1 km 2.5 Gbit/s双向激光网桥视频通信

张羽桐，赵江南，艾 勇，梁赫西，胡仁杰

(1． 武汉大学 激光通信实验室, 武汉 430072； 2.武汉六博光电技术有限责任公司，武汉 430000)

0 引 言

随着无线光通信技术的发展和普及，在城市的很多角落都可以随时连接行动热点(Wireless Fidelity，Wi-Fi)亦或是移动流量进行上网通信。但是由于成本和人口密度的原因，针对一些光纤和无线网无法达到的地带，通信和上网就成了一个难题，比如：在偏远地区或沙漠中有一个研究所，需要与外界进行信息的互换，那么激光网桥就成为了一个很好的选择。

激光网桥作为连接网络的“桥梁”，可进行广域网(Wide Area Network，WAN)的延长以及局域网(Local Area Network，LAN)的互联，具有成本低、连接快捷、网络安全性高和高效快速的特点，因而十分具有前景。激光网桥有多种连接模式：点对点、点对多和多对点等[1-2]。本文采用点对点的工作方式，在连接好相应的硬件电路后，进行激光点对点发射接收调试，调试使得两端接收的光功率符合要求之后，参与实验的两端人员用手机连上相应的LAN，采用实验室开发的手机软件进行视频语音通信。

国外的自由空间光通信 (Free Space Optical Communications,FSO)领域已经进行了长达十几年的研究，所以已经有相应的产品被应用于某些方面。比如美国研究的激光通信系统，采用二进制启闭键控(On-Off Keying，OOK)的调制方式可以130 Mbit/s的速率传输800 nm波段的光波；佳能公司生产的产品Canobeam DT-50的传输速率可到622 Mbit/s，可连接一些不同的网络接口[1]等。

目前我国的FSO领域仍处在研究阶段，还无法做到大规模普及以及量化生产，相关的FSO产品不多，只有部分研究所和少数企业生产的产品比较成熟。但随着FSO技术的发展和半导体工艺的进步，基于激光网桥的FSO技术充满了前景，它在解决目前频带拥挤资源较少这个问题方面有很好的优势，而且FSO的速率更快、延迟更小、容量更高且安全性也是十分显著的[3-4]。因此，激光网桥的研究和发展对特殊地带的网络延伸和信息传输有着重要的意义。

1 FSO传输原理

1.1 FSO传输模型

FSO的传输主要由发射和接收这两个部分组成,如图1所示。发射模型由4个部分构成，分别为电/光转换后的光信号，经过相应的调制方式(如OOK)，再对光信号进行放大以提高发射功率，最后通过光学发射天线发射到大气中。接收模型主要是接收天线接收到光信号，然后通过光滤波器进行滤波滤除背景光和杂光，再通过相应的光/电转换模块，如雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD),进行光/电转换，后续有电滤波器和判决电路等。

图1 FSO发射和接收模型

1.2 FSO系统链路模型

整体链路构成为激光器出射的激光需经过光学整形和聚焦扩束后出瞳，再进入大气中，经过长距离的大气衰减损耗后，到达APD附近的光功率很弱，需要使用光学透镜聚焦到其感光单元上。

对于FSO链路，设APD接收的光功率为PR，激光器输出的光功率为PS，发射的光学系统透过率为T，FSO的几何损耗为LS，激光的大气衰减损耗为Lα，整体光链路传输方程为

光学系统透过率T的来源为光学组镜的透过率以及光学整形和部分的系统遮拦，一般取值为0.5。本次实验由于采用两路发射(将激光分束)，通过功率计测得的分束前激光功率为200.52 mW,分束后经过组镜和整形的双路输出分别为49.60和49.26 mW，其整体透过率接近50%。

FSO的几何损耗主要来源于发射和接收口径以及发射接收端之间的距离，几何损耗模型如图2所示。图中，S和R分别为发射和接收镜头；D1和D2分别为发射和接收口径；θ为激光的光束发散角；Z为发射端和接收端之间的距离，因此理论上几何损耗的表达式为

