目錄第1章無(wú)線光通信第2章系統(tǒng)介紹第3章可見光通信第4章近地?zé)o線光通信第5章空間無(wú)線光通信第6章水下無(wú)線光通信全套可編輯PPT課件第1章無(wú)線光通信1.1概述1.2相關(guān)術(shù)語(yǔ)與基本概念1.3無(wú)線光通信鏈路分類標(biāo)準(zhǔn)1.4室內(nèi)無(wú)線光通信1.5近地?zé)o線光通信1.6空間無(wú)線光通信1.7水下無(wú)線光通信1.8異構(gòu)無(wú)線光通信鏈路1.9兩類無(wú)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(wú)線業(yè)務(wù)和新興無(wú)線業(yè)的快速發(fā)展,日益增長(zhǎng)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(gè)波段的頻率和波長(zhǎng)范圍。

圖11部分電磁(EM)頻譜以及每個(gè)波段頻率(和波長(zhǎng))的范圍

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

(OpticalWirelessCommunication,OWC),它在過(guò)去幾十年里作為射頻技術(shù)的一個(gè)極具潛力的補(bǔ)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(diǎn)傳輸?shù)搅硗庖稽c(diǎn),但是FSO技術(shù)采用了無(wú)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(duì)現(xiàn)有射頻系統(tǒng)性能的補(bǔ)充,且在一些要求嚴(yán)格限制射頻干擾的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著重要的作用。例如,在醫(yī)院或在商用飛機(jī)上采用

FSO技術(shù),可以有效避免對(duì)射頻干擾信號(hào)的影響。此外,第五代(5G)無(wú)線通信系統(tǒng)也引入了FSO技術(shù),作為RF技術(shù)的補(bǔ)充。

1.2相關(guān)術(shù)語(yǔ)與基本概念

1.無(wú)線光通信術(shù)語(yǔ)辨析無(wú)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(wú)線光通信通常被稱為無(wú)纖光(Fiber-lessOptics)技術(shù)。OWC可指代室內(nèi)和室外無(wú)纖光系統(tǒng),而FSO主要指室外無(wú)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(lái)限制LD的輸出功率,以減小對(duì)人眼和皮膚的潛在損傷。

3.光檢測(cè)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(cè)器。PIN光檢測(cè)器是低成本、低傳輸速率的FSO

鏈路的首選。這是因?yàn)樗鼉r(jià)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(cè)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(jī)的信噪比。與PIN光檢測(cè)器相比,APD光檢測(cè)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(wú)線光通信鏈路分類標(biāo)準(zhǔn)

以往無(wú)線光通信的鏈路大都根據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行分類,而根據(jù)功能進(jìn)行分類的少之又少,本節(jié)將基于功能(面向場(chǎng)景)對(duì)無(wú)線光通信鏈路進(jìn)行新的分類。此分類模型將根據(jù)各種配置所實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化,并將執(zhí)行相同功能的配置組成一個(gè)類。例如,在相同的鏈路配置下,將組合漫反射和準(zhǔn)(多點(diǎn))漫反射系統(tǒng)作為同一個(gè)類,它們?cè)诠δ苌舷嗨?但在實(shí)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(wú)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(shí)際應(yīng)用中,一條FSO鏈路可能會(huì)經(jīng)歷多個(gè)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(wú)線光通信鏈路可分為點(diǎn)覆蓋(PointCoverage,PC)和蜂窩覆蓋(CellularCoverage,CC)兩種模式。點(diǎn)覆蓋指的是鏈路建立在單個(gè)發(fā)射機(jī)和單個(gè)目標(biāo)接收

機(jī)之間,所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能被目標(biāo)接收機(jī)接收。點(diǎn)覆蓋系統(tǒng)通常采用窄束散角發(fā)射機(jī)(NarrowTransmitter,NT),其接收機(jī)既可以是窄視場(chǎng)角接收機(jī)(NarrowReceiver,NR),也可以是寬視場(chǎng)角接收機(jī)(WideReceiver,WR)。蜂窩覆蓋則使用寬束散角發(fā)射機(jī)(WideTransmitter,WT)或一組窄束散角發(fā)射機(jī),從而使得多個(gè)接收機(jī)(窄視場(chǎng)角接收機(jī)或?qū)捯晥?chǎng)角接收機(jī))可同時(shí)接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的光束。

3.視線可達(dá)性(α)

無(wú)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(dá)是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在一條不被遮擋的鏈路。由于LOS傳輸系統(tǒng)不會(huì)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(jī)也不需要大視場(chǎng)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(chǎng)景。在非視線傳輸條件下,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(dòng)式中繼器或者被動(dòng)式反射器,以實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)連接。

4.移動(dòng)性(μ)

無(wú)線光通信鏈路可以是固定(Fixed,F)的,也可以是移動(dòng)(Mobile,M)的。對(duì)于固定鏈路,一旦安裝完畢,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)將保持固定和對(duì)準(zhǔn)。如果系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)性有要求,則需要建立更為復(fù)雜的移動(dòng)鏈路。移動(dòng)鏈路可以通過(guò)機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.鏈路距離(δ)

對(duì)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(wú)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(zhǎng)距(LongRange,LR),例如近地鏈路;

(5)超長(zhǎng)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(wú)線光通信鏈路的配置可以用以下元素符號(hào)組來(lái)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(jiǎn)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(duì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和建議進(jìn)行綜述。本節(jié)對(duì)于所有鏈路,主要關(guān)注的是物理層標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)槲锢韺邮侵苯优c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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn),而超長(zhǎng)鏈路只能在空間通信中實(shí)現(xiàn)。

1.4室內(nèi)無(wú)線光通信

1.4.1鏈路配置1.室內(nèi)/點(diǎn)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(jī)和具有窄視場(chǎng)角(FOV)的接收機(jī)。可進(jìn)行高度定向發(fā)送光束的發(fā)射機(jī)有助于減小多徑色散效應(yīng)的影響,而具有窄視場(chǎng)角的接收機(jī)會(huì)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(diǎn)覆蓋/視線傳輸/可移動(dòng)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(dòng)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(jì)為可轉(zhuǎn)向波束,基于此波束,可在移動(dòng)終端之間創(chuàng)建高速FSO鏈路。這種鏈路配置可以通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)或跟瞄系統(tǒng)來(lái)完成。

3.室內(nèi)/點(diǎn)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(jī)和接收機(jī)之間建立高速的點(diǎn)到點(diǎn)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(jī)與接收機(jī)之間

僅有少部分為L(zhǎng)OS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?jìng)?T-State)或分立(半反

射/半透?jìng)?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(shí),一個(gè)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(shí)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(chǎng)傳輸(蜂窩覆蓋)型鏈路和無(wú)線電話站型鏈路。這種配置的鏈路被認(rèn)為是具有寬視場(chǎng)角發(fā)射機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的寬視場(chǎng)角。I/CC/LOS/x鏈路的設(shè)計(jì)使得接收機(jī)能夠檢測(cè)LOS光束。但與此同時(shí),接收機(jī)也有可能收集到從墻面上反射回來(lái)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(jì)。

可見光通信(VisibleLightCommunication,VLC)是一種采用LED來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息的無(wú)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(lái)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(guò)漫射或者準(zhǔn)漫射來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)漫反射表面(如墻壁、天花板)反射單個(gè)光束時(shí),被稱為漫射;反射一組窄光束時(shí),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(hào)減弱。而在準(zhǔn)漫射系統(tǒng)中,多個(gè)窄光束的使用可以減少信道功率損耗,從而降低對(duì)發(fā)射功率的要求。此外,通過(guò)采用單個(gè)寬光束覆蓋相同大小的區(qū)域,同時(shí)減少反射和多徑效應(yīng),準(zhǔn)漫射鏈路可以實(shí)現(xiàn)用戶的移動(dòng)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(kuò)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(hào)被調(diào)制到LED陣列圖像中;在接收端,圖像傳感器或攝像機(jī)捕捉發(fā)射端的LED陣列圖像,并分析其強(qiáng)度變化,最終提取到發(fā)射信號(hào)。該類攝像機(jī)可以在兩種模式下工作:全局快門和滾動(dòng)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(diǎn)光源(如太陽(yáng))和擴(kuò)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(hào)無(wú)關(guān),且其強(qiáng)度較高,可被認(rèn)為是高斯白噪聲。在沒有背景光的情

