無線光通信技術(shù)-課件ppt

1、無線光通信技術(shù)楊?yuàn)^華 無線光通信也稱為自由空間光通信（Free Space Optics），簡(jiǎn)稱為FSO。 FSO技術(shù)具有高帶寬、部署迅速、費(fèi)用合理等優(yōu)勢(shì)。FSO技術(shù)以激光為載體，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)連接。雖然FSO通信不需要光纖而是以空氣為介質(zhì)，但由于其設(shè)備以發(fā)光二極管或激光二極管為光源，因此又有“無線光纖”之稱。前言4FSO的提出：“最后一公里”的新方案 隨著通信網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，局域網(wǎng)以及千兆以太網(wǎng)開始快速增長(zhǎng)，將這些高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供選擇，比如光纖、微波、XDSL等，但光纖敷設(shè)時(shí)間長(zhǎng)及高額投入限制了普及；

2、微波技術(shù)日漸成熟，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許證），對(duì)業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入方式不很經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒質(zhì)，但XDSL帶寬太低。 而自由空間光通信FSO（Free Space Optics），作為一種新興的寬帶無線接入方式浮出水面，是解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的傳輸瓶頸的有效途徑，F(xiàn)SO的出現(xiàn)引起了業(yè)界廣泛地關(guān)注。5什么是光通信？ 光通信是一種以光波作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光波和無線電波同都屬于電磁波，但光波的頻率比無線電波的頻率高，波長(zhǎng)比無線電波的波長(zhǎng)短（如圖）。566通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻率頻率 Hz1011071021061031

3、0510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長(zhǎng)（自由空間波長(zhǎng)（m）電力、電話電力、電話無線電、電視無線電、電視微波微波紅外線紅外線可見光可見光雙鉸線雙鉸線同軸電纜同軸電纜光纖光纖衛(wèi)星衛(wèi)星/微波微波AM無線電無線電FM無線電無線電頻段頻段劃分劃分傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)7光通信按傳輸介質(zhì)不同可分為光纖通信和大氣激光通信。 光纖通信：是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信。光纖通信已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一。 大氣激光通信：是利用大氣作為傳輸介質(zhì)的激光

4、通信。光通信的分類7光通信有線光通信：光纖通信無線光通信：大氣、海水、外層空間8FSO系統(tǒng)組成 無線光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進(jìn)行光信號(hào)的傳送的。只要在收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，就可以進(jìn)行通信。 一個(gè)無線光通信系統(tǒng)包括三個(gè)基本部分：發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)9FSO的物理模型FEC（Forward Error Correction ）-前向糾錯(cuò)APC（Automatic Power Control ）-自動(dòng)功率控制ATC（Automatic Temperature Control ）-自動(dòng)溫度控制LD（Laser Diode ）-半導(dǎo)體激光器AGC（Automat

5、ic Gain Control ）-自動(dòng)增益控制 10驅(qū)動(dòng)電路 半導(dǎo)體激光器（LD）是高速調(diào)制的理想光源。但是，半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度的變化很敏感。因此穩(wěn)定的激光器的輸出信號(hào)是必須考慮的問題。 控制電路的作用，就是消除溫度變化和器件老化的影響，輸出穩(wěn)定光信號(hào)。因此除了一些特殊的發(fā)光器外，一般的半導(dǎo)體激光器發(fā)送機(jī)中都含有自動(dòng)溫度控制（ATC）與自動(dòng)功率控制（APC）電路。11光源 進(jìn)行通信時(shí)，由于受到大氣性能的影響，應(yīng)考慮激光的功率和傳輸頻率等特性。目前主要是有半導(dǎo)體激光器、固體激光器等。半導(dǎo)體激光器可以工作在1.06um左右，這是大氣低損耗窗口，可以減小衰減。并且半導(dǎo)體激光器具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高

