无线光通信技术

无线光通信技术是一种宽带无线传输与接入技术，是光通信技术和无线通信技术相结合的产物，它以光信号为载体，通过大气空间传送信息。当前有两种不同的无线光通信技术：FSO（Free Space Optical Communication）和VLC（Visible Light Communication），前者利用波长为850nm或1550nm的红外波，后者利用LED可见光。

无线光通信是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。

FSO－自由空间光通信

FSO在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且对人眼也更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。

FSO与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。FSO可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完毕并投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系统构成主备用，甚至可达到99.999%电信级的可用性要求。

另外FSO系统与网络的连接，还有如下的优点：

（1）对运行的协议透明。现在通信网络常用的SDH、ATM、IP等都能通过。

（2）可组成点对点、星形和网格形结构的网络。

（3）可灵活拆装、移装至其他位置。

（4）易于扩容升级，只需对接口稍作变动就能改变容量。

FSO存在的问题主要有以下几点：

（1）FSO是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4km。多种因素影响使其达不到99.999%（五个9）的稳定性；

（2）系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km；雨，20-50db/km；雪，50-150db/km；雾，50-300db/km。国外为解决这个难题，一般采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决；

（3）城市内，由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准；

（4）激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。所以产品要符合安全标准。

VLC－可见光通信

VLC是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。

图1所示为VLC在办公室内的典型应用配置图。VLC作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路down link和上行链路up link两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光LED光源和相应信号处理单元组成，白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗，但是由于LED光源个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰（ISI）。由于白光LED光源发出的是可见光，且发散角较大，对人眼睛基本无害，因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。该系统的接收部分主要由光电检测器（PD）和相应信号处理单元组成。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置，就可以得到一个可以双向同时工作的全双工VLC系统，由该系统组成的网络称为可见光网络。在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。

由于实现简单，VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测（IM/DD）系统，采用曼彻斯特编码和OOK（On-Off-Keying）调制方式。在IM/DD系统中，由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号，因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断，保证了通信的可靠性。

与FSO和射频通信相比 ,VLC具有以下突出优点:

（1）可见光对人类非常安全。VLC系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据；

（2）VLC无处不在。用于通信的照明灯可以安装在任何地方，通过照明灯，可以很方便地实现高速无线数据通信；

（3）发射功率高。对于FSO，由于受到人眼睛安全要求的限制，发射功率很低，系统性能受到严重限制。对于射频通信，射频信号对人体有害，也不能无限制地增加发射功率。在VLC系统中，由于发射的是可见光，故发射功率较高；

（4）无需无线电频谱证。FSO由于受制，可用的无线电频率非常有限；

（5）无电磁干扰。可以用于医院等对电磁干扰严格限制的场合。

无线光通信技术的发展趋势

1、 FSO的发展趋势

FSO技术原理比较简单，关键的问题是如何提高传输的可靠性，使其尽量达到电信运营商的要求。所以现在的研究方向大多是提高可靠性，然后提高传输距离与速率。大致有以下一些方面。

（1）大气信道的研究

主要研究大气信道的空间损耗，不同气象条件下的传输衰减，大气闪烁，空气散射，背景噪声等。其主要目的是准确掌握某地的气候等通信条件，同时找到气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。

（2）传输可靠性的研究

这个方面的研究工作主要是在某地区一定通信条件下，采取必要的发射接收技术来正确进行数据的传输。现在几个大的FSO生产厂家都有自己的一些专利技术来解决这个问题。据统计，MRV公司现在拥有最多的FSO专利，达16项之多。现在电路部分的做法一般是采取大功率连续单纵模激光器加高灵敏度Si 光电二极管来克服大气信道带来的衰减，减少误码。

还有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四个）发射技术，既可以克服气穴的影响，同时可以克服小鸟等引起的光路的突然割断。还有比较重要的一种技术就是跟踪技术，这方面Cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光强度或者波形来自动定位、调整发射端的位置。同时有的公司也提出了采用微波-FSO互为备份的概念，不过价格过于昂贵。

（3）传输速率的提高

FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2M开始，形成多个系列，比较典型的有10Mb/s，100Mb/s,155Mb/s,622 Mb/s。有的公司采用波分复用（WDM）技术，速率可以达到2.5Gb/s，10Gb/s。

（4）FSO设备网络拓扑的研究

FSO网可以有三种拓扑，即点到点、点到多点（星型）和网状网，也可以把它们组合起来使用。目前已使用的系统多采用点到点结构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为高带宽的专线连接。网状结构的优点是可以把业务集中到一点再接入核心网，效率较高、比较经济，但缺点是能提供的带宽较少，可靠性差。网状结构的优点是通过多个网络节点可以提供几乎实时的迂回选路，使服务得到保护。

从以上看来，现在FSO的发展方向是：首先提高系统的可靠性，然后在此基础上增加系统的传输速率，传输距离，从而找寻FSO更多的使用领域；同时研究FSO的网络拓扑结构，以使得FSO设备发挥最大潜能。

2、 VLC的发展趋势

VLC现阶段主要应用在室内局域网和智能交通系统中，未来VLC将向以下几方面发展。

（1）室内VLC系统采用OFDM调制技术、CDMA接入技术及分组编码技术并具有良好的发展前景，但采用OFDM调制技术时，幅度不断变化的OFDM信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。其次，目前LED灯分多芯片和单芯片两种，采用OFDM调制技术、CDMA接入方式时采用何种芯片能达到更高的传输率和更少的误码率还有待研究。还有目前VLC系统研究主要是针对下行链路，系统上行链路研究还有待深入。

（2）由于LED照明基站灯安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，利用电力线来传输通信信号可大幅降低投资成本。在日本等发达国家已得到了广泛应用，南京联通也在一些小区里开通了10M带宽的电力线上网业务。VLC与电力线载波通信相结合将是未来的发展趋势。

（3）VLC技术可为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。汽车照明基本上都采用LED灯，将光接收机安装在道路边或汽车上，组成汽车至交通控制中心（连接着道路边的光接收机）、路灯至汽车或汽车至汽车的通信链路，可为夜间行驶车辆进行导航、定位，并且能够让驾驶员即时知道各条道路的车辆流量，这也是LED可见光无线通信在智能交通系统中的发展方向。