[圖]無線光通信技術(shù)及其應(yīng)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(shù)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(shù)的飛速發(fā)展，無線光通信設(shè)備的制造成本大幅下降，F(xiàn)SO得到越來越多的應(yīng)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(shù)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(gòu)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(dāng)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(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)和接收機等組成，具體儀器包括專用望遠物鏡、標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵技術(shù)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(shè)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(shù)是光電轉(zhuǎn)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(xué)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(zhuǎn)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(xué)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(dāng)前，雖然無線光通信技術(shù)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(shù)，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(shù)相比，F(xiàn)SO設(shè)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(shè)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(luò)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(shè)備可以直接架設(shè)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(wù)，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(shè)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(yīng)用       無線光通信的主要應(yīng)用可歸結(jié)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(shè)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(wù)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(yīng)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(yīng)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(luò)       對于新興的電信網(wǎng)絡(luò)運營商來說，無線光通信網(wǎng)絡(luò)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(shè)；對于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)運營商來講，無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補充，用于不便鋪設(shè)光纜的區(qū)域。建設(shè)周期短、所需費用少，無線光通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用
4 存在的問題       雖然無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨具魅力，擁有大量潛在的應(yīng)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(zhǔn)問題       FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機與接收機之間需要嚴(yán)格的視距傳輸條件才能實現(xiàn)通信。當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時，在風(fēng)力的作用下設(shè)備會發(fā)生擺動，這樣便會影響激光器的對準(zhǔn)精度。樓宇結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微地震等因素，有時也會導(dǎo)致發(fā)射機和接收機無法對準(zhǔn)。       (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(biāo)之一——LINK MARGIN，單位為dB，其意義為FSO設(shè)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(jié)       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(gòu)成、特點和優(yōu)勢，以及在通信領(lǐng)域的應(yīng)用及研究情況，同時也分析了其存在的技術(shù)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)?zhǔn)、降低設(shè)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(lǐng)域的一個新亮點。       參考文獻       [1] 陳金鷹，“無線光通信技術(shù)應(yīng)用與討論”，成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院.       [2]“無線光通信FSO技術(shù)簡介”，人民郵電報.       [3] 陳聰，“無線光通信(FSO)技術(shù)”，中國計算機報，網(wǎng)絡(luò)與通信版.       [4] 董新慧, “無線光通信技術(shù)”，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(xué)繼續(xù)教育學(xué)院.   作者：廣東省無線電監(jiān)測站 范國良 來源：中國無線電