況下,接收機(jī)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(wú)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(huì)(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(zhǎng)度從6cm到1m不等,工作波長(zhǎng)為850~900nm,可在不同層上對(duì)應(yīng)用程序使用協(xié)議,從而實(shí)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(zhǎng)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(gè)主要的頻率范圍:

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

(2)范圍2(40kHz~1MHz):在這個(gè)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(gè)范圍使用。

(3)范圍3(>1MHz):專用于特殊LED進(jìn)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(jìn)展,IEEE將持續(xù)為新興系統(tǒng)改進(jìn)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(hào)。

(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(wèn)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(wú)特定約束形狀和電源的固定設(shè)備。

②移動(dòng)電話:指電源有限、形狀受限的移動(dòng)設(shè)備。移動(dòng)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(dòng)設(shè)備。它采用強(qiáng)光源以較低的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

上述VLC設(shè)備可以配置在以下三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中:

①單播:支持多個(gè)移動(dòng)設(shè)備和一個(gè)協(xié)調(diào)器之間的通信。

②點(diǎn)對(duì)點(diǎn):支持兩個(gè)近距離設(shè)備之間的通信,其中一個(gè)設(shè)備充當(dāng)協(xié)調(diào)器。

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

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

①PHYⅠ:應(yīng)用于低傳輸速率(11.6~266.6kb/s)的戶外場(chǎng)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(jìn)行級(jí)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(gè)不同頻率(顏色)的光源/檢測(cè)器的通信系統(tǒng),采用色移鍵控(Color-ShiftKeying,CSK)和RS編碼實(shí)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(wú)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(wú)線燈光識(shí)別系統(tǒng)。

③LiFi:一種高速雙向網(wǎng)絡(luò),利用光實(shí)現(xiàn)移動(dòng)無(wú)線通信。

1.5近地?zé)o線光通信

1.5.1鏈路配置1.近地/點(diǎn)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(shí)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(yùn)用于實(shí)際生活中。(其中x表示為鏈路距離)

2.近地/點(diǎn)覆蓋/視線傳輸/移動(dòng)性鏈路(T/PC/LOS/M/x)

T/PC/LOS/M/x鏈路配置適用于不需要嚴(yán)格捕獲、對(duì)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(gè)(或兩個(gè))具有移動(dòng)性的通信終端。例如無(wú)人機(jī)或飛機(jī)與地面間的通信。

Ortiz等人提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)中名為“牽牛星”(Altair)的無(wú)人機(jī)(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(diǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間具有高數(shù)據(jù)速率的通信鏈路。但是,在眾多場(chǎng)景下,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的LOS可能會(huì)無(wú)法實(shí)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(shí)際生活中,波束具有發(fā)散性。對(duì)于距離較遠(yuǎn)的近地鏈路來(lái)說(shuō),使用無(wú)源反射器(反射鏡或墻壁)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信是不切實(shí)際的。因此,在建立T/PC/NLOS/F/x鏈路時(shí)可以采用中繼系統(tǒng),該系統(tǒng)需具備兩個(gè)或兩個(gè)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(gè)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(jī)。在使用OCC的情況下,交通燈和車輛都配備了高速攝像機(jī)等接收機(jī),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(guò)發(fā)射機(jī)LED陣列廣播告知周圍車輛和人群,也可以通過(guò)接收機(jī)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(jì)算機(jī)以進(jìn)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(guó)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(gè)重要模塊。其目的是實(shí)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?yàn)榇髿獾膿p傷會(huì)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(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的高數(shù)據(jù)速率通信。

太陽(yáng)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(wèn)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(huì)導(dǎo)致鏈路性能嚴(yán)重下降。

大氣湍流的抑制技術(shù)主要在物理層實(shí)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(guò)其它方法(例如:重傳、重新配置和重路由)來(lái)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(jī)來(lái)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(qiáng)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(jī)的安裝情況等,同時(shí)在一些章節(jié)中還專門討論了對(duì)于規(guī)劃FSO鏈路時(shí)所必須考慮的不同天氣的影響因素。在計(jì)算FSO鏈路余量時(shí)要考慮的因素之一是太陽(yáng)光的影響,

當(dāng)太陽(yáng)光與鏈路平行時(shí),會(huì)導(dǎo)致額外的太陽(yáng)光功率進(jìn)入到接收機(jī)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)FSO鏈路時(shí)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(jìn)行了詳細(xì)研討。

3.ITU-RF.2106-1建議書

ITU建議部門發(fā)布了編號(hào)為F.2106-1(2010)的報(bào)告,該報(bào)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(wú)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(gè)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(diǎn),尤其是在沒有大氣影響的空間條件下,該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

1.6.1鏈路配置

1.空間/點(diǎn)覆蓋/視線傳輸/可移動(dòng)型鏈路(S/PC/LOS/M/x)

實(shí)現(xiàn)S/PC/LOS/M/ULong鏈路配置的一個(gè)例子是歐洲航天局(EuropeanSpaceAgency,ESA)進(jìn)行的半導(dǎo)體衛(wèi)星間鏈路實(shí)驗(yàn)(SemiconductorInter-satelliteLinkEXperiment,

SILEX),而用于FSO系統(tǒng)的在軌演示于1991年開始。

2.空間/點(diǎn)覆蓋/非視線傳輸/可移動(dòng)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(cè)器到中繼衛(wèi)星、地面站的雙跳深空通信鏈路,進(jìn)而取代深空探

測(cè)器到地面站的直接鏈路進(jìn)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(diǎn)。

1.6.2鏈路損傷

與近地場(chǎng)景相比,空間FSO鏈路經(jīng)歷的噪聲和損傷相對(duì)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(wú)線光通信標(biāo)準(zhǔn)與建議

IOAG.T.OLSG.2012.V1A協(xié)議:為了進(jìn)行FSO空間通信的相關(guān)實(shí)驗(yàn),機(jī)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(zhǎng)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(chǎng)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?cái)?shù)據(jù)。然而,由于所需建立的地面站數(shù)量眾多,對(duì)單個(gè)機(jī)構(gòu)而言,這是一項(xiàng)重大的經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān),因此OLSG建議各機(jī)構(gòu)相互合作以完成上述實(shí)驗(yàn)。

1.7水下無(wú)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(duì)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(duì)光源波長(zhǎng)、調(diào)制方案、傳輸功率和鏈路結(jié)構(gòu)等鏈路參數(shù)進(jìn)行選擇

1.水下/點(diǎn)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(guò)避免損傷并允許光檢測(cè)器最大限度地收集入射光來(lái)克服這一局限性,從而實(shí)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(shí)間順序羅列了歷年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UW/PC/LOS/F/xUOWC鏈路的主要研究?jī)?nèi)容,總結(jié)了每項(xiàng)研究的亮點(diǎn)、所用光源的類型和調(diào)制技術(shù),并且列出了實(shí)驗(yàn)所處水域的類型、所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率和鏈路長(zhǎng)度。

2.水下/點(diǎn)覆蓋/視線傳輸/可移動(dòng)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(duì)準(zhǔn)和跟瞄要求,這對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均處于動(dòng)態(tài)的鏈路來(lái)說(shuō)是必不可少的。此外,MRR還有助于降低鏈路一端的負(fù)載和功率需求,可用于UWSN等水下傳感器在水下探測(cè)移動(dòng)的潛水員與潛艇之間通信的場(chǎng)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(shí)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(jìn)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(jī)發(fā)生阻塞、失調(diào)或隨機(jī)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(jī)垂直向上發(fā)射光,且具有較大的束寬。當(dāng)光到達(dá)水和空氣界面時(shí),會(huì)照亮一個(gè)環(huán)形區(qū)域,并且會(huì)有一部分光從水面反射回來(lái)。

