在短距離通信中，城市光無線通信（urban optical wireless communication，UOWC）網絡可以提供很高的傳輸速率，因而越來越受到關注。UOWC的終端包括一個光發射機和一個光接收機，它們通常安裝在相距幾百米的大廈的頂端。UOWC具有幾個顯著的優點：使用簡單、重量輕便、容量巨大，而且它無需向政府相關部門交納頻率使用許可費。UOWC目前還存在一些問題，比如：在惡劣的天氣中或大樓擺動時它的通信性能非常差。本文提出了克服這些缺點的一些方法。
1． 簡介
光無線通信具有使用簡單、設備輕便和傳輸速率高的特點，目前在城市中得到了廣泛的使用。在過去的10年中，使用高速率數據傳輸的用戶數量每年都在穩定遞增，要求的傳輸速率從每秒幾百兆比特到每秒十幾吉比特。由于傳統的局域網（local area network，LAN）、互聯網、企業網都無法滿足超大傳輸容量的需求，因此利用光纖來傳輸高速率的數據是非常必要的。但是，要從光纖骨干網連一根光纖到用戶存在“最后一英里”問題，需要花費昂貴的代價而且也非常耗時，而UOWC恰恰可以非常容易地解決這個問題。
事實上，許多無線通信技術也都可以解決“最后一英里”的問題，但是這些技術都要申請頻率使用許可，這就使得用戶必須支付大量的費用，而且申請也要花費數月的時間；這些無線技術還由于電磁輻射的暴露都存在安全問題。對于光通信而言，如果能減少光對眼睛的傷害，那么它便沒有什么危險性。
與無線鏈路相比，現存的電纜比如非對稱數字用戶線（asynchronous digital subscriber line，ADSL）和有線電視（cable television，CATV）也可以用來解決“最后一英里”的問題，但是它們無法提供光通信所能提供的超高速率，并且需要交納申請費用。因此，近幾年來UOWC和激光通信（laser communication，LC）在城市中的應用越來越受到關注。光無線通信可以提供光纖鏈路的通信容量，而且設備小巧輕便，安裝方便，更重要的是它無需交納各種申請費用。
在一些應用中，UOWC的安全性是非常顯著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此竊聽和人為干擾幾乎是不可能的。
2 UOWC網絡的基本結構
一個光無線通信系統包括三個基本部分：發射機、傳播信道和接收機。在發射機中對光源進行調制，從而用來傳輸數據。光源可以是激光也可以是發光二極管（light emitting diode，LED）。激光的特性可以用它的中心波長、平均功率、波束發散角來描述，在理想情況下，它的頻譜非常窄。LED是次優光源，它比激光光源要便宜。最近人們研制出了窄帶的LED，其最大輸出功率為70 mW。我們知道，波束發散角決定了在自由空間中功率的損耗，或者從光源起在給定的距離內激光斑的大小。發射機望遠鏡可以對波束的方向進行校準并確定波束的直徑。
在接收機中，望遠鏡收集接收到光線并將它聚焦在光電檢測器中，光電檢測器將光轉換成電信號，電信號被放大后進行處理。判決設備根據信號的幅度和到達時間進行判決。利用誤比特率（bit error rate，BER）來表示鏈路的性能。
在UOWC中，傳播信道是大氣，即便在晴朗的白天，大氣中也布滿了各種分子和浮質，光線在大氣中會被吸收和散射。傳播路徑上的溫度變化會產生合成湍流，它會造成接收光信號的閃爍。
室外的UOWC必須要有視線傳播（line of sight），它可以通過跟蹤定位系統的協助來實現。可以利用GPS或者其它已知的信息進行粗略的跟蹤，但精確的定位則需要一些電光機制，比如正交或矩陣檢測器。定位涉及波束跟蹤裝置，這些裝置可以是機械的，比如鏡式檢流計，也可以是非機械的，比如聲光晶體、電光裝置或光相位陣列（optical phased array，OPA）。
3 UOWC目前的問題
盡管UOWC具有很多優點，但是有三個主要的問題阻礙了它的廣泛應用。首先，UOWC在發射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播，然而由于大樓的擺動可能會使該要求無法滿足。其次，它要克服惡劣天氣，比如霧、云、湍流等對傳輸信號的衰耗。第三，其發射功率必須限制在保證眼睛安全的功率范圍內。眼睛安全目前有著嚴格的規范保證，很多國家都有相應的標準，比如美國國家標準協會（american national standards institute，ANSI）Z-136系列和IEC-825系列。因此，雖然UOWC可以通過增加發射功率來改善傳輸性能，但是增加的范圍是受到嚴格限制的。
3.1 大樓擺動時的校準
由于大樓結構中某些部分的熱脹或輕微的地震等原因，往往會導致發射機和接收機無法對準，為了保證可靠的數據傳輸，在發射機和接收機之間必須進行連續的校準，尤其是當使用窄波束發散角和視界（fields of view，FOV）時。另外一個對不準的原因還可能是風，尤其是當通信設備安裝在高樓的頂部時，在較大風力的作用下建筑物會發生擺動，這樣便會破壞視線傳播。實際測量中發現，由于上述現象的影響，大樓頂部的水平移動可達樓高的1/800～1/200。
3.2 大氣浮質的散射
目前，在惡劣的天氣條件下UOWC可能發生通信中斷。盡管雨、雪可以阻礙光線的傳播，但是最糟的環境是霧。這是因為它們中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一個數量級上，且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發生偏轉，造成空間、角度和時間上的擴展，如圖所示。精確的散射機制取決于粒子大小與無線波長的比值。當該比值接近于1時，它的傳播方向實際上是由Maxwell波動方程的Mie散射決定的。在給定散射粒子大小分布、無線波長、水和空氣之間的折射率的條件下，Mie散射角度概率函數便可以求出，因此散射對通信性能造成的劣化便可以預測出來。雨滴和雪片的尺寸都遠遠大于光波長，所以它們不屬于Mie散射而且不會嚴重地阻礙光線的傳播。散射會對發射信號造成衰減和畸變。
3.3 分子的吸收
大氣中的分子可以吸收激光的能量，從而會對發射功率造成很大的衰耗。該現象對波長十分的敏感，所以在給定的環境下，對某些波長是透明的而對另一些波長卻會產生嚴重的衰耗。紅外線很容易被大氣中的水蒸氣和CO2吸收，而波長在200 nm以下的光線則很容易被O2和O3吸收。
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