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城市光无线通信网络中的问题及其解决方案
在短距离通信中，城市光无线通信（urban optical wireless communication，UOWC）网络可以提供很高的传输速率，因而越来越受到关注。UOWC的终端包括一个光发射机和一个光接收机，它们通常安装在相距几百米的大厦的顶端。UOWC具有几个显著的优点：使用简单、重量轻便、容量巨大，而且它无需向政府相关部门交纳频率使用许可费。UOWC目前还存在一些问题，比如：在恶劣的天气中或大楼摆动时它的通信性能非常差。本文提出了克服这些缺点的一些方法。




　　1． 简介


　　光无线通信具有使用简单、设备轻便和传输速率高的特点，目前在城市中得到了广泛的使用。在过去的10年中，使用高速率数据传输的用户数量每年都在稳定递增，要求的传输速率从每秒几百兆比特到每秒十几吉比特。由于传统的局域网（local area network，LAN）、互联网、企业网都无法满足超大传输容量的需求，因此利用光纤来传输高速率的数据是非常必要的。但是，要从光纤骨干网连一根光纤到用户存在“最后一英里”问题，需要花费昂贵的代价而且也非常耗时，而UOWC恰恰可以非常容易地解决这个问题。


　　事实上，许多无线通信技术也都可以解决“最后一英里”的问题，但是这些技术都要申请频率使用许可，这就使得用户必须支付大量的费用，而且申请也要花费数月的时间；这些无线技术还由于电磁辐射的暴露都存在安全问题。对于光通信而言，如果能减少光对眼睛的伤害，那么它便没有什么危险性。


　　与无线链路相比，现存的电缆比如非对称数字用户线（asynchronous digital subscriber line，ADSL）和有线电视（cable television，CATV）也可以用来解决“最后一英里”的问题，但是它们无法提供光通信所能提供的超高速率，并且需要交纳申请费用。因此，近几年来UOWC和激光通信（laser communication，LC）在城市中的应用越来越受到关注。光无线通信可以提供光纤链路的通信容量，而且设备小巧轻便，安装方便，更重要的是它无需交纳各种申请费用。


　　在一些应用中，UOWC的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。


　　2 UOWC网络的基本结构


　　一个光无线通信系统包括三个基本部分：发射机、传播信道和接收机。在发射机中对光源进行调制，从而用来传输数据。光源可以是激光也可以是发光二极管（light emitting diode，LED）。激光的特性可以用它的中心波长、平均功率、波束发散角来描述，在理想情况下，它的频谱非常窄。LED是次优光源，它比激光光源要便宜。最近人们研制出了窄带的LED，其最大输出功率为70 mW。我们知道，波束发散角决定了在自由空间中功率的损耗，或者从光源起在给定的距离内激光斑的大小。发射机望远镜可以对波束的方向进行校准并确定波束的直径。


　　在接收机中，望远镜收集接收到光线并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光转换成电信号，电信号被放大后进行处理。判决设备根据信号的幅度和到达时间进行判决。利用误比特率（bit error rate，BER）来表示链路的性能。


　　在UOWC中，传播信道是大气，即便在晴朗的白天，大气中也布满了各种分子和浮质，光线在大气中会被吸收和散射。传播路径上的温度变化会产生合成湍流，它会造成接收光信号的闪烁。


　　室外的UOWC必须要有视线传播（line of sight），它可以通过跟踪定位系统的协助来实现。可以利用GPS或者其它已知的信息进行粗略的跟踪，但精确的定位则需要一些电光机制，比如正交或矩阵检测器。定位涉及波束跟踪装置，这些装置可以是机械的，比如镜式检流计，也可以是非机械的，比如声光晶体、电光装置或光相位阵列（optical phased array，OPA）。


　　3 UOWC目前的问题


　　尽管UOWC具有很多优点，但是有三个主要的问题阻碍了它的广泛应用。首先，UOWC在发射机和接收机之间需要严格的视线传播，然而由于大楼的摆动可能会使该要求无法满足。其次，它要克服恶劣天气，比如雾、云、湍流等对传输信号的衰耗。第三，其发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。眼睛安全目前有着严格的规范保证，很多国家都有相应的标准，比如美国国家标准协会（american national standards institute，ANSI）Z-136系列和IEC-825系列。因此，虽然UOWC可以通过增加发射功率来改善传输性能，但是增加的范围是受到严格限制的。


　　3.1 大楼摆动时的校准


　　由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，往往会导致发射机和接收机无法对准，为了保证可靠的数据传输，在发射机和接收机之间必须进行连续的校准，尤其是当使用窄波束发散角和视界（fields of view，FOV）时。另外一个对不准的原因还可能是风，尤其是当通信设备安装在高楼的顶部时，在较大风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会破坏视线传播。实际测量中发现，由于上述现象的影响，大楼顶部的水平移动可达楼高的1/800～1/200。


　　3.2 大气浮质的散射


　　目前，在恶劣的天气条件下UOWC可能发生通信中断。尽管雨、雪可以阻碍光线的传播，但是最糟的环境是雾。这是因为它们中的散射粒子的半径与激光的波长在同一个数量级上，且散射粒子非常集中，从而使光线的传播方向发生偏转，造成空间、角度和时间上的扩展，如图所示。精确的散射机制取决于粒子大小与无线波长的比值。当该比值接近于1时，它的传播方向实际上是由Maxwell波动方程的Mie散射决定的。在给定散射粒子大小分布、无线波长、水和空气之间的折射率的条件下，Mie散射角度概率函数便可以求出，因此散射对通信性能造成的劣化便可以预测出来。雨滴和雪片的尺寸都远远大于光波长，所以它们不属于Mie散射而且不会严重地阻碍光线的传播。散射会对发射信号造成衰减和畸变。




3.3 分子的吸收


　　大气中的分子可以吸收激光的能量，从而会对发射功率造成很大的衰耗。该现象对波长十分的敏感，所以在给定的环境下，对某些波长是透明的而对另一些波长却会产生严重的衰耗。红外线很容易被大气中的水蒸气和CO2吸收，而波长在200 nm以下的光线则很容易被O2和O3吸收。