自由空間光通信的應(yīng)用和發(fā)展

楊青麗

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子工程系，四川 成都611731）

0 引言

激光通信是當(dāng)今社會信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信（Free-Space Optical Communication，簡稱FSO），也稱為無線激光通信，是一種通過激光在無需光纖的情況下實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。在寬帶接入、廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)擴(kuò)展、局域網(wǎng)互聯(lián)、深空通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前光通信研究的熱點之一。

1 FSO簡介

FSO技術(shù)具有與光纖技術(shù)相同的帶寬傳輸能力，能以千兆的速度進(jìn)行全雙工通信且具有成本上的優(yōu)勢。它的工作原理與光纖通信系統(tǒng)類似，包括光發(fā)送、光傳輸和光接收3個部分，所用的基本技術(shù)也就是光電的轉(zhuǎn)換。在點對點傳輸?shù)那闆r下，在發(fā)送端和接收端之間，必須是互相可視的，兩終端之間不能有阻擋。FSO結(jié)合了光纖通信和無線通信各自的優(yōu)勢，具有頻帶寬的特點。由于激光具有直線性和窄波束的特點，F(xiàn)SO主要用于點對點視距傳輸。與光纖通信不同的是，F(xiàn)SO以大氣為媒質(zhì)，光載波信號通過大氣而不是通過光纖來傳送。系統(tǒng)還需要保證收發(fā)兩點之間，光信號良好的準(zhǔn)直穩(wěn)定。

自由空間光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進(jìn)行光信號的傳送的。只要在收發(fā)兩個端機(jī)之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進(jìn)行。

FSO系統(tǒng)主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光學(xué)天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)（ATP）子系統(tǒng)組成，如圖1所示。電信號經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制到由激光器產(chǎn)生的光載波上，再通過光學(xué)發(fā)射天線對光束整形將光信號發(fā)射到大氣空間。光信號經(jīng)大氣信道傳輸，到達(dá)接收端，光學(xué)天線將接收到的光信號聚焦至光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)放大濾波處理，再解調(diào)成原信息。自動跟蹤系統(tǒng)的主要功能是確保兩個通信終端的精確定向，完成通信鏈路的建立[1]。

和其他無線通信相比，它具有不需要頻率許可證、帶寬高、成本低廉、保密性好，低誤碼率、鏈路部署快速、協(xié)議透明、抗電磁干擾組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點[2]。特別適合骨干網(wǎng)的擴(kuò)建、光纖網(wǎng)絡(luò)的備援、寬頻接入、企業(yè)應(yīng)用、無線基地臺數(shù)據(jù)的回傳等領(lǐng)域以及其他需要高速接取的終端。隨著光通信器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)對短距離高速率傳輸?shù)男枨笤絹碓礁?，使得無線光通信技術(shù)又受到了各國軍事和民用的關(guān)注。

2 FSO的應(yīng)用領(lǐng)域

FSO具有以上技術(shù)優(yōu)勢，以其獨(dú)特的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域都能有廣泛的應(yīng)用，例如：

1）城域網(wǎng)的擴(kuò)展[3]，通信服務(wù)廠商在骨干網(wǎng)建設(shè)上花費(fèi)大量資金，以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能與快速發(fā)展的市場需求。FSO可以用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)，將新的網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)相連接。

2）企業(yè)、校園互連。由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發(fā)器裝設(shè)在樓頂或窗外傳輸數(shù)據(jù)。FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。以FSO來代替光纖接取各局端，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速度，主干傳輸速率可以達(dá)到1Gbps甚至10Gbps[4]。

3）軍事應(yīng)用以其高保密性和安裝快捷的特性廣泛的應(yīng)用于軍事場所。

4）作為光纖的補(bǔ)充。目前大多數(shù)電信運(yùn)營商都采用兩條光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全，現(xiàn)在，運(yùn)營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。

5）無線基地臺數(shù)據(jù)的回傳。FSO也可用來接入移動電話基地臺與交換中心，將基地臺接收的信號傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的交換中心設(shè)備[5]。

3 FSO的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

早在20世紀(jì)60年代，人們就對自由空間光通信進(jìn)行過研究，但當(dāng)時主要用于軍事及實驗?zāi)康?，其商業(yè)應(yīng)用是在最近這些年才在美國興起。

