无线光通信及其应用

1无线光通信系统的构成 无线光通信系统以大气作为传播媒质来进行光信号的传送。只要在合适距离的收发两个端机之间存在无遮挡的视距途径和足够的光发射功率，即可实现无线光通信。 无线光通信系统的一般原理如图1所示，由激光源、掺铒光纤放大器、发射光学系统、接受光学系统和接受机等构成，具体仪器涉及专用望远物镜、原则光收发机和高功率的Er/Yb光放大器等，其中望远物镜和光收发送机组合在一起。其核心技术是多径发射和使用放大器补偿光通道损耗。 在点对点传播的状况下，每一端都设有光发射机和光接受机，可以实现全双工通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的发射光学系统，将光信号通过大气信道传送到接受机望远镜；接受机望远镜收集接受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。 由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，FSO系统一般选用透过率较好的波段窗口，最常用的光学波长是近红外光谱中的850nm；尚有某些FSO系统使用1500nm波长频段，可以支持更大的系统功率。2无线光通信系统的长处 目前，虽然无线光通信技术尚有待成熟，但它以独特的方式、显着的长处，拥有着巨大的市场潜能。 (1)频带宽，速率高 理论上，无线光通信的传播带宽与光纤通信的传播带宽相似。光纤通信中的光信号在光纤介质中传播，而FSO的光信号在空气介质中传播。目前国外无线光通信系统一般使用1550nm波长（频率约为1.935105GHz）频段，传播速率可达10Gbit/s(42.5Gbit/s)，即可完毕12万个话路，其传播距离可达5km。国内无线光通信系统一般使用850nm波长（频率约为3.529105GHz）技术，速率为10Mbit/s155Mbit/s，传播距离可达4km。 (2)频谱资源丰富 与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传播方式，有非常丰富的频谱资源，无需向无线电管理部门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互相干扰。 (3)合用多种通信合同 无线光通信产品作为一种物理层的传播设备，可以用在SDH、ATM、以太网、迅速以太网等常用的通信网络中，并可支持2.5Gbit/s的传播速率，合用于传播数据、声音和影像等信息。 (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，能完毕地对空、空对空等多种光纤通信无法完毕的通信任务，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)传播保密性好 无线光通信的安全性是非常显着的。无线光通信具有较好的方向性和非常窄的波束，因此，对其窃听和人为干扰几乎是不也许的。 3无线光通信的应用 无线光通信的重要应用可归结为如下几种方面。 (1)在不具有有线接入条件或原带宽局限性时提供高效的接入方案 无线光通信可以不必在都市内破路埋线而迅速地在楼宇间实现宽带数字通信，也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传播。在1994年，加里福尼亚的ThermoTrex公司，成功地进行了在相距42km、海拔高度为2133m的两座山峰之间的传播实验，传播数速率为1.2Gbit/s。 (2)有效解决“最后一公里”问题 无线光通信可以解决多种业务接入的“最后一公里”问题，提高顾客接入端的传播容量和速度，可以较好地满足电信网、有线电视网和IP网三网合一对带宽的规定。 (3)力助局域网互联 FSO提供了临近局域网之间互连互通的选择方案，不仅可以解决局域网内顾客接入的高速传播问题，还可以便地实现局域网之间的连接，形成更大范畴的城域网和广域网。 (4)应急备用方案 无线光通信可以作为有线通信线路故障或紧急抢险时的应急备用链路，也可作为大型临时活动的通信解决方案。 (5)迅速组建电信网络 对于新兴的电信网络运营商来说，无线光通信网络可以协助其迅速组建本地网，以较少的资金、人力和时间完毕城域网建设；对于老式的电信网络运营商来讲，无线光通信网络系统可以作为其光缆传播系统的补充，用于不便铺设光缆的区域。建设周期短、所需费用少，无线光通信网络系统可以实现先组网再销售的商业模式。 此外，FSO在卫星间、卫星与地面站间有着重要的应用。如在1995年美国与日本所进行的联合实验中，实现了日本菊花-6卫星与美国大气观测卫星相距39000km的双向光通信。这是一种远距离通信应用，目前仍在研发之中，但卫星间光通信具有容量大、不需进行ITU国际协调等优势，将成为重要的卫星通信手段之一。4存在的问题 虽然无线光通信网络系统独具魅力，拥有大量潜在的应用市场，但也存在许多有待完善的地方。目前，其重要问题有： (1)收发端对准问题 FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接受机之间需要严格的视距传播条件才干实现通信。当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下设备会发生摆动，这样便会影响激光器的对准精度。楼宇构造中某些部分的热胀或轻微地震等因素，有时也会导致发射机和接受机无法对准。 (2)大气媒介的影响 恶劣的天气状况，会对FSO的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生不同限度的偏差。大气中的粒子还也许吸取激光的能量，使信号的功率衰减。衡量FSO信号可靠性指标之一LINKMARGIN，单位为dB，其意义为FSO设备正常工作所容许的最大功率损耗。一种典型的FSO系统的LINKMARGIN值为20dB，即在天气晴好的条件下，光信号每公里的功率损耗大概为1dB，也就是说，一般无线光通信系统的最大工作距离是20公里。FSO采用的红外光在空气中传播时易受多种气候因素的影响，如雨、强烈日光等。在大雾天气下，信号衰减可达到每公里400dB，这使FSO系统的有效工作距离不到50米，甚至比无线局域网传播距离还要短。因此，FSO需要谋求一种最优波长频率，并在通信链路中找出波长与性能的最优组合。 (3)传播距离与信号质量的矛盾突出 FSO传播距离越大，光束就会越宽，接受端收到的光信号质量越差。目前较远距离的大气激光通信的研究还没有获得突破性进展。 (4)激光的安全问题 激光束的安全性是FSO系统必须考虑的问题。光信号发射功率必须限制在保证人类眼睛安全的功率范畴内，这也限制了FSO的通信距离。 5总结 无线光通信作为一种快捷的宽带网实现方式，已经逐渐成为现实。本文简朴简介了无线光通信的基本概念、系统的构成、特点和优势，以及在通信领域的应用及研究状况，同步也分析了其存在的技术问题。 无线光通信系统将来的研究将集中在增长传播容量、延长传播距离、自动方向对准、减少设备成本等方面。