无线光通信与物联网

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无线光通信与物联网
摘要:可见光通信是一种新兴的无线通信方法,它是在可见光谱段进行数据通信的技术。无线光通信同时具有微波通信和光纤通信的优点,是在实现空基、天基和陆基等通信链路的重要手段之一,在军事保密通信、应急救援通信等领域具有广阔发展前景。但由于机械抖动和大气信道中各种不确定性因素(如大气湍流、雨、雪、扬尘等)的影响,造成接收端光斑位置偏移甚至丢失光斑信息,从而使系统误码率增大,最终导致通信系统性能下降,给无线光通信链路的建立和保持带来了困难。因此,需要建立一套捕获、瞄准和跟踪(APT)系统来防止通信链路中断。在无线光通信系统中,要求搭载发射端和接收端的两个平台上的光学元件实时共视轴,这个过程通常称为自动瞄准。本文主要对无线光通信与物联网做论述,详情如下。
关键词:无线光通信;物联网
引言
作为无线通信的重要应用场景,物联网正在成为改变无线通信设计范式的主要驱动力之一。
物联网以物与物的连接为核心任务,涵盖了生产、消费和管理等各环节,技术需求极度差异化。鉴于下一代物联网应用的差异化程度更深,不同应用对峰值速率、感知精度、能量传输、安全保密等指标的需求不断强化,现有单一射频无线通信已难以持续满足上述需求,亟须引入新的无线传输技术。无线光通信自身的特殊性质使其有望应用于下一代物联网,并作为重要的技术补充手段,成为物联网进一步发展革新的重要技术驱动力。
1无线光通信器件
1.1发光二极管
发光二极管(LED)是一种常用的发光器件,通过电子与空穴复合释放能量发光,其辐射角度大,因此是室内照明常用的光源。与传统的白炽灯、日光灯等照明光源相比,LED具有节能、环保、使用寿命长等优势。此外LED可支持高速开关控制,非常适合用作无线光通信的光源,典型代表是可见光通信(VLC)技术,它以目前大规模部署的LED照明光源作为无线接入点,实现泛在的数据传输支持。
1.2激光器
与前述LED光源不同,激光是由粒子在谐振腔内受激辐射而产生的光源,由于谐振腔对光振荡方向的限制,激光束具有很高的方向性。因此,激光无线通信具有保密性好、传输速率高、抗干扰能力强、带宽大等优势,特别适合复杂电磁环境下抗干扰、高保密、高速率的数据传输。自由空间光通信是一种具有代表性的点对点激光无线通信技术,是实现星间、星地、空地、空海链路等大容量无线通信的重要途径之一。激光无线通信中常用的激光器包括气体激光器、固体激光器和半导体激光器。气体激光器发射功率大,但其体积过大且寿命短。固体激光器具有工作寿命长、稳定性好等优点,但其体积较大、效率低,常用于远距离星间或星地通信。半导体激光器结构简单、成本低,配合光放大器可满足大多数激光通信的功率要求,因此在激光通信中广泛使用。
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2无线光通信与物联网的应用
2.1无线光通信系统纠错编码
改性沥青生产设备在信息技术飞速发展的时代,云计算、人工智能和多媒体等业务不断增加,海量的数据需要通信网络进行传输和存储,对通信网络的带宽、速率和时延提出了更高的要求。具有大带宽、大容量、高速率的光通信得到了长足的发展。无线光通信是一种在无线光信道中进
行语音、图像、文字等传输的技术,在解决“最后一公里”接入、抢险救灾应急通信等方面有着良好的应用前景。无线光信道中的自然现象会对激光通信产生不良影响,如造成通信的脉冲范围展宽、信噪比减小、误码率增大。对于抑制的信道劣化,需要通过差错控制编码也就是纠错码,增加信号的冗余提高信息的抗干扰性能,以达到系统的指标要求。首先是采用前向纠错,简化系统实现。通信系统的有效性固然重要,但准确无误地将信息传输到接收端也是目标之一,前向纠错可以有效提高信号的可信度,是一种可以将传输过程中出现的误码纠正的差错控制方式。简化系统实现是将纠错编码技术应用于无线光通信系统的重要前提。其次是探索可以逼近香农极限的好码,降低编码和译码计算复杂度。针对目前纠错编码方式存在的编码效率和计算复杂度的问题,提出性能更优的好码。极化码出现的时间较晚,其他纠错码已经应用到各个领域,因此在实际应用中遇到了问题,应该积极地将极化码应用于实际通信系统。不断优化纠错码的编码和译码算法,降低编码和译码的计算复杂度,研究更易实现的编译码系统。最后是在编码复杂度与纠错性能之间进行合理的折中,并为纠错编码选择与其最匹配的信源调制方法,提高效率。每种纠错码的编码复杂度都不同,为不同的无线光通信系统选择合适的编码方式,并选择合适信源编码方式,达到信源编码和纠错编码的匹配状态,有效地将纠错码的性能发挥出来,较大限度地提高无线光通信系统的编码效率。
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2.2光通信中的直接检测OFDM技术
数据中心网络作为现代信息社会的基础设施,网络之间的通信连接全部采用了高速光通信网络,大到广域网、城域网之间的连接,小到服务器和光网络交换机之间的连接。光通信网络具有大带宽、保密性好、适合长距离传输等优点,它主要用于两点之间提供大带宽的信息传输通道。数据中心城域网基本是点对点的光网络传输系统,两点之间流量增长速度远高于通信干线网络。因此,数据中心城域网对网络容量要求较大。随着网络技术的迅猛发展,整个网络数据交换流量不断增大,这就对数据传输带宽有着更高的要求。因此,高速的光网络传输技术备受青睐,也一直是研究热点。同时为了降低数据中心的能耗,在数据中心要采用高速的光互联技术。骨干网的光通信网络通信距离长、设备复杂,而数据中心中的高速光互联网络具有传输距离较短、系统复杂度低等优势。因此,对于数据中心高速光互联直接检测调制技术的研究,具有十分重要的现实指导意义和价值。直接检测-正交频分复用调制(DD-OFDM)技术在目前的光通信系统中有着广泛的应用。直接检测OFDM技术的工作原理如下:首先,将原始的数字序列信息进行高阶编码,常用的主要有PSK和QAM技术,这里采用16/64QAM高阶编码。然后,把串行的数据流转换为N路并行的数据流,对并行的N路数据流分别进行单载波调制,调制到N个子载波上,子载波在符号
周期内是严格正交的,以保证子信道之间不会互相干扰。通过IFFT变换之后,要插入循环前缀(CP)以消除码间串扰,然后进行D/A转换,产生调制激光器的模拟信号。最后,将分别调制后的各路子信号进行叠加,叠加之后便得到了具有正交关系的调制信号。调制信号在光纤信道中传输后,接收端接收信号,此处采用直接检测方式,先经过A/D转换,然后进行信号的同步进而移除CP。再进行傅里叶变换,将并行信号转换为串行信号,最后通过均衡,恢复了原始信号。
结语
总而言之,无线光通信具有与射频不同的独特传播和传输性质,包括频谱免授权、大容量、低成本、可复用现有基础设施、电磁兼容性好、保密性高等特性,有望使其成为使能下一代物联网的重要补充技术手段,在一些特殊场景下甚至是主导技术手段,当前,如何进一步发展无线光通信技术并解决其关键问题,使其真正使能下一代物联网,具有重要的研究意义和应用价值。
参考文献
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[2]姚建文,王楠.智能反射面:大有前景的6G技术[J].电信快报,2020(7):8-13.

本文发布于:2023-06-15 23:12:34,感谢您对本站的认可!

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