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(chǎng)景中均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的背景噪聲,需要進(jìn)行過(guò)濾處理。此外,光強(qiáng)大小對(duì)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(qiáng),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(yán)重。在純海水中,衰減以光的吸收為主。在近海面場(chǎng)景中,

由于有機(jī)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(qiáng),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(chǎng)景帶來(lái)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(qiáng)大的信道編碼能力。此外,在UW場(chǎng)景中,定位和波束對(duì)準(zhǔn)技術(shù)具有挑戰(zhàn)性,需要設(shè)計(jì)者綜合考慮。

1.7.3水下無(wú)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(guó)際會(huì)議暨展覽會(huì)”上進(jìn)行了題為《IEEE

802.15.7r1OWC標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀》的論述。楊江針對(duì)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(jìn)行了討論與總結(jié)。

1.8異構(gòu)無(wú)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(tái)或窗戶后。通過(guò)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(huì)產(chǎn)生高額的費(fèi)用,而且將建筑物頂部接收到的信號(hào)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(xiàng)優(yōu)點(diǎn),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(shí)間順序總結(jié)了1992年到2016年FSO研究中所取得的進(jìn)展。

1.9兩類無(wú)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(gè)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(guò)地面信道進(jìn)行傳輸,再通過(guò)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(jìn)行傳輸,縱軸表示不同環(huán)境中FSO鏈路的配置。通過(guò)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(yùn)行的系統(tǒng),但是,這需要利用多條不同的鏈路配置來(lái)實(shí)現(xiàn),如果僅使用一種鏈路配置,該系統(tǒng)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速率傳輸?shù)?。圖14描述了一個(gè)異構(gòu)FSO系統(tǒng)的例子,這個(gè)例子將會(huì)在1.9.1小節(jié)中詳細(xì)介紹。通過(guò)該圖可以觀察到:ATP系統(tǒng)完全在室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)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(chǎng)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(duì)于混合FSO/x系統(tǒng)來(lái)說(shuō),是一種將FSO與另一種技術(shù)(x)聯(lián)合起來(lái)使用的通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)FSO通信系統(tǒng)的改進(jìn)。

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(wú)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(dòng)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(hù)移動(dòng)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(duì)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(jià)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(lái)與移動(dòng)用戶建立高比特率的鏈路,這是一種與移動(dòng)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(chǎng)景,也可用于異構(gòu)FSO鏈路。

1.9.2混合無(wú)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(guò)利用兩個(gè)集成系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)組合成一個(gè)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(dú)立地部署在多個(gè)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(shí)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(gè)獨(dú)立的RF和FSO鏈路組成的單跳RF/FSO系統(tǒng)也被人們廣泛研究。在異構(gòu)RF/FSO系統(tǒng)中,只要天氣適宜,PC/LOS/F/Long鏈路就能采用高比特率傳輸;而在天氣惡劣的情況下,RF鏈路可作為備份,但該系統(tǒng)的性能會(huì)降低至單射頻鏈路的下限。

在水下通信中,聲學(xué)通信系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位。由于聲學(xué)通信系統(tǒng)可與FSO組合,不僅可以對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,而且有助于提高光學(xué)系統(tǒng)的傳輸比特率。這是因?yàn)槁晫W(xué)信號(hào)具有遠(yuǎn)距離、低數(shù)據(jù)速率的通信特點(diǎn),因此可用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。

與Loon項(xiàng)目不同的是,I項(xiàng)目部署了高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)、LEO和GEO衛(wèi)星,所有終端都配有射頻收發(fā)器和FSO收發(fā)器。與Loon項(xiàng)目類似的是,RF模塊主要用于與地面基站、移動(dòng)用戶通信;T/PC/LOS/M/Long鏈路用于無(wú)人機(jī)之間的鏈路,該鏈路的目的是實(shí)現(xiàn)基站和移動(dòng)用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸;而LEO和GEO衛(wèi)星的作用是覆蓋基站無(wú)法到達(dá)的區(qū)域。

本章小結(jié)

綜上所述,FSO通信鏈路可以部署在室內(nèi)、近地、空間或水下環(huán)境。而不同的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致FSO鏈路受到不同程度的損傷,其鏈路性能受到影響。即使在同樣的場(chǎng)景中,不同配置的FSO鏈路也會(huì)因?yàn)樵肼暫托盘?hào)衰減而受到不同程度的影響。因此,合理配置鏈路十分重要。

本章通過(guò)不同的FSO鏈路配置示例總結(jié)出一種簡(jiǎn)單且功能強(qiáng)大的FSO技術(shù)分類方案。在該方案中,FSO鏈路被劃分為四個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)的組合,即環(huán)境(ε)、覆蓋類型(κ)、視線可達(dá)性(α)、移動(dòng)性(μ)和鏈路距離(δ)。FSO鏈路不僅可以部署在室內(nèi)、近地、空間或水下環(huán)境中,而且鏈路可以是一個(gè)點(diǎn)覆蓋,或者蜂窩覆蓋;在實(shí)現(xiàn)方案中,既可通過(guò)LOS鏈路實(shí)現(xiàn),又可通過(guò)NLOS鏈路實(shí)現(xiàn)。此外,鏈路可以是固定的,也可以是移動(dòng)的。在講述了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之后得到的一個(gè)重要結(jié)論是,上述所提出的分類方案能夠?qū)⑷魏蜦SO鏈路配置描述為(ε/κ/α/μ/δ)的組合。

通過(guò)前述示例可以更清楚地了解幾種不同環(huán)境中FSO鏈路的配置。在每種FSO鏈路示例中均簡(jiǎn)要講述了各自會(huì)受到的損傷及有效的解決方案。不僅如此,本章還涉及遍歷多個(gè)環(huán)境的異構(gòu)FSO鏈路,包括地空通信鏈路在內(nèi)的幾個(gè)實(shí)例。由于環(huán)境的不同,異構(gòu)FSO鏈路會(huì)產(chǎn)生組合效應(yīng)。

與異構(gòu)FSO鏈路不同,異構(gòu)FSO系統(tǒng)可以包含兩個(gè)或多個(gè)FSO鏈路,從而結(jié)合不同的鏈路優(yōu)勢(shì)來(lái)提高系統(tǒng)的性能。并且,混合光通信系統(tǒng)是一種擁有多種不同通信技術(shù)的系統(tǒng),各種類型系統(tǒng)的示例均在文中有所描述。

利用上述的技術(shù)分類方案,有助于分析現(xiàn)有的FSO標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。IrDA制定了一套針對(duì)高數(shù)據(jù)速率、短距離FSO鏈路的標(biāo)準(zhǔn)。比如JEITACP-1221、CP-1222、CP-1223、

IEEE802.15.7和IEEE802.15.7r1等標(biāo)準(zhǔn),用于支持低數(shù)據(jù)速率鏈路的短/中程范圍VLC。同時(shí),科研人員正努力實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的近地、空間和水下FSO鏈路。例如,ITU-rF.2106-1正是一項(xiàng)關(guān)于近地FSO鏈路的協(xié)議。

綜上所述,對(duì)于未來(lái)的通信系統(tǒng)和應(yīng)用而言,FSO正日益成為一種具有高吸引力的通信技術(shù)。無(wú)論是作為一種獨(dú)立的通信技術(shù),或作為一種對(duì)傳統(tǒng)射頻通信的補(bǔ)充技術(shù),FSO技術(shù)都有很大的發(fā)展前景。本章為室內(nèi)、近地、空間和水下等環(huán)境中不斷發(fā)展的FSO技術(shù)領(lǐng)域提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的分類系統(tǒng),這將為研究人員提供一個(gè)新的視角。第2章系統(tǒng)介紹2.1光發(fā)射機(jī)2.2光接收機(jī)2.3一個(gè)典型的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線光通信系統(tǒng)本章小結(jié)

