《無線光通信技術(shù)-從理論到前沿》課件-第1章

第1章無線光通信1.1概述1.2相關(guān)術(shù)語與基本概念1.3無線光通信鏈路分類標(biāo)準(zhǔn)1.4室內(nèi)無線光通信1.5近地?zé)o線光通信1.6空間無線光通信1.7水下無線光通信1.8異構(gòu)無線光通信鏈路1.9兩類無線光通信系統(tǒng)本章小結(jié)

1.1

概述

電磁(ElectroMagnetic,EM)頻譜是一種有限資源,隨著傳統(tǒng)無線業(yè)務(wù)和新興無線業(yè)的快速發(fā)展,日益增長的電磁頻譜需求與有限的頻譜資源之間的矛盾愈發(fā)凸顯。圖1-1給出了部分電磁頻譜以及每個波段的頻率和波長范圍。

圖11部分電磁(EM)頻譜以及每個波段頻率(和波長)的范圍

自由空間光通信(FreeSpaceOpticalcommunication,FSO)也稱為光無線通信

(OpticalWirelessCommunication,OWC),它在過去幾十年里作為射頻技術(shù)的一個極具潛力的補充技術(shù),被眾多學(xué)者廣泛研究。FSO技術(shù)與光纖技術(shù)類似,即先將數(shù)據(jù)調(diào)制到光載波上,然后將調(diào)制好的光束從該點傳輸?shù)搅硗庖稽c,但是FSO技術(shù)采用了無線傳輸?shù)姆绞健?/p>

FSO技術(shù)與射頻技術(shù)并不沖突,可以看作是對現(xiàn)有射頻系統(tǒng)性能的補充,且在一些要求嚴格限制射頻干擾的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要的作用。例如,在醫(yī)院或在商用飛機上采用

FSO技術(shù),可以有效避免對射頻干擾信號的影響。此外,第五代(5G)無線通信系統(tǒng)也引入了FSO技術(shù),作為RF技術(shù)的補充。

1.2相關(guān)術(shù)語與基本概念

1.無線光通信術(shù)語辨析無線光通信和光纖通信可以工作在同一頻段,并具有相近的傳輸帶寬,因此,無線光通信通常被稱為無纖光(Fiber-lessOptics)技術(shù)。OWC可指代室內(nèi)和室外無纖光系統(tǒng),而FSO主要指室外無纖光系統(tǒng)。

2.光源

FSO系統(tǒng)中最常用的光源是激光器(LaserDiode,LD)和發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)。LD因具有更高的輸出光功率和更寬的調(diào)制帶寬,而在高速公路應(yīng)用中備受青睞。但是也有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)來限制LD的輸出功率,以減小對人眼和皮膚的潛在損傷。

3.光檢測器

光電二極管(Positive-Intrinsic-Negative,PIN)和雪崩光電二極管(AvalanchePhotoDiode,APD)是FSO系統(tǒng)中最常用的兩種光檢測器。PIN光檢測器是低成本、低傳輸速率的FSO

鏈路的首選。這是因為它價格低廉,可以在低偏置電壓下工作,并且能夠承受較寬的環(huán)境溫度起伏。APD和PIN光檢測器均可以在非常高的反向偏壓下工作,以產(chǎn)生較高的電增

益,從而增加接收機的信噪比。與PIN光檢測器相比,APD光檢測器在背景噪聲受限的系統(tǒng)中性能更加優(yōu)越,因此其在高速率、高性能的FSO系統(tǒng)中備受青睞。

1.3無線光通信鏈路分類標(biāo)準(zhǔn)

以往無線光通信的鏈路大都根據(jù)其性質(zhì)進行分類,而根據(jù)功能進行分類的少之又少,本節(jié)將基于功能(面向場景)對無線光通信鏈路進行新的分類。此分類模型將根據(jù)各種配置所實現(xiàn)的內(nèi)容進行細化,并將執(zhí)行相同功能的配置組成一個類。例如,在相同的鏈路配置下,將組合漫反射和準(zhǔn)(多點)漫反射系統(tǒng)作為同一個類,它們在功能上相似,但在實現(xiàn)上有所不同

1.3.1分類標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成元素

1.環(huán)境(ε)

無線光通信鏈路可以在以下四種不同的環(huán)境中使用:室內(nèi)(Indoor,I)、近地(Terrestrial,T)、空間(Space,S)及水下(UnderWater,UW)。室內(nèi)鏈路指的是在芯片、房間或建筑物

等有限的空間環(huán)境中建立的鏈路。近地鏈路指的是鏈路性能受大氣影響的室外環(huán)境中的OWC鏈路。與近地鏈路相反,空間鏈路指的是不受大氣影響的室外鏈路,如外層空間的星體間通信。水下鏈路指的是水面下的OWC鏈路。值得注意的是,在某些實際應(yīng)用中,一條FSO鏈路可能會經(jīng)歷多個不同的環(huán)境,把這種鏈路稱為異構(gòu)FSO鏈路。

