無線光通信技術(shù)_課件ppt.ppt

1、,無線光通信技術(shù),楊奮華,無線光通信也稱為自由空間光通信（Free Space Optics），簡稱為FSO。 FSO技術(shù)具有高帶寬、部署迅速、費用合理等優(yōu)勢。FSO技術(shù)以激光為載體，用點對點或點對多點方式實現(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,4,FSO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，將這些高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運營商的通信網(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)時間長及高額投入限

2、制了普及；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），對業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入方式不很經(jīng)濟；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，波長比無線電波的波長短（如圖）。,5,6,6,通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介,頻率 Hz,7,光通信按傳輸介質(zhì)不同可分為光纖通

3、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,8,FSO系統(tǒng)組成,無線光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進行光信號的傳送的。只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，就可以進行通信。 一個無線光通信系統(tǒng)包括三個基本部分：發(fā)射機、信道和接收機,9,FSO的物理模型,FEC（Forward Error Correction ）-前向糾錯 APC（Automatic

4、Power Control ）-自動功率控制 ATC（Automatic Temperature Control ）-自動溫度控制 LD（Laser Diode ）-半導(dǎo)體激光器 AGC（Automatic Gain Control ）-自動增益控制,10,驅(qū)動電路,半導(dǎo)體激光器（LD）是高速調(diào)制的理想光源。但是，半導(dǎo)體激光器對溫度的變化很敏感。因此穩(wěn)定的激光器的輸出信號是必須考慮的問題。 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。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)送機中都含有自動溫度控制（ATC）與自動功率控制（APC）電路。,11,光源,進行通信時，由

5、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、低成本可直接調(diào)制等特點。實際的FSO系統(tǒng)多采用半導(dǎo)體激光器為光源。,12,光發(fā)送機,光發(fā)送機的性能-輸出光功率及穩(wěn)定性。 發(fā)送機的輸出光功率，實際上是發(fā)射端的端點測得的光的功率，因此也稱為出端光功率。工程上光功率用相對值表示。 1mW光功率定義為0db。 發(fā)送機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,在無線光通信系統(tǒng)中，光接收機的任務(wù)是以最小的附

6、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，因此光接收機的輸出特性反映了整個光通信系統(tǒng)的性能。 接收機由光檢測器、濾波器及其他處理電路組成。,14,光接收機性能,數(shù)字接收機的誤碼率（BER）-指的是數(shù)字信號中碼元在傳輸過程出現(xiàn)差錯的概率。 靈敏度-對數(shù)字接收機來說，靈敏度是指保證一定的誤碼率條件下，光接收機所能接收的最小光功率，一般用dBm作單位。 動態(tài)范圍-在滿足一定誤碼率的指標(biāo)下 因為接收到的光信號已經(jīng)很微弱，因此如何提高光接收機的靈敏度是研究接收機的主要問題。,15,FSO的關(guān)鍵技術(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) 大氣信道的研究 高靈敏度的信號探測和處理

7、技術(shù) 高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)( ATP) 技術(shù),16,高功率激光光源技術(shù),在FSO 通信中,背景光的干擾很強,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,光源的調(diào)制需要采用糾錯技術(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)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。CCD與800nm、1550nm波長光源均兼容，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)點是光源調(diào)制速率高,并且波長穩(wěn)定。同

8、時考慮到1500nm的光波對于霧有更強的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長的FSO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)射端的光束要進行準(zhǔn)直,先將發(fā)射光束壓縮到m rad 級,再通過發(fā)射鏡將光束進一步準(zhǔn)直為rad 級光束。 (2) 接收端的接收天線將空間傳播的光場收集并匯聚到探測器表面,接收天線的效率和尺寸對系統(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)體激光的波長相近甚至更小,這會引起光的吸收、散射、折射,特別

9、是在強急流的情況下,還可能發(fā)生波前畸變、強度抖動、多徑衰減、云層遮斷,光信號將受到嚴(yán)重干擾,甚至脫靶。,19,20,大氣中的粒子引起的散射,21,天氣對通信的影響,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 波長設(shè)備,運營商需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c確定合適的通信距離。針對設(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,特別是在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重要地點,因為微波對霧的抗擾能力強,不過實際中只有很少的時間需要倒換到微波上。,23,高靈敏度的信號探測和處理技術(shù),FSO 系統(tǒng)中,激光束的強度是與距離的平方成反比,所以光接收機接收到的信號十分微弱,在高背景噪聲場(

10、如太陽光、月光、星光等) 的干擾下,會導(dǎo)致接收端信噪比小于1 ,即信號淹沒在噪聲中。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號,采取了表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)雙方光束彼此對準(zhǔn)的問題,并且在整個通信過程中保持穩(wěn)定,即在數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)射器發(fā)送的光束對準(zhǔn)接收機所在的方向,先探測對方發(fā)出的信標(biāo),依據(jù)接收的信標(biāo)進行捕獲和跟蹤,然后回傳信標(biāo)給對方,系統(tǒng)便逐漸實現(xiàn)瞄準(zhǔn),最終雙方建立光傳輸信道,實現(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,光束會受到外