6、、低成本可直接調(diào)制等特點(diǎn)。實(shí)際的FSO系統(tǒng)多采用半導(dǎo)體激光器為光源。 12光發(fā)送機(jī) 光發(fā)送機(jī)的性能-輸出光功率及穩(wěn)定性。 發(fā)送機(jī)的輸出光功率，實(shí)際上是發(fā)射端的端點(diǎn)測(cè)得的光的功率，因此也稱為出端光功率。工程上光功率用相對(duì)值表示。 1mW光功率定義為0db。 發(fā)送機(jī)的輸出功率大小直接影響系統(tǒng)的中繼距離。如何得到高功率的輸出功率？13光接收機(jī) 在無線光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)的任務(wù)是以最小的附加噪聲與失真，恢復(fù)出經(jīng)信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此光接收機(jī)的輸出特性反映了整個(gè)光通信系統(tǒng)的性能。 接收機(jī)由光檢測(cè)器、濾波器及其他處理電路組成。14光接收機(jī)性能 數(shù)字接收機(jī)的誤碼率（BER）-指的是數(shù)字信號(hào)中碼

7、元在傳輸過程出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。 靈敏度-對(duì)數(shù)字接收機(jī)來說，靈敏度是指保證一定的誤碼率條件下，光接收機(jī)所能接收的最小光功率，一般用dBm作單位。 動(dòng)態(tài)范圍-在滿足一定誤碼率的指標(biāo)下 因?yàn)榻邮盏降墓庑盘?hào)已經(jīng)很微弱，因此如何提高光接收機(jī)的靈敏度是研究接收機(jī)的主要問題。15FSO的關(guān)鍵技術(shù) 高功率激光光源技術(shù)高功率激光光源技術(shù) 光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù)光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù) 大氣信道的研究大氣信道的研究 高靈敏度的信號(hào)探測(cè)和處理技術(shù)高靈敏度的信號(hào)探測(cè)和處理技術(shù) 高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)( ATP) ( ATP) 技術(shù)技術(shù)16 高功率激光光源技術(shù) 在FSO 通

8、信中,背景光的干擾很強(qiáng),所以在通信過程中需要大功率、低損耗光源,調(diào)制速率又要盡可能高。同時(shí),光源的調(diào)制需要采用糾錯(cuò)技術(shù),盡可能減少誤碼和突發(fā)誤碼。目前, 主要采用800860 nm波段和1 550 nm 波段的光源。800 nm 波段光源研究時(shí)間較早,器件比較成熟，被廣泛采用。 CCD （電荷耦合器件）能將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。CCD與800nm、1550nm波長(zhǎng)光源均兼容，CCD相關(guān)參數(shù)如表所示。17選取1550nm的光源 采用1 550 nm 的優(yōu)點(diǎn)是光源調(diào)制速率高,并且波長(zhǎng)穩(wěn)定。同時(shí)考慮到1500nm的光波對(duì)于霧有更強(qiáng)的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長(zhǎng)的FS

9、O系統(tǒng)具有更廣闊的使用前景。18光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù) (1) 發(fā)射端的光束要進(jìn)行準(zhǔn)直,先將發(fā)射光束壓縮到m rad 級(jí),再通過發(fā)射鏡將光束進(jìn)一步準(zhǔn)直為rad 級(jí)光束。(2) 接收端的接收天線將空間傳播的光場(chǎng)收集并匯聚到探測(cè)器表面,接收天線的效率和尺寸對(duì)系統(tǒng)接收光功率的能力有重要影響。目前,該系統(tǒng)的天線直徑為幾厘米到25 cm。19大氣信道的研究 在FSO 通信中,大氣中的氣體分子、水霧、雪、氣溶膠等粒子,其幾何尺寸與半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)相近甚至更小,這會(huì)引起光的吸收、散射、折射,特別是在強(qiáng)急流的情況下,還可能發(fā)生波前畸變、強(qiáng)度抖動(dòng)、多徑衰減、云層遮斷,光信號(hào)將受到嚴(yán)重干擾,甚至脫靶。

