[发明专利]用于FSO系统的正二十面体全向光学智能天线及通信方法

说明书

技术领域

本发明属于信息通讯领域，尤其涉及一种适用于移动FSO系统的正二十面体全向光学智能天线。

背景技术

自由空间光通信(FSO：Free Space Optical Communication)又称无线激光通信，它利用红外激光束为载体，以自由空间为媒质，可以在站点之间实现高速通信。FSO的波束宽度很小(几个毫弧度乃至微弧度量级)，红外光不可见，因此安全、隐蔽性好。利用无线激光链路构成网络，可靠性高，其灵活性又与一般无线电通信系统相近，便于架设开通和撤收。采用自动跟踪瞄准技术，可以实现动中通。因此，FSO不但继承了光纤通信大容量的特点，还具备了无线电通信的灵活性，真正意义上实现了“宽带+无线”的优良通信方式，具有广阔的应用前景。

一个安全隐蔽、可靠、宽带、机动的FSO系统，对军事通信和民用通信都具有重要的应用价值。例如在军事通信领域，应用于舰艇编队内部舰艇之间的移动通信，用于机动作战的自行火炮群、防空阵地、战术地地导弹阵地、火箭炮群、野战指挥部等作战、指挥、保障等车辆之间的战术通信系统，无人机编队内部的数据传输，地空激光通信，以及星际激光通信等。在民用通信领域，应用于光纤链路替代或备份、最后一公里宽带接入、各种场合的应急通信或临时通信等，特别是近年来随着3G技术的部署，FSO也用于3G/4G基站与基站、基站与中心站之间的信息传输。

在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用WLC设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用WLC设备向客户提供100Mb/s的数据业务^[1].2010年，Waqar Hameed，S.Sheikh muhammad等人进行了适用于第四代移动通信的FSO研究^[2]。目前国外生产厂商主要有Lightpointe、Fsona、Canon等^[3-5]，其产品应用于定点通信。例如Fsona的产品特点是工作在1550nm波长处，传输速率10Mb/s至155Mb/s，传输距离从1公里到7公里，采用四发单收天线，使用了光纤放大器EDFA，发射功率比较大，但不具备大范围快速的APT功能。

FSO是一种视距(LOS：Line Of Sight)传输系统。为了在发射端和接收端间建立一条有效的通信链路，精确可靠的捕获、对准和跟踪(APT：Acquisition Pointing and Tracking)技术至关重要，特别是在移动环境下。目前，定点的近地FSO技术已经较为成熟，通过系统本身的自动调整机械装置克服小范围的器件振动与形变等因素的影响，可以实现几公里内100Mbps至1Gbps量级的数据传输^[6-7]。然而移动激光通信(以下简称移动FSO)技术还处在实验阶段，这是因为对于移动特别是室外用途的快速移动FSO系统，大气效应^[8-9]、目标间相对高速运动、通信终端载荷重量及功率限制等问题对APT技术的影响将更加显著。一个最重要的技术——APT技术目前还不能满足移动FSO特别是快速移动的要求。

移动FSO系统的APT实现方式多是设定某种跟踪控制算法，然后根据移动过程中接收光斑落在位置光电探测器(PSD：position sensitive detector)、电荷耦合元件(CCD：charge coupled device)或四象限探测器(QD：quadrant detector)上的误差信息对万向节或振镜进行调节，从而实现移动中的对准。由于采用机械伺服系统，上述方法仅适用于短距离的慢速(≤0.18m/s)通信，而且在持续对准过程中的频繁转动会出现时延，从而导致跟瞄速度出现误差，影响通信的实时性。

在接收端使用特殊几何结构的光学透镜(如球形透镜等)与光纤阵列代替万向节伺服系统，在大范围的广角接收中实现对准。由于光学器件尺寸的限制使得球形透镜的孔径不能无限增加，同时光纤阵列的排布遵从一定的规律以代表不同的目标位置，因此该系统仅适用于短距离通信。

一种APT解决方案为：利用发光二极管(LED：light emitting diode)构成多收发机的球面光学天线，实现球面上的角度分集和空间复用，为了避免每个节点的开销，使用电跟踪取代传统的机械跟踪。

由于使用LED代替高功率激光器，使得通信距离较短(在天气良好时设计的最大距离约为600m)，无法适用于室外用途的移动FSO系统；将LED置于光探测器(PD：photodiode)中心，不但会增加器件的制作难度，而且PD中心点的探测盲区也会影响其探测能力。

发明内容