《無(wú)線光通信技術(shù)-從理論到前沿》課件-第1章

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)?？蛇M(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,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發(fā)射機(jī)LED陣列廣播告知周圍車輛和人群,也可以通過接收機(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,該波束將先通過地面信道進(jìn)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(jìn)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(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,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