0 引言

电力系统主要的常规通信手段目前仍以微波通信和光纤通信为主,而无线光通信系统作为一种新兴便捷的无线宽带接入技术,也逐渐进入到公网或专网的应用中,成为常规通信手段的很好补充^[1-3]。

无线光通信技术是直接利用光的直线传播原理,将携带有信息的激光束在大气或外太空中进行语音、数据、多媒体图像双向传送的宽带通信技术,由于其具有频带宽、速率高、架设组网灵活便捷、保密性强、抗电磁干扰等优点^[2-8],特别适合在电力应急、设备抢修、大江大海等地理条件复杂的机动应用环境下的短距离、高宽带通信,并可结合常规通信手段、专有电台以及卫星等通信手段,确保重大电力事件现场救援时各部门、公众和后方决策指挥部门相互间的通信。

在大气激光通信实际应用中,要求大气中传输的光束特性良好。激光在大气中传输时,会受到气溶胶的衰减和大气湍流效应的影响^[7-15]。本文立足于电力应急通信系统的实际需求,结合无线光通信的技术特点,开展无线光通信系统在不同大气环境下的可靠性实验研究,实验测量了不同大气环境下的衰减与误码率,可为极端电力应用环境的数据可靠传输提供灵活便捷的解决方案,保证电网设备安全稳定运行。

1 实验测量系统构成

大气无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送,无线光通信系统包括发射机、信道和接收机。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 ^[9-13]。无线光通信系统原理如图1所示。

图1 无线光通信系统原理 Fig.1 Principle of wireless optical communication system

实验中采用的是中电34所Fiberless 155型光通信机,Fiberless 155型光通信机系统原理框图如图2所示。

图2 Fiberless 155型光通信机系统原理框图 Fig.2 Block diagram of Fiberless 155 optical communication system

光通信机中主要有4个部分,包括发射模块、接收模块、APT模块以及手持终端。发射与接收模块负责实现激光的发射与接收;APT模块根据误差信号自动调整发射、接收天线方向,自行进行信号光的捕获、瞄准和跟踪,以更好地保持通信;手持终端屏幕显示本端A和远端B的实时接收光功率。在两端通信中断时,可以根据手持终端来手动调节接收天线的方位,使通信恢复,或者通过手动调节使两端接收光功率≤-30 dBm,这时再开启APT,接收天线的方位将会自动调节直至通信恢复。接收天线重新进行对准,会造成每次对准之后两接收天线的接收光斑位置产生一定的偏差。

选择合适距离作为激光通信的链路,链路两端一方为A端,另一方为B端,两端光通信机系统均如图2所示。实验光路示意如图3所示,光通信机本端A、对端B间的距离为500 m。

图3 实验光路示意 Fig.3 Schematic diagram of the experimental light path

在系统APT功能设计时,考虑到系统光电探测器饱和保护,以接收功率为检测标准,接收功率范围为-17~-15 dBm,所以光通信机A端和B端每次对准时,接收孔径处最大光功率点的位置是不同的。测量时,为确保通信机A端和B端接收到的光信号功率仅来自大气信道的损耗变化,关闭APT模块。通过手持终端的串口连接PC机,实时采集A端和B端接收到的光信号功率,数据采集速率为9 600 bit/s。

Fiberless 155型光通信机如图4所示。

图4 Fiberless 155型光通信机 Fig.4 Fiberless 155 optical communication machine

Fiberless 155型光通信机为双发单收（2个发射孔,1个接收孔）,本实验中由于只能对一路出射激光进行衰减控制,故仅用上发射孔,下发射孔不予使用,所以实际实验中为单发单收。Fiberless 155型光通信机指标见表1所列。

表1 Fiberless 155型光通信机指标 Tab.1 Parameters of Fiberless155 optical communication machine

实验中为了测量相关气象参量,使用了一些辅助设备,如可调光衰减器、光网络测试平台、风速仪、温度计、湿度计以及测距仪等。

2 激光大气信道性能实验测量

激光在大气中进行通信时,易受大气衰减和大气湍流的影响,在雨、雾等恶劣气象环境下传输时,信号会产生严重的衰减甚至会造成通信的中断。

大气衰减对通信性能的影响不仅应从理论上进行研究,实验测量研究也是必不可少的重要环节。本文工作中对一些典型的天气做了大量的室外实验。

2.1 大气信道的影响因素

大气信道衰减η_atm=-αL,光束扩展所引起的几何衰减η_G=101g(P_A/P_P),其中,α为大气信道对传输光的综合衰减系数,P_P为接收平面接收的光功率,P_A为孔径接收光功率。大气信道衰减在数值上为η_atm=P_R-P_T-η_opt,其中η_opt 为光学系统与实验室玻璃窗所造成的损耗之和,将实验中接收到的最大接收功率近似视为接收功率P_R,P_T为发射光功率。