2.覆蓋類型(κ)

根據(jù)覆蓋范圍,無線光通信鏈路可分為點覆蓋(PointCoverage,PC)和蜂窩覆蓋(CellularCoverage,CC)兩種模式。點覆蓋指的是鏈路建立在單個發(fā)射機和單個目標(biāo)接收

機之間,所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能被目標(biāo)接收機接收。點覆蓋系統(tǒng)通常采用窄束散角發(fā)射機(NarrowTransmitter,NT),其接收機既可以是窄視場角接收機(NarrowReceiver,NR),也可以是寬視場角接收機(WideReceiver,WR)。蜂窩覆蓋則使用寬束散角發(fā)射機(WideTransmitter,WT)或一組窄束散角發(fā)射機,從而使得多個接收機(窄視場角接收機或?qū)捯晥鼋墙邮諜C)可同時接收發(fā)射機發(fā)射的光束。

3.視線可達性(α)

無線光通信鏈路可以分為視線(LineOfSight,LOS)傳輸及非視線(NotLineOfSight,NLOS)傳輸兩種傳輸方式。視線可達是指發(fā)射機和接收機之間存在一條不被遮擋的鏈路。由于LOS傳輸系統(tǒng)不會受到多徑效應(yīng)的不利影響,而且LOS傳輸系統(tǒng)中的接收機也不需要大視場角或者光能量收集器,因此,LOS傳輸鏈路可用于更高傳輸速率的場景。在非視線傳輸條件下,發(fā)射機和接收機之間的視線鏈路不存在或者被障礙物遮擋。此在NLOS傳輸鏈路中需要采用主動式中繼器或者被動式反射器,以實現(xiàn)發(fā)射機和接收機連接。

4.移動性(μ)

無線光通信鏈路可以是固定(Fixed,F)的,也可以是移動(Mobile,M)的。對于固定鏈路,一旦安裝完畢,發(fā)射機和接收機將保持固定和對準(zhǔn)。如果系統(tǒng)對移動性有要求,則需要建立更為復(fù)雜的移動鏈路。移動鏈路可以通過機械可調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)或者固態(tài)多單元發(fā)射和接收陣列來實現(xiàn)。

5.鏈路距離(δ)

對于鏈路距離的分類,本節(jié)采用由Khalighi等人提出的分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)環(huán)境和應(yīng)用的不同,一條無線光通信鏈路可屬于以下五種鏈路中的一種:

(1)超短距(UltraShortRange,USR),例如芯片到芯片的通信;

(2)短距(ShortRange,SR),例如水下通信;

(3)中距(MediumRange,MR),例如室內(nèi)局域網(wǎng);

(4)長距(LongRange,LR),例如近地鏈路;

(5)超長距(UltraLongRange,ULR),例如深空鏈路。

1.3.2分類標(biāo)準(zhǔn)

基于上面的討論,一條無線光通信鏈路的配置可以用以下元素符號組來表示:

圖1－2給出了本章所建議分類的不同鏈路的配置情況。在后面內(nèi)容中將根據(jù)該分類標(biāo)準(zhǔn)簡要介紹FSO在不同環(huán)境(室內(nèi)、近地、空間、水下和任意環(huán)境組合)中的應(yīng)用。此外,還討論每種鏈路配置的典型損傷,并對相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和建議進行綜述。本節(jié)對于所有鏈路,主要關(guān)注的是物理層標(biāo)準(zhǔn),因為物理層是直接與各種FSO鏈路配置相關(guān)聯(lián)的。表1.1描述了使用FSO分類方式對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及建議的分類情況。

圖1－2建議分類的不同鏈路配置情況

在提議的分類中,部分鏈路配置可能并不是當(dāng)下可實施的;原因之一是在OWC鏈路中環(huán)境與距離的組合是不可行的。例如,一條超短的OWC鏈路只能在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn),而超長鏈路只能在空間通信中實現(xiàn)。

1.4室內(nèi)無線光通信

1.4.1鏈路配置1.室內(nèi)/點覆蓋/視線傳輸/固定型鏈路(I/PC/LOS/F/x)I/PC/LOS/F/x(x為鏈路距離)鏈路通常配備高定向性的發(fā)射機和具有窄視場角(FOV)的接收機?？蛇M行高度定向發(fā)送光束的發(fā)射機有助于減小多徑色散效應(yīng)的影響,而具有窄視場角的接收機會減弱背景光的影響。因此,I/PC/LOS/F/x鏈路能夠抑制大多數(shù)噪聲,在高速率數(shù)據(jù)傳輸中更受青睞。

2.室內(nèi)/點覆蓋/視線傳輸/可移動型鏈路(I/PC/LOS/M/x)

