑[5]。 由形成激光管芯,结合光学行为耦合运行,耦合准值与传输距离存在正比关系。 换言之,传输距离愈短,则具备愈高的耦合准值。 耦合准值的设定不但应兼顾耦合效率,而且应全面思考发散角值,避免影响接收信号和接收过程。

4 无线光通信的传输、接入需要注意的问题

无线光通信技术有效地满足了当前通信和网络发展的要求,进而得到了大量用户的肯定,属于一种信息化大发展的产物。 然而,作为一种不够先进的新生技术,无线光通信技术的应用存在两个主要问题:一是通信受到大气状况的影响。 因为无线光通信的传输媒介是空气,其难免受到大气环境的制约。 如果天气环境复杂,则常常存在通信中断、信号质量差、通信受阻等现象,例如露天中光信号的散射以及雨雪天会显著降低信号传输效果[6]。 二是面临点对点连接的问题。 由于充当视距宽带通信技术的无线光通信需要具备相应的视距宽带通信技术,这表明在具备相应视线传播媒介的情况下,才可以通过光发射机和光接收机传输以及接收信号。 如果在山区顶部或较高的建筑物顶部放置设备,则较易受到外力(大风或地震)的影响形成晃动,进而制约激光器的精准性。 鉴于此,无线光通信的传输、接入需要注意以下问题。

4.1 注重管理设备以及机理控制

无线光通信的传输和接入需要遵循一定的规则,一是注重管理设备以及机理控制。 无线光通信系统的高速运行要求接收机、传输天线、发射机共同作用,为此,应注重管理传输设备以及机理控制。 应用无线光信号可以摆脱光缆传输路径与光线的制约,在传输信号时会导致信号的损耗,从而使传输方向的确定受到影响。 为了降低光信号散发量,提升信号传输效果,需要选用适宜的光学天线,从而达到信号应用标准,确保无线光的接收效率和接收度。 另外,需要有效管控接收机,接收机的信号接收过程较易受到外部信号的影响,从而降低信号传输效果。 为此,需综合提升信号接收机的接收能力、抵抗以及辨别干扰信号的能力,这也是提高无线光通信传输质量的关键方式。

4.2 注重瞄准研究

传输过程中的信号常常受大气层无线波、外部条件中的信号源等的影响,导致显著的信号传输质量降低或遗失,影响用户的应用效果。 为此,只有提升信号接收与发射间的瞄准精度,才可以确保信号接收与发射的准确性,这也是当今提高无线波传输质量的研究趋势。 在当今的瞄准研究中,可以结合非机械设备辅助激光器的准确、迅速对准过程,进而提高信号接收的准确度,降低信号损害,进而大大优化无线光通信的传输效果。

4.3 应用辅助系统

在接收与传输无线光通信中,辅助系统是不可缺少的装置。 辅助系统可以引导信号的传输,提升信号传输的精准度与效率,这非常有利于提升无线光的通信效果。 在应用辅助系统时,倘若在设备上安装单独的辅助系统,不但浪费设备空间,而且增加通信设备的费用支出,不利于无线光通信技术的更好发展。 为此,辅助系统的应用能够有效地统一光学天线与接收器,从而减少费用支出,确保安装过程的简单化,便于设备的应用。 总之,只有真正融合辅助系统的功能,开发出有着更多无线光通信技术的先进设备,才可以结合辅助系统的应用实现理想的信号传输效果。

4.4 注重设备的安全操作

无线光通信技术的应用还应注重设备的安全操作。 由于无线光信号会伤害人体,特别是会显著伤害人的眼睛,因此,在接收与传输信号的过程中,操作人员还需要认真地根据有关指标操作设备,戴好眼罩,以降低光信号对眼睛的伤害。 并且,注重计算发射功率,在安全范围内控制功率,强化人身安全防护的效果。此外,在生产无线光通信设备时,生产商应制定专门的操作手册,保障高度工作者安全地操作设备。

5 结语

综上所述,无线光通信技术具备良好的发展和应用前景,也势必变成通信行业以后的发展趋势。 对于无线光通信技术而言,其最基础的工作是传输与接入问题,因此,有关工作者应高度重视管理设备、机理控制、瞄准研究、设备的安全操作以及应用辅助系统,并且持续探究更加有效的传输与接入技术手段,从而为无线光通信技术的可持续发展奠定良好基础。