2.2 实验测量方法

实验基本原理为激光器发出的光功率通过随机大气信道,根据接收的光功率、光通信光学系统衰减和几何衰减来计算不同天气情况下的激光大气信道衰减,分析其对通信性能的影响。

为了测量不同大气信道性能,比如雨、云、雾等情况下的大气信道性能,可在激光通信系统中加入衰减器,以方便测量不同信道下的功率衰减;加入误码仪,测量衰减对通信性能的影响。

由于实验测量中通信距离比较近,信道中的各种因素对通信性能的影响比较小,实际中的通信距离较长,为了比较合理地分析出大气因素对信道的影响,实验过程中采用衰减器对光通信机A端（发射端）的输出光功率进行衰减,用来等效长距离通信。光通信机B端（接收端）的用户输入和用户输出用光纤跳线连接,使光通信机A端和光通信机B端在通信链路上形成一个闭合回路。

除了由测量气象参数的仪器获得相关数据之外,也从专业气象网站查询和记录每日实时天气状况（24 h制）,如风速、风向、湿度和可见度等。

3 实验测量结果

3.1 信道固定损耗测量

对信道中产生衰减的一些固有因素（如光学天线损耗等）进行测量。使用美国光波公司OWL Zoom2 VFL光功率计对Fiberless 155型光通信机的SFP光模块的出射光功率进行测量,测得出射功率为6 dBm。Fiberless155型光通信机的发射光学天线损耗以及接收光学天线损耗,采用的是中电集团34所提供的数据,两端损耗均为-1 dB（不包括光纤耦合损耗）。

选取A端光通信机测试数据进行分析计算,经测量光通信机接收孔径处的接收光功率,计算可得接收光斑功率与整个光斑功率的几何损耗101g(P_A/P_P)。几何衰减为6.2 dB,在大气激光通信机里,几何衰减为10.2 dB,固定损耗为-21 dB,插入损耗以及耦合损耗为10lg(P_A/P_S)。其中P_S为手持终端显示的接收光功率。功率损耗见表2所列。

表2 功率损耗 Tab.2P ower loss

3.2 不同大气条件下信道性能测量

由于不同的气象条件会对信道的性能产生影响,为了能较全面地对信道性能进行分析,对各种不同天气情况下信道的衰减进行测试。以下分析是从大量实验测量结果中选取几种典型天气条件下测得的数据进行的,研究不同天气对大气信道带来的影响。其中关于气象的参数使用ProvaAVM-03数字式风速仪每隔15 min对温度和风速进行人工测量。

3.2.1 晴天信道测量

在A端SFP激光器输出跳线与上发射镜筒前尾纤之间加可调光衰减器,13:00—17:00加衰减-16 dB,17:00—18:00加衰减-12 dB,18:00—19:00加衰减
-11 dB,19:00—21:00加衰减-9 dB,21:00—23:00加衰减-14 dB。对测量数据进行分析时,对所加的衰减已经做了相应的补偿。

实验当天气象信息为：平均气温24 ℃,平均风速1.5 m/s,西南风向,平均气压960.3 Pa,能见度20 km。

结合表2所给参数,根据η_atm=P_R-P_T-η_opt-β计算可得晴天条件下的大气信道衰减,两端均未加衰减时β=0,当A端加衰减x时β=x。晴天条件下大气信道衰减随时间变化曲线如图5所示,以A端的损耗为主,经计算晴天时的大气衰减系数α=1.4 dB/km。

图5 晴天条件下大气信道衰减随时间变化曲线 Fig.5 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in sunny day

在传输距离为500 m的情况下,实际测得晴天天气的能见度为20 km。晴天误码率随时间变化曲线如图6所示。

图6 晴天误码率随时间变化曲线 Fig.6 Curve of bit error rate in sunny day

由于温度和风速的变化程度会对大气湍流产生一定程度的影响,大气湍流的存在会对激光在大气中的传播产生一定影响,因此会对系统的通信性能产生影响。本实验通过分析系统误码率与温度、风速的关系,来研究大气湍流对通信性能的影响。由图6可以看出,误码率受温度、风速的影响,从16:00开始随着风速和温度的变化,大气湍流剧烈,误码率明显上升,系统的通信性能降低。

