技术分享 | 自由空间光通信综述

摘 要：自由空间光通信作为一种重要的通信方式，具有传输数据量大、传输迅速、传输精度高等优点，有效弥补了采用传统 射频技术进行通信传输精度低、传输速度慢等缺点，具有广阔的应用前景。对自由空间光通信的理论知识、系统设计等方面开展 研究，结合自由空间光通信的应用场景对其发展现状进行分析，并展望了自由空间光通信的发展前景。

关键词：自由空间光通信；无线通信；调制解调

随着无线设备和技术普及速度的增长，射频（RF）技术由于频段的存在，从根本上限制了容量，人们开始探索是否能通过自由空间光通信来扩展无线通信的概念。自由空间光通信（free space opti⁃cal communication，简称FSO），是以光为载波、自由空间为传输介质的通信技术[1]。对FSO的研究目前主要用于距离不超过几公里的两个固定点之间进行高速通信。

FSO系统的典型应用如图1所示。包括：（a）园区连接方案。通过高数据速率FSO链路实现建 筑物间连接。（b）对城市进行高质量的视频监视。传统的无线通信技术无法满足高清视频流的高吞吐量要求。（c）FSO链路为蜂窝系统提供回程。在光纤安装昂贵或部署困难的情形下，FSO具有明显的优势。

1、大气激光通信系统设计

典型的大气激光通信系统框图如图2所示[2]。

对于大气激光通信系统，选择合适的调制解调方式是通信系统高有效性和高可靠性的保证。大气激光通信系统一般采用强度调制和直接探测的方式。目前，国外已有采用二进制启闭键控（OOK）调制的可全天候工作的大气激光通信系统，证明了 大气信道可以传输吉赫兹（GHz）级的信息[3]。为了 克服大气信道的影响，主流观点是建议采用脉冲位 置（PPM）调制方式[4]。

在大气激光通信系统中，信号光源可以选择输出光束质量高、工作频率高、输出功率为几十毫瓦的半导体激光器[5]。针对大气激光通信系统中，光接收机端接收到的信号微弱，加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端信噪比较小[6]。通常采用两种措施：一是提高接收机端的功率，达到纳瓦（nW）、皮瓦（pW）量级；或对接收信号进行处理，通过窄带滤波器抑制背景杂散光的干扰，在电信道 上则采用小信号检测技术。

1.1 信道损耗

对于FSO系统，需要考虑的损耗包括：系统损耗、几何损耗、未对准损耗、大气损耗、大气湍流引起的衰落和环境噪声等[7]。几何损耗是由于光束在大气中传播时的发散所致。对于水平FSO传输，通常考虑光束强度的高斯分布。当高斯光束具有较大的发散度时，其统计特性接近点源的情况。在这种情况下，可以有效地近似为平面波或球面波。

使用哈佛大学的HITRAN数据库进行大气信道衰减系数的仿真，从中下载了H2O，O2，N2，CO2的数据[8]，附录中所提供的代码自定义了输出类型，将所需的内容输出，湿度为0，10%，40%，80%时的大气总体吸收系数如图3。可以发现当采用940 nm（频率约为320 THz）激光时，总体吸收系数大约在10-4量级。其中包括信源信宿、编码译码、调制解调器、激光器、发射接收天线、信道和光检测器。

在晴朗的大气条件下，与能见度相关的大气损失可以忽略不计，此时存在另一种称为闪烁或褪色的不利影响。描述湍流大气中光强起伏的概率密度函数时常用的模型有[9-10]以下三种。

对数正态模型，其概率分布函数为:

参考文献[11]对大气湍流进行了非常细致的研究，这里不做赘述。

除了有用的信号外，接收透镜还收集了一些不良的环境噪声，这些辐射可能包括直接太阳光、反射太阳光或来自水凝物或其他物体的散射太阳光，可以通过窄光谱带通和空间滤波，在光检测之前降低其影响。但是，仍有一部分不可忽略的背景噪声可能落在检测器的空间和频率范围内，会通过在转换后的电信号中引起可变的偏移来限制系统性能。 在某些情况下，由于接收器的饱和，背景辐射甚至 可能导致链路中断。