2.1光發(fā)射機(jī)

光發(fā)射機(jī)的功能是把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光發(fā)射機(jī)由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成,其中光源是光發(fā)射機(jī)的核心部件。光發(fā)射機(jī)的性能主要取決于光源的特性,對(duì)光源的要求是輸出光功率足夠大,調(diào)制頻率足夠高,譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小,輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定,器件壽命長(zhǎng)。

光發(fā)射機(jī)把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的過(guò)程(常簡(jiǎn)稱電/光(E/O)轉(zhuǎn)換),是通過(guò)電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前有直接調(diào)制和間接調(diào)制(或稱外調(diào)制)兩種調(diào)制方案,如圖2－1所示。直接調(diào)制是用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流,使輸出光隨電信號(hào)的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單、成本較低、容易實(shí)現(xiàn),但調(diào)制速率受到激光器頻率特性的限制。

外調(diào)制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開,用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光。目前有多種調(diào)制器可供選擇,最常用的是電光調(diào)制器。這種調(diào)制器是利用電信號(hào)的改變而變化來(lái)電光晶體的折射率,使通過(guò)調(diào)制器的光參數(shù)隨電信號(hào)的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高,缺點(diǎn)是該技術(shù)復(fù)雜、成本較高,因此只在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。

圖2－1兩種調(diào)制方案

2.1.1光源

固態(tài)發(fā)光器件本質(zhì)上是正向偏壓工作的二極管,二極管輸出的光強(qiáng)與驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性相關(guān)。該輸出光強(qiáng)是由注入的大量載流子以發(fā)射光子的形式釋放能量,再重新組合得到的。

為了保證以較高的復(fù)合概率產(chǎn)生發(fā)射光子,發(fā)光器件由直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。在直接帶隙半導(dǎo)體材料中,導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)于相同的波矢量(k)。因此,產(chǎn)生復(fù)

合跨越帶隙時(shí)動(dòng)量可保持不變,并由波矢量表示(如圖2－2所示)。

通過(guò)該過(guò)程發(fā)射的大部分光子具有能量Ephoton=Eg=hν,其中,Eg是帶隙能量,h是普朗克常數(shù),ν是以赫茲為單位的光子頻率。該方程可以根據(jù)發(fā)射光的波長(zhǎng)表示:

式中,λ為光的波長(zhǎng)(單位為nm),Eg

是材料帶隙的能量。

圖22具有波矢量(k)的帶邊一維變化示例

1.LED

如前文所述,低成本光電元件的最佳應(yīng)用波段為780~950nm?；衔锇雽?dǎo)體GaAs具有約1.43eV的帶隙,即直接帶隙,與通過(guò)式(2.1)計(jì)算的880nm的波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。

大多數(shù)為帶隙準(zhǔn)備的LED通常為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是通過(guò)在低帶隙材料的任一側(cè)上放置兩種寬帶隙材料,并適當(dāng)摻雜其它材料形成二極管而得到的。雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)LED的

典型示例如圖2－3所示。

圖23雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)LED

使用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),可以將注入的載流子限制在明確規(guī)定的區(qū)域。這種限制使得注入的載流子集中于有源區(qū)中,同時(shí)也減小了輻射復(fù)合時(shí)間常數(shù),改善了設(shè)備的頻率響應(yīng)。這種

限制載流子的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光子也被限制在特定的區(qū)域。

使用圖2－3中的LED結(jié)構(gòu),可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流得出器件輸出光功率的表達(dá)式:

式中,Pvol是每單位器件體積的輸出功率,J是施加的電流密度,hν是光子能量,d是有源區(qū)域的厚度,B是輻射復(fù)合系數(shù),τn是有源區(qū)域中的電子壽命,q為電子電量,n0和P0分別為熱平衡狀態(tài)下活性層中的電子和空穴密度。

LED的另一個(gè)重要特性是由于自發(fā)熱特性導(dǎo)致的器件性能變化。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)器件時(shí),會(huì)因電阻和低效率器件的存在而產(chǎn)生熱量。熱量的累積將使溫度升高,并減少對(duì)有

源區(qū)域中載流子的限制,使得大部分載流子具有足夠的能量來(lái)沖破勢(shì)壘,從而降低器件的內(nèi)部量子效率。輸出電流的非線性下降與輸入電流的關(guān)系如圖2－3所示。

2.LD

LD是從基礎(chǔ)LED制造技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。雖然LD仍然依賴于載流子在帶隙上的轉(zhuǎn)變來(lái)產(chǎn)生輻射光子,但是其對(duì)器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)允許這些器件在窄光帶上產(chǎn)生有效相干光。

不像LED那樣可以發(fā)出與驅(qū)動(dòng)電流大致成比例的光強(qiáng),LD是閾值器件。如圖2－4所示,在低驅(qū)動(dòng)電流下,自發(fā)輻射占主導(dǎo)地位,該設(shè)備本質(zhì)上表現(xiàn)為低強(qiáng)度LED。在電流超

過(guò)閾值Ithreshold之后,受激輻射占主導(dǎo)地位,此時(shí)該裝置具有高光學(xué)效率,對(duì)應(yīng)于圖2－4所示的大斜率。在受激輻射區(qū)域,器件發(fā)出的光強(qiáng)與驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性變化。

圖2－4LED和LD的光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流示例

3.LED與LD的比較

LD相對(duì)于LED的主要優(yōu)勢(shì)在于其工作速率在受激輻射條件下,復(fù)合時(shí)間常數(shù)比自發(fā)復(fù)合時(shí)小一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得LD能以千兆赫茲數(shù)量級(jí)的脈沖速率工作,而LED只能

在兆赫茲數(shù)量級(jí)內(nèi)工作。

LD的光學(xué)特性隨器件自身溫度和工作時(shí)長(zhǎng)的變化比LED更加明顯。與LED的情況一樣,LD總的趨勢(shì)是隨著溫度的升高和工作時(shí)間的加長(zhǎng),輻射功率將降低。然而,不同的

是,LD中的閾值電流以及光學(xué)特性的斜率會(huì)隨著溫度的變化或器件的老化而急劇變化。

LD在無(wú)線光通信應(yīng)用中的一個(gè)重要限制是必須將激光輸出限制在人眼安全的范圍內(nèi)。由于發(fā)射輻射的相干性以及射出輻射的高強(qiáng)度,輸出光束必須被散射,以降低能量密度。LED不是光學(xué)點(diǎn)光源,LD同樣也不是,它們都可以在保證人眼安全的前提下發(fā)射出更高的功率。表2.1給出了無(wú)線光通信應(yīng)用中LD和LED特性的比較。

2.1.2調(diào)制

1.基帶調(diào)制

在基帶調(diào)制中,承載信息的電信號(hào)對(duì)LED/LD電流進(jìn)行直接調(diào)制,從而調(diào)制光載波。這種信號(hào)通常稱為基帶調(diào)制信號(hào),是通過(guò)信道進(jìn)行傳輸?shù)?。在接收?利用直接檢測(cè)技術(shù)便可以從基帶調(diào)制光信號(hào)中恢復(fù)出電信號(hào)。這樣的基帶調(diào)制方案包括開關(guān)鍵控(On_x0002_OffKeying,OOK)調(diào)制和數(shù)字脈沖位置調(diào)制(Pulse-PositionModulation,PPM)。其它脈沖調(diào)制方案有數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DigitPulseIntervalModulation,DPIM)、脈沖幅度和位置調(diào)制(PulseAmplitudeandPositionModulation,

PAPM)、差分幅度脈沖間隔調(diào)制(Differential

AmplitudePulseIntervalModulation,DAPIM)等。

圖2－5和圖2－6分別展示了用于傳輸隨機(jī)位序列(如110010)的OOK和8-PPM調(diào)制方案。圖2－5用于傳輸消息110010的OOK調(diào)制方案圖2－6用于傳輸消息110010的8-PPM調(diào)制方案

