维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第４期 山东通信技术 Ｖ０１．２６ Ｎｏ．４ ２ｏｏ６年ｌ２月 Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ．２ｏｏ６ 无线光通信技术研究 顾玉娟 （东南大学电子科学与工程学院，南京２１００９６） 摘要：无线光通信技术是一种宽带无线接入技术。是光通信技术和无线通信技术相结合的产物。介绍了两种无线光通 信技术（自由空间光通信？ｓｏ和可见光通信ＶＬＣ）的优势厦不足，介绍了ＶＬＣ在室内的一个典型应用，最后展 望了这两项无线光通信技术未来的研究方向厦发展趋势。 关键词：自由空间光通信可见光通信无线光通信 ｌ 引言 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 无线光通信技术是一种宽带无线接人技术．是光 宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比。 通信技术和无线通信技术相结合的产物．它以光信号 它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、 为载体，通过大气空间传送信息。当前有两种不同的 易于推广等优点。ＦＳＯ可以在一定程度弥补光纤和微 无线光通信技术：ＦＳＯ（Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｔｍｉ． 波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它 ｃａｔｉｏｎ）和ＶＬＣ（Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ），前者利 可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率 用波长为８５０ｒｉｍ或１５５０ｒｉｍ的红外波．后者利用 执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点 ＬＥＤ可见光。 的系统。在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之 无线光通信是以大气作为传输媒质来进行光信 后，一般可在数小时之内安装完毕，投入运行。在考虑 号传送的，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视 到当地气象的条件以后。光无线系统一般可得到 距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。 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。 ２ ＦＳＯ一自由空间光通信 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、 ＦＳＯ在点对点传输的情况下．每一端都设有光发 ＡＴＭ、ＩＰ等都能通过。２）可组成点对点、星形、和网格 射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机 形结构的网络。３）可灵活拆装、移装至其他位置。４）易 的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望 于扩容升级，只需稍作接口的变动就能改变容量。 远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远 ＦＳＯ存在的主要问题有以下几点： 镜。高灵敏度的光接收机。将望远镜收到的光信号再 （１）ＦＳＯ是一种视距宽带通信技术，传输距离与 转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透 信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波 过率有较大的差别．可以选用透过率较好的波段窗 束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在 口。光的无线系统通常使用８５０ｎｍ或１５５０ｒｉｍ的工作 ｌｋｍ以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到 波长。同时考虑到１５００ｎｍ的光波对于雾有更强的穿 ４Ｋｍ。多种因素影响其达不到９９．９９９％（五个９）的稳 透能力。而且人眼更安全．所以１５５０ｒｉｍ波长的ＦＳＯ 定性。 （２）系统性能对天气非常敏感是ＦＳＯ的另一个 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 山东通信技术 ２００６ｇ 主要问题。晴天对ＦＳＯ传输质量的影响最小，而雨、 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 管、更先进的光学器件和多光束来解决。 点之间的激光对准。 时间不同，将引起所谓的码闯干扰（ＩＳＩ）。由于白光 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 雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试，ＦＳＯ受天 ＬＥＤ光源发出的是可见光，且发散角较大，对人眼睛 为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极 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 上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外， （３）城市内由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个 行放大和处理．恢复成与发端一样的信号。该系统的 （４）激光的安全问题也会影响其使用，超过一定 其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光Ｕ’Ｄ 功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光 组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角，天 系统释放的能量伤害。所以产品要符合眼睛安全标 花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若 准。 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 ３ ＶＬＣ一可见光通信 Ⅵ 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 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 长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非 Ｍ／ＤＤ）系统，采用曼彻斯特编码和 常高．因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的 制／直接探测（Ｉ－Ｋｅｙｉｎｇ）调制方式。在ＩＭ／ＤＤ系统中，由 射频通信和ＦＳＯ相比，ＶＬＣ具有发射功率高、无电磁 ＯＯＫ（Ｏｎ—Ｏｆｆ干扰、节约能源等优点．因而ＶＬＣ技术具有极大的发 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 展前景．已引起人们的广泛关注和研究ｆ１，２１。 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 ０白光ＬＥＤ 岱ＰＤ ９鳓■ 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 图１可见光通信的典型应用 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： 图１所示为ＶＬＣ在办公室内的典型应用配置 （３）发射功率高。对于ＦＳＯ，由于受到人眼睛安全 图。