大氣信道對無線光通信系統性能影響實驗研究

2018-03-28 21:36:53 《電力信息與通信技術》微信公眾號　點擊量：評論 (0)

建立可快速響應的電力應急機動通信系統可以有效應對洪水、臺風等各種自然災害和突發事件,是妥善處理電網大面積停電事件應急預案的重要措施。無線光通信具有頻帶寬、速率高、架設靈活快捷、通信通道透明、經濟效益高等特點,具有良好的推廣前景。文章基于激光大氣傳輸信道,結合無

0 引言

電力系統主要的常規通信手段目前仍以微波通信和光纖通信為主,而無線光通信系統作為一種新興便捷的無線寬帶接入技術,也逐漸進入到公網或專網的應用中,成為常規通信手段的很好補充^[1-3]。

無線光通信技術是直接利用光的直線傳播原理,將攜帶有信息的激光束在大氣或外太空中進行語音、數據、多媒體圖像雙向傳送的寬帶通信技術,由于其具有頻帶寬、速率高、架設組網靈活便捷、保密性強、抗電磁干擾等優點^[2-8],特別適合在電力應急、設備搶修、大江大海等地理條件復雜的機動應用環境下的短距離、高寬帶通信,并可結合常規通信手段、專有電臺以及衛星等通信手段,確保重大電力事件現場救援時各部門、公眾和后方決策指揮部門相互間的通信。

在大氣激光通信實際應用中,要求大氣中傳輸的光束特性良好。激光在大氣中傳輸時,會受到氣溶膠的衰減和大氣湍流效應的影響^[7-15]。本文立足于電力應急通信系統的實際需求,結合無線光通信的技術特點,開展無線光通信系統在不同大氣環境下的可靠性實驗研究,實驗測量了不同大氣環境下的衰減與誤碼率,可為極端電力應用環境的數據可靠傳輸提供靈活便捷的解決方案,保證電網設備安全穩定運行。

1 實驗測量系統構成

大氣無線光通信系統是以大氣作為傳輸媒質來進行光信號的傳送,無線光通信系統包括發射機、信道和接收機。在點對點傳輸的情況下,每一端都設有光發射機和光接收機,可以實現全雙工的通信^[9-13]。無線光通信系統原理如圖1所示。

圖1 無線光通信系統原理Fig.1 Principle of wireless optical communication system

實驗中采用的是中電34所Fiberless 155型光通信機,Fiberless 155型光通信機系統原理框圖如圖2所示。

圖2 Fiberless 155型光通信機系統原理框圖Fig.2 Block diagram of Fiberless 155 optical communication system

光通信機中主要有4個部分,包括發射模塊、接收模塊、APT模塊以及手持終端。發射與接收模塊負責實現激光的發射與接收;APT模塊根據誤差信號自動調整發射、接收天線方向,自行進行信號光的捕獲、瞄準和跟蹤,以更好地保持通信;手持終端屏幕顯示本端A和遠端B的實時接收光功率。在兩端通信中斷時,可以根據手持終端來手動調節接收天線的方位,使通信恢復,或者通過手動調節使兩端接收光功率≤-30 dBm,這時再開啟APT,接收天線的方位將會自動調節直至通信恢復。接收天線重新進行對準,會造成每次對準之后兩接收天線的接收光斑位置產生一定的偏差。

選擇合適距離作為激光通信的鏈路,鏈路兩端一方為A端,另一方為B端,兩端光通信機系統均如圖2所示。實驗光路示意如圖3所示,光通信機本端A、對端B間的距離為500 m。

圖3 實驗光路示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental light path

在系統APT功能設計時,考慮到系統光電探測器飽和保護,以接收功率為檢測標準,接收功率范圍為-17~-15 dBm,所以光通信機A端和B端每次對準時,接收孔徑處最大光功率點的位置是不同的。測量時,為確保通信機A端和B端接收到的光信號功率僅來自大氣信道的損耗變化,關閉APT模塊。通過手持終端的串口連接PC機,實時采集A端和B端接收到的光信號功率,數據采集速率為9 600 bit/s。

Fiberless 155型光通信機如圖4所示。

圖4 Fiberless 155型光通信機Fig.4 Fiberless 155 optical communication machine

Fiberless 155型光通信機為雙發單收（2個發射孔,1個接收孔）,本實驗中由于只能對一路出射激光進行衰減控制,故僅用上發射孔,下發射孔不予使用,所以實際實驗中為單發單收。Fiberless 155型光通信機指標見表1所列。

表1 Fiberless 155型光通信機指標Tab.1 Parameters of Fiberless155 optical communication machine

