无线光通信的技术研究
摘要： 无线光通信是一种利用光波作为载波在自由空间中直接进行通信的一种方式，该技术具有广阔的应用前景。本文介绍了无线光通信的工作原理及组成，并介绍了几种常见问题的解决方案。
关键词： FSO 无线光通信 ATP
1.前言
最初，在出现了激光器这一理想光源后，人们就是沿用无线通信的原理，利用大气作为传输通道，直接进行光通信的。但由于当时技术的限制，比如传输距离较短，受天气影响严重等问题的制约，其发展一直停滞不前。无线光通信凭借其特有的优越性，最近几年来，又受到国内外众多企业及运营商的普遍重视。
无线光通信，又称“自由空间光通信”FSO（FreeSpace Optical Communication）或“虚拟光纤”（VirtualFiber），是光在自由空间（大气，外太空或水）中直接进行通信的一种方式。
近年来，人们对通信的速率及容量的要求越来越高，现有的通信系统80%以上都采用的是光纤通信系统。但用户接入网的光纤化由于其费时费力，且成本高而发展受阻，而无线光通信由于其安装简单，费用低，而成为用户接入网“最后一公里”的最好的解决方案。另外，对于一些突发事件造成的通信中断，无线光通信也是一个非常好的应急方案。例如，美国“9.11”事件发生后部分地区的应急通信就采用了很多的无线光通信技术。最近几年国内外的许多企业都在无线光通信的技术上都有新突破，有的已经投入商用，比如美国朗讯公司的2.5×4Gb/s的波分复用系统，日本佳能公司的无线光通信系统等。笔者总结了这方面的技术，以便有更多的人才关注这一方面的技术。
2.工作原理
无线光通信是光纤通信和无线通信的结合，利用激光在自由空间内进行通信，可传输话音、视频等多种业务，其速率最高可达2.5Gb/s。一个完整的无线光通信系统主要由发射系统和接收系统两部分组成。其原理框图如图1所示。
发射系统主要由编码器、调制器、光源和发射天线组成。由于大气信道的不稳定，大气激光通信中的误码问题较为严重，所以利用编码器进行前项纠错处理，然后将信号送至光调制器，调制到一个由激光器产生的激光束上，利用发射天线发送，经过大气信道的传输，到达接收端。接收系统主要由接收天线、光检测器、解调器及译码器组成，其工作过程与发送过程相反。接收天线接收到信号后，经光检测器和调制器将其转换为相应电信号，最后经译码器输出。
接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号的功率；发送光学天线的任务是压缩光束发散角，降低激光束在大气中传播时的发散损耗。一般来说，由于成本和维护的考虑，大气激光通信大都采用折射式光学天线。
3.无线光通信中常见问题及解决方案
（1）大气湍流的影响
大气湍流就是大气各点的密度不均匀的微小起伏，是由于地球表面的空气的不断对流引起的。密度的变动造成折射率的变化，激光束通过时，就会偏离原来的方向，发生不稳定的折射偏折，这种现象也叫做“大气抖动”。由于接收点固定不动，收到的光信号强度就会有起伏变化，带来强烈的干扰。
对于这个问题可以采用差错编码技术来控制其影响，目前采用Tubro码可以很好地改善大气湍流对接收光强的影响。如下图所示：Tubro码编码系统与未编码系统的性能比较。
（2）大气衰减的影响
激光器作为一种理想的光源，具有体积小、寿命长、调制方便，而且发射光束单色性好、方向好等特点。民用无线光通信系统主要选用的是半导体激光器。对于其工作波长，由于存在大气衰减，即因大气对光束的吸收和散射作用引起的信号能量减弱，又因为大气的散射作用与大气中微粒的数目和大小有关，而且对于不同波长的电磁波，大气的衰减作用也不同（如图3所示）。在图中，我们可以看到720nm—15000nm的光波在大气中的透射特性。显然，为了尽可能消除大气带来的损耗，通信波长应选择在大气“窗口”位置。大气激光通信一般采用的850nm、1550nm波长均位于大气透射的“窗口”中，因此透射率很高，大气损耗小。又因为目前光纤通信一般都选择1550nm波长，可用器件选择余地大，而且1550nm波长的光源在通信性能和人眼安全性上都有更好的表现，所以无线光通信一般选择工作波长为1550nm。
（3）建筑物晃动的影响
建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准，其最大值可达4mard/2层楼。对于大气激光通信来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。但在对准之后，在风力和其他因素的作用下，建筑物会有一些晃动，就必须要求链路两端设备必须具备自动跟踪的能力。
对于这种问题可以采用散光法和自动跟描技术又称（ATP技术）来解决。
所谓散光法就是让激光束以较大的角发送，这样到达接收端时光束就会形成一个很大的光锥。但是，若发射角太大，则通信距离和接收端信号的强度都会受到相应的影响。
高精确的捕获（Acquisition）、跟踪（Track-ing）和瞄准（Pointing）技术可以避免这个问题，所以已经成为无线激光通信中的关键技术。ATP系统主要包括两个子系统：
1）预对准系统：根据预先设定的通信方向，控制光束方向，使其能较为准确地对准光接收器。
2）跟踪系统：可分为粗跟踪系统和精跟踪系统，在不同视角/视场范围内捕获目标，并对目标跟踪，然后将目标控制在跟踪能够实现的范围内，始终使系统处于最佳接收位置。位置探测如下图4所示，较为常用的探测器有PSD、CCD和QD。粗跟踪系统常采用CCD来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪目标的捕获，其捕获范围可达±1°—±20°或更大。精跟踪系统通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统，其要求现场角为几百微弧度，跟踪精度为微弧度，跟踪灵敏度为微几mW。
4.结束语
无线光通信由于具有与多优点，比如无需申请频带许可证，组网方便，安全性好，抗干扰性好，故在一些应急场合、特殊场合，如高电磁干扰场合、不易布线的场合，还有一些军事部门的应用前情都非常好，在未来的通信市场有非常广阔的前景。
参考文献：
［1］王光晖辉，许国良，刑建斌，丁涛，张旭苹.无线光通信的关键技术研究.光通信技术，2005，5.
［2］何小梅，李晓峰，车雅良.大气湍流对近地无线光通信链路影响的研究.红外，2007，10.
［3］杨敏，朱林泉，张甲杰，姚叙红.无线激光通信技术.应用激光，2007，5.
［4］范国良.无线光通信技术及其应用.中国无线电，2007，3.
［5］辛富国.浅析无线光通信技术.中国新通信（技术版），2007，7.