3.2.2 阴天信道测量

实验当天气象信息为：平均气温10 ℃,平均风速0.4 m/s,东北风向,平均气压966.6 Pa,能见度7 km。

在A端SFP激光器输出跳线与上发射镜筒前尾纤之间加可调光衰减器,从0:00开始在光通信机
A端的出射光功率加-13.5 dB的衰减,每隔1 h调节一次衰减器,每次递增-0.5 dB。分析方法与晴天的信道分析方法相同。

阴天条件下大气信道衰减随时间变化曲线如图7所示。

图7 阴天条件下大气信道衰减随时间变化曲线 Fig.7 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in cloudy day

在传输距离为500 m的情况下,实际测得阴天天气的能见度为18 km,计算得到α=2.06 dB/km。阴天误码率随时间变化曲线如图8所示。

图8 阴天误码率随时间变化曲线 Fig.8 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in cloudy day

由图8可知,在3:30左右,误码率上升是因为信号丢失,其他时刻阴天时背景光的干扰较小,与晴天相比对光通信机A端接收光功率起伏影响不大,误码率保持平稳,阴天气象条件下信道特性对误码率的影响不大,通信性能较好。

3.2.3 小雨信道测量

实验当天气象信息为：平均气温10 ℃,平均风速0.4 m/s,东风风向,平均气压966.6 Pa,能见度1 km。

在A端SFP激光器输出跳线与上发射镜筒前尾纤之间加可调光衰减器,从1:00开始在光通信机A端的出射光功率加-14 dB的衰减,每隔1 h调节一次衰减器,每次减-0.5 dB。

雨天条件下大气信道衰减随时间变化曲线如图9所示。

图9 雨天条件下大气信道衰减随时间变化曲线 Fig.9 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in rainy day

由图9可知,4:30有降雨时衰减增大,就会出现图中向下的尖峰。

图10 雨天误码率随时间变化曲线 Fig.10 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in rainy day

雨天误码率随时间变化曲线如图10所示。图10中出现断点的地方是误码率为零的时间段。当空气中的水滴半径大到一定数值时,它以一定的速率降向地面成为雨。雨不仅降低了地面温度,消减了温度差异,同时雨滴还减少了空气中的不均匀成分,所以雨滴对光信号的散射衰减总体而言并不是很大。因此在小雨天气情况下,信道衰减较稳定,对误码率影响小。

3.2.4 雾天信道测量

实验当天气象信息为：平均气温14 ℃,平均风速0.8 m/s,南风风向,平均气压966.6 Pa,能见度3 km。

在A端SFP激光器输出跳线与上发射镜筒前尾纤之间加可调光衰减器,衰减值为-14 dB。

当大气中的水蒸气含量达到或者超过大气中水蒸气含量的饱和量时,水汽就会在气溶胶颗粒上凝聚成水滴,凝聚的水滴漂浮在近地面的空气中,使能见度减小。

雾天条件下大气信道衰减随时间变化曲线如图11所示。

图11 雾天条件下大气信道衰减随时间变化曲线 Fig.11 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in foggy day

图12 雾天误码率随时间变化曲线 Fig.12 Curve of atmospheric channel attenuation versus time in foggy day

雾天误码率随时间变化曲线如图12所示。以A端的损耗为主,根据实验天气的记录可知,在上午9:00时,由于太阳升起,环境温度升高,因其对大气中水汽的蒸腾作用,大气信道的不稳定性加剧,严重影响通信性能,误码率突然增加。

4 结语

针对无线光通信的特点及电力应急通信的应用需求,本文详细介绍了无线光通信大气信道性能实验测量研究。对阴天、晴天、雨天、雾天的无线光通信的信道衰减及误码率的测量结果进行了分析,通过测量结果的对比分析,可以直观地比较激光通过不同大气信道（云、雨、雾等）的衰减特性,以及不同衰减程度对通信性能的影响。本文的实验测量结果可为激光大气信道性能的研究提供很好的手段,对光通信应用于电力应急通信具有很好的参考价值。

(编辑:邹海彬)

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