2.副載波強(qiáng)度調(diào)制

在副載波強(qiáng)度調(diào)制(SubcarrierIntensityModulation,SIM)方案中,首先用預(yù)調(diào)制信號(hào)調(diào)制一個(gè)射頻載波,再用射頻載波來(lái)調(diào)制發(fā)射光源的光強(qiáng)。SIM方案屬于模擬調(diào)制。對(duì)射頻載波的調(diào)制可采用以下幾種調(diào)制格式,如二進(jìn)制相移鍵控(BinaryPhase-ShiftKeying,BPSK)、正交相移鍵控(QuadraturePhase-ShiftKeying,QPSK)、正交振幅調(diào)制

(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)、振幅調(diào)制(AmplitudeModulation,AM)、頻率調(diào)制(FrequencyModulation,FM)等。在接收端,像在IM/DD系統(tǒng)中一樣,使用直接檢測(cè)技術(shù)就能夠恢復(fù)出電信號(hào)。

圖2－7展示了FSO鏈路SIM光學(xué)系統(tǒng)原理。這種多路復(fù)用方案的缺點(diǎn)是在接收端需要嚴(yán)格的同步,且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。圖2－7FSO鏈路SIM光學(xué)系統(tǒng)原理

圖2－8對(duì)上述光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。圖2－8FSO系統(tǒng)中的調(diào)制方案

2.2光接收機(jī)

光接收機(jī)的功能是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并經(jīng)電接收機(jī)放大和處理后恢復(fù)成基帶電信號(hào)。光接收機(jī)由光檢測(cè)器、放大器和相關(guān)電路組成,光檢測(cè)器是光接收機(jī)的核心。通常,對(duì)光檢測(cè)器的要求是響應(yīng)度高、噪聲低和響應(yīng)速度快。目前廣泛使用的光檢測(cè)器有兩種類型:PIN以及APD。

光接收機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程(常簡(jiǎn)稱為光/電或O/E轉(zhuǎn)換)是通過(guò)光檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的,其檢測(cè)方式有直接檢測(cè)和外差檢測(cè)兩種。直接檢測(cè)是用檢測(cè)器直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換

為電信號(hào)。這種檢測(cè)方式的設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,是當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)中普遍采用的方式。外差檢測(cè)則要設(shè)置一個(gè)本地光振蕩器和一個(gè)光混頻器,使本地振蕩光和光纖輸出的信號(hào)光在混頻器中輸出中頻光信號(hào),再由光檢測(cè)器把中頻光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。外差檢測(cè)方式的難點(diǎn)是需要頻率非常穩(wěn)定、相位和偏振方向可控制、譜線寬度很窄的單模激光源;優(yōu)點(diǎn)是接收靈敏度很高。

光接收機(jī)最重要的特性參數(shù)是靈敏度。靈敏度是衡量光接收機(jī)質(zhì)量的綜合指標(biāo),它反映接收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí),接收微弱光信號(hào)的能力。靈敏度的高低主要取決于組成光接

收機(jī)的光電二極管以及光電放大器的噪聲,并受傳輸速率、光發(fā)射機(jī)參數(shù)和光纖線路色散的影響,還與系統(tǒng)要求的誤碼率或信噪比有密切關(guān)系。因此靈敏度也是反映光通信系統(tǒng)質(zhì)

量的重要指標(biāo)。

2.2.1光檢測(cè)器

光檢測(cè)器是一種固態(tài)器件,它能實(shí)現(xiàn)發(fā)光器件的逆向過(guò)程,即將入射輻射光轉(zhuǎn)換為電流。光檢測(cè)器本質(zhì)上是反向偏置二極管,由于輻射光能直接入射在光檢測(cè)器上,因此也被

稱為光電二極管。如果入射光子有足夠的能量,就會(huì)產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)。載流子在器件接觸面上的漂移或擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了光電流。

廉價(jià)的光檢測(cè)器可以用硅(Si)構(gòu)成,用于檢測(cè)780~950nm范圍內(nèi)的光。

圖2－9說(shuō)明,在0~1300nm光波段中,硅光電二極管的靈敏度是最高的。

圖29硅光電二極管的相對(duì)靈敏度曲線

固態(tài)光電二極管的基本穩(wěn)態(tài)工作可由以下表達(dá)式給出:

式中,Ip是產(chǎn)生的平均光電流,ηi是器件內(nèi)部量子效率,Pp是入射光功率,hν是光子能量。器件的內(nèi)部量子效率ηi是入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)的概率,其典型取值范圍是0.7~0.9。此值小于1,是由設(shè)備的電流泄漏、在相鄰區(qū)域的光吸收和設(shè)備缺陷等造成的。

進(jìn)一步地,重新整理式(2.3),可得到光電二極管的響應(yīng)度:

響應(yīng)度Rp的單位是A/W,它是表示光電子從光域到電域的轉(zhuǎn)換系數(shù)。Rp是光電二極管模型中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),是在二極管工作的中心光頻率處測(cè)得的。

1.PIN光電二極管

如圖2－10所示,PIN光電二極管通過(guò)在p－＝+和n+摻雜區(qū)域之間放置相對(duì)較多的本征半導(dǎo)體材料來(lái)構(gòu)建。圖2－10簡(jiǎn)單硅PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)

2.雪崩光電二極管

雪崩光電二極管(APD)的基本結(jié)構(gòu)與PIN光電二極管的非常相似。不同的是,APD中每一個(gè)被本征層吸收的光子,將產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)。因此,APD具有大于單位增益的光電流增益,而PIN光電二極管只具有單位增益。

3.PIN與APD的比較

APD可產(chǎn)生光電流增益,而PIN光電二極管中的每個(gè)光子最多產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。目前還不清楚雪崩增益是否在每種情況下都能改善信噪比。實(shí)際上,對(duì)于受背景光影

響的FSO鏈路來(lái)說(shuō),APD確實(shí)可以提高信噪比。

表2.2總結(jié)了PIN光電二極管和雪崩光電二極管的特點(diǎn)。

大部分PIN光電二極管均滿足成本相對(duì)較低、波長(zhǎng)各異的要求。即便使用幾十年,其光電特性仍近似線性。與APD不同,PIN光電二極管通過(guò)增大結(jié)電容的方式減小了電源供應(yīng)。表2.3給出了用不同材料制成的PIN光電二極管和APD的響應(yīng)度和增益。與APD相比,PIN光電二極管的響應(yīng)度更低,單位光載波乘數(shù)增益(PhotocarrierMultiplierGain

ofUnity,PMGU)的值更小。

2.2.2噪聲

在無(wú)線光通信鏈路中,除了頻率響應(yīng)和失真以外,噪聲源也是影響鏈路性能的關(guān)鍵性因素。對(duì)于通信鏈路而言,確定光接收機(jī)輸入端噪聲源的種類非常重要,且據(jù)比可以確定

該通信鏈路中接收機(jī)需要使用的功率。

在電子元器件中,由于載流子在電阻器件和有源器件中作無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng),因此會(huì)在電子元器件中產(chǎn)生熱噪聲。電子元器件中最主要的噪聲源是前置放大器中由負(fù)載電阻引起的

熱噪聲。如果在接收機(jī)的前端采用低電阻來(lái)改善系統(tǒng)頻率響應(yīng),會(huì)導(dǎo)致光生電流信號(hào)中包含過(guò)多的熱噪聲。解決該問(wèn)題的方法之一是采用跨阻放大器?？缱璺糯笃髂軌蛟谠鲆?、帶

寬、噪聲、動(dòng)態(tài)范圍以及電源電壓之間實(shí)現(xiàn)很好的折中,它是通過(guò)負(fù)反饋電路來(lái)提供前端低阻抗的。圖2－11是光接收機(jī)前端等效電路及噪聲源示例。