如前所述,I/PC/LOS/F/x鏈路是高傳輸速率應(yīng)用的首選固定型鏈路。但在某些應(yīng)用中,研究人員希望可以為移動用戶提供高速率數(shù)據(jù)鏈路。在I/PC/LOS/M/x鏈路中,窄束散角波束被設(shè)計為可轉(zhuǎn)向波束,基于此波束,可在移動終端之間創(chuàng)建高速FSO鏈路。這種鏈路配置可以通過機械轉(zhuǎn)臺或跟瞄系統(tǒng)來完成。

3.室內(nèi)/點覆蓋/非視線傳輸/固定型鏈路(I/PC/NLOS/F/x)

該鏈路配置方案被廣泛應(yīng)用于空間分布,在發(fā)射機和接收機之間建立高速的點到點傳輸鏈路。需要注意的是,通常鏈路終端都處于同一平面,所以鏈路中發(fā)射機與接收機之間

僅有少部分為LOS鏈路,大多數(shù)鏈路為NLOS鏈路。

Hamza等人提出了一種使用三態(tài)交換元件(TristateSwitchingElement,T-SE)的新型非阻塞多播FSO互連技術(shù),它可以配置為反射(R-State)、透傳(T-State)或分立(半反

射/半透傳,S-State)三種狀態(tài)之一(如圖1－3所示)。當(dāng)處于分立狀態(tài)時,一個波束可以被分割成任意數(shù)量的副本,從而利用I/PC/NLOS/F/UShort鏈路實現(xiàn)多播的功能。

圖13T-SE三種狀態(tài)

4.室內(nèi)/蜂窩覆蓋/視線傳輸型鏈路(I/CC/LOS/x)

I/CC/LOS/x鏈路在本書中可分為三種類型,即非定向/視線傳輸型鏈路、寬視場傳輸(蜂窩覆蓋)型鏈路和無線電話站型鏈路。這種配置的鏈路被認為是具有寬視場角發(fā)射機的

I/PC/LOS/F/x鏈路。I/CC/LOS/x鏈路通常采用LED或帶有漫反射器的LD來實現(xiàn)發(fā)射機的寬視場角。I/CC/LOS/x鏈路的設(shè)計使得接收機能夠檢測LOS光束。但與此同時,接收機也有可能收集到從墻面上反射回來的其他光束,而這些光束與鏈路中的LOS分量相比可忽略不計。

可見光通信(VisibleLightCommunication,VLC)是一種采用LED來傳輸數(shù)據(jù)信息的無線光通信技術(shù),主要采用I/CC/LOS/xOWC鏈路。雖然LED通常被用作VLC的發(fā)射

裝置,但LED在調(diào)制帶寬和效率方面仍受到一定的限制。因此,研究人員正在研究采用LD來代替VLC系統(tǒng)中的LED的方法。

5.室內(nèi)/蜂窩覆蓋/非視線傳輸型鏈路(I/CC/NLOS/x)

I/CC/NLOS/x鏈路是通過漫射或者準(zhǔn)漫射來實現(xiàn)的,當(dāng)漫反射表面(如墻壁、天花板)反射單個光束時,被稱為漫射;反射一組窄光束時,被稱為準(zhǔn)漫射。在漫射系統(tǒng)中,透射光被光束分散器分散,從而導(dǎo)致功率損耗和接收信號減弱。而在準(zhǔn)漫射系統(tǒng)中,多個窄光束的使用可以減少信道功率損耗,從而降低對發(fā)射功率的要求。此外,通過采用單個寬光束覆蓋相同大小的區(qū)域,同時減少反射和多徑效應(yīng),準(zhǔn)漫射鏈路可以實現(xiàn)用戶的移動性要求。

基于光成像設(shè)備的通信技術(shù)———可見光成像通信(OpticalCameraCommunication,OCC)是OWC的另一種形式,它支持可擴展的數(shù)據(jù)傳輸、定位和消息廣播等,且使用閃光

燈、顯示器和圖像傳感器作為發(fā)射和接收設(shè)備。在發(fā)射端,信號被調(diào)制到LED陣列圖像中;在接收端,圖像傳感器或攝像機捕捉發(fā)射端的LED陣列圖像,并分析其強度變化,最終提取到發(fā)射信號。該類攝像機可以在兩種模式下工作:全局快門和滾動快門。

1.4.2鏈路損傷

室內(nèi)FSO系統(tǒng)中最主要的噪聲源是由背景光引起的散粒噪聲,背景光可分為自然光源和人工光源。自然光源分為點光源(如太陽)和擴展光源(如天空);人工光源有白熾燈(鎢絲)、熒光燈和LED燈等。

雖然光濾波器可以濾除大部分接收到的背景光,但是由背景噪聲引起的散粒噪聲仍然存在。散粒噪聲與信號無關(guān),且其強度較高,可被認為是高斯白噪聲。在沒有背景光的情

