0 引言

電力系統(tǒng)主要的常規(guī)通信手段目前仍以微波通信和光纖通信為主,而無(wú)線光通信系統(tǒng)作為一種新興便捷的無(wú)線寬帶接入技術(shù),也逐漸進(jìn)入到公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)的應(yīng)用中,成為常規(guī)通信手段的很好補(bǔ)充^[1-3]。

無(wú)線光通信技術(shù)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(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、多媒體圖像雙向傳送的寬帶通信技術(shù),由于其具有頻帶寬、速率高、架設(shè)組網(wǎng)靈活便捷、保密性強(qiáng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)^[2-8],特別適合在電力應(yīng)急、設(shè)備搶修、大江大海等地理?xiàng)l件復(fù)雜的機(jī)動(dòng)應(yīng)用環(huán)境下的短距離、高寬帶通信,并可結(jié)合常規(guī)通信手段、專有電臺(tái)以及衛(wèi)星等通信手段,確保重大電力事件現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)各部門(mén)、公眾和后方?jīng)Q策指揮部門(mén)相互間的通信。

在大氣激光通信實(shí)際應(yīng)用中,要求大氣中傳輸?shù)墓馐匦粤己?。激光在大氣中傳輸時(shí),會(huì)受到氣溶膠的衰減和大氣湍流效應(yīng)的影響^[7-15]。本文立足于電力應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)際需求,結(jié)合無(wú)線光通信的技術(shù)特點(diǎn),開(kāi)展無(wú)線光通信系統(tǒng)在不同大氣環(huán)境下的可靠性實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同大氣環(huán)境下的衰減與誤碼率,可為極端電力應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)可靠傳輸提供靈活便捷的解決方案,保證電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

 1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

大氣無(wú)線光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的傳送,無(wú)線光通信系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下,每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī),可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信 ^[9-13]。無(wú)線光通信系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 無(wú)線光通信系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of wireless optical communication system

實(shí)驗(yàn)中采用的是中電34所Fiberless 155型光通信機(jī),Fiberless 155型光通信機(jī)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 Fiberless 155型光通信機(jī)系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of Fiberless 155 optical communication system

光通信機(jī)中主要有4個(gè)部分,包括發(fā)射模塊、接收模塊、APT模塊以及手持終端。發(fā)射與接收模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)激光的發(fā)射與接收;APT模塊根據(jù)誤差信號(hào)自動(dòng)調(diào)整發(fā)射、接收天線方向,自行進(jìn)行信號(hào)光的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤,以更好地保持通信;手持終端屏幕顯示本端A和遠(yuǎn)端B的實(shí)時(shí)接收光功率。在兩端通信中斷時(shí),可以根據(jù)手持終端來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)接收天線的方位,使通信恢復(fù),或者通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)使兩端接收光功率≤-30 dBm,這時(shí)再開(kāi)啟APT,接收天線的方位將會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)直至通信恢復(fù)。接收天線重新進(jìn)行對(duì)準(zhǔn),會(huì)造成每次對(duì)準(zhǔn)之后兩接收天線的接收光斑位置產(chǎn)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(jī)系統(tǒng)均如圖2所示。實(shí)驗(yàn)光路示意如圖3所示,光通信機(jī)本端A、對(duì)端B間的距離為500 m。

圖3 實(shí)驗(yàn)光路示意Fig.3 Schematic diagram of the experimental light path

在系統(tǒng)APT功能設(shè)計(jì)時(shí),考慮到系統(tǒng)光電探測(cè)器飽和保護(hù),以接收功率為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),接收功率范圍為-17~-15 dBm,所以光通信機(jī)A端和B端每次對(duì)準(zhǔn)時(shí),接收孔徑處最大光功率點(diǎn)的位置是不同的。測(cè)量時(shí),為確保通信機(jī)A端和B端接收到的光信號(hào)功率僅來(lái)自大氣信道的損耗變化,關(guān)閉APT模塊。通過(guò)手持終端的串口連接PC機(jī),實(shí)時(shí)采集A端和B端接收到的光信號(hào)功率,數(shù)據(jù)采集速率為9 600 bit/s。

Fiberless 155型光通信機(jī)如圖4所示。

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

Fiberless 155型光通信機(jī)為雙發(fā)單收（2個(gè)發(fā)射孔,1個(gè)接收孔）,本實(shí)驗(yàn)中由于只能對(duì)一路出射激光進(jìn)行衰減控制,故僅用上發(fā)射孔,下發(fā)射孔不予使用,所以實(shí)際實(shí)驗(yàn)中為單發(fā)單收。Fiberless 155型光通信機(jī)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 Fiberless 155型光通信機(jī)指標(biāo)Tab.1 Parameters of Fiberless155 optical communication machine

實(shí)驗(yàn)中為了測(cè)量相關(guān)氣象參量,使用了一些輔助設(shè)備,如可調(diào)光衰減器、光網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)、風(fēng)速儀、溫度計(jì)、濕度計(jì)以及測(cè)距儀等。

 2 激光大氣信道性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量

激光在大氣中進(jìn)行通信時(shí),易受大氣衰減和大氣湍流的影響,在雨、霧等惡劣氣象環(huán)境下傳輸時(shí),信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減甚至?xí)斐赏ㄐ诺闹袛唷?/span>