10、1920大氣中的粒子引起的散射21天氣對(duì)通信的影響22解決方法 在有霧的天氣一般采用增大發(fā)射功率的辦法,因此多選用1 550 nm 波長(zhǎng)設(shè)備,運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)確定合適的通信距離。針對(duì)設(shè)備可靠性的解決方案,采用不需許可證的微波作為備份節(jié)點(diǎn),特別是在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重要地點(diǎn),因?yàn)槲⒉▽?duì)霧的抗擾能力強(qiáng),不過實(shí)際中只有很少的時(shí)間需要倒換到微波上。23高靈敏度的信號(hào)探測(cè)和處理技術(shù) FSO 系統(tǒng)中,激光束的強(qiáng)度是與距離的平方成反比,所以光接收機(jī)接收到的信號(hào)十分微弱,在高背景噪聲場(chǎng)(如太陽光、月光、星光等) 的干擾下,會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于1 ,即信號(hào)淹沒在噪聲中。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào),采

11、取了表3 所示的提高接收靈敏度和信噪比的措施。24解決方法25高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)( ATP) 技術(shù) ATP 主要解決收發(fā)雙方光束彼此對(duì)準(zhǔn)的問題,并且在整個(gè)通信過程中保持穩(wěn)定,即在數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)射器發(fā)送的光束對(duì)準(zhǔn)接收機(jī)所在的方向,先探測(cè)對(duì)方發(fā)出的信標(biāo),依據(jù)接收的信標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤,然后回傳信標(biāo)給對(duì)方,系統(tǒng)便逐漸實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn),最終雙方建立光傳輸信道,實(shí)現(xiàn)雙向通信。 要求：ATP 的跟蹤精度優(yōu)于2 rad , 瞄準(zhǔn)精度優(yōu)于1rad。26 但經(jīng)過空間信道的傳輸,光束會(huì)受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生折射、反射和散射等現(xiàn)象,從而造成光信號(hào)衰減和失真,接收機(jī)必須準(zhǔn)確捕獲發(fā)射過來的光束,在整個(gè)通信過程中維持信號(hào)跟蹤

12、。27解決方法 發(fā)送信號(hào)時(shí)由于外部不可避免的抖動(dòng)會(huì)引起誤差,因此引入自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)對(duì)抖動(dòng)引起的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,用該補(bǔ)償信號(hào)來控制發(fā)射振鏡系統(tǒng)。28空間分集技術(shù) 傳統(tǒng)的FSO端對(duì)端通信，采用單發(fā)射器和唯一的接受天線，為了使激光發(fā)射器保持瞄準(zhǔn)接收機(jī)激光探測(cè)器，必須保證激光發(fā)射器的光束發(fā)散角在幾十個(gè)微弧度之內(nèi)，但是經(jīng)過幾公里，會(huì)在接受機(jī)平面產(chǎn)生一個(gè)半徑較大的光斑，但接收機(jī)的口徑有限，只能接收到光斑的一部分能量，所以就產(chǎn)生了光能量的幾何空間損耗，損耗的大小與發(fā)射光束的發(fā)散角，接受探測(cè)器孔徑尺寸，通信距離以及瞄準(zhǔn)偏差有關(guān)。 為了增大接受端的光能量，可以采用多發(fā)射端的空間分集技術(shù)來改善信噪比，降低誤碼率

13、。29不分集 光斑面積 單位面積的光功率密度（OPD）30分集 采用光分路將一束光將兩個(gè)不同發(fā)射角的發(fā)射光束A、B進(jìn)行光傳輸（如圖）。31 A采用小發(fā)射角，B采用大發(fā)射角，L為最遠(yuǎn)傳輸距離，發(fā)射機(jī)移動(dòng)的距離為x。當(dāng)L變大時(shí)，由于兩束光功率疊加避免遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)接受光功率過小而難以探測(cè)；當(dāng)L變小時(shí)，窄光束A光斑面積隨著變小，寬光束B盡可能取得最大避免光斑過小受不到不可預(yù)知震動(dòng)而失去鏈路。32FSO六大特點(diǎn) 頻帶寬，速率高 頻譜資源豐富 適用任何通信協(xié)議 架設(shè)靈活便捷 安全可靠 成本低33FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 一 頻帶寬，速率高 FSO的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同，只是光纖通信中的光信號(hào)在光纖介