國外在自由空間光通信(FSO)領(lǐng)域已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投人使用也就是最近幾年的事情。美國、英國、加拿大等國的十幾家廠商正在從事FSO的相關(guān)研發(fā)工作。目前，國際市場上AirFiber、LightPointe等公司是推廣FSO技術(shù)的先行者。比較典型產(chǎn)品有AstroTerra公司的TERRALINK4-155系列產(chǎn)品、Air-Optica公司的UWIN802、PLH802系列和PAV數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司的SKY系列產(chǎn)品。而Terabeam公司和Airriber公司已將FSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)；尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奧運(yùn)會上成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，在西雅圖的四季飯店也成功地利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。大部分的FSO系統(tǒng)的設(shè)計均處于較短距離100～500m的技術(shù)水平，大多采用的是中等功率10～100mW激光二極管或小型光電二極管的低成本解決方案[6]。

就國內(nèi)FSO的發(fā)展來說，還基本在起步階段。在國內(nèi)，從事FSO研究的主要有中國電子科技集團(tuán)公司第34研究所（桂林）、成都光電技術(shù)研究所及上海光機(jī)所等單位。中國電子科技集團(tuán)公司第34研究所早在1971年就開始進(jìn)行FSO技術(shù)研究。FSO設(shè)備最初來到中國應(yīng)該在2000年前后，那時國內(nèi)從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項目的研究所。后來，F(xiàn)SO獲得了較好的發(fā)展，主要FSO設(shè)備公司不斷取得技術(shù)和商業(yè)上的進(jìn)展。清華同方公司的FSO產(chǎn)品TFOW100-1已經(jīng)面世，它能提供100Mbps的帶寬，定位在1000m之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。但是還沒有一家公司規(guī)模性的生產(chǎn)FSO設(shè)備。當(dāng)然這也有FSO設(shè)備由于本身的可靠性，在國內(nèi)暫時不被運(yùn)營商看好的因素。

FSO技術(shù)原理比較簡單，關(guān)鍵的問題是如何提高傳輸?shù)目煽啃?，使其盡量達(dá)到用戶的要求。現(xiàn)在的研究方向大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率，大致有以下幾個方面。

(1)大氣信道的研究

對于大氣對通信信號的干擾分析，不能僅局限于大氣的吸收和散射等，還要注意大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴(kuò)展以及大氣色散等問題。這些因素都會影響接收端信號的信噪比，從而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。其主要目的是準(zhǔn)確掌握某地的氣候等通信條件，同時找到氣象條件影響通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。因此，必須在這方面做更深入詳盡的分析，提出解決方案。

(2)傳輸可靠性的研究

這個方面主要是對信號源和接收技術(shù)的研究。對于信號源，除了要求輸出光束質(zhì)量好、工作頻率高、出射光束窄以外，還要考慮激光器的輸出功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、光束方向穩(wěn)定性和工作壽命等。有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四個）發(fā)射技術(shù)，既可以克服氣穴的影響，同時可以克服小鳥等引起的光路的突然割斷。還有比較重要的一種技術(shù)就是跟蹤技術(shù)，這方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光強(qiáng)度或者波形來自動定位、調(diào)整發(fā)射端的位置?，F(xiàn)在幾個大的FSO生產(chǎn)廠家都有自己的一些自己的專利技術(shù)來解決這個問題。據(jù)統(tǒng)計，MRV公司現(xiàn)在擁有最多的FSO專利，達(dá)16項之多?，F(xiàn)在電路部分的做法一般是采取大功率連續(xù)單縱模激光器加高靈敏度Si光電二極管來克服大氣信道帶來的衰減，減少誤碼。

(3)傳輸速率的提高

FSO相對于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢之一就是帶寬?，F(xiàn)在FSO產(chǎn)品的速率從2M開始，形成多個系列，比較典型的有10Mb/s，100Mb/s,155Mb/s,622 Mb/s。有的公司采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，速率可以達(dá)到 2.5Gb/s，10Gb/s。