如果这些问题能得到有效解决，那么FSO将发挥巨大潜能和优势,成为无线通信领域的一种新亮点。随着信息化社会的到来，通信技术也得到了日新月异的发展。在过去的几年中，人们对传播速率的规定越来越高，使用高速率数据传播的顾客数量每年都在递增，光纤通信由于能传播高速率的数据，成为广域通信网的骨干网络，如今在广域通信网中80%以上的信息是通过光纤传播的。但是从光纤骨干网到顾客之间的最后一英里，如果铺设光缆，不仅耗费大并且耗时；许多无线通信技术可以解决最后一英里的问题，但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照，不仅要使顾客支付大量的频率占用费，并且申请也要耗费数月的时间。 无线光通信由于无需频率申请，机型小以便架设，可以简朴的解决最后一英里的问题，为宽带接入的迅速部署提供一种灵活的解决方案。 无线光通信可在如下某些范畴发挥重要作用： 可以作为避免服务中断的光纤通信和微波通信的备份； 可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传； 应用于近距离高速网的建设以及最后一英里接入； 不适宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方； 在军事设施或其她要害部门需要严格保密的场合； 用于公司内部网互连和数据传播。 1 无线光通信系统的构成 无线光通信系统是以大气作为传播媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距途径和足够的光发射功率，就可以进行通信。 一种无线光通信系统涉及三个基本部分：发射机、信道和接受机。在点对点传播的状况下，每一端都设有光发射机和光接受机，可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。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受机望远镜；在接受机中，望远镜收集接受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。对基于FSO的系统来说，最常用的光学波长是近红外光谱中的850 nm；尚有某些基于FSO的系统使用1500 nm的波长，可以支持更大的系统功率。 2 无线光通信系统的特点和优势 2.1 频带宽，速率高 从理论上讲，FSO的传播带宽与光纤通信的传播带宽相似，只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传播，而FSO的光信号在空气介质中传播。FSO产品目前最高速率可达2.5 Gbit/s，最远可传送4 km。 2.2 频谱资源丰富 与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传播，有相称丰富的频谱资源，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。 2.3 合用任何通信合同 合用于任何环境，不依赖某种合同。目前通信网络常用的SDH、ATM、以太网、迅速以太网等都能通过，并可支持2.5 Gbit/s的传播速率，用于传播数据、声音和影像等多种信息。 2.4 架设灵活便捷 FSO可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完毕地对空、空对空等多种光纤通信无法完毕的通信任务，并且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，以便快捷，大大缩短了施工周期。 2.5 安全可靠 无线光通信的安全性是非常明显的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不也许的。 2.6 经济 光纤网络的成本一般很高，铺设过程耗时，并且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。 3 无线光通信系统存在的问题 FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接受机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼构造中某些部分的热胀或轻微的地震等因素，有时也会导致发射机和接受机无法对准。 恶劣的天气状况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸取激光的能量，衰减信号的发射功率。 传播距离与信号质量的矛盾非常突出，传播距离越大，光束就会越宽，接受的光信号质量越差。 激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范畴内。 4 国外研究现状 在FSO领域，国外已经开始了将近的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是近来几年的事情。在FSO这个领域里，国外几种大的FSO厂家，涉及LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。 LightPointe将自由空间光学技术用于发明、设计和制造电信公司级别的光传播设备，向电信服务商提供比老式光缆传播速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。LightPointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传播，速度最高可达2.5 Gbit/s，产品适应性强，可解决都市地区的连接问题。 AirFiber位于美国加洲San Diego，重要服务于大都市大楼宽带接入。它的产品称为OptiMesh，网络构造为网眼状拓扑构造，冗余备份短距离622 Mbit/s无线光传播系统。 Canon重要产品有：Canobeam DT-50，速率从25 Mbit/s到622 Mbit/s，可连接 FastEthernnet、FDDI、ATM。特点是具有自动跟踪系统，调节探测器件的位置以检测激光束的光轴，因此不因建筑物的摆动而使传播中断。同步，镜头自动跟踪特性增长传播距离达2 km。Canobeam III：数据速率达到622 Mbit/s，有不同的网络接口，如ATM、FDDI、Fast Ethernet，并可选择SNMP 的TCP/IP。 TeraBeam Internet Systems产品是基于IP 的无光纤点到多点网络，发送和接受机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。 5 国内研究现状 目前在中国，无线光纤技术基本处在起步阶段，有几家公司在实验室作出了样机，但是没有规模性的生产，重要因素有FSO自身的可靠性问题，某些人对FSO技术存有一定限度的误解和疑虑；尚有某些顾客对FSO技