14、質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號(hào)在空氣介質(zhì)中傳輸。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達(dá)2.5 Gbit/s，最遠(yuǎn)可傳送4 km。點(diǎn)到點(diǎn)：155Mb/s10Gb/s 2-4公里 點(diǎn)到多點(diǎn)：155Mb/s10Gb/s 12公里網(wǎng)狀網(wǎng)：622Mb/s 200400米 3334FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 二 頻譜資源豐富 （無需頻譜許可證） 無線光通訊因設(shè)備間沒有信號(hào)的相互干擾。FSO與大多數(shù)低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受限制，可以免費(fèi)使用，故無需像無線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請(qǐng)頻率許可證。唯一的要求設(shè)備功率不能超過國際電子技術(shù)委員會(huì)規(guī)定的功率上限（IEC60825-I標(biāo)準(zhǔn)）35

15、FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 三 適用任何通信協(xié)議 適用于任何環(huán)境，不依賴某種協(xié)議?，F(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等都能通過，并可支持2.5 Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等各種信息。36FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 四 架設(shè)靈活便捷 FSO可以直接架設(shè)在屋頂，以及在江河湖海上進(jìn)行通信，可以完成地對(duì)空、空對(duì)空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)，而且無需埋設(shè)光纖，可以在幾小時(shí)內(nèi)建立起通信鏈路，方便快捷，大大縮短了施工周期。 37 安全可靠 無線光通信的安全性是非常顯著的，光無線通信的波束很窄，定向性非常好，不是可視光，夜間也無法發(fā)現(xiàn)，因此無法探測(cè)到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能

16、性。并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強(qiáng)。FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 五38 成本低 光纖網(wǎng)絡(luò)的成本通常很高，鋪設(shè)過程耗時(shí)，而且投資不可撤回，而無線光通信技術(shù)可以在城域光網(wǎng)之外提供高帶寬連接，而成本只有在地下埋設(shè)光纜的五分之一。FSO的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 六39接入方式各種性能接入方式各種性能光纖接入光纖接入微波接入微波接入 F S OF S O帶帶 寬寬Gbps以上較 低100Mbps-2.5Gbps保保 密密 性性好較 差好傳傳 輸輸 距距 離離120公里以上60公里4公里成成 本本10-20萬美元/公里2-3萬美元/套2-3萬美元/套建建 設(shè)設(shè) 速速 度度4-12月2-3天2-3天市市

17、 政政 許許 可可有無無頻頻 率率 許許 可可無有無便便 攜攜 性性困 難 一 般方 便維維 護(hù)護(hù)復(fù) 雜一 般簡(jiǎn) 便40無線光通信的應(yīng)用無線光通信可在以下一些范圍發(fā)揮重要作用： 1、可以作為預(yù)防服務(wù)中斷的光纖通信和微波通信的備份 2、可以應(yīng)用于移動(dòng)通信基站間的互連，無線基站數(shù)據(jù)回傳3、用于近距離高速網(wǎng)的建設(shè)以及最后一英里接入4、用于不宜布線或是布線成本高、施工難度大、經(jīng)市政部門審批困難的地方5、在軍事設(shè)施或其他要害部門需要嚴(yán)格保密的場(chǎng)合6、用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互連和數(shù)據(jù)傳輸404142軍事應(yīng)用：藍(lán)綠光通信 1981年5月，美國在圣地亞哥海域上空，采用530nm的激光束從一架飛行在1.3萬米高度的飛機(jī)