圖2－11光接收機(jī)前端等效電路及噪聲源示例

散粒噪聲是通信鏈路中的一種主要噪聲源,這種噪聲是因光電二極管中的能量和電子的離散特性而產(chǎn)生的。入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被吸收,因而在空間電荷區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量

的隨機(jī)載流子。載流子進(jìn)一步根據(jù)它們的能量以隨機(jī)方式通過(guò)P-N結(jié)勢(shì)壘。如圖2－11所示,在光電二極管中由于量子效應(yīng)而導(dǎo)致載流子隨機(jī)生成和傳輸,進(jìn)一步在光生電流信號(hào)中被激發(fā)為散粒噪聲。這個(gè)隨機(jī)過(guò)程可以被視為功率譜密度為白噪聲的泊松分布。

在圖211中,iphoto為光檢測(cè)器等效電流源,ishot為光檢測(cè)器的散粒噪聲,Cphoto為光檢測(cè)器的結(jié)電容,icirc為熱噪聲,RL

為等效負(fù)載電阻。

無(wú)線光通信鏈路的主要噪聲來(lái)源于背景光。為了減少背景光對(duì)信道的影響,可以在不增加額外成本的情況下,對(duì)光濾波器選用波長(zhǎng)較低的可見光和頻率較高的光源。而在某些

鏈路中,即使對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波,背景光功率也可能比信號(hào)功率大,其差值約為25dB,導(dǎo)致了許多通信鏈路都只能在有限的噪聲范圍內(nèi)工作。同時(shí)在這種情況下,在接收信號(hào)以及電路噪聲中,背景光散粒噪聲分量主導(dǎo)著總體散粒噪聲。因此,對(duì)于受到散粒噪聲限制的電路,式(2.8)可以表示為

據(jù)上文所述,可以證明背景光產(chǎn)生的鏈路噪聲與信號(hào)無(wú)關(guān),其中散粒白噪聲呈泊松分布。這種高強(qiáng)度的散粒噪聲是由許多獨(dú)立的、呈泊松分布的隨機(jī)噪聲變量共同累積而成

的。當(dāng)隨機(jī)變量的個(gè)數(shù)接近無(wú)窮大時(shí),根據(jù)中心極限定理,累積分布函數(shù)趨于高斯分布。因此,許多無(wú)線光通信鏈路中的主要噪聲源都可被視為與信號(hào)無(wú)關(guān)的高斯白噪聲。根據(jù)嚴(yán)

格的數(shù)學(xué)計(jì)算方法,可以證明高強(qiáng)度散粒噪聲的矩母函數(shù)接近于高斯分布。依據(jù)雪崩光電二極管的相關(guān)研究文獻(xiàn),其噪聲概率密度f(wàn)n(x)可以被表示為

2.2.3直接檢測(cè)

在直接檢測(cè)技術(shù)中,首先將接收望遠(yuǎn)鏡接收到的光信號(hào)入射到光學(xué)帶通濾波器中進(jìn)行處理,其作用是抑制背景輻射;然后將光信號(hào)傳輸?shù)焦鈾z測(cè)器上,光檢測(cè)器上產(chǎn)生的輸出

電信號(hào)與接收到的光信號(hào)的瞬時(shí)強(qiáng)度成正比,這既可以看作是電流變換的線性強(qiáng)度,也可以看作是光電場(chǎng)對(duì)光檢測(cè)器電流的二次(平方率)變換;最后將通過(guò)放大器放大的光信號(hào)傳

輸?shù)诫姷屯V波器(Low-PassFilter,LPF)中進(jìn)行處理,該濾波器需要有足夠大的帶寬來(lái)恢復(fù)出光信號(hào)。

如圖2－12所示為接收機(jī)的直接檢測(cè)框圖。其中,光檢測(cè)器的響應(yīng)不受載流子的頻率、相位或偏振的影響,因此這種類型的接收機(jī)只適用于對(duì)光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。圖2－12接收機(jī)的直接檢測(cè)框圖

2.2.4相干檢測(cè)

在相干檢測(cè)中,經(jīng)過(guò)光帶通濾波器處理過(guò)的信號(hào)將會(huì)與本地振蕩器(LocalOscillator,LO)生成的相干載波信號(hào)混頻。在光檢測(cè)器中,會(huì)先放大微弱光信號(hào)和強(qiáng)本振信號(hào)的混頻

信號(hào),再進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);并且本振的強(qiáng)光場(chǎng)會(huì)將信號(hào)的電平提高到遠(yuǎn)高于電路噪聲的水平。因此,相干接收機(jī)的靈敏度會(huì)受到本振信號(hào)散粒噪聲的影響。此外,由于空間混頻,相干接收機(jī)只接收本振處于相同時(shí)空模式下的信號(hào)和背景噪聲。這就允許相干接收機(jī)能在很強(qiáng)的背景噪聲下工作而性能不發(fā)生顯著降。其基本框圖如圖2－13所示。

圖2－13相干檢測(cè)基本框圖

相干檢測(cè)的各種噪聲有信號(hào)散粒噪聲、背景散粒噪聲、本振散粒噪聲、信號(hào)背景差拍噪聲、本振背景差拍噪聲、背景背景差拍噪聲和熱噪聲。當(dāng)本振信號(hào)功率遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)功率時(shí),主要的噪聲是本振散粒噪聲,其均方噪聲功率可以表示為

這種情況(假設(shè)原信號(hào)和本振信號(hào)間沒有相位差)下的信噪比為

2.3一個(gè)典型的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線光通信系統(tǒng)

2.3.1點(diǎn)到點(diǎn)鏈路點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)是指發(fā)射端和接收端之間無(wú)障礙物阻擋的直連鏈路。如圖2－14展示了典型的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線光鏈路。

圖2－14點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線光鏈路

2.3.2鏈路性能分析

評(píng)估光鏈路性能的三個(gè)基本步驟如下:

(1)在檢測(cè)器處確定檢測(cè)到的信號(hào)光子數(shù),計(jì)算發(fā)射機(jī)信道和接收機(jī)中的各種損耗。

(2)在檢測(cè)器處確定檢測(cè)到的噪聲光子數(shù)。

(3)將檢測(cè)到的信號(hào)光子數(shù)與檢測(cè)到的噪聲光子數(shù)進(jìn)行比較。

在發(fā)射機(jī)模塊中,發(fā)射光源通常因其發(fā)射角的不同而有不同程度的聚焦光學(xué)功率。對(duì)于一個(gè)亮度函數(shù)為B(W/sr)、表面積為As以及發(fā)射角為θs

的均勻光源,其發(fā)出的總功率

PT(W)為

對(duì)于對(duì)稱輻射源,固定發(fā)射角Ωs與平面發(fā)射角θs

相關(guān)(如圖215所示),即

圖2－15朗伯源的光發(fā)射示意圖和使用光透鏡形成光束后的光發(fā)射示意圖

從式(2.35)可以看出,增加接收信號(hào)功率可以通過(guò)下列一個(gè)或多個(gè)方法組合實(shí)現(xiàn):

(1)增加發(fā)射功率:提高接收信號(hào)功率的最簡(jiǎn)單方法是增加發(fā)射功率,因?yàn)榻邮展β逝c發(fā)射功率呈線性關(guān)系。但是,提高發(fā)射功率會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)功耗的增加,可能會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題和發(fā)熱管理故障等問(wèn)題。

(2)增加發(fā)射機(jī)孔徑:發(fā)射機(jī)孔徑和波束寬度成反比,因此,增加發(fā)射機(jī)孔徑將有效減小發(fā)射機(jī)波束寬度,從而以更高的強(qiáng)度傳遞信號(hào)。但是,它需要嚴(yán)格的跟瞄要求。此外,發(fā)射機(jī)孔徑不能無(wú)限增加,因?yàn)樗鼤?huì)增加終端的總質(zhì)量,從而增加系統(tǒng)的成本。

