[圖]無線光通信技術及其應用

編者按：       光通信分為有線光通信和無線光通信兩種。其中，有線光通信即光纖通信，已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一；無線光通信又稱自由空間光通信(FSO，F(xiàn)ree Space Optical communication)。近年來，隨著“最后一公里”對高帶寬、低成本接入技術的迫切需求，F(xiàn)SO在視距傳輸、寬帶接入中有了新的發(fā)展機遇，同時由于光通信器件制造技術的飛速發(fā)展，無線光通信設備的制造成本大幅下降，F(xiàn)SO得到越來越多的應用。雖然目前FSO的使用無需通過政府的頻率許可（目前無線電頻率劃分至300GHz，而光波遠遠超過該頻率），但對于無線電管理部門來說，了解這種全新的通信技術的特征和發(fā)展趨勢是大有裨益的。       1 無線光通信系統(tǒng)的構成       無線光通信系統(tǒng)以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進行光信號的傳送。只要在適當距離的收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，即可實現(xiàn)無線光通信。       無線光通信系統(tǒng)的一般原理如圖1所示，由激光源、摻鉺光纖放大器、發(fā)射光學系統(tǒng)、接收光學系統(tǒng)和接收機等組成，具體儀器包括專用望遠物鏡、標準光收發(fā)機和高功率的Er/Yb光放大器等，其中望遠物鏡和光收發(fā)送機組合在一起。其關鍵技術是多徑發(fā)射和使用放大器補償光通道損耗。       在點對點傳輸?shù)那闆r下，每一端都設有光發(fā)射機和光接收機，可以實現(xiàn)全雙工通信。系統(tǒng)所用的基本技術是光電轉換。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，通過作為天線的發(fā)射光學系統(tǒng)，將光信號通過大氣信道傳送到接收機望遠鏡；接收機望遠鏡收集接收到光信號并將它聚焦在光電檢測器中，光電檢測器將光信號轉換成電信號。
由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，F(xiàn)SO系統(tǒng)一般選用透過率較好的波段窗口，最常用的光學波長是近紅外光譜中的850nm；還有一些FSO系統(tǒng)使用1500nm波長頻段，可以支持更大的系統(tǒng)功率。	圖1 無線光通信系統(tǒng)的原理
2 無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)點       當前，雖然無線光通信技術還有待成熟，但它以獨特的方式、顯著的優(yōu)點，擁有著巨大的市場潛能。       (1) 頻帶寬，速率高       理論上，無線光通信的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同。光纖通信中的光信號在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號在空氣介質(zhì)中傳輸。目前國外無線光通信系統(tǒng)一般使用1550nm波長（頻率約為1.935×105GHz）頻段，傳輸速率可達10Gbit/s(4×2.5Gbit/s)，即可完成12萬個話路，其傳輸距離可達5km。國內(nèi)無線光通信系統(tǒng)一般使用850nm波長（頻率約為3.529×105GHz）技術，速率為10Mbit/s～155Mbit/s，傳輸距離可達4km。       (2) 頻譜資源豐富       與微波技術相比，F(xiàn)SO設備多采用紅外光傳輸方式，有非常豐富的頻譜資源，無需向無線電管理部門申請頻率執(zhí)照和交納頻率占用費，也不會和微波等無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。       (3) 適用多種通信協(xié)議       無線光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設備，可以用在SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等常見的通信網(wǎng)絡中，并可支持2.5 G bit/s的傳輸速率，適用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等信息。       (4)部署鏈路快捷       FSO設備可以直接架設在樓頂，甚至可在水域上部署，能完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務，其施工周期較短，可以在數(shù)小時內(nèi)建立起通信鏈路，而建設成本只有地下光纖的五分之一左右。       (5)傳輸保密性好       無線光通信的安全性是非常顯著的。無線光通信具有很好的方向性和非常窄的波束，因此，對其竊聽和人為干擾幾乎是不可能的。       3 無線光通信的應用       無線光通信的主要應用可歸結為如下幾個方面。       (1)在不具備有線接入條件或原帶寬不足時提供高效的接入方案       無線光通信可以不必在城市內(nèi)破路埋線而快速地在樓宇間實現(xiàn)寬帶數(shù)字通信，也可在不便鋪設光纜地區(qū)、沒有橋梁的大河兩岸之間實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸。在1994年，加里福尼亞的ThermoTrex公司，成功地進行了在相距42km、海拔高度為2133m的兩座山峰之間的傳輸實驗，傳輸數(shù)速率為1.2Gbit/s。       (2)有效解決“最后一公里”問題       無線光通信可以解決各種業(yè)務接入的“最后一公里”問題，提高用戶接入端的傳輸容量和速度，能夠較好地滿足電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和IP網(wǎng)三網(wǎng)合一對帶寬的要求。       (3)力助局域網(wǎng)互聯(lián)       FSO提供了臨近局域網(wǎng)之間互連互通的選擇方案，不僅可以解決局域網(wǎng)內(nèi)用戶接入的高速傳輸問題，還可方便地實現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接，形成更大范圍的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。       (4)應急備用方案       無線光通信可以作為有線通信線路故障或緊急搶險時的應急備用鏈路，也可作為大型臨時活動的通信解決方案。
(5)快速組建電信網(wǎng)絡       對于新興的電信網(wǎng)絡運營商來說，無線光通信網(wǎng)絡可以幫助其快速組建本地網(wǎng)，以較少的資金、人力和時間完成城域網(wǎng)建設；對于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡運營商來講，無線光通信網(wǎng)絡系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補充，用于不便鋪設光纜的區(qū)域。建設周期短、所需費用少，無線光通信網(wǎng)絡系統(tǒng)可以實現(xiàn)先組網(wǎng)再銷售的商業(yè)模式。       此外，F(xiàn)SO在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間有著重要的應用。如在1995年美國與日本所進行的聯(lián)合試驗中，實現(xiàn)了日本菊花-6衛(wèi)星與美國大氣觀測衛(wèi)星相距39000km的雙向光通信。這是一種遠距離通信應用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大、不需進行ITU國際協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，將成為重要的衛(wèi)星通信手段之一。	圖2 無線光通信在城域范圍內(nèi)的各種應用
4 存在的問題       雖然無線光通信網(wǎng)絡系統(tǒng)獨具魅力，擁有大量潛在的應用市場，但也存在許多有待完善的地方。目前，其主要問題有：       (1) 收發(fā)端對準問題       FSO是一種視距寬帶通信技術，發(fā)射機與接收機之間需要嚴格的視距傳輸條件才能實現(xiàn)通信。當通信設備安裝在高樓的頂部時，在風力的作用下設備會發(fā)生擺動，這樣便會影響激光器的對準精度。樓宇結構中某些部分的熱脹或輕微地震等因素，有時也會導致發(fā)射機和接收機無法對準。       (2)大氣媒介的影響       惡劣的天氣情況，會對FSO的傳播信號產(chǎn)生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會使光線在空間、時間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信號的功率衰減。衡量FSO信號可靠性指標之一——LINK MARGIN，單位為dB，其意義為FSO設備正常工作所允許的最大功率損耗。一個典型的FSO系統(tǒng)的LINK MARGIN值為20dB，即在天氣晴好的條件下，光信號每公里的功率損耗大約為1dB，也就是說，一般無線光通信系統(tǒng)的最大工作距離是20公里。FSO采用的紅外光在空氣中傳播時易受各種氣候因素的影響，如雨、強烈日光等。在大霧天氣下，信號衰減可達到每公里400dB，這使FSO系統(tǒng)的有效工作距離不到50米，甚至比無線局域網(wǎng)傳輸距離還要短。因此，F(xiàn)SO需要尋求一種最優(yōu)波長頻率，并在通信鏈路中找出波長與性能的最優(yōu)組合。       (3)傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾突出       FSO傳輸距離越大，光束就會越寬，接收端收到的光信號質(zhì)量越差。目前較遠距離的大氣激光通信的研究還沒有取得突破性進展。       (4)激光的安全問題       激光束的安全性是FSO系統(tǒng)必須考慮的問題。光信號發(fā)射功率必須限制在保證人類眼睛安全的功率范圍內(nèi)，這也限制了FSO的通信距離。       5 總結       無線光通信作為一種快捷的寬帶網(wǎng)實現(xiàn)方式，已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實。本文簡單介紹了無線光通信的基本概念、系統(tǒng)的構成、特點和優(yōu)勢，以及在通信領域的應用及研究情況，同時也分析了其存在的技術問題。   無線光通信系統(tǒng)將來的研究將集中在增加傳輸容量、延長傳輸距離、自動方向?qū)?、降低設備成本等方面。如果這些問題能得到有效解決，那么FSO將發(fā)揮巨大潛能和優(yōu)勢,成為無線通信領域的一個新亮點。       參考文獻       [1] 陳金鷹，“無線光通信技術應用與討論”，成都理工大學信息工程學院.       [2]“無線光通信FSO技術簡介”，人民郵電報.       [3] 陳聰，“無線光通信(FSO)技術”，中國計算機報，網(wǎng)絡與通信版.       [4] 董新慧, “無線光通信技術”，河北石家莊電業(yè)局.       [5] 尹璐，“悄然興起的無線光通信”，北京理工大學繼續(xù)教育學院.   作者：廣東省無線電監(jiān)測站 范國良 來源：中國無線電