环境噪声可以通过泊松过程进行建模[12]。当背景辐射水平相对较高时，对应的接收光子的平均数量足够大，可以通过高斯分布近似泊松分布。由于环境噪声通过交流耦合接收器电路后变为零均值。此外，由于光检测器的非线性特性，信号与环境噪声可以看做相互独立[13]。

1.2 收发器设计

发射器结构如图4所示。由光源，调制器，光放大器和波束形成器件组成。调制之前进行信源和信道编码，随后被调制[14]。调制后的激光束通过光放大器以增强光强度。光束在传输之前通过光束形成光学器件收集并重新聚焦。

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）主要用于850 nm附近的工作，而Fabry-Pero（tFP）和分布式反馈（DFB）激光器主要用于1550nm的工作。

与传统的无线通信一样，FSO系统的接收方式分为相干接收和非相干接收。FSO系统可以大致分为两类：非相干和相干。在相干系统中，如图5所示，可以使用幅度、频率或相位调制。在接收器一侧进行光检测之前，将接收到的场与本地生成的光场进行光学混合。

在非相干接收中，如图6所示，则采用强度调制直接检测（IM/DD）系统，通过接收到的光强直接进行接收，无需本地振荡器。

尽管相干系统在抑制环境噪声，减轻湍流引起 的衰落等方面性能突出，但直接检测系统同样具有 较高的性能，并且其低成本的优势非常突出，在 FSO 中大部分采用 IM/DD 系统[15]。

IM/DD 系统的接收器前端由滤光器和透镜组 成，将接收到的光束收集并聚焦到光电二极管上进 行光电转换，通过跨阻电路转换为电压。最后进行 低通滤波，以限制环境噪声。

2、调制方式

2.1 二进制启闭键控（OOK）

OOK是实现起来较为简单的调制方式，通过有无信号传输来进行二进制传输。在接收端，为了进行最佳接收，需要知道信道的瞬时衰落系数来决定阈值，可以采用导频来估计CSI，也可以进行逐符号最大似然检测（ML）和序列检测。但是OOK调制存在很多问题，包括能量效率低、频率利用率低。

2.2 脉冲位置调制（PPM）

为了解决能源效率问题，脉冲位置调制（PPM）是目前最合适的调制方式。PPM主要有三种形式：单脉冲位置调制（L-PPM）、差分脉冲位置调制（DPPM）和多脉冲位置调制（M-L-PPM）。在实际应用中，应用最广泛的是L-PPM调制方式。单脉冲位置调制（L-PPM）是将一组二进制的n位数据组映射为2n个时隙中的某一个时隙上的单个脉冲信号，其本质是一种相位调制。

相比于OOK（同类型的如PAM）信号，由于采用时隙的方式，L-PPM信号的平均功率可以做到很低，即有信号传递的时隙内幅值可以很高，这对于接收端判决有很大帮助。表1为PPM与OOK的功率利用率之比。

表1 PPM与OOK的功率利用率之比

与PPM相比，多脉冲PPM（MPPM）的其他优点是降低了峰值功率比（PAPR）和更高的频谱效率，限制峰值发射功率时，MPPM性能优于PPM。但是，限制平均发射功率时，PPM优于MPPM[16]。

除此之外，还有差分PPM（DPPM）、DDPPM、双幅度PPM、差分幅度PPM、SPPM，分别采用差分、双宽度、双幅度、差分多幅度、OOK和PPM两种方式进行编码。在DPPM中，PPM符号中跟随脉冲的空时隙被删除，提高了系统的频谱效率，值得一提的是，DPPM会以1结束，可以用它进行同步。重叠的PPM（OPPM）会用多个脉冲占据相邻的时隙[17]。