(3)增加接收機(jī)孔徑:接收信號(hào)功率與接收機(jī)孔徑成正比,接收機(jī)收集的環(huán)境噪聲量也將隨著接收機(jī)孔徑的增加而增加。這意味著接收機(jī)孔徑與系統(tǒng)性能提升呈非線性關(guān)系。

(4)減少指向損耗:減少發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的指向損耗將改善整體信號(hào)功率水平,并且還將減少指向引起的信號(hào)功率波動(dòng)。

(5)提高整體效率:采用匹配的光學(xué)濾波器可以改善μT、μR

和μλ,從而提高整體效率。

本章小結(jié)

本章主要對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,首先介紹了光源與光發(fā)射機(jī),分析了光源LED與LD的基本理論,并對(duì)兩者進(jìn)行了比較,然后簡(jiǎn)述了基帶調(diào)制和副載波調(diào)制;其次,在分析了接收端的PIN光電二極管和雪崩光電二極管以及相關(guān)檢測(cè)技術(shù),并考慮了噪聲的影響,最后通過(guò)一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線光通信示例,對(duì)無(wú)線光通信系統(tǒng)進(jìn)行了說(shuō)明。第3章可見光通信3.1概述3.2考慮光照約束的調(diào)制技術(shù)3.3室內(nèi)可見光系統(tǒng)的性能提升技術(shù)3.4可見光通信標(biāo)準(zhǔn)3.5基于成像傳感器的可見光通信系統(tǒng)本章小結(jié)

3.1概述使用VLC的新興應(yīng)用包括:①在室內(nèi)通信中,通過(guò)智慧城市理念擴(kuò)展WiFi和蜂窩無(wú)線通信;②在物聯(lián)網(wǎng)通信中,作為無(wú)線鏈路使用;③作為智能交通系統(tǒng)(IntelligentTransportSystem,ITS)中通信系統(tǒng)的組成部分之一;④作為醫(yī)院無(wú)線通信系統(tǒng);⑤用于實(shí)現(xiàn)玩具和主題樂(lè)園娛樂(lè)設(shè)施中的交互式行為;⑥通過(guò)智能手機(jī)攝像頭提供動(dòng)態(tài)廣告信息。

由于同一場(chǎng)景下可能需要同時(shí)使用多臺(tái)無(wú)線設(shè)備,例如智能手機(jī)、平板、智能手表、智能眼鏡、可穿戴設(shè)備、便攜式電腦等,并且同一通信網(wǎng)絡(luò)中每增加一臺(tái)設(shè)備,每臺(tái)設(shè)備所擁有的數(shù)據(jù)速率就會(huì)降低,因此利用VLC來(lái)增強(qiáng)WiFi和蜂窩無(wú)線通信越來(lái)越迫切?；诂F(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施安裝VLC系統(tǒng)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率便于實(shí)現(xiàn)。圖3－1為VLC無(wú)線網(wǎng)絡(luò)示例。

圖3－1VLC無(wú)線網(wǎng)絡(luò)示例

其中,VLC的下行鏈路包括照明LED、以太網(wǎng)電力線通信(PowerLineCommunica_x0002_tion,PLC)、調(diào)制解調(diào)器和LED驅(qū)動(dòng)器,它們作為設(shè)備的一部分,通過(guò)專用或加密的接收機(jī)接收信號(hào)。

上行鏈路的配置主要包括:

①一個(gè)WiFi鏈路;

②一個(gè)紅外IRDA鏈路;

③如圖3－2所示的調(diào)制逆反射器。

圖3－2基于調(diào)制逆反射器的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

智能交通系統(tǒng)的使用,可提高道路安全、減少道路交通事故以及提高交通效率(如圖3－3所示)。VLC技術(shù)已被提議用于智能交通系統(tǒng),為車輛之間、車輛和交通燈之間或車輛和廣告牌之間等道路基礎(chǔ)設(shè)施之間建立單向或雙向短距離無(wú)線通信鏈路。VLC技術(shù)可以使用現(xiàn)有的車燈、交通燈及廣告牌等發(fā)光設(shè)備作為接收機(jī)或發(fā)射機(jī),從而降低系統(tǒng)成本。例如圖3－3中將交通信號(hào)燈作為發(fā)射機(jī)。

圖3－3基于VLC的智能交通系統(tǒng)

VLC在玩具和主題公園娛樂(lè)設(shè)施中也被廣泛運(yùn)用,這主要聚焦于VLC技術(shù)的兩個(gè)特點(diǎn)(如圖34所示)上。

其一是VLC通過(guò)視線或半視線進(jìn)行通信的能力,也就是說(shuō)通信只能在特定區(qū)域進(jìn)行?；谶@個(gè)特點(diǎn),商家可以基于觀眾位置給觀眾發(fā)送不同的信息,如AR或VR技術(shù)讓觀眾仿佛置身于商家提供的場(chǎng)景中。

其二是VLC技術(shù)的低成本,例如玩具的LED可以同時(shí)作為發(fā)射機(jī)和光電二極管接收機(jī)來(lái)降低玩具升級(jí)的成本。

圖3－4主題公園娛樂(lè)設(shè)施中的VLC

通過(guò)智能手機(jī)攝像頭捕捉動(dòng)態(tài)廣告是VLC技術(shù)的一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域,它通過(guò)廣告牌和照明設(shè)施來(lái)傳輸由攝像頭檢測(cè)到的信息,然后通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴◤囊曨l中提取通信數(shù)據(jù)。

這種技術(shù)為街道、購(gòu)物中心和地鐵的廣告添加了額外的信息層。

3.2考慮光照約束的調(diào)制技術(shù)由于涉及光照約束這一新的約束,可見光通信系統(tǒng)的物理層設(shè)計(jì)將不同于標(biāo)準(zhǔn)射頻通信的物理層設(shè)計(jì)。光照約束實(shí)際上是對(duì)光發(fā)射的平均強(qiáng)度和閃爍進(jìn)行限制。由于光脈沖在200Hz或更高頻率閃爍時(shí),對(duì)人眼感知的影響很小,所以本節(jié)主要討論平均強(qiáng)度約束。在無(wú)線光通信中,這種約束通常被表示為不等式,在VLC中則表示為等式。此外,與射頻通信相比,在信號(hào)功率的平方值被限制的情況下,信號(hào)電平本身的強(qiáng)度也會(huì)受到限制。換句話說(shuō),光照約束是根據(jù)信號(hào)的均值(一階矩)而不是方差(二階矩)來(lái)定義的。

本節(jié)將討論幾種平均強(qiáng)度約束方法。為了滿足以平均強(qiáng)度約束為代表的光照約束,提出了信號(hào)電平偏移、及時(shí)補(bǔ)償和改變符號(hào)電平分布等方法。其中信號(hào)電平偏移和及時(shí)

補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,而改變符號(hào)電平分布方法則可提高通信中的數(shù)據(jù)吞吐量。

(1)信號(hào)電平偏移是最簡(jiǎn)單的方法之一。

(2)及時(shí)補(bǔ)償時(shí)間上的強(qiáng)度差是另一種可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的方法。

一些基于PWM的研究也提出了簡(jiǎn)單的解決方法以提高邊際速率。例如,①PWM可以與OOK和PPM疊加以支持調(diào)光。②可變脈沖位置調(diào)制(VariablePulsePositionModulation,VPPM)是另一種使用PWM的方法。這種調(diào)制結(jié)合了2-PPM和PWM的調(diào)光控制方法,如圖3－5所示。③脈沖雙斜率調(diào)制作為VPPM的一個(gè)變形,提供了改進(jìn)閃爍抑制的方法。

圖3－5調(diào)光控制的PPM

(3)改變符號(hào)電平分布是一種復(fù)雜的方法,但可帶來(lái)額外的速率提升。

典型的LED照明是白光。然而,一些應(yīng)用需要多種顏色的LED,例如光療、顯示屏和高顯色指數(shù)的照明。在這樣的應(yīng)用中,照明的要求并不只是對(duì)標(biāo)量平均強(qiáng)度給出約束,而