實驗中為了測量相關氣象參量,使用了一些輔助設備,如可調光衰減器、光網絡測試平臺、風速儀、溫度計、濕度計以及測距儀等。

2 激光大氣信道性能實驗測量

激光在大氣中進行通信時,易受大氣衰減和大氣湍流的影響,在雨、霧等惡劣氣象環境下傳輸時,信號會產生嚴重的衰減甚至會造成通信的中斷。

大氣衰減對通信性能的影響不僅應從理論上進行研究,實驗測量研究也是必不可少的重要環節。本文工作中對一些典型的天氣做了大量的室外實驗。

2.1 大氣信道的影響因素

大氣信道衰減η_atm=-αL,光束擴展所引起的幾何衰減η_G=101g(P_A/P_P),其中,α為大氣信道對傳輸光的綜合衰減系數,P_P為接收平面接收的光功率,P_A為孔徑接收光功率。大氣信道衰減在數值上為η_atm=P_R-P_T-η_opt,其中η_opt 為光學系統與實驗室玻璃窗所造成的損耗之和,將實驗中接收到的最大接收功率近似視為接收功率P_R,P_T為發射光功率。

2.2 實驗測量方法

實驗基本原理為激光器發出的光功率通過隨機大氣信道,根據接收的光功率、光通信光學系統衰減和幾何衰減來計算不同天氣情況下的激光大氣信道衰減,分析其對通信性能的影響。

為了測量不同大氣信道性能,比如雨、云、霧等情況下的大氣信道性能,可在激光通信系統中加入衰減器,以方便測量不同信道下的功率衰減;加入誤碼儀,測量衰減對通信性能的影響。

由于實驗測量中通信距離比較近,信道中的各種因素對通信性能的影響比較小,實際中的通信距離較長,為了比較合理地分析出大氣因素對信道的影響,實驗過程中采用衰減器對光通信機A端（發射端）的輸出光功率進行衰減,用來等效長距離通信。光通信機B端（接收端）的用戶輸入和用戶輸出用光纖跳線連接,使光通信機A端和光通信機B端在通信鏈路上形成一個閉合回路。

除了由測量氣象參數的儀器獲得相關數據之外,也從專業氣象網站查詢和記錄每日實時天氣狀況（24 h制）,如風速、風向、濕度和可見度等。

3 實驗測量結果

3.1 信道固定損耗測量

對信道中產生衰減的一些固有因素（如光學天線損耗等）進行測量。使用美國光波公司OWL Zoom2 VFL光功率計對Fiberless 155型光通信機的SFP光模塊的出射光功率進行測量,測得出射功率為6 dBm。Fiberless155型光通信機的發射光學天線損耗以及接收光學天線損耗,采用的是中電集團34所提供的數據,兩端損耗均為-1 dB（不包括光纖耦合損耗）。

選取A端光通信機測試數據進行分析計算,經測量光通信機接收孔徑處的接收光功率,計算可得接收光斑功率與整個光斑功率的幾何損耗101g(P_A/P_P)。幾何衰減為6.2 dB,在大氣激光通信機里,幾何衰減為10.2 dB,固定損耗為-21 dB,插入損耗以及耦合損耗為10lg(P_A/P_S)。其中P_S為手持終端顯示的接收光功率。功率損耗見表2所列。

表2 功率損耗Tab.2P ower loss

3.2 不同大氣條件下信道性能測量

由于不同的氣象條件會對信道的性能產生影響,為了能較全面地對信道性能進行分析,對各種不同天氣情況下信道的衰減進行測試。以下分析是從大量實驗測量結果中選取幾種典型天氣條件下測得的數據進行的,研究不同天氣對大氣信道帶來的影響。其中關于氣象的參數使用ProvaAVM-03數字式風速儀每隔15 min對溫度和風速進行人工測量。

3.2.1 晴天信道測量

在A端SFP激光器輸出跳線與上發射鏡筒前尾纖之間加可調光衰減器,13:00—17:00加衰減-16 dB,17:00—18:00加衰減-12 dB,18:00—19:00加衰減
-11 dB,19:00—21:00加衰減-9 dB,21:00—23:00加衰減-14 dB。對測量數據進行分析時,對所加的衰減已經做了相應的補償。

實驗當天氣象信息為：平均氣溫24 ℃,平均風速1.5 m/s,西南風向,平均氣壓960.3 Pa,能見度20 km。

結合表2所給參數,根據η_atm=P_R-P_T-η_opt-β計算可得晴天條件下的大氣信道衰減,兩端均未加衰減時β=0,當A端加衰減x時β=x。晴天條件下大氣信道衰減隨時間變化曲線如圖5所示,以A端的損耗為主,經計算晴天時的大氣衰減系數α=1.4 dB/km。

圖5 晴天條件下大氣信道衰減隨時間變化曲線Fig.5 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in sunny day

在傳輸距離為500 m的情況下,實際測得晴天天氣的能見度為20 km。晴天誤碼率隨時間變化曲線如圖6所示。

圖6 晴天誤碼率隨時間變化曲線Fig.6 Curve of bit error rate in sunny day

由于溫度和風速的變化程度會對大氣湍流產生一定程度的影響,大氣湍流的存在會對激光在大氣中的傳播產生一定影響,因此會對系統的通信性能產生影響。本實驗通過分析系統誤碼率與溫度、風速的關系,來研究大氣湍流對通信性能的影響。由圖6可以看出,誤碼率受溫度、風速的影響,從16:00開始隨著風速和溫度的變化,大氣湍流劇烈,誤碼率明顯上升,系統的通信性能降低。