通信前沿

自由空间光通信技术的应用和发展XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX自由空间光通信技术的应用和发展摘要：无线光通信又称自由空间光通信（FSO），是一种以激光为载波（MHz）,在真空或大气中传递信息的通信技术。FSO在视距传输、宽带接入中逐渐得到了的应用。本文简单介绍了自由空间无线光通信技术的技术背景和国内外发展现状、其基本原理、系统组成和相关的关键技术，并指出，随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，FSO技术具有越来越广泛的前景。关键词：自由空间光通信（FSO）；最后一公里技术1.FSO技术背景[1]自由空间光通信FSO(Freespaceoptics)，是一种小功率红外激光束通过大气为介质传送光信号的激光通信系统它有两种工作波长：分别是850nm和1550nm。850nm的设备相对便宜，一般主要应用在传输距离不太远的场合；1550nm的设备价格要昂贵一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155Mb/s～10Gb/s的传输速率，传输距离可达2～4km，但通常在1～2km有稳定的传输效果。在20世纪80年代FSO开始用于军方，随着掺饵光纤放大器EDFA、波分复用WDMA、自适应光学AdaptiveOptics等技术不断发展，无线光通信在传输距离、可靠性、传输容量等方面有了较大改善,适用面也越来越宽。虽然无线光通信技术还有待成熟，但它却有显著的优点：(1)频带宽，速率高：理论上，无线光通信的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同。目前国外无线光通信系统一般使用1550nm波长，传输速率可达10Gbit/s，可完成12万个话路，其传输距离可达5km。(2)频谱资源丰富：FSO设备多采用红外光传输方式，无需申请频率执照和交纳频率占用费，也不会和微波等无线通信系统产生相互干扰。(3)适用多种通信协议：无线光通信产品作为一种物理层的传输设备，可以用在SDH、ATM、以太网、快速以太网等常见的通信网络中。(4)部署链路快捷：FSO设备可以直接架设在楼顶，甚至可在水域上部署，能完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，其施工周期较短，可以在数小时内建立起通信链路，而建设成本只有地下光纤的五分之一左右。(5)传输保密性好：无线光通信的安全性高。无线光通信具有很好的方向性和非常窄的波束，因此，对其窃听和人为干扰较困难。(6)组网灵活：可以构建点地点，点对多点，环状，星状，网状等多种结构。并且网络的扩展容易。2.FSO在国内外发展历程[2~3]早在20世纪60年代，人们就对自由空间光通信进行过研究，但当时主要用于军事及实验目的，其商业应用是在最近几年才在美国兴起。90年代FSO系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品,因为安装屋顶到屋顶的FSO链路比挖掘城市街道、安装光纤线路快捷便宜得多。同时无线通信所赖以生存的射频频谱正在变得十分拥挤,很难再支撑高速宽带大容量无线通信应用。于是,人们又将目光转向了无线光通信。国际上，一些大型电信设备公司对FSO系统产生了极大的兴趣，如美国、俄罗斯、加拿大及西欧的一些发达国家已开始试用这种系统。比较典型产品有As-troTerra公司的TERRALINK4-155系列产品、Air-Op-tica公司的UWIN802,PLH802系列和PAV数据系统公司的SKY系列产品。1999年，光通信的巨头朗讯公司做了相距2.4km、速率为2.5Gb/s、波长为1550nm的无线光通信实验；2000年做了40Gb/s密集波分复用4.4km无线光通信实验。据2001年有关文献报道，朗讯公司做了目前通信容量最大的FSO通信系统试验采用光纤放大器可以在200m的通信距离内，实20Gb/s-160Gb/s速率的数据通信，这项技术代表着国际最高水平。