況下,接收機前置放大器噪聲則成為主要的噪聲源。

室內(nèi)FSO鏈路損傷的原因、影響及解決方案見表1.2。

1.4.3室內(nèi)無線光通信標(biāo)準(zhǔn)與建議

1.IrDA標(biāo)準(zhǔn)

紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(InfraredDataAssociation,IrDA)為成本較低的半雙工I/PC/LOS/F/ShortFSO鏈路制定了基于分層的鏈路標(biāo)準(zhǔn),其鏈路長度從6cm到1m不等,工作波長為850~900nm,可在不同層上對應(yīng)用程序使用協(xié)議,從而實現(xiàn)信息交換以及超高速文件傳輸。表1.3總結(jié)了IrDA支持的不同鏈路標(biāo)準(zhǔn)和傳輸速率

2.JEITA標(biāo)準(zhǔn)

波長范圍在380~750nm的光通常被用于通信。在通信應(yīng)用中可使用子載波調(diào)制代替單載波調(diào)制,從而避免碼間干擾。CP-1221和CP-1222定義了三個主要的頻率范圍:

(1)范圍1(15~40kHz):用于通信以及JEITA可見光識別系統(tǒng)的使用。

(2)范圍2(40kHz~1MHz):在這個范圍內(nèi),由于日光燈逆變器發(fā)出的噪聲比較大,因此日光燈不能在這個范圍使用。

(3)范圍3(>1MHz):專用于特殊LED進行大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。

3.IEEE標(biāo)準(zhǔn)

IEEE一直致力于將FSO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。然而,鑒于FSO技術(shù)不斷取得的新進展,IEEE將持續(xù)為新興系統(tǒng)改進新標(biāo)準(zhǔn),使其能夠更加有效地服務(wù)于產(chǎn)品和系統(tǒng)。下面介紹IEEE為標(biāo)準(zhǔn)化FSO技術(shù)所做的努力。

(1)IEEE802.11。1997年,IEEE發(fā)布了IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn),分別指定1Mb/s和2Mb/s兩種數(shù)據(jù)傳輸速率,并規(guī)范了在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(Industrial,ScientificandMedicalISM)中使用2.4GHz頻率的IR信號。

(2)IEEE802.15.7—2011。2011年,IEEE802.15.7VLC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,定義了使用{I,T}/CC/LOS/{Short,Medium}鏈路的物理層和介質(zhì)訪問控制層(MediumAccessControl,MAC)。IEEE802.15.7定義了三類VLC設(shè)備:

①基礎(chǔ)設(shè)施:又稱協(xié)調(diào)器,是一種無特定約束形狀和電源的固定設(shè)備。

②移動電話:指電源有限、形狀受限的移動設(shè)備。移動VLC設(shè)備使用弱光源,因此可以在短距離內(nèi)工作,并能夠以高數(shù)據(jù)傳輸速率傳輸。

③車輛:指形狀不受限制、電源適中的移動設(shè)備。它采用強光源以較低的數(shù)據(jù)傳輸速率進行遠距離通信。

上述VLC設(shè)備可以配置在以下三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中:

①單播:支持多個移動設(shè)備和一個協(xié)調(diào)器之間的通信。

②點對點:支持兩個近距離設(shè)備之間的通信,其中一個設(shè)備充當(dāng)協(xié)調(diào)器。

③廣播:從協(xié)調(diào)器到一個或多個設(shè)備的單向傳輸。

IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)支持三種物理層運行模式:

①PHYⅠ:應(yīng)用于低傳輸速率(11.6~266.6kb/s)的戶外場景,采用開關(guān)鍵控(On-OffKeying,OOK)和可變脈沖位置調(diào)制(VariablePulse-PositionModulation,VPPM);還支持使用里德所羅門碼(Reed-Solomon,RS)和卷積碼進行級聯(lián)編碼。

②PHYⅡ:應(yīng)用于高傳輸速率的戶外/室內(nèi)通信(1.25~96Mb/s)。與PHYⅠ類似,PHYⅡ使用OOK、VPPM調(diào)制方式并支持RS編碼,但不支持卷積編碼。

③PHYⅢ:用于支持具有多個不同頻率(顏色)的光源/檢測器的通信系統(tǒng),采用色移鍵控(Color-ShiftKeying,CSK)和RS編碼實現(xiàn)12~96Mb/s的傳輸速率。

(3)IEEE802.15.7r1。在2014年,IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)工作組組建了短距離無線光通信工作組,以編寫IEEE802.15.7—2011標(biāo)準(zhǔn)的修訂版本。其目的是讓可見光通信容納更廣的光譜范圍,如紅外波段和近紫外波段,并開發(fā)新的通信鏈路和操作模式,如多輸入/多輸出鏈路(MIMO)。

