[發(fā)明專利]用于FSO系統(tǒng)的正二十面體全向光學(xué)智能天線及通信方法

在審

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• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102694604A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尚韜;楊銀堂;賈吉軍;李煒煦
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04B10/24
• 分類號: H04B10/24;H04B10/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于信息通訊領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于移動FSO系統(tǒng)的正二十面體全向光學(xué)智能天線。

背景技術(shù)

自由空間光通信(FSO：Free?Space?Optical?Communication)又稱無線激光通信，它利用紅外激光束為載體，以自由空間為媒質(zhì)，可以在站點之間實現(xiàn)高速通信。FSO的波束寬度很小(幾個毫弧度乃至微弧度量級)，紅外光不可見，因此安全、隱蔽性好。利用無線激光鏈路構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，可靠性高，其靈活性又與一般無線電通信系統(tǒng)相近，便于架設(shè)開通和撤收。采用自動跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)，可以實現(xiàn)動中通。因此，F(xiàn)SO不但繼承了光纖通信大容量的特點，還具備了無線電通信的靈活性，真正意義上實現(xiàn)了“寬帶+無線”的優(yōu)良通信方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

一個安全隱蔽、可靠、寬帶、機動的FSO系統(tǒng)，對軍事通信和民用通信都具有重要的應(yīng)用價值。例如在軍事通信領(lǐng)域，應(yīng)用于艦艇編隊內(nèi)部艦艇之間的移動通信，用于機動作戰(zhàn)的自行火炮群、防空陣地、戰(zhàn)術(shù)地地導(dǎo)彈陣地、火箭炮群、野戰(zhàn)指揮部等作戰(zhàn)、指揮、保障等車輛之間的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，無人機編隊內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，地空激光通信，以及星際激光通信等。在民用通信領(lǐng)域，應(yīng)用于光纖鏈路替代或備份、最后一公里寬帶接入、各種場合的應(yīng)急通信或臨時通信等，特別是近年來隨著3G技術(shù)的部署，F(xiàn)SO也用于3G/4G基站與基站、基站與中心站之間的信息傳輸。

在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用WLC設(shè)備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用WLC設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)^[1].2010年，Waqar?Hameed，S.Sheikh?muhammad等人進行了適用于第四代移動通信的FSO研究^[2]。目前國外生產(chǎn)廠商主要有Lightpointe、Fsona、Canon等^[3-5]，其產(chǎn)品應(yīng)用于定點通信。例如Fsona的產(chǎn)品特點是工作在1550nm波長處，傳輸速率10Mb/s至155Mb/s，傳輸距離從1公里到7公里，采用四發(fā)單收天線，使用了光纖放大器EDFA，發(fā)射功率比較大，但不具備大范圍快速的APT功能。

FSO是一種視距(LOS：Line?Of?Sight)傳輸系統(tǒng)。為了在發(fā)射端和接收端間建立一條有效的通信鏈路，精確可靠的捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤(APT：Acquisition?Pointing?and?Tracking)技術(shù)至關(guān)重要，特別是在移動環(huán)境下。目前，定點的近地FSO技術(shù)已經(jīng)較為成熟，通過系統(tǒng)本身的自動調(diào)整機械裝置克服小范圍的器件振動與形變等因素的影響，可以實現(xiàn)幾公里內(nèi)100Mbps至1Gbps量級的數(shù)據(jù)傳輸^[6-7]。然而移動激光通信(以下簡稱移動FSO)技術(shù)還處在實驗階段，這是因為對于移動特別是室外用途的快速移動FSO系統(tǒng)，大氣效應(yīng)^[8-9]、目標(biāo)間相對高速運動、通信終端載荷重量及功率限制等問題對APT技術(shù)的影響將更加顯著。一個最重要的技術(shù)——APT技術(shù)目前還不能滿足移動FSO特別是快速移動的要求。

移動FSO系統(tǒng)的APT實現(xiàn)方式多是設(shè)定某種跟蹤控制算法，然后根據(jù)移動過程中接收光斑落在位置光電探測器(PSD：position?sensitive?detector)、電荷耦合元件(CCD：charge?coupled?device)或四象限探測器(QD：quadrant?detector)上的誤差信息對萬向節(jié)或振鏡進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)移動中的對準(zhǔn)。由于采用機械伺服系統(tǒng)，上述方法僅適用于短距離的慢速(≤0.18m/s)通信，而且在持續(xù)對準(zhǔn)過程中的頻繁轉(zhuǎn)動會出現(xiàn)時延，從而導(dǎo)致跟瞄速度出現(xiàn)誤差，影響通信的實時性。

在接收端使用特殊幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)透鏡(如球形透鏡等)與光纖陣列代替萬向節(jié)伺服系統(tǒng)，在大范圍的廣角接收中實現(xiàn)對準(zhǔn)。由于光學(xué)器件尺寸的限制使得球形透鏡的孔徑不能無限增加，同時光纖陣列的排布遵從一定的規(guī)律以代表不同的目標(biāo)位置，因此該系統(tǒng)僅適用于短距離通信。

一種APT解決方案為：利用發(fā)光二極管(LED：light?emitting?diode)構(gòu)成多收發(fā)機的球面光學(xué)天線，實現(xiàn)球面上的角度分集和空間復(fù)用，為了避免每個節(jié)點的開銷，使用電跟蹤取代傳統(tǒng)的機械跟蹤。

由于使用LED代替高功率激光器，使得通信距離較短(在天氣良好時設(shè)計的最大距離約為600m)，無法適用于室外用途的移動FSO系統(tǒng)；將LED置于光探測器(PD：photodiode)中心，不但會增加器件的制作難度，而且PD中心點的探測盲區(qū)也會影響其探測能力。

發(fā)明內(nèi)容