Light-Pointe公司自从2004年推出的FlightLite一直是最畅销的企业无线产品之一，而Light-Pointe又于05年五月份推出FlightStrata100XA,是第一款集成了快速以太网光无线链路和5.8GHzRF技术的FSO产品。该产品提供了全天候的工作能力,同时可以提供与光纤线路一样的带宽。在国内，从事FSO研究的主要有中国电子科技集团公司第34研究所(桂林)、成都光电技术研究所及上海光机所等单位。中国电子科技集团公司第34研究所早1971年就开始进行FSO技术研究。1997年，该所派专家赴俄罗斯进行实地考察FSO的应用情况，之后组建了技术攻关小组。经过近几年的努力，34所已成功开发出了一系列的FSO设备，如：专用网接入系列、以太网专用系列、图像传输专用系列、GSM信号传输系列等。目前，34所已完成155Mb/s、622Mb/s速率的超长距离带有自动跟瞄系统的大气通信系统。成都光电技术研究所已经开发出了工作波长为850nm，可以传输1km、4km两种距离的两款产品。后来，清华同方公司推出的FSO产品TFOW100-1能提供100Mbps的带宽，用于1km以内的网络接连，该产品的特点是采用小功率激光器，所以大幅降低成本。根据华为公司与Light-Pointe公司04年7月的OEM合作协议，华为将在欧洲，中东等地将LightPoint的产品作为自己光网络产品的部分销售。华为已成功将FSO产品安装到国内的各大运营网络中，这表示华为是世界一流的供应商。3.FSO系统的构成[4]自由空间光通信的基本原理与光纤通信相同,只不过它是以大气作为传播媒质来进行光信号的传送。只要在两个收发端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。自由空间光通信系统使用的基本技术是光电转换。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，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。由于大气介质对不同光波长的信号的透过率有很大的差别,所以应该选用透过率较好的波段窗口。无线光通信系统的一般原理如图所示。光通信系统的物理模型自由空间光通信系统可以看成是由以下几部分组成：（1）光源部分：进行通信时，由于受到大气性能的影响，应考虑激光的功率和传输频率等特性。目前主要是有半导体激光器、固体激光器等。半导体激光器可以工作在1.06um左右，这是大气低损耗窗口，可以减小衰减。并且半导体激光器具有体积小、转换效率高、低成本可直接调制等特点。实际的FSO系统多采用半导体激光器为光源。（2）发射和接收系统：这是FSO系统的重要组成部分，包括调制解调器，光发射接收天线及探测放大等装置。光发射机主要是完成调制，通过天线发射载信息的激光，接收机用来接收激光，进行光电转换，放大，解调等。（3）对准、捕获、跟踪系统：FSO要求发送光必须准确地到达接收机探测器上。对准是调整发送激光瞄准一个特定方向的过程。而确定入射光到达目标方向的接收过程为捕获。调整整个通信过程的对准和捕获的动态变化过程称为跟踪。由于自由空间信道具有随机的不稳定性，因此FSO系统必须具有实时调整的ATP来适应不断变化的条件。4.FSO的关键技术1、高功率激光技术[5]自由空间光通信系统的传输方程经过简化后可表示为：220.0128//100.09(1)10LLrtPPe由上式可知L处的接收光功率Pr与发射功率Pt、传输距离L、光束发散角β和大气衰减系数α有关。所以改善发射功率Pt显得至关重要。自由空间光通信对激光器的要求主要：（1）波长必须在空间传输的低损耗窗口，如大气通信的820~860nm和1600nm波长区。大多数以LD泵浦的Nd:YAG固体激光器作为信号光的光源。（2）高功率。由于空间光通信在传输过程中有可能存在严重的损耗，为了建立可靠的低误码通信信道。必须具有足够大的功率。一个解决的方法就是采用光纤放大器。（3）窄光束。系统一般要求光束10urad，因此高功率的LD必须以衍射极限光束输出。通常信标光源要求能提供几瓦量级的连续或脉冲光，以便在大视场和高背景光干扰下快速、精确地捕获和跟踪目标。信标光的调制频率为几十Hz到几千Hz，或几千Hz到几十千Hz，以克服背景光的干扰。信号光源选择几十mW的半导体激光器，但要求输出光束质量好，调制频率要高。目前国外用于无线光通信的半导体激光器和接收器已经实现商品化。2、自动跟瞄技术[6]自动跟瞄技术系统中最重要的PAT方案中，美国T16rmoTrex研究所提出的采用原子滤光器的方案相当成熟。在接收端采用性能优异的超窄带宽的原子滤光器可以展宽视场角，所以较容易捕获发射的激光束。而且原子滤光器对太阳背景辐射有很强的抑制作用，发射的信标信号光不会被强噪声覆盖（1）捕获。在大视场范围内捕获目标，其范围可达或更大。通常由阵列CCD实现，并与带通光滤波器信号实时处理的饲服执行机构来完成捕获。（2）跟踪、瞄准。在捕获之后，进行目标的跟踪、瞄准。通常由四象限红外探测器QD或Q－APD位敏传感器，配以相应的电子学饲服控制系统来实现。要求视场为几百微弧度。3、信道分析及压缩编码技术自由空间光通信的信道是随机信道。因此保证在随机信道中正常对待光通信的研究十分重要。自适应光学技术是逐渐走向实用化的一项技术。为了在自由空间光通信目前还十分有限的调制带宽内更大容量地传输多路信号提供保证，信号压缩编码技术发展迅速，其中小波技术由于具有优良的时频分析能力和变焦性能，因而能有效地应用于空间数据压缩和解压缩。此外还需建立光通信网上空间数据（特别是影像数据）的压缩和解压缩模型，实现空间数据的无约束通信。5.应用前景——理想的最后一公里宽带接入方案[7]随着我国通信传输骨干网建设的日趋完善，人们急需最后一公里大容量信息的快速接入，设备运营商们也提出了多种宽带接入方案，常用的宽带接入方式如下表所我们从表中可知，FSO较其它接入方式具有如下优、缺点。优点：(1)无需频谱许可证。由于FSO属于无线光通信，设备之间不存在频率干扰的问题，所以也就不需要向国家主管部门申请频率许可证。(2)带宽高。FSO设备一般都可实现2M～2.5Gb/s的速率，理论上还可以支持更高速率的业务传输。(3)安全保密性强。由于FSO波束定向性好，一般采用非可视光，夜间使用也不会被发现。因此无法探测链路位置，更不存在窃听问题。(4)协议透明。FSO是以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。(5)成本低。FSO的成本是光纤到大楼的1/10-1/3。(6)机动灵活。由于设备体积小，易于快速安装开通。就是转移地方，也很方便。缺点：(1)对天气敏感。FSO设备对大气比较敏感，一般遇到大风、大雾、沙尘等恶劣天气时，对传输业务质量会造成较大影响。(2)为了使FSO能够传输更远距离的业务，设备厂商一般都会采用加大激光器功率，这在一定程度上可能会造成对人体的伤害。综上所述我们可以看到，FSO作为宽带接入具有很大的优势，是较为理想的解决最后一公里宽带接入方案。它不仅用于无线宽带接入，还可作为光纤通信系统的备份、城域网的扩展，非常适用于企业网、校园网等局域网，实现各局域网网段之间的互联互通。FSO系统在应用时，也常常会遇到的一些实际问题（如通信链路的阻断、安装点之间建筑物晃动造成激光不易对准、恶劣天气条件等），但经过技术人员的努力都得以解决，已有措施确保达到一定的可靠性。6.结束语由于FSO自身固有的特点，它作为一种宽带接入技术，以其灵活方便的接入方式，在较短距离的情况下，以低廉的成本投资可获得光纤传送的容量。特别是无需向主管部门申请频率和许可证，在不便于铺设光缆或安装微波的环境下，FSO可作为一种新的接入选择。结合我国现阶段宽带网络的实际情况--许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM－1或更高），FSO不失为一种解决最后一公里瓶颈问题的有效途径。FSO系统解决了宽带网络的最后一公里的接入，实现了光纤到桌面，完成语音、数据、图像的高速传输