該工作組主要致力于研究下列通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò):

①基于光成像設(shè)備的通信技術(shù)。

②LED-ID:無線燈光識別系統(tǒng)。

③LiFi:一種高速雙向網(wǎng)絡(luò),利用光實現(xiàn)移動無線通信。

1.5近地?zé)o線光通信

1.5.1鏈路配置1.近地/點覆蓋/視線傳輸/固定型鏈路(T/PC/LOS/F/x)T/PC/LOS/F/x鏈路最常用于實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)慕谾SO鏈路的配置。該鏈路現(xiàn)在已廣泛運用于實際生活中。(其中x表示為鏈路距離)

2.近地/點覆蓋/視線傳輸/移動性鏈路(T/PC/LOS/M/x)

T/PC/LOS/M/x鏈路配置適用于不需要嚴格捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用,這種通信系統(tǒng)中通常存在一個(或兩個)具有移動性的通信終端。例如無人機或飛機與地面間的通信。

Ortiz等人提出了一個實驗,該實驗中名為“牽牛星”(Altair)的無人機(UnmannedAerialVehicle,UAV)圍繞地面站在預(yù)定的圓圈內(nèi)飛行并收集數(shù)據(jù)。

3.近地/點覆蓋/非視線傳輸/固定型鏈路(T/PC/NLOS/F/x)

如前所述,T/PC/LOS/F/x鏈路配置用于建立點對點之間具有高數(shù)據(jù)速率的通信鏈路。但是,在眾多場景下,點對點之間的LOS可能會無法實現(xiàn),特別是在建筑物高度不同的城市中,因此需要T/PC/NLOS/F/x鏈路。

在實際生活中,波束具有發(fā)散性。對于距離較遠的近地鏈路來說,使用無源反射器(反射鏡或墻壁)來實現(xiàn)長距離通信是不切實際的。因此,在建立T/PC/NLOS/F/x鏈路時可以采用中繼系統(tǒng),該系統(tǒng)需具備兩個或兩個以上T/PC/LOS/F/x鏈路的有源中繼器。

4.近地/蜂窩覆蓋/視線傳輸鏈路(T/CC/LOS/x)

除了室內(nèi)部署外,智能交通系統(tǒng)中的VLC通信部署也處于研究中。這個系統(tǒng)利用交通燈、車燈(車頭燈、車尾燈和剎車燈)和路燈的LED作為發(fā)射機。在使用OCC的情況下,交通燈和車輛都配備了高速攝像機等接收機,以建立車輛到基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-To-Infrastructure,V2I)和車輛到車輛(Vehicle-To-Vehicle,V2V)的T/CC/LOS/ShortOWC鏈路。在智能交通系統(tǒng)中,交通安全信息可以通過發(fā)射機LED陣列廣播告知周圍車輛和人群,也可以通過接收機的攝像頭捕捉車輛的行駛數(shù)據(jù)和道路的車流量信息,并將其發(fā)送到計算機以進行數(shù)據(jù)信息處理,這樣可有效減少交通事故發(fā)生的概率。

數(shù)據(jù)通信(DataCommunication)是美國聯(lián)邦航空管理局(FederalAviationAdministration,FAA)正在開發(fā)的下一代(NextGeneration)框架中的一個重要模塊。其目的是實現(xiàn)空中交通管制員(AirTrafficController,ATC)和飛行員之間數(shù)據(jù)的可視化。

5.近地/蜂窩覆蓋/非視線傳輸鏈路(T/CC/NLOS/x)

因為大氣的損傷會限制FSO鏈路的性能,所以PC/LOSFSO鏈路是近地通信環(huán)境的首選,該鏈路可實現(xiàn)兩點之間的高數(shù)據(jù)速率通信。

太陽輻射在深紫外光譜區(qū)(200~280nm)被上層大氣(離地球表面約40km)的臭氧吸收和散射。這意味著在該區(qū)域傳輸?shù)腇SO鏈路能夠較好地避免背景噪聲問題,因此該頻段被稱為日盲紫外光光譜區(qū)。

1.5.2鏈路損傷

近地?zé)o線光通信鏈路如果暴露在由于大氣變化而引起的湍流中,會導(dǎo)致鏈路性能嚴重下降。

大氣湍流的抑制技術(shù)主要在物理層實現(xiàn),如孔徑平均、自適應(yīng)光學(xué)、分集、中繼傳輸和混合系統(tǒng)。最近人們還通過其它方法(例如:重傳、重新配置和重路由)來研究如何在更高層次緩解大氣湍流所造成的影響。