是給出平均顏色和強(qiáng)度的矢量。這里將討論兩種處理有色情況的方法:①色移鍵控(ColorShiftKeying,CSK)分開考慮了顏色和強(qiáng)度。它一方面使光照強(qiáng)度固定在目標(biāo)強(qiáng)度上,另一方面利用顏色的瞬時(shí)變化進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖3－6所示,信號(hào)星座位于一個(gè)強(qiáng)度相同的二維彩色空間中。②顏色強(qiáng)度調(diào)制(ColorIntensityModulation,CIM)會(huì)同時(shí)改變顏色和強(qiáng)度,因此這種方法可以利用CSK增強(qiáng)吞吐量。

圖3－6在CIEXYZ顏色空間中包含三個(gè)符號(hào)的CSK星座

下面著重介紹三種方法,即逆源編碼、多級(jí)傳輸和顏色強(qiáng)度調(diào)制。在執(zhí)行這些方法時(shí)應(yīng)考慮:VLC需要照明的瞬時(shí)變化能避免對(duì)人眼造成影響,因此需要符號(hào)變化得足夠快。

此外,還應(yīng)注意LED照明的物理色溫和色度偏移。這主要是由LED的輸入電流水平和溫度的變化引起的,而多級(jí)傳輸易受這種偏移的影響。

3.2.1可調(diào)光VLC中的逆源編碼

1.NRZ-OOK的逆源編碼

首先介紹一種用于二進(jìn)制調(diào)制的ISC方法。設(shè)d表示調(diào)光目標(biāo),為了達(dá)到調(diào)光目標(biāo)的二進(jìn)制OOK調(diào)制,需要分別按d和1-d的比例使用ON和OFF符號(hào),形成OOK調(diào)制。如果使用該調(diào)制進(jìn)行通信,則數(shù)據(jù)速率受限于二進(jìn)制熵上限,該二進(jìn)制熵為

為了在調(diào)光目標(biāo)d中實(shí)現(xiàn)最大的傳輸效率(數(shù)據(jù)速率),應(yīng)該調(diào)整消息符號(hào)的組合,使ON符號(hào)和OFF符號(hào)在單個(gè)數(shù)據(jù)幀中分別以概率d和概率1-d出現(xiàn)。由于源編碼操作(也被稱為壓縮操作)用于盡可能均勻地改變符號(hào)的組成來(lái)最大化熵,因此該操作的逆運(yùn)算可應(yīng)用于將符號(hào)的組合調(diào)整為任意比例。這種操作稱為逆源編碼(或調(diào)光編碼),并且可以如圖3－7所示合并到VLC系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中。

圖3－7具有反向信源編碼的VLC系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)

圖3－8ISC帶來(lái)的效率提升

下面討論信源編碼與逆源編碼之間的沖突。以序列00011011為例,編碼操作的流程如下:

(1)輸入順序:00011011。

(2)逆霍夫曼編碼序列:010111011。

(3)被干擾信道破壞的序列:000111011。

(4)用于恢復(fù)的序列:000111011。

(5)恢復(fù)序列:0000001011。

2.M進(jìn)制PAM的逆源編碼

在采用OOK調(diào)制的逆源編碼中,通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)幀的占空比以及ON和OFF符號(hào)的比例,調(diào)光目標(biāo)可以直接確定二進(jìn)制碼元概率。然而,非二進(jìn)制調(diào)制,如脈沖幅度調(diào)制等,可以采用不同的調(diào)制方式來(lái)調(diào)光,每一種調(diào)制方式都對(duì)應(yīng)著不同的頻譜效率?；诖吮尘?本小節(jié)考慮了令光譜效率最大化的非二進(jìn)制碼元的分布。當(dāng)提及光譜效率時(shí),就需要考慮到熵(平均信息量)。M-PAM的熵可以表示為

因此,選擇一對(duì)可行的(λ1,λ2)參數(shù)可以很好地定義符號(hào)概率分布{pi},并使熵達(dá)到全局最大值。為了能夠?qū)崿F(xiàn)通信所需分布,本節(jié)采用了逆霍夫曼編碼。圖3－9展示了逆源編碼(ISC)和時(shí)間復(fù)用調(diào)光(TimeMultiplexing)?？梢杂^察到:逆源編碼始終優(yōu)于時(shí)間復(fù)用調(diào)光方案。對(duì)于M進(jìn)制PAM的逆源編碼,無(wú)論M取何值,歸一化熵的趨勢(shì)都大致相同,即逆源編碼對(duì)任意M值都是有效的。

圖3－9歸一化熵

3.逆源編碼與可調(diào)光VLC容量比較

圖3－10描述了符號(hào)間最小距離相等時(shí)的4-PAM逆源編碼(ISC)、3-PAM逆源編碼(ISC)和3-PAM混合調(diào)光(HybirdDimming)的熵。

圖310逆源編碼和混合調(diào)光的熵

假定不同調(diào)光方法在高斯白噪聲下(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)進(jìn)行比較:

圖3－11為調(diào)光目標(biāo)取值0.5時(shí),分別使用2-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM調(diào)制的逆源編碼的調(diào)光容量。

圖3－11調(diào)光目標(biāo)為0.5時(shí)M-PAM的容量比較

此外,本小節(jié)還將對(duì)逆源編碼、模擬調(diào)光和混合調(diào)光的調(diào)光性能進(jìn)行對(duì)比,調(diào)制方式分別為2-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM、16-PAM。圖3－12描述了隨著A/σ和調(diào)光目標(biāo)的變化而變化的調(diào)光容量。圖3－13描述了隨著A/σ和調(diào)光目標(biāo)變化而變化的最優(yōu)調(diào)光方法(即可以產(chǎn)生最大容量的調(diào)光方法)。當(dāng)歸一化直流漂移(強(qiáng)度漂移)為0時(shí)即代表選擇逆源編碼調(diào)光方法,為1時(shí)即代表采用模擬調(diào)光方法。調(diào)光目標(biāo)達(dá)到97%時(shí),除A/σ>20dB和A/σ≈11.5dB,逆源編碼都具有較好的調(diào)光性能。對(duì)于A/σ>20dB,如果允許較高的調(diào)制階數(shù),那么逆源編碼仍然是最好的調(diào)光方法。

圖3－122-PAM、3-PAM、4-PAM、8-PAM、16-PAM下的調(diào)光容量

圖3－13最優(yōu)調(diào)光方法的選擇

對(duì)于A/σ≈11.5dB,是不允許采用4-PAM~8-PAM等調(diào)制方式的。圖3－14顯示了當(dāng)A/σ≈11.5dB且調(diào)光目標(biāo)為97%時(shí),

如何確定圖3－13中的y軸坐標(biāo)。當(dāng)調(diào)光方法為逆源編碼或6-PAM時(shí),可以相應(yīng)產(chǎn)生最大的調(diào)光容量。除6-PAM外,具有輕微直流漂移的4-PAM(即混合調(diào)光)也可以產(chǎn)生最大調(diào)光容量。然而,在這種情況下,逆源編碼和4-PAM混合調(diào)光之間的調(diào)光容量差異可以忽略不計(jì)。因此,當(dāng)所有調(diào)制階數(shù)都可用時(shí),逆源編碼是最優(yōu)調(diào)制方式;當(dāng)只有部分調(diào)制階數(shù)可用時(shí),逆源編碼的性能類似于或優(yōu)于其它調(diào)制方式。

圖3－14當(dāng)A/σ≈11.5dB且調(diào)光目標(biāo)為97%時(shí)最優(yōu)調(diào)光方法的選擇

3.2.2可調(diào)光VLC中的多級(jí)傳輸

本小節(jié)將針對(duì)支持調(diào)光控制的可見光通信系統(tǒng),介紹一種多級(jí)傳輸?shù)姆桨?。為了?shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)制方案的調(diào)光控制,可將不同脈沖幅度調(diào)制的符號(hào)進(jìn)行級(jí)聯(lián),從而得到與