图2 几何损耗模型

激光在大气中的衰减损耗Lα=e-αz，衰减系数α与大气能见度V和通信波长λ有关，激光在大气中的衰减系数为

式中，b为修正因子，也与能见度V有关，在一般天气的平均能见度(10 km左右时)下取值为b=1.3。

2 激光网桥原理

无线网桥是通过大气作为媒介，网桥将一端信号转换成相应的电磁波进行传输。双向网桥的两端都具有信号的发射和接收功能，图3所示为无线网桥示意图。激光网桥则是通过光/电转换、激光收发的方式，在两个LAN之间构建起一个无线的“桥梁”，相当于有线光纤到户的无线延伸。网桥搭建起来后，对路由器和子网等的管理更加方便，它把小的分离的LAN连接成了大的整体的LAN。比如甲可以在LAN A内进行信息交换，乙可以在LAN B内进行信息交换，一旦构建网桥连接LAN A和B，那么甲和乙就可以通过网桥进行信息交换[5-8]。

图3 无线网桥

2.1 系统硬件模型

本次实验是在两个相距1 km的大楼之间进行测试，采用光通信机为基础进行测试，其一端的硬件组成为终端设备(比如：手机)、路由器、服务器(只在一端需要服务器，图4中红线连接)、光通信机和发射/接收镜头，其整体构架如图4所示。

图4 硬件系统组成

服务器中主要为可以安装在手机内的实验室自制通信软件：LaserCall(一款自制手机应用软件)服务， LaserCall的主要功能同许多聊天软件类似，可以用来发送文字图片信息以及实时语音视频通话。但是通过服务器和激光网桥系统，这款软件可以在不连接外网的情况下，在两个不同的LAN内部进行通信[9]，即通过LaserCall可以在Wi-Fi路由器不接WAN的情况下进行双方通信，这对野外亦或是复杂地带的通信提供了很好的选择。

2.2 光通信机——大面积的APD

空间光通信机是硬件系统的核心部件，也是激光网桥的基础部分，服务器主要为软件服务。空间光通信机的基本组成有4个部分：光学天线、光/电和电/光转换模块、光放大模块以及电源模块。最重要的就是光/电转换模块。FSO由于存在前文提到的几何损耗，即发射与接收口径的损耗，在完成音频或者是视频传输时，需要较高的光功率接收以及较低的误码率(Bit Error Ratio，BER)，很多实验和文章都采用小尺寸的APD，这存在很大的对准难度，也对激光发散角有着很高的要求。

因此针对这一问题，本文采用了基于大面积APD的激光网桥通信。相较其他的光电探测设备，大面积APD具有更好的灵敏度以及更大的视场角，配合光学透镜一起使用，更加有助于双向FSO对准。

由于需要传输音频视频，对BER的要求会比较高，从而需要更高的光功率进入APD。图5所示为高斯光斑，接收端的光斑为外圆，里面的小圆为APD。设发射的激光没有径向偏角，且最后会符合高斯光束的强度分布[5]，APD符合视频传输条件的感光半径为R，经过光学组镜的视场放大了a倍，则图中的APD(小圆)半径为aR，当两圆圆心距离为r时，APD内光强恰好满足功率要求，则APD内的光强I为

图5 高斯光斑

式中：E0为最大幅值；ω0为腰斑尺寸；ω(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径；z为离发射原点的距离。积分范围为x2+(y-r)2=(aR)2。

由于刚好满足视频通信的光强是一定的，所以采用大尺寸的APD在双向对准的时候有较大的对准活动范围，并且对于激光发射的发散角θ，亦可以适当调大，以方便对准。因此采用大面积的APD在FSO接收方面有助于提高光接收的灵敏度，获得更高的光功率；对于激光发散角可以适当灵活处理，比如略微增大发散角，这使得双向对准的难度大大降低。

本文采用的是200 μm光敏面积的APD，如图6所示。

图6 铟镓砷APD (波长800～1 700 nm)