18、與巡航在300米深度的核潛艇成功的實(shí)現(xiàn)無線光通信 。 通過星載激光系統(tǒng)、機(jī)載激光系統(tǒng)、陸基反射鏡系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)潛艇與衛(wèi)星、潛艇與飛機(jī)、潛艇與地面指揮所的實(shí)時(shí)保密通信。 美國當(dāng)前正在研制的深潛航母就計(jì)劃采用先進(jìn)的藍(lán)綠光通信與中微子通信相結(jié)合的通信方式。43藍(lán)綠光通信 它是一種使用波長(zhǎng)介于藍(lán)光與綠光之間的激光，在海水中傳輸信息的通信方式，是目前較好的一種水下通信手段。 利用450570nm的激光束在深海里進(jìn)行通信 波長(zhǎng)459 nm的藍(lán)綠光在大氣中的透過率是65%，在2000米深度的海水中，其透光程度平均可達(dá)9095。44藍(lán)綠激光水下通信45基于無線光通信的高清晰數(shù)字傳輸系統(tǒng)46無線光通信系統(tǒng)存在的

19、問題 視距問題 FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視線傳播，當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時(shí)，在風(fēng)力的作用下建筑物會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，這樣便會(huì)影響激光器的對(duì)準(zhǔn)。由于大樓結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微的地震等原因，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)和接收機(jī)無法對(duì)準(zhǔn)。 4647 天氣影響 惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì)使光線在空間、時(shí)間和角度上產(chǎn)生偏差。大氣中粒子還會(huì)吸收激光的能量，衰減信號(hào)的發(fā)射功率。無線光通信系統(tǒng)存在的問題48 因此晴天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測(cè)試FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天5-15dB/Km，雨天20-50d

20、B/Km，雪天為50-150dB/Km，霧天為50-300 dB/Km。國外為解決這個(gè)問題，一般會(huì)采用高功率的激光器二極管，更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來解決。無線光通信系統(tǒng)存在的問題49 影響FSO性能指標(biāo)的另外兩個(gè)因素是大風(fēng)和地震。風(fēng)力和大氣溫度的梯度變化會(huì)產(chǎn)生氣穴，氣穴密度的變化將帶來光折射率的變化，這會(huì)造成光束強(qiáng)度的瞬時(shí)突變，即所謂的“閃光”，嚴(yán)重影響FSO的通信傳輸質(zhì)量。同時(shí)，由于FSO系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備一般都安裝在高樓之上，因此，大風(fēng)引起的建筑物的晃動(dòng)或地震也會(huì)造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“動(dòng)態(tài)跟蹤法”兩種手段可以解決這一問題。無線光通信系統(tǒng)存在的問題50無線光通信系統(tǒng)存在的問題

21、空中障礙物 小鳥或冰雹、雨雪可以阻斷鏈路產(chǎn)生毫秒級(jí)的中斷。城 市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動(dòng)也會(huì)影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。 51無線光通信系統(tǒng)存在的問題 傳輸距離 傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收的光信號(hào)質(zhì)量越差。 安全問題 激光的安全問題必須考慮。發(fā)射功率必須限制在保證眼睛安全的功率范圍內(nèi)。52FSO發(fā)展趨勢(shì) FSO技術(shù)原理比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的問題是如何提高傳輸?shù)目煽啃?，使其盡量達(dá)到電信運(yùn)營(yíng)商的要求。所以現(xiàn)在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率。 大致有以下一些方面。 發(fā)射、接收的瞄準(zhǔn)的研究 減小大氣對(duì)通信的影響 傳輸速率的提高53研究發(fā)展趨勢(shì)一 發(fā)射、接收的瞄準(zhǔn)的研究 在大風(fēng)中或因地震引起大樓的擺動(dòng)，發(fā)射機(jī)發(fā)送的光信號(hào)對(duì)不準(zhǔn)接收機(jī)，產(chǎn)生的誤差大，甚至通信無法實(shí)現(xiàn)。目前的研究