(4)FSO設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯?/p>

FSO網(wǎng)可以有三種拓?fù)?，即點到點、點到多點（星型）和網(wǎng)狀網(wǎng)，也可以把他們組合起來使用，既可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。目前已使用的系統(tǒng)多采用點到點結(jié)構(gòu)，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把業(yè)務(wù)集中到一點再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟(jì)。但缺點是能提供的帶寬較少，可靠性差。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以提供幾乎實時的迂回選路，使服務(wù)得到保護(hù)。隨著自由空間光通信技術(shù)的不斷完善，由點對點系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展是大勢所趨。有專家預(yù)測，未來的自由空間光網(wǎng)絡(luò)將形成一個立體的交叉光網(wǎng)，可在大氣層內(nèi)外和外太空衛(wèi)星上形成龐大的高容量通信網(wǎng)，再與地面上的光纖網(wǎng)絡(luò)相溝通，滿足未來的各種通信業(yè)務(wù)需求。

(5)保密性的研究

自由空間光通信的安全保密性較好，因為紅外激光的波束窄且不可見，很難在空中發(fā)現(xiàn)其通信鏈路。同時，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在鏈路中插入，這是很難做到的，而即使被截取，用戶也會發(fā)現(xiàn)，因為鏈路被中斷。因此，自由空間光通信系統(tǒng)比微波系統(tǒng)安全得多。但是經(jīng)分析論證，由于自由空間光通信信道的開放性，竊聽信號而又不阻斷光束的傳播，也是可以做到的，所以深入研究自由空間光通信的保密方法和技術(shù)是十分必要的[7]。

從以上看來，現(xiàn)在FSO的發(fā)展方向是：首先提高系統(tǒng)的可靠性，然后在此基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)的傳輸速率，傳輸距離，從而找尋FSO更多的使用領(lǐng)域；同時研究FSO的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以使得FSO設(shè)備發(fā)揮最大得潛能。

隨著通信需求和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，自由空間光通信系統(tǒng)已開始進(jìn)入實用化研究階段。相信不久的將來，激光通信將取代微波通信成為星際間通信的主要手段。無線電系統(tǒng)和光無線系統(tǒng)在許多方面可互為補(bǔ)充，光無線系統(tǒng)能提供小區(qū)域的高速連接，而無線電系統(tǒng)能提供大區(qū)域內(nèi)低速通信。各種系統(tǒng)的無縫連接將能使用戶得到更方便的服務(wù)。

4 結(jié)語

作為一種寬帶接入技術(shù)，F(xiàn)SO以其靈活方便的接入方式，較短距離的情況下，以低廉的成本投資可獲得光纖傳送的速率。同時在最后一公里接入等領(lǐng)域也有著相當(dāng)?shù)母偁巸?yōu)勢。自由空間光通信的任務(wù)不是取代已經(jīng)發(fā)展成熟的光纖通信和微波通信，而是發(fā)揮自己特色，成為整個通信網(wǎng)絡(luò)中的一個環(huán)節(jié)，與其他通信方式互相補(bǔ)充、互相配合、發(fā)揮重要作用，F(xiàn)SO在未來的通信領(lǐng)域中必將占據(jù)重要地位。自由空間光通信技術(shù)受到越來越多用戶的認(rèn)可，我們相信兼有光通信和無線通信優(yōu)勢的FOS技術(shù)會有廣闊的、迷人的前景。

［1］吳迪.自由空間光通信系統(tǒng)的設(shè)計及性能分析[D].浙江：浙江大學(xué),2007.

［2］朱震，陳凌.自由空間光通信技術(shù)[J].無線光通信技術(shù)，2003(1):12-16.

［3］張春，侯曉霞，范忠禮.自由空間光通信技術(shù)及其在城域光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[J].電信快報， 2003(9)：39-41.

［4］呂宏強(qiáng).基于FSO技術(shù)的“最后1km”寬帶接入[J].中國有線電視，2003(4):54-55.

［5］安亞青，李文田.無線光通信技術(shù)與應(yīng)用分析[J].電力系統(tǒng)通信，2005(4):7-9.

［6］鄭勇剛，李博.自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].無線光通信，2006(7):54-55.

［7］孫文燕.淺談自由空間光通信技術(shù)及其發(fā)展[J].科技信息，2007(19):109-111.