3 实验及结果

本实验采用1 550 nm的红外光，可以匹配很多种掺铒光纤放大器，且此波段的光在大气中的衰减小。激光发射端的初始光功率为23.15 dBm，经过组镜等入射大气的双路激光分别为17.01和17.10 dBm，光束发散角经过测量得到为2 mrad，发射和接收口径分别为5和100 mm，通信距离为1 km，当天的大气能见度为6 km。

根据式(2)和(3)，得到几何损耗为-26 dBm，其衰减系数α=0.170。

3.1 功率和BER测试

使用光模块连接误码仪发送通信速率为2.5 Gbit/s的1 550 nm激光，在相隔1 km的另一端，首先使用红外捕获，获得光斑大致位置，再使用大面积APD进行接收。通过改变大面积APD和光斑的相对位置对接收光功率进行衰减(也可使用衰减片)得到如图7所示的光功率-BER曲线。

图7 光功率-BER曲线

当接收光功率<-32 dBm时，BER>10-5，此时BER过高，无法完成通信;当接收光功率>-30 dBm时，此时的BER约为10-6，对于光传输设备，此时能基本完成通信;当连接摄像头和显示器时，发现此时的接收信号不稳定，图像传输时有时无;当BER=10-9时，这个大小的BER是视频音频传输的经验标准，在BER<10-9时，经测试发现视频信号可稳定传输，且短时间内不会产生误码。将接收光功率的值调节到约-20 dBm，此时BER远小于10-9，且信号稳定、视频音频图像清晰。

图8所示为光功率为27 dBm左右时的眼图。测试发现，在27 dBm左右传输2.5 Gbit/s的数据信号时，眼图清晰，且在一段时间内无均衡的情况下没有误码，此时的链路符合1 km双向2.5 Gbit/s的视频通信要求，可以连接两侧的LAN进行WAN的传输。

图8 光功率为27 dBm左右时的眼图

对于不同距离的双向网桥通信测试，实验根据链路计算的几何损耗，设置相应的衰减，得到的测试结果大致也符合光功率-BER曲线。

此时使用Lasecall软件时双方的视频通信如图9所示。

图9 LaserCall双向视频通信

3.2 大气湍流的影响

实验采用了一套激光设备记录大气湍流对激光的影响，在一端发射1 550 nm激光，并搜集角反射器反射回来的激光，选取记录其中一段时间的相应电压值，绘制出了如图10所示的大气湍流影响下的光电压接收图。

图10 大气湍流影响下的光电压接收

图中，电压值的波动说明大气湍流对于接收的激光束功率造成了一定的起伏，换算过来也有几dBm的波动，如果采集数据充足的话，对于采集的功率进行统计按照功率大小画图，最后能得到类似高斯分布的功率图。实验采集了下午3个小时的接收数据，选取了其中连续的一小时数据，分段绘制概率如图11所示，其光强的概率分布类似高斯分布。

图11 大气湍流下接收光强的概率分布

4 结束语

本次实验以激光网桥连接LAN的方式，使用LaserCall进行双端1 km 2.5 Gbit/s的视频语音通信，实验结果达到了预期。实验核心为激光网桥的搭建连接，也就是两端对于激光的接收和发送。针对调试两端镜头的相对位置对准的问题，采用大面积的APD获得了更高的光功率，提高了对准效率。

针对不同接收光功率的BER，对于1 km 2.5 Gbit/s的信号传输，在光功率为27 dBm左右时，可以稳定无误码传输，测试了大气湍流对于光功率的影响，即光束在传输后会逐渐靠近类高斯光束。

虽然实验基本符合预期要求，但还是存在一些可以改进的问题。比如：如何自动实现点对点的激光捕获，以及在实际的通话中，服务器是否可以容纳很多用户同时通信，提高激光的接收和发射效率等等，这些问题需要深入地研究和改进。相信随着光电技术的发展，激光网桥的技术会得到长足的进步，并且会在通信领域起到重要的作用。