11、界環(huán)境的影響而發(fā)生折射、反射和散射等現(xiàn)象,從而造成光信號衰減和失真,接收機必須準(zhǔn)確捕獲發(fā)射過來的光束,在整個通信過程中維持信號跟蹤。,27,解決方法,發(fā)送信號時由于外部不可避免的抖動會引起誤差,因此引入自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)對抖動引起的誤差進行補償,用該補償信號來控制發(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)接收機激光探測器，必須保證激光發(fā)射器的光束發(fā)散角在幾十個微弧度之內(nèi)，但是經(jīng)過幾公里，會在接受機平面產(chǎn)生一個半徑較大的光斑，但接收機的口徑有限，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

12、束的發(fā)散角，接受探測器孔徑尺寸，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。,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不同發(fā)射角的發(fā)射光束A、B進行光傳輸（如圖）。,31,A采用小發(fā)射角，B采用大發(fā)射角，L為最遠傳輸距離，發(fā)射機移動的距離為x。當(dāng)L變大時，由于兩束光功率疊加避免遠距離傳輸時接受光功率過小而難以探測；當(dāng)L變小時，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)知震動而失去鏈路。,32,FSO六大特點,頻帶寬，速率高 頻譜資源豐富 適用任何通信

13、協(xié)議 架設(shè)靈活便捷 安全可靠 成本低,33,FSO的特點和優(yōu)勢 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在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號在空氣介質(zhì)中傳輸。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達2.5 Gbit/s，最遠可傳送4 km。 點到點：155Mb/s10Gb/s 2-4公里 點到多點：155Mb/s10Gb/s 12公里 網(wǎng)狀網(wǎng)：622Mb/s 200400米,33,34,FSO的特點和優(yōu)勢 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

14、，可以免費使用，故無需像無線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。唯一的要求設(shè)備功率不能超過國際電子技術(shù)委員會規(guī)定的功率上限（IEC60825-I標(biāo)準(zhǔn)）,35,FSO的特點和優(yōu)勢 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。現(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。,36,FSO的特點和優(yōu)勢 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行通信，可以完成地對空、空對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，可以在幾小時內(nèi)建立起通信鏈路，方便快捷，大大縮

15、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)，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。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。,FSO的特點和優(yōu)勢 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，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的特點和優(yōu)勢 六,39,40,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)用于移動通信基站間的互連，

16、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)格保密的場合 6、用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互連和數(shù)據(jù)傳輸,40,41,42,軍事應(yīng)用：藍綠光通信,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與巡航在300米深度的核潛艇成功的實現(xiàn)無線光通信 。 通過星載激光系統(tǒng)、機載激光系統(tǒng)、陸基反射鏡系統(tǒng)還可以實現(xiàn)潛艇與衛(wèi)星、潛艇與飛機、潛艇與地面指揮所的實時保密通信。 美國當(dāng)前正在研制的深潛航母就計劃采用先進的藍綠光通信與中微子通信相結(jié)合的通信方式。

17、,43,藍綠光通信,它是一種使用波長介于藍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行通信 波長459 nm的藍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9095。,44,藍綠激光水下通信,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)存在的問題,視距問題 FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機與接收機之間需要嚴(yán)格的視線傳播，當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時，在風(fēng)力的作用下建筑物會發(fā)生擺動，這樣便會影響激光器的對準(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，有時也會導(dǎo)致發(fā)

18、射機和接收機無法對準(zhǔn)。,46,47,天氣影響 惡劣的天氣情況，會對傳播信號產(chǎn)生衰耗?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會使光線在空間、時間和角度上產(chǎn)生偏差。大氣中粒子還會吸收激光的能量，衰減信號的發(fā)射功率。,無線光通信系統(tǒng)存在的問題,48,因此晴天對傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天為50-150dB/Km，霧天為50-300 dB/Km。國外為解決這個問題，一般會采用高功率的激光器二極管，更先進的光學(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)的另外兩個因素是大風(fēng)

19、和地震。風(fēng)力和大氣溫度的梯度變化會產(chǎn)生氣穴，氣穴密度的變化將帶來光折射率的變化，這會造成光束強度的瞬時突變，即所謂的“閃光”，嚴(yán)重影響FSO的通信傳輸質(zhì)量。同時，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或地震也會造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“動態(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,空中障礙物 小鳥或冰雹、雨雪可以阻斷鏈路產(chǎn)生毫秒級的中斷。城 市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動也會影響兩個點之間的激光對準(zhǔn)。,51,無線光通信系統(tǒng)存在的問題,傳輸距離 傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就

20、會越寬，接收的光信號質(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)。,52,FSO發(fā)展趨勢,FSO技術(shù)原理比較簡單，關(guān)鍵的問題是如何提高傳輸?shù)目煽啃?，使其盡量達到電信運營商的要求。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 減小大氣對通信的影響 傳輸速率的提高,53,研究發(fā)展趨勢一,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，發(fā)射機發(fā)送的光信號對不準(zhǔn)接收機，產(chǎn)生的誤差大，甚至通信無法實現(xiàn)。目前的研究方向在于提高激光的瞄準(zhǔn)，怎樣利用非機械裝置來實現(xiàn)精確的對準(zhǔn)和快速瞄準(zhǔn)；在接收機方面，散射光線也帶有信息，接收散射光線越多，接收的信號能量越大，但同時接收的噪聲也越