無線光通信系統的傳輸與接入問題研究

楊樹軍

(新鄉職業技術學院,河南 新鄉 453006)

0 引言

無線光通信(Free Space Optical,FSO)作為一種新的寬帶技術,將光通信技術與無線通信技術相結合,屬于自由空間的光通信范疇,能夠很好地處理受限于區域的有線通信問題,因此可以有效地滿足現代網絡與移動設備傳輸信號的需要。 無線光通信技術具有高效性、便捷性、靈活性等特點,并且設備成本逐步減小,因此將獲得普遍的應用。 鑒于此,注重無線光通信傳輸與接入問題的研究,有助于更好地應用該技術,推動無線光通信的更好發展。

1 無線光通信系統

1.1 無線光通信系統的組成

無線光通信是指以媒介——大氣層進程傳輸的通信方式,其可以很好地接入和傳輸光信號。 在收發端機間只要有足夠的發射功率與視距路徑條件,就可以傳輸光信號。 無線光通信系統能夠劃分為激光源、光學系統、接收機等,應統一應用望遠鏡和Er,Yb 光放大器,在實現“點對點”[1]的操作條件下,各階段都安裝有關的發射機與信號接收機,從而全程實現自由通信。其中,無線光通信系統的組成部分是接收機、接收光學系統、發射光學系統、摻鉺光纖放大器、激光器(如圖1所示)。 系統基于光電轉換傳輸技術,信號激勵源采用激光源模型,通過摻鉺光纖放大器對輸入信號實現放大傳輸。 摻鉺光纖為含有Er 離子的光纖,是摻鉺光纖放大器(EDFA)的核心部件。 輔助系統包括泵浦光源、無光源器件、控制單元以及監控接口等部分。 無光源部分又可分為耦合器、光波分復用器、光纖連接器、隔離器。 光耦合器基于波分復用技術建立信號光與泵浦光的聯系,實現合二為一,然后利用光隔離器抑制光反射,保證放大器的穩定性,此種方式可降低損耗,屏蔽偏振量,優化隔離度。 再通過光濾波器減少輻射與噪聲,實現控制單元對系統的實時控制,并實時提供工作狀態信息。 該種方式增加了光纖通信的容量,同時兼具增益高、帶寬大、輸出功率高、泵浦效率高、損耗低等優點。 所以光放大器件在當前光纖通信中得到廣泛應用。 在操作過程中,發射機光源較易受到電信號的制約,要想有效地處理這種情況,須直接結合天線反射在檢驗器中聚集信號,從而進一步實現轉換光電信號的目標。 針對各種光波信號,大氣空間存在不同的穿透率,因此,在強穿透率的光波段會集聚無線光通信。

圖1 無線光通信系統的組成原理

1.2 無線光通信系統的優勢

FSO 是光通信和無線通信結合的產物,是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統。 無線光通信的抗干擾性能良好,這是其他通信技術難以企及的,可以在水面或屋頂上直接架設。 無線光通信的方向性良好,并且波束較窄,因此其具備較高的安全系數。 無線光通信的經濟成本比有線通信減少了約30%[2]。 無線光通信的通信范圍顯著擴大,無須受到地理條件的制約,還能夠充當應急救災或搶險的戰備,確保通信的順利傳輸。

FSO 在應用實踐中,1 498 nm 或848 nm 的紅外光譜被經常應用,前者所使用的設備成本低,主要適用于短距離傳輸的場合,后者所使用的設備成本較高,但是在傳輸距離、功率以及視覺安全方面表現更佳。 功率增大可有效減少外界惡劣因素的干擾,除此之外有效克服點對點通信頻譜占用成本問題,以光代替無線電波傳輸。 在抗干擾性能以及安全性能方面,無線光通信系統的功能深入提升,具備十分豐富的頻譜資源,不需要通過有關的技術協議或對許可證進行申請。

FSO 通信設備可以將光纖對接企業網,特別是在企業內部網互聯建設中的應用,避免了專線和鋪設光纖產生的運營費用,降低了企業運營的綜合成本,同時基于本地環路技術,帶寬速度為45 Mbps～2.5 Gbps,通信質量顯著提升,足以滿足企業網絡應用的各種需求。