2.3 脉冲宽度调制（PWM）

与PPM相比，PWM有较低的峰值发射功率，具有更高的频谱效率，并且对ISI的抵抗力更强，尤其是对于每个符号有多个时隙（Q）。然而，这些优点被PWM随Q增大的更高平均功率要求所抵消。

PPM和PWM通常称为同步调制，因为它们将数据映射到固定持续时间的符号上，两种方案都需要时隙和符号同步。相反，数字脉冲间隔调制（DPIM）是具有可变符号长度的异步调制方案，并且不需要符号同步。此外，它在频谱上比PPM和PWM更有效，因为它无需在发送下一个符号之前等待固定符号周期的结束。

2.4 数字脉冲间隔调制（DPIM）

DPIM采用脉冲间低电平的时隙个数传递信息，其编码思想与PPM类似。与其相似的编码还有：DHPIM、DPPIM、DAPIM、FDAPIM等，DPIM的主要问题是解调中存在错误传播（error propagation），如果一个off被检测为on，则会产生连续误码。

3、自由光空间通信研究进展

3.1 民用

大气激光输送的使用范围遍布全世界，截至目前，已有多个关于自由光空间输送的系统在全世界范围内被安装。FSO系统主要应用在民用和军用两个大的范围中。

在民用范围内，FSO系统可分为两大类：室内和室外。通常应用在以下几种场景中：已经建设好的停车场、学校、医院等楼房聚集的地方，帮助输送移动通信基站之间的信号；同时也可以在没有通信基础设备的野外等地区使用，遇到海啸、地震等自然灾害时，使用大气激光输送体系可以帮助快速解决通信问题；利用激光通信带宽大的特点，其用于空中摄影摄像、测控、测绘以及网络信号的输送等方面潜力较大，可以有效解决实时输送难及数据量大的难题。此外，在深空探测、蜂窝回传、菊链回传等方面，FSO也有广泛的使用前景。

3.2 军用

在军事任务应用中，通信方式的安全性是首要问题。由于FSO具有的数据速率大、无人值守传输、波段免许可和抗干扰性好等优点，使其完全性满足军事应用的主要需求。

现阶段FSO在军事上的应用主要集中在以下几种情形中：一是使用有线通信不方便的地区，能建造在岛屿、边境哨所等地方，无论在峡谷还是在高山等地方能够保持通信的稳定性。二是能用在需要实时输送的场所，在短时间内就可以组装好大气激光通信，如果碰到突发状况，通信设施中断，可以及时补救，而且使用这种通信方式的优点是便捷性以及保密性，与部队作战的要求非常贴切。

由于作战地区的无线电通信易受对方强电磁的阻扰，要求作战地区的其余通信设施处于静默状态，在这种状态下使用大气激光通信能够有效的保证作战时通信设施的连接以及保密性。

为了更好的验证FSO在实际军事的应用前景，北约军队分析和测试了FSO系统在静态地对地传输、动态空中到静地、动态空对动态地、动态空对空等情形下的运行，并对其应用前景进行了分析。其中静态地对地传输可以应用在基站内部网络，基站间网络或安装之间的网络；动态空中到静地从机载平台到静态地面站的链接在军事和民用通信中均有广阔的应用前景；动态空对动态地情形下的连接非常脆弱，不适合进行通信；动态空对空情形由于通信在两个机载平台之间建立，机载平台的能力随着有效载荷能力和飞行轨迹变化有着很大变化。

现阶段投入使用的FSO系统有以下几种：

3.2.1LWIR-FSO

密西根大学光电实验室中采用了LWIR-FSO连接的实验室模型，解决了商业FSO系统在近红外（NIR）或短波红外（SWIR）光谱范围内运行时很容易受到大气限制的问题。LWIR-FSO通过使用长波长红外辐射进行数据传输，将传输时大气问题的限制最小化。FSO结构的主要元素是波兰电子技术研究所开发的量子级联激光器（QCL）和在波兰VIGO SYSTEM SA建造的检测模块组成。在测试中，QCL激光器的最佳持续时间为10ns，激光器周期为4 MHz，光脉冲的峰值功率为200mW。激光脉冲通过检测模块进行检测，检测率为3×109cm √Hz/W，带宽700 MHz。激光辐射的光谱特性如图7所示。激光的工作波长为9.7~9.9 μm。通过使用离轴抛物面镜，实现3mrad光束发散度和100 mm直径接收。