孔徑平均是指使用更大孔徑的接收機來收集更多的光,以此平滑掉多余的成分。

表1.4列出了近地FSO鏈路的不同損傷、原因、影響和解決方案。

1.5.3近地?zé)o線光通信標(biāo)準(zhǔn)與建議

1.ITU-RP.1814-0

該建議書給出了通用LOSFSO鏈路的功率預(yù)算公式和公式中各參數(shù)的含義,并強調(diào)了鏈路位置選擇的重要性,其中考慮了不同因素,例如天氣條件、物理障礙物、表面類型以及收發(fā)機的安裝情況等,同時在一些章節(jié)中還專門討論了對于規(guī)劃FSO鏈路時所必須考慮的不同天氣的影響因素。在計算FSO鏈路余量時要考慮的因素之一是太陽光的影響,

當(dāng)太陽光與鏈路平行時,會導(dǎo)致額外的太陽光功率進入到接收機內(nèi)。

2.ITU-RP.1817-1建議書

該建議書全面討論了不同天氣因素對近地FSO的影響。首先,介紹了大氣湍流造成鏈路損傷的基本定義和產(chǎn)生原因,解釋并討論了頻率選擇性的吸收、散射和閃爍。其次,對設(shè)計FSO鏈路時必須考慮的方程式、參數(shù)和變量,例如分子吸收與散射、氣溶膠吸收與散射、閃爍、雨衰、雪(濕雪和干雪)衰、背景光效應(yīng)等進行了詳細研討。

3.ITU-RF.2106-1建議書

ITU建議部門發(fā)布了編號為F.2106-1(2010)的報告,該報告討論了將FSO中T/PC/LOS/F鏈路用于固定業(yè)務(wù)的相關(guān)建議。在FSO中,T/PC/LOS/F鏈路范圍從幾十米到幾公里不等,這取決于使用的設(shè)備和其它因素,如天氣條件(晴空傳播、霧的影響、雨的影響、雪衰、背景光衰減和閃爍效應(yīng))。

1.6空間無線光通信

自由空間光通信是射頻衛(wèi)星間鏈路(InterSatelliteLink,ISL)中的一個頗具吸引力的研究領(lǐng)域,其包括了軌道內(nèi)部鏈路(如近地軌道與近地軌道)和軌道間鏈路(如近地軌道與同步軌道)。除了能夠提供較寬的帶寬和高速的數(shù)據(jù)傳輸速率外,FSO系統(tǒng)所使用的天線具有重量輕、尺寸小的特點,尤其是在沒有大氣影響的空間條件下,該系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。

1.6.1鏈路配置

1.空間/點覆蓋/視線傳輸/可移動型鏈路(S/PC/LOS/M/x)

實現(xiàn)S/PC/LOS/M/ULong鏈路配置的一個例子是歐洲航天局(EuropeanSpaceAgency,ESA)進行的半導(dǎo)體衛(wèi)星間鏈路實驗(SemiconductorInter-satelliteLinkEXperiment,

SILEX),而用于FSO系統(tǒng)的在軌演示于1991年開始。

2.空間/點覆蓋/非視線傳輸/可移動型鏈路(S/PC/NLOS/M)

S/PC/NLOS/M鏈路配置能很好地應(yīng)用于深空通信。該鏈路利用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的FSO鏈路,構(gòu)成深空探測器到中繼衛(wèi)星、地面站的雙跳深空通信鏈路,進而取代深空探

測器到地面站的直接鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸。與占主導(dǎo)地位的射頻系統(tǒng)相比,該FSO系統(tǒng)具有質(zhì)量更輕、功耗更低和體積更小的特點。

1.6.2鏈路損傷

與近地場景相比,空間FSO鏈路經(jīng)歷的噪聲和損傷相對較少(如表1.5所示)。然而,由于背景光干擾,空間鏈路仍易受散粒噪聲的影響。外部光源主要包括日光、行星表面反射的日光、混合星光和黃道帶光。

1.6.3空間無線光通信標(biāo)準(zhǔn)與建議

IOAG.T.OLSG.2012.V1A協(xié)議:為了進行FSO空間通信的相關(guān)實驗,機構(gòu)間業(yè)務(wù)咨詢第14小組成立了光鏈路研究小組。該小組使用波長為1550nm和1064nm的光波,綜合考慮天氣(云層、光學(xué)湍流和其它大氣)和航空因素的影響,定義和分析了各種任務(wù)場景下的鏈路標(biāo)準(zhǔn),包括近地軌道、月球、拉格朗日、火星地球空間和地球中繼。其目的是確定地面終端解決方案的相關(guān)要求,最大限度地為通信任務(wù)返回數(shù)據(jù)。然而,由于所需建立的地面站數(shù)量眾多,對單個機構(gòu)而言,這是一項重大的經(jīng)費負擔(dān),因此OLSG建議各機構(gòu)相互合作以完成上述實驗。

1.7水下無線光通信

1.7.1鏈路配置研究表明,不同水體的性質(zhì)不同,對光束產(chǎn)生的影響也不同。因此,研究UOWC系統(tǒng)所部署水域的性質(zhì)至關(guān)重要,這有助于對光源波長、調(diào)制方案、傳輸功率和鏈路結(jié)構(gòu)等鏈路參數(shù)進行選擇

1.水下/點覆蓋/視線傳輸/固定型鏈路(UW/PC/LOS/F/x)

與其它電磁頻率相比,可見光受水域渾濁程度的影響較小。但在清澈的水域(如深水),可見光的穿透范圍僅限于幾百米,在濁水中更小。固定型LOS鏈路通過避免損傷并允許光檢測器最大限度地收集入射光來克服這一局限性,從而實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸,因此UW/PC/LOS/F/UShort、UW/PC/LOS/F/Short和UW/PC/LOS/F/Medium是最常見

的UOWC鏈路配置。表1.6按時間順序羅列了歷年來國內(nèi)外學(xué)者對UW/PC/LOS/F/xUOWC鏈路的主要研究內(nèi)容,總結(jié)了每項研究的亮點、所用光源的類型和調(diào)制技術(shù),并且列出了實驗所處水域的類型、所實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率和鏈路長度。

2.水下/點覆蓋/視線傳輸/可移動型鏈路(UW/PC/LOS/M/x)

近地調(diào)制反射器(MRR)T/PC/LOS/M鏈路的成功應(yīng)用,使其被廣泛應(yīng)用于水下環(huán)境中。如前所述,MRR有利于降低對準(zhǔn)和跟瞄要求,這對發(fā)射機和接收機均處于動態(tài)的鏈路來說是必不可少的。此外,MRR還有助于降低鏈路一端的負載和功率需求,可用于UWSN等水下傳感器在水下探測移動的潛水員與潛艇之間通信的場景。

與其它UOWC鏈路類似,MRR鏈路的性能(包括范圍和容量)主要取決于鏈路所處水域的類型。

3.水下/蜂窩覆蓋/視線傳輸型鏈路(UW/CC/LOS/x)

為了實現(xiàn)具有較高數(shù)據(jù)傳輸速率的UOWC系統(tǒng),UW/PC/LOS鏈路得到了廣泛應(yīng)用,但UW/CC/LOS鏈路的應(yīng)用較少,有待進一步研究。

4.水下/蜂窩覆蓋/非視線傳輸型鏈路(UW/CC/NLOS/x)

在收發(fā)機發(fā)生阻塞、失調(diào)或隨機定向而導(dǎo)致LOS鏈路中斷的情況下,可部署UW/CC/NLOS/x鏈路。在UW/CC/NLOS/x鏈路中,發(fā)射機垂直向上發(fā)射光,且具有較大的束寬。當(dāng)光到達水和空氣界面時,會照亮一個環(huán)形區(qū)域,并且會有一部分光從水面反射回來。

1.7.2鏈路損傷

UOWC鏈路主要受到三種損傷因素的影響,即背景光、衰減(由固有吸收和散射而造成)和湍流。UOWC鏈路損傷匯總在表1.7中。在水面、日光等場景中均會產(chǎn)生強烈的背景噪聲,需要進行過濾處理。此外,光強大小對UOWC鏈路的性能也有顯著影響。

UW環(huán)境下的光束由于本征吸收和散射而降低了光強,導(dǎo)致光功率發(fā)生衰減。與深相比,淺水環(huán)境下的衰減更為嚴重。在純海水中,衰減以光的吸收為主。在近海面場景中,

由于有機物的存在,因此散射在衰減中占主導(dǎo)地位。散射一方面導(dǎo)致光的傳播方向發(fā)生改變;另一方面,降低了光強,最終引起信噪比的降低和ISI的產(chǎn)生。

與大氣中OWC鏈路類似,UOWC鏈路需要研發(fā)有效的傳輸技術(shù),以克服不同水體渾濁度等場景帶來的挑戰(zhàn)。因此,物理層和數(shù)據(jù)鏈路層必須具有低能耗的調(diào)制技術(shù)和強大的信道編碼能力。此外,在UW場景中,定位和波束對準(zhǔn)技術(shù)具有挑戰(zhàn)性,需要設(shè)計者綜合考慮。

1.7.3水下無線光通信標(biāo)準(zhǔn)與建議

截至目前,還沒有任何與UWFSO技術(shù)有關(guān)的提議或標(biāo)準(zhǔn)制定工作。2015年,IEEE802.15.7r1的主席楊江在“2015年可見光光通信國際會議暨展覽會”上進行了題為《IEEE

802.15.7r1OWC標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀》的論述。楊江針對OWC技術(shù)的不同層面及其不同的應(yīng)用案例,包括使用圖像傳感器通信的A5-水下通信和使用低速PD通信的C1-水下或海邊通信等