1.3 無線光通信系統的缺陷

無線光通信效果受到大氣環境和傳輸距離的制約。 接收機和發射機間務必達到視線傳輸的條件,倘若在高地頂放置設備,那么外部因素會制約其瞄準性。在各種氣象狀況之下,其信號傳輸效果也存在差別。例如,在霧天較易形成散射或發散的現象,從而顯著降低光信號的穩定性;在雨雪條件下,光信號也會顯著減弱。 因此,無線光通信一般應密切統一微波通信,從而實現其抗干擾性與抗衰減性的提升。

2 無線光通信的傳輸技術

無線光通信的傳輸帶寬類似于光纖通信技術,其區別之處在于光纖通信的傳輸介質是光纖,而無線光通信的傳輸媒介是空氣。 當今,無線光通信能夠達到4 000 m 的最遠傳輸距離,而傳輸速率最高能夠達到2.6 bit/s[3]。 無線光通信的傳輸媒介是光,因此能夠自主疊加全部的傳輸協議,從而推動了圖像、語音、數據等服務的透明化。 并且,作為非可視光的無線光通信,其具備較強的定向性和較窄的波束,不易在夜間被發現或竊聽,其保密性較優。 作為一種視距寬帶技術,無線光通信技術的信號傳輸效果與傳輸距離緊密相關,例如傳輸距離較大,若超出相應范圍后難以準確接收。當前可以確保1 000 m 范圍內具備理想的信號傳輸效果,倘若在4 000 m 之外,則難以確保順利傳輸。

3 無線光通信的接入技術

在手機、通信用戶逐步增加的影響下,我們亟須解決偏遠區域的信號質量提高問題。 為了更好地滿足客戶的實際需要,應注重通信基站數量的持續增加。 當前,很多運營商在接入時基本應用光纖光纜或微波的方式,對接入信號的設備指標要求較高。 在進行傳輸時,光信號較易受到反射或折射影響而形成串碼情況。并且,在此過程中,受到空氣折射與吸收的影響,光信號強度逐步減小,接收狀況受到嚴重制約。 鑒于此,無線光通信的信號接收機除了要求具備非常高的靈敏性,還應該具有非常強的降干擾波譜與濾波效果[4]。

整體而言,無線光通信傳輸存在較為復雜的傳輸環境和較多影響傳輸的因素,因此需要比較廣泛的動態接收系統。 在地震和風力等因素的制約下,接收設備形成相應的位移或晃動,從而使激光器的瞄準受到進一步制約,造成難以順利通信。 目前,應做好下面幾點工作:一是提高激光瞄準性能,結合應用非機械設備精確和迅速地對準目標,并且提高接收機總功率,確保信噪比不減小的前提下提升接收機的信號質量。 二是接入天線。 不受傳統路徑的限制,發射過程中的無線光通信的發射角難免形成以及傳輸方向存在較大的不確定性,這會損耗光信號。 為了更好地確保信號接收的準確性和靈敏性,應將天線系統增設于接收端。天線系統的組成是凹凸面鏡,根據凹凸面鏡的光學理論聚焦信號,從而大大減少光信號損耗。 光學天線接收質量受到天線孔徑的直接制約,應根據實際工作現狀選用適宜的接收孔徑,避免孔徑太小或太大而降低接收質量。 并且,還應嚴格地對聚光斑點的精確性進行設置,提升光源的接收效率,避免損失光信號。 三是接入發射機。 發射機直接形成了無線信號,重點在于將數據信號轉換為光學信號。 通常無線光通信的傳輸不應用光纜,其主導信號是橢圓光斑[5]。 由形成激光管芯,結合光學行為耦合運行,耦合準值與傳輸距離存在正比關系。 換言之,傳輸距離愈短,則具備愈高的耦合準值。 耦合準值的設定不但應兼顧耦合效率,而且應全面思考發散角值,避免影響接收信號和接收過程。