大氣衰減對(duì)通信性能的影響不僅應(yīng)從理論上進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究也是必不可少的重要環(huán)節(jié)。本文工作中對(duì)一些典型的天氣做了大量的室外實(shí)驗(yàn)。

2.1 大氣信道的影響因素

大氣信道衰減η_atm=-αL,光束擴(kuò)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(duì)傳輸光的綜合衰減系數(shù),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(shù)值上為η_atm=P_R-P_T-η_opt,其中η_opt 為光學(xué)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)室玻璃窗所造成的損耗之和,將實(shí)驗(yàn)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(fā)射光功率。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)基本原理為激光器發(fā)出的光功率通過(guò)隨機(jī)大氣信道,根據(jù)接收的光功率、光通信光學(xué)系統(tǒng)衰減和幾何衰減來(lái)計(jì)算不同天氣情況下的激光大氣信道衰減,分析其對(duì)通信性能的影響。

為了測(cè)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(tǒng)中加入衰減器,以方便測(cè)量不同信道下的功率衰減;加入誤碼儀,測(cè)量衰減對(duì)通信性能的影響。

由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量中通信距離比較近,信道中的各種因素對(duì)通信性能的影響比較小,實(shí)際中的通信距離較長(zhǎng),為了比較合理地分析出大氣因素對(duì)信道的影響,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用衰減器對(duì)光通信機(jī)A端（發(fā)射端）的輸出光功率進(jìn)行衰減,用來(lái)等效長(zhǎng)距離通信。光通信機(jī)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(jī)A端和光通信機(jī)B端在通信鏈路上形成一個(gè)閉合回路。

除了由測(cè)量氣象參數(shù)的儀器獲得相關(guān)數(shù)據(jù)之外,也從專業(yè)氣象網(wǎng)站查詢和記錄每日實(shí)時(shí)天氣狀況（24 h制）,如風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和可見(jiàn)度等。

 3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3.1 信道固定損耗測(cè)量

對(duì)信道中產(chǎn)生衰減的一些固有因素（如光學(xué)天線損耗等）進(jìn)行測(cè)量。使用美國(guó)光波公司OWL Zoom2 VFL光功率計(jì)對(duì)Fiberless 155型光通信機(jī)的SFP光模塊的出射光功率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得出射功率為6 dBm。Fiberless155型光通信機(jī)的發(fā)射光學(xué)天線損耗以及接收光學(xué)天線損耗,采用的是中電集團(tuán)34所提供的數(shù)據(jù),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(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,經(jīng)測(cè)量光通信機(jī)接收孔徑處的接收光功率,計(jì)算可得接收光斑功率與整個(gè)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(jī)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(jiàn)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(cè)量

由于不同的氣象條件會(huì)對(duì)信道的性能產(chǎn)生影響,為了能較全面地對(duì)信道性能進(jìn)行分析,對(duì)各種不同天氣情況下信道的衰減進(jìn)行測(cè)試。以下分析是從大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中選取幾種典型天氣條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行的,研究不同天氣對(duì)大氣信道帶來(lái)的影響。其中關(guān)于氣象的參數(shù)使用ProvaAVM-03數(shù)字式風(fēng)速儀每隔15 min對(duì)溫度和風(fēng)速進(jìn)行人工測(cè)量。

3.2.1 晴天信道測(cè)量

在A端SFP激光器輸出跳線與上發(fā)射鏡筒前尾纖之間加可調(diào)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),對(duì)所加的衰減已經(jīng)做了相應(yīng)的補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天氣象信息為：平均氣溫24 ℃,平均風(fēng)速1.5 m/s,西南風(fēng)向,平均氣壓960.3 Pa,能見(jiàn)度20 km。

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

圖5 晴天條件下大氣信道衰減隨時(shí)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(shí)際測(cè)得晴天天氣的能見(jiàn)度為20 km。晴天誤碼率隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

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

由于溫度和風(fēng)速的變化程度會(huì)對(duì)大氣湍流產(chǎn)生一定程度的影響,大氣湍流的存在會(huì)對(duì)激光在大氣中的傳播產(chǎn)生一定影響,因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)的通信性能產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析系統(tǒng)誤碼率與溫度、風(fēng)速的關(guān)系,來(lái)研究大氣湍流對(duì)通信性能的影響。由圖6可以看出,誤碼率受溫度、風(fēng)速的影響,從16:00開(kāi)始隨著風(fēng)速和溫度的變化,大氣湍流劇烈,誤碼率明顯上升,系統(tǒng)的通信性能降低。

3.2.2 陰天信道測(cè)量

實(shí)驗(yàn)當(dāng)天氣象信息為：平均氣溫10 ℃,平均風(fēng)速0.4 m/s,東北風(fēng)向,平均氣壓966.6 Pa,能見(jiàn)度7 km。

在A端SFP激光器輸出跳線與上發(fā)射鏡筒前尾纖之間加可調(diào)光衰減器,從0:00開(kāi)始在光通信機(jī)
A端的出射光功率加-13.5 dB的衰減,每隔1 h調(diào)節(jié)一次衰減器,每次遞增-0.5 dB。分析方法與晴天的信道分析方法相同。

陰天條件下大氣信道衰減隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7 陰天條件下大氣信道衰減隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve