无线光通信技术研究

无线光通信技术研究光科1101孙瑷蕙1302110111摘要:介绍了无线光通信技术的起源,阐述了无线光通信技术的基本特点,着重分析了国内无线光通信技术的发展状况,并对无线光通信技术的发展趋势进行了讨论。关键词:自由空间光通信，可见光通信，无线光通信，中国1引言无线光通信技术是一种宽带无线接人技术,是光通信技术和无线通信技术相结合的产物,以光信号为载体,通过大气空间传送信息。当前有两种不同的无线光通信技术:FSO(FreeSpaceOPtiealCommtlnl-cation)VLC(visibleLighteommunieation)前者利用波长为85Onm或155Onm的红外波,后者利用LED可见光。无线光通信是以大气作为传输媒质来进行光信号传送的,只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,通信就可以进行。2无线光通信技术的起源无线光通信起源于古代的烽火通信,而现代意义上的光通信源自于爱因斯坦的受激辐射概念的提出及激光器的正式出现[lj。1880年发明电话的贝尔进行的光电话实验是近代无线光通信的雏形,实现的通话距离达200多米[l]七,由于太阳光、灯光等普通可见光源是宽光谱非相干光源,其缺点是稳定性差,不适合作为可靠的高强度的通信光源;而当时无线电技术发展很快,已成为通信技术的主流,因此在激光技术出现之前,无线光通信技术发展处于停滞不前的状况。自1%O年美国科学家梅曼发明了世界上第1台红宝石激光器以来,作为通信光源,激光器各方面的特性都有了极大的提高,从此激光通信成为激光技术的研究热点之一。随着光电子技术与光纤技术的发展,到了20世纪70年代初,光纤通信取代大气光通信成为激光通信的研究发展重点。为了解决宽带网绪‘最后1公里”的瓶颈问题,具有高性价比的无线光通信技术在1998年之后又重新进入了竞争激烈的通信领域,成为最具有竞争力的宽带通信手段。3FSO自由空间光通信无线光通信是一种宽带接入技术,它恰到好处地结合了光纤和无线通信两种技术。它主要分为三种:大气光通信、空间光通信和水下无线光通信技术。本文主要对大气光通信进行探讨。业界近来流行的术语自由空间光通信(FSO)是指在空气中用激光或光脉冲在太赫兹(THz)光谱范围内传送分组数据的通信,而空间光通信主要指卫星间的太空光通信。FSO在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制,并通过作为天线的光学望远镜,将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机,将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别,可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm，1550nm的工作波长。同时考虑到15O0nm的光波对于雾有更强的穿透能力,而且人眼更安全,所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。Fso与微波技术相比,它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点;与有线和光纤通信相比,它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点.FSO可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近,但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶,由空中传送。既不需申请频率执照,也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统,在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后,一般可在数小时之内安装完毕,投人运行。在考虑到当地气象的条件以后,光无线系统一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系统构成主备用,甚至可达到99.999%电信级的可用性要求。另外FSO系统与网络的连接,还有如下的优点:1)对运行的协议透明。现在通信网络常用的SDH、ATM、IP等都能通过。2)可组成点对点、星形、和网格形结构的网络。3)可灵活拆装、移装至其他位置。4)易于扩容升级,只需稍作接口的变动就能改变容量。FSO存在的主要问题有以下几点:(1)FSO是一种视距宽带通信技术,传输距离与信号质量的矛盾非常突出,当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前,在1km以下才能获得最佳的效果和质量,最远只能达到4Km。这种情况多种因素影响其达到99.999%(五个9)的稳定性。(2)系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小,而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试,FSO受天气影响的衰减经验值分别为:晴天,5-15db/km;雨,20一50db/km;雪,50-15odb/km;雾,50-300db/km。国外为解决这个难题,一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。(3)城市内由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。(4)激光的安全问题也会影响其使用,超过一定功率的激光可能对人眼产生影响,人体也可能被激光系统释放的能量伤害。所以产品要符合眼睛安全标准。4VLC一可见光通信VLC是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点,特别是其响应灵敏度非常高,因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和FSO相比,VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点,因而VLC技术具有极大的发展前景,已引起人们的广泛关注和研究由于实现简单,VLC系统大多设计成光强度调制/直接探测(IM心D)系统,采用曼彻斯特编码和OOK(On一OffKeying)调制方式。在IM/DD系统中,由于存在多个光源,每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号,因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断,保证了通信的可靠性。与FSO和射频通信相比,VLC具有以下突出优点:(l)可见光对人类非常安全。VLC系统可以使用家庭或办公室的高压照明灯发送数据;(2)VLC无处不在。用于通信的照明灯可以安装在任何地方,通过照明灯,可以很方便地实现高速无线数据通信;(3)发射功率高。对于FSO,由于受到人眼睛安全的限制,发射功率很低,系统性能受到严重限制。对于射频通信,射频信号对人体有害,也不能无限制地增加发射功率。在VLC系统中,由于发射的是可见光,故发射功率较高;(4)无需无线电频谱证。由于受制,可用的无线电频率非常有限;(5)无电磁干扰。可以用于医院等对电磁干扰严格限制的场合。5无线光通信技术的进展在过去的5年,大部分的无线光通信系统的设计均是处于较短距离100一500m的技术水平,大多采用的是中等功率10一10OmW激光二极管或小型光电二极管的低成本解决方案。据统计,预计到2006年无线光通信全球市场将2000年的1.2亿美元猛增到20多亿美元。由于其应用前景广阔,虽然现今主要的无线光通信的研发和应用主要在北美和欧洲,且以AirFther一北电和TeraBean一朗讯联合为代表,但各国为了振兴民族产业,也开始投入大量人力物力进行开发研究。我国的信息产业主管部门、各地方政府、各大电信运营商及各科研院校都对无线光通信技术的研究与应用给予极大关注。作为欧美各大中小电信运营商一致看好的无线光通信接入技术,必然引起国内各大电信运营商及科研机构的关注,相当部分电信运营商已经和国外企业制定供货合同,开始采用无线光通信系统作为试验及商业运行。2002年深圳网通采用OnticalAccess设备构筑试验系统。2003年3月和7月,上海铁通和长城宽带公司分别向Terabeam采购FSOC系统,正式投入建设宽带接入网络。华为技术有限公司与LightPointe公司扩大双方的联合战略伙伴协定,加快向世界各地的ISP和企业客户提供安全、可靠和高速的光无线解决方案。纵观整个无线光通信行业,我国仍处于发展的初始阶段,主要是在1998年之后才逐渐发展起来,虽然过去某些院校和科研单位曾开展过这方面的研究工作,但因资金投入、人才与技术方面的短缺而停滞不前。1999年,桂林无线激光通信工程公司生产了一套半导体无线激光通信设备,速率可达ZMb/s,最大传输距离可达10km,全天候传输可达4km。1998年,广东陈长缨教授领导的科研小组正式立项开展无线光通信的研究工作。近两年来,一些院校相继成立了相关的无线光通信研究中心。最近由南京大学光通信工程研究中心研究成功的快速以太网光无线通信系统正式通过了专家鉴定,实现155M高带宽的稳定传送。2003年北邮大与北京邮电电话设备厂签订了《短距离光无线接入系统的设计与研究》的技术开发合同。由于通信中的光收、发天线之间的瞄准、接收和跟踪技术是无线光通信的难点,也是能否实现商用的关键[3l,而国内在这方面仍处于比较被动的状况,大多数公司先与国外公司合作,然后采用国外提供的自适应变焦光学技术等来解决问题。这说明我国在无线光通信技术方面还处于比较落后的被动局面,为了扭转依靠外国先进技术的不利状况,我国应该加快追赶的步伐,大力支持自主开发成果,使其成为继XDSL之后又一成功的发展。FSO的研究方向及发展趋势FSO技术原理比较简单,关键的问题是如何提高传输的可靠性,使其尽量达到电信运营商的要求。所以现在的研究方向大多是提高可靠性,然后提高传输距离与速率。大致有以下一些方面。(l)大气信道的研究主要研究大气信道的空间损耗,不同气象条件下的传输衰减,大气闪烁,空气散射,背景噪声等。其主要目的是准确掌握某地的气候等通信条件,同时找到气象条件影响通信质量的规律,为通信的实现提供参考数据。(2)传输可靠性的研究这个方面的研究工作主要是在某地区一定通信条件下,采取必要的发射接收技术来正确进行数据的传输。现在几个大的FSO生产厂家都有自己的一些自己的专利技术来解决这个问题。据统计,MRV公司现在拥有最多的FSO专利,达16项之多。现在电路部分的做法一般是采取大功率连续单纵模激光器加高灵敏度Si光电二极管来克服大气信道带来的衰减,减少误码。还有一些公司,比如Lightpointe公司,采用多光束(四个)发射技术,既可以克服气穴的影响,同时可以克服小鸟等引起的光路突然割断。还有比较重要的一种技术就是跟踪技术,这方面C~on公司是代表。它一般采用CCD利用光强度或者波形来自动定位、调整发射端的位置。同时有的公司也提出了采用微波一FSO互为备份的概念,不过价格过于昂贵。(3)传输速率的提高FSO相对于其他接人设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从ZM开始,形成多个系列,比较典型的有10Mb/s、looN/s、155Mb/s、622Mb/s。有的公司采用波分复用(WDM)技术,速率可以达2.5Gb/s、I0Gb/s。6对无线光通信技术的展望无线光通信技术具有建网速度快、成本低、可移动性强和高带宽等优点,因此其在宽带接入项目上有很强的竞争力,但因受天气,特别是雾的影响较大,对其稳定性及相关补偿技术还需进行深入研究。AirFiber公司现已研制出在FSOC系统中整合60GHz的无线电系统,可在浓雾的恶劣天气下自动转换到无线电方式,从而实现可靠性达99.999%的全天候通信。因出现连续暴雨和浓雾两种天气的概率非常低,因此FSOC与RF技术的整合不失为应付恶劣天气影响的新方法。无线光通信技术的应用主要体现在以下几个方面:(l)运营商建网时可用FOC系统作为其他通信系统的冗余备份;(2)可用于移动通信蜂窝网基站与交换中心或LMDS业务的回程链路;(3)可用作临时应急链路或意外中断恢复,如某些大型会议等需要快速建网的情况;(4)可用于复杂地段联网,例如需要跨越河段、铁路、高速公路及通过拥挤城区等。无线光通信技术要发展并推广应用应该解决的关键技术问题主要包括:瞄准、接收和跟踪等高性能的光学收发天线的研制;减轻恶劣天气影响的情况,提高系统的可靠性;背景噪声的滤除技术研究,加快频率稳定的激光器的研制。7结论随着国内Intemet的迅猛发展,人们对多媒体和宽带的需求会更加强烈,如何将处于“lastmile”的信息资源引入到企业及家庭和个人,高速率、低成本的无线光通信技术将是一个理想选择。参考文献:[1]苏磊.无线光通信技术及其应用[J].光通信技术[2]王璐,张在宣,余向东.无线光通信宽