图8给出了在不同能见度情况下LWIR-FSO连接的SNR曲线，通过Cn2指数表示闪烁度。

实验结果表明，大气湍流和散射对FSO通信强烈的影响，可以使用更高功率的光脉冲或低发散光束来补偿辐射散射。在闪烁的情况下，光信号电平的衰减不如噪声信号的增加那么显著。虽然可以通过将增加接收光学器件的接收直径减至最小，但在实际使用中会明显增加FSO设备的质量。

在2018年冬季不同的天气条件下对LWIR-FSO连接进行了实验，通过实验发现，降雪率通常不会影响脉冲峰值功率的平均值，但会显著增加其波动。如图9所示，降雪通常不会影响脉冲峰值功率的平均值。同时接收信号的幅度分布近似于高斯分布，当降雪量为4~10 g/dm/h时，接收信号的幅度分布如图10所示。

3.2.2 FSO/RF 混合通信系统

FSO系统的主要局限性是天气情况和视线操作要求，使用RF作为回程数据链路可以一定程度上减少这些影响。FSO/RF混合系统的示意图如图11所示。通过将FSO和RF通信设备混合，可以提供更好的数据安全性和链接能力，降低检测可能性，提高抗干扰的能力。FSO/RF混合系统是无法安全利用激光通信进行传输所采用的折中方法。

无线FSO/RF系统可以在很多种场景下进行使用，可以提供具有高比特率、高可靠性和低检测可能性的数据传输。FSO/RF技术在以网络为中心的防空防御系统中有重要的实用意义。在此情景中应用时，FSO/RF链接可以提供效应器、检测系统和命令站到主干单元的快速、“静默”和可靠的数据连接。图12为一种典型的使用FSO/RF链路的实例方案。

FSO/RF系统也可以通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路来保障天气恶劣条件下的不间断通信，这种系统同时也适用于深空通信中。2008年，约翰斯·霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员开展了基于共用天线的微波激光一体化通信技术预先研究，并提出了微波激光一体化通信系统的设计方法、工艺和天线样机的研制计划。基于以上研究成果，NASA于2012年启动了无线光通信综合（iROC）项目，其研究成果代表了目前星载微波激光通信一体化技术的最高水平。

iOCE的通信技术指标如表2所示。采用的激光波长为1550nm。

iROC系统框图如图13所示。

3.2.3 敌我识别

FSO另一主要应用方向是在敌我识别应用中，“分清敌我”作为打赢战争的最基本条件，正确、有效的敌我目标识别及性能可靠的敌我目标识别系 统成为减少战场误伤的重要因素之一。目前，敌我识别的系统主要有雷达敌我识别系统和激光敌我识别系统两种。雷达敌我识别系统具有作用距离 远、全向识别的优点，但是其角分辨率较低，而且在抗干扰性、定位精度等方面都存在着不足；激光敌我识别系统具有定位精度高、识别时间短、信号传递通道窄、保密性好等优点，能弥补雷达敌我识别系统的许多缺陷，成为敌我识别领域不可或缺的技术手段。

4、结论

随着通信技术的发展和通信需求的增加，自由空间光通信因独特的优势受到越来越多国家和机构的重视。自由空间光通信作为中距离两个点之间高速通信形式，具有联通方便、无需铺设线路、建设周期短、频率高不占用无线电频谱、抗电磁干扰能力强，发射功率低，成本低的优势，在未来的民用和军用领域有着广阔的应用前景。

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本文作者：李飞翔，张华伟，杨旭，杨雁南

来源：《光电技术应用》期刊，第37卷第3期