4 無線光通信的傳輸、接入需要注意的問題

無線光通信技術有效地滿足了當前通信和網絡發展的要求,進而得到了大量用戶的肯定,屬于一種信息化大發展的產物。 然而,作為一種不夠先進的新生技術,無線光通信技術的應用存在兩個主要問題:一是通信受到大氣狀況的影響。 因為無線光通信的傳輸媒介是空氣,其難免受到大氣環境的制約。 如果天氣環境復雜,則常常存在通信中斷、信號質量差、通信受阻等現象,例如露天中光信號的散射以及雨雪天會顯著降低信號傳輸效果[6]。 二是面臨點對點連接的問題。 由于充當視距寬帶通信技術的無線光通信需要具備相應的視距寬帶通信技術,這表明在具備相應視線傳播媒介的情況下,才可以通過光發射機和光接收機傳輸以及接收信號。 如果在山區頂部或較高的建筑物頂部放置設備,則較易受到外力(大風或地震)的影響形成晃動,進而制約激光器的精準性。 鑒于此,無線光通信的傳輸、接入需要注意以下問題。

4.1 注重管理設備以及機理控制

無線光通信的傳輸和接入需要遵循一定的規則,一是注重管理設備以及機理控制。 無線光通信系統的高速運行要求接收機、傳輸天線、發射機共同作用,為此,應注重管理傳輸設備以及機理控制。 應用無線光信號可以擺脫光纜傳輸路徑與光線的制約,在傳輸信號時會導致信號的損耗,從而使傳輸方向的確定受到影響。 為了降低光信號散發量,提升信號傳輸效果,需要選用適宜的光學天線,從而達到信號應用標準,確保無線光的接收效率和接收度。 另外,需要有效管控接收機,接收機的信號接收過程較易受到外部信號的影響,從而降低信號傳輸效果。 為此,需綜合提升信號接收機的接收能力、抵抗以及辨別干擾信號的能力,這也是提高無線光通信傳輸質量的關鍵方式。

4.2 注重瞄準研究

傳輸過程中的信號常常受大氣層無線波、外部條件中的信號源等的影響,導致顯著的信號傳輸質量降低或遺失,影響用戶的應用效果。 為此,只有提升信號接收與發射間的瞄準精度,才可以確保信號接收與發射的準確性,這也是當今提高無線波傳輸質量的研究趨勢。 在當今的瞄準研究中,可以結合非機械設備輔助激光器的準確、迅速對準過程,進而提高信號接收的準確度,降低信號損害,進而大大優化無線光通信的傳輸效果。

4.3 應用輔助系統

在接收與傳輸無線光通信中,輔助系統是不可缺少的裝置。 輔助系統可以引導信號的傳輸,提升信號傳輸的精準度與效率,這非常有利于提升無線光的通信效果。 在應用輔助系統時,倘若在設備上安裝單獨的輔助系統,不但浪費設備空間,而且增加通信設備的費用支出,不利于無線光通信技術的更好發展。 為此,輔助系統的應用能夠有效地統一光學天線與接收器,從而減少費用支出,確保安裝過程的簡單化,便于設備的應用。 總之,只有真正融合輔助系統的功能,開發出有著更多無線光通信技術的先進設備,才可以結合輔助系統的應用實現理想的信號傳輸效果。

4.4 注重設備的安全操作

無線光通信技術的應用還應注重設備的安全操作。 由于無線光信號會傷害人體,特別是會顯著傷害人的眼睛,因此,在接收與傳輸信號的過程中,操作人員還需要認真地根據有關指標操作設備,戴好眼罩,以降低光信號對眼睛的傷害。 并且,注重計算發射功率,在安全范圍內控制功率,強化人身安全防護的效果。此外,在生產無線光通信設備時,生產商應制定專門的操作手冊,保障高度工作者安全地操作設備。

5 結語

綜上所述,無線光通信技術具備良好的發展和應用前景,也勢必變成通信行業以后的發展趨勢。 對于無線光通信技術而言,其最基礎的工作是傳輸與接入問題,因此,有關工作者應高度重視管理設備、機理控制、瞄準研究、設備的安全操作以及應用輔助系統,并且持續探究更加有效的傳輸與接入技術手段,從而為無線光通信技術的可持續發展奠定良好基礎。