摘要 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。
关键词
UOWC 传输容量 激光通信 散射
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1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。
3.4
湍流的影响
湍流可以造成光束的闪烁。产生湍流的原因是传输媒介温度和湿度发生了变化。大气温度和湿度发生的改变会影响其折射率，从而使光信号传播发生弯曲。
目前，人们已经提出了很多统计模型用以描述折射率与周围大气、压力、湿度以及辐射波长的关系，而用于分析发射功率的基本统计参数又与随机变化的折射率空间相关，因而空频域上的功率谱是空间互相关函数的三维傅立叶变换。Ritov定理指出，当光线通过大气湍流后，其功率密度在空间上服从对数正态分布。这是众多理论和实践研究的基础。
4
克服UOWC缺点的解决方案
前面已经对影响UOWC广泛使用的一些基本问题进行了描述，下面将针对这些问题提出一些可能的解决方案。
4.1
网络层解决方案
4.1.1
重新寻找发射链路
当节点之间的直接链路发生故障时，我们可以利用节点间网络的其它有效链路来发送相应的数据。通过使用复杂的网络协议可以优化每条链路有效性的效率。在重新选择链路时，应当考虑到其它业务的需求。该方案需要点对多点收发机，高层的冗余性。
4.1.2
重新传输
另一种解决方案就是重新发射数据。该方案适用于接收发生错误的情况下。比如，当大气的湍流比较剧烈时，接收到的信号会出现大量误码，此时便可以利用重传机制来重新发送相应的数据，这样可以增加接收机正确接收信号的概率。同样，该机制也适用于大楼摆动的情况下，当大楼摆动时，它总是周期性地离开、进入传输路径，这样通过重传机制便可以大大增加接收机正确接收数据的概率。
4.1.3
缓存机制
当信号在大气中受到的衰减较大时，此时接收机会接收到大量的错误数据。在这种情况下，发射机最好能缓存一下要发送的数据，等传输条件好转后再继续传输。在其它网络中也有类似的机制，但是在光通信中它的数据数率是非常大的，所以该机制必须配有大量的缓存器。此外，当链路的传输容量降低时，我们可以选择高优先级的数据进行传输，而将低优先级的数据暂时缓存。
4.2
减小大楼的摆动对通信的影响
4.2.1
自适应激光阵列发射机
对于对不准的问题，在实际应用中可以采用二维激光阵列连续交替工作来解决，阵列中每一个激光器都以不同的角度瞄准，这样便组成了一个简单且健壮的跟踪瞄准系统。阵列中的激光器数目是可变的。发射机可以用垂直腔表面发射激光器（vertical
cavity surface emitting
laser，VCSEL）来实现。因为VCSEL激光器可以将多个单元集成在单个芯片中，而且它还具有响应速度快，发散角度小等优点。
4.2.2
自适应FOV
当瞄准系统发生差错、无视线传播时，未散射的光线不会到达接收机。但是通过研究人们发现，当未散射的光线无法到达接收机时，由于散射的光线中也带有传输的信息，所以捕获的散射光线越多，收集到的信号的能量就越大，因此通过捕获大量的散射光线同样可以改善系统的性能。
图2所示是使用自适应FOV（field
of view,视角）接收机光线传播示意。
在接收机接收孔径中收到的信号功率取决于孔径的大小和在媒介中传播的光信号的密度。在有雾的情况下，雾滴的分布会影响信号功率的分布。由于角度扩展，接收机望远镜的FOV将决定其接收的总功率。为了提高系统的性能，必须收集更多的散射光线，因此应该增大FOV，但是，当FOV增大后，所接收的背景热噪声也会增大，这样就会降低SNR（信噪比）。因此，利用自适应FOV解决瞄准误差和大雾问题时，可在保证SNR不降低的前提下，适当地增加FOV。
4.2.3
新瞄准系统技术
目前的跟踪系统一般基于机械平衡环和镜子，无法实现精确的对准和快速瞄准，因此应该利用非机械的波束跟踪装置来实现灵活的瞄准。能满足上述要求的一项重要的技术就是光相位阵列（optical
phased
array，OPA）技术。在该技术中使用一个激光器阵列，激光器按照预定的相位差值来排列，这样便可以对波束进行定向和成型以满足性能的需求。同样，在接收机上也可以使用该技术，这样便可以从不同的方向来收集光线。
4.3
减小大气对通信的影响
4.3.1
寻求最优波长
尽管人们对该问题已经进行了大量的研究，但是目前依然没有非常适用于UOWC的波长。主要原因是在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸收窗口、不同的散射函数以及不同的折射率。众所周知，在60年代的卫星水下通信中的激光通信主要用蓝绿光谱，这是因为该波长范围的激光对海水有很强的穿透性。然而，光在大气中的传播是非常复杂的，尤其是在雾中和云中。目前人们提出了一种叫做通用量子级联激光器（quantum
cascade
laser，QCL）的新技术，在该技术中频率的范围非常宽，光源可以调整到大气低吸收窗口状态下工作，从而提高系统的性能。
另外，一些专家分析了短距离地面通信链路中波长和性能之间的关系，他们在不同的环境条件下测试建立的模型，从而找出了最优的组合参数。
4.3.2
检测器阵列接收机
在实际应用中，我们可以将单个检测器换成检测器阵列，例如用检测器阵列组成一个大FOV接收机。利用多个小检测器组成的FOV接收机所产生的热噪声要远远小于用单个检测器所构成的同样大小的FOV接收机，因此SNR提高了。
此外，一些专家开发了一套用于分析设计检测器阵列的数学工具，工具中使用了光传输函数（optical
transfer function，OTF）和调制传输函数（modulation transfer
function，MTF）等概念。其中系统MTF是导致系统性能劣化的每个因素的MTF的乘积，这些导致系统劣化的因素包括湍流、散射等。该工具可以大大简化系统的分析和设计。
4.3.3
自适应均衡技术
由于大量的散射会造成发射脉冲在时间域中的展宽，而不同环境中展宽的大小分布是不同的，这主要取决于雾和云的一些特性。比如：在雾中和云中典型脉冲响应的形状可以用双Gamma函数来描述，它们的时间扩展可以从几微秒到几百微秒。时间域的扩展会造成符号间干扰（intersymbol
interference，ISI），从而降低链路的性能。利用自适应判决反馈均衡器（decision feedback
equalizer，DFE）可以很好地解决这个问题。
5
结束语
城市光无线通信已经成为现实，但是目前还有一些急需解决的问题，文中详细地分析了目前UOWC中存在的问题，通过分析给出了不同环境条件下的解决方案。利用多激光发射机或者自适应发散波束可以有效地解决大楼摆动所带来的对不准问题；使用自适应FOV接收机和均衡器可以有效地解决散射问题；利用检测器阵列可以很好地解决多用户在湍流下的通信问题。随着UOWC技术的不断完善，它一定可以得到广泛的应用。
参考文献
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----《电信科学》
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