ＶＬＣ作为一种无线的光通信方式，其系统包括下 的，发射功率很低，系统性能受到严重。对于 行链路ｄｏＷｌｌｌｉｎｋ和上行链路ｕｐｌｉｎｋ两部分。下行链 射频通信，射频信号对人体有害，也不能无地增 路包括发射和接收两部分。其发射部分主要由白光 加发射功率。在ＶＬＣ系统中，由于发射的是可见光， ＬＥＤ光源和相应信号处理单元组成，白光ＬＥＤ光源 故发射功率较高： 发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方 播基本上不存在损耗．但是由于ＬＥＤ光源个数较多． 在若干条不同的光路径．不同的光路径到达接收机的 （４）无需无线电频谱证。由于受制，可用的无线电 （５）无电磁干扰。可以用于医院等对电磁干扰严 向传播。由于室内不受强背景光和天气的影响．光传 频率非常有限； 且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存 格的场合。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 顾玉娟：无线光通信技术研究 ３３ ４无线光通信技术的研究方向及发展 趋势 ４．１ ＦＳＯ的研究方向及发展趋势 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 人核心网。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。 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 从以上看来，现在ＦＳＯ的发展方向是：首先提高 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 自己的专利技术来解决这个问题。据统计， 公司 现在拥有最多的ＦＳ０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 ＦＳ０相对于其他接人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，也可以把他们组合起来使用。目前已使 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ＦＳ０的网络拓扑结构．以使得ＦＳ０设备发挥最 大的潜能。 ４．２ ＶＬＣ的研究方向及发展趋势 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、ＣＤ— ＭＡ接人技术及分组编码技术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接人方式下采用 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Ｅｔ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 维普资讯 http://www.cqvip.com 山东通信技术 ２００６年 系统中的发展方向。 参考资料： １ Ｔａｎａｋａ Ｙ，Ｋｏｍｉｎｅ Ｔ，Ｈａｒｕｙａｍａ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｄｏｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｐｌｕｒａｌ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤｓ鹪ｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ａ］． １２ｔｈＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎＰｅｒｓｏｎａｌ，Ｉｎｄｏｏｒａｎｄ Ｍｏｂｉｅｌ Ｒａｄｉｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．２００１．８１－８５． ２ Ｄｏｕｓｅｋｉ Ｔ，Ａ ｂａｔｔｅｒｙｌｅｓｓ ｏｐｔｉｃａｌ－ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｗｈｉｅｔ－ＬＥＤ ｉｌｈｍｉｎａｔｉｏｎ［Ａ】．１５ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＯｎＰｅｒｓｏｎａｌ，ＩｎｄｏｏｒａｎｄＭｏｂｉｌｅＲａｄｉｏ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．２００４．２５２９－２５３３． ３ Ｈｅａｆｌｅｙ Ｄ Ｊ Ｔ，Ｗ ｌｙ Ｄ Ｒ，Ｎｅｉｌｄ ｅｔ １ａ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｗｉｅｒｌｅｓｓ： ｔｈｅ ｓｔｏｒｙ ８０ ｆａｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８（１２）．７２－８２． ４ 邓永红，林革．光无线通信技术综述田．数字通信世界． ２００６（２）．６５－－６８． ５ 彭丽。徐庆征。杨恒．自由空间光通信的关键技术及应用 【Ｊ】．西安通信学院学报．２ｏｏ６（４）．２３—２５，４４． ６ 周洋，刘耀进．赵玉虎．ＬＥＤ可见光无线通信的现状和发 展方向叨．淮阴工学院学报．２ｏｏ６（６）．３５－３８． ７ 丁德强，柯熙政．可见光通信及其关键技术研究【Ｊ】． 半导体光电．２０ｏ６（４）．１ｌ４一ｌｌ７． ８ Ｎａｋａｍｕｒａ Ｓ．Ｐｒｅｓｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆＩｎＧａＮ ｂａｓｅｄ ｂｌｕｅ／ｇｒｅｅｎ／ｙｅｌｌｏｗ ＬＥＤｓ￣】．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，１９９７．２６－３５． ９ Ｋｏｍｉｎｅ Ｔ，Ｎａｋａｇａｗａ Ｍ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｈａｄｏｗｉｎｇ ｏｎ ｉｎｄｏｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｖｉｓｉｂｌｅ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｐｌｕｒａｌ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｓ［Ａ】．１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］．２００４．３６－４０． １０ Ｋｏｍｉｎｅ Ｔ，Ｎａｋａｇａｗａ Ｍ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ－ｌｉｇｈｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ＥＬＤ ｉｌｈｇｔ￣ 叨．ＩＥＥＥ Ｔｒｎａｓ．ｏｎ Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００４．５０（１）． １００—１０７． １１ Ｋｏｍｉｎｅ Ｔ，Ｌｅｅ Ｊ，Ｈａｒｕｙａｍａ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｄｏｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ２１ｉｈｇｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ 【Ａ］．Ａｓｉａ－Ｐａｃｉｉｆｃ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］．２００５． ２９４—２９８． １２ ＺＨＵ Ｘ．ＫＡＨＮ Ｊ Ｍ．Ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｔｍｏ－ｓｐｈｅｆｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒｎａｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２００２．５ｏ（８）．１２９３－１３００．