內(nèi)容進行了討論與總結(jié)。

1.8異構(gòu)無線光通信鏈路

1.建筑物之間的鏈路({I-T}/PC/LOS/F/x)連接兩棟建筑之間的近地FSO鏈路的收發(fā)設(shè)備可以安裝在天臺或窗戶后。通過租用或取得許可的方式在建筑物的頂部設(shè)置鏈路,不但會產(chǎn)生高額的費用,而且將建筑物頂部接收到的信號傳輸?shù)剿璧臉菍右草^為復(fù)雜。與射頻技術(shù)相比,考慮到FSO系統(tǒng)的組件具有體積小、重量輕等多項優(yōu)點,因此在近地鏈路中FSO鏈路仍是較好的選擇。

2.空間—地面鏈路({S-T}/PC/LOS/x/ULong)

衛(wèi)星地球站與空間航天器或衛(wèi)星之間的FSO通信鏈路是最常用的FSO鏈路之一。表1.8按照時間順序總結(jié)了1992年到2016年FSO研究中所取得的進展。

1.9兩類無線光通信系統(tǒng)

在異構(gòu)FSO鏈路中,一條FSO鏈路可以遍歷多個環(huán)境。例如,在1.8節(jié)討論的空間—地面FSO鏈路中,發(fā)射一束FSO波束,該波束將先通過地面信道進行傳輸,再通過空間信道傳輸(反之亦然)。在圖14中,橫軸表示FSO鏈路可以在不同的環(huán)境中進行傳輸,縱軸表示不同環(huán)境中FSO鏈路的配置。通過該圖可以看到遍歷了兩種環(huán)境的異構(gòu)FSO鏈路的若干示例。

雖然異構(gòu)FSO系統(tǒng)是在單一環(huán)境下運行的系統(tǒng),但是,這需要利用多條不同的鏈路配置來實現(xiàn),如果僅使用一種鏈路配置,該系統(tǒng)是無法實現(xiàn)高速率傳輸?shù)?。圖14描述了一個異構(gòu)FSO系統(tǒng)的例子,這個例子將會在1.9.1小節(jié)中詳細介紹。通過該圖可以觀察到:ATP系統(tǒng)完全在室內(nèi)環(huán)境中運行,且該系統(tǒng)采用了兩種鏈路配置,即I/PC/LOS/F和I/CC/LOS。

圖14異構(gòu)FSO鏈路與異構(gòu)FSO系統(tǒng)的區(qū)別

值得注意的是,盡管各種異構(gòu)FSO系統(tǒng)所處的場景類似,但鏈路的配置卻是不同的,如:異構(gòu)FSO系統(tǒng)只使用FSO技術(shù),然而對于混合FSO/x系統(tǒng)來說,是一種將FSO與另一種技術(shù)(x)聯(lián)合起來使用的通信系統(tǒng),實現(xiàn)了對FSO通信系統(tǒng)的改進。

表1.9總結(jié)了本節(jié)所講述的FSO系統(tǒng)類型及其應(yīng)用。

1.9.1異構(gòu)無線光通信系統(tǒng)

如前所述,在FSO中x/PC/LOS/F/x鏈路可以為固定用戶提供高比特率,但如果需要為移動用戶建立高比特率鏈路,就必須采用x/PC/LOS/M/x鏈路。然而,建立和維護移動用戶的PC/LOS鏈路正面臨挑戰(zhàn)。如果x/CC/LOS/x鏈路采用更寬的光束,就能使之覆蓋更廣的區(qū)域,這將有助于放寬對指向誤差和跟蹤精度的要求,但這通常是以犧牲比特速率為代價的。

異構(gòu)FSO系統(tǒng)最常見的例子之一是使用x/PC/LOS/M/x鏈路和x/CC/LOS/x鏈路來與移動用戶建立高比特率的鏈路,這是一種與移動用戶建立FSO鏈路的集采集、跟蹤和指向系統(tǒng)于一體的方法。其中,ATP系統(tǒng)可用于室內(nèi)、近地、空間等場景,也可用于異構(gòu)FSO鏈路。

1.9.2混合無線光通信系統(tǒng)

混合FSO系統(tǒng)指的是將不同的通信系統(tǒng)集成在一起,通過利用兩個集成系統(tǒng)的優(yōu)點來組合成一個系統(tǒng)。例如,研究人員將高帶寬的I/PC/LOS/M/Short鏈路與主要用于房間內(nèi)用戶定位的RF系統(tǒng)相結(jié)合,可以構(gòu)成混合FSO系統(tǒng)。

FSO系統(tǒng)可以獨立地部署在多個近地應(yīng)用領(lǐng)域中,包括最后1km的接入及回程網(wǎng)絡(luò)。將FSO和RF技術(shù)相結(jié)合,便可實現(xiàn)異構(gòu)的RF/FSO系統(tǒng),從而提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性。此外,由兩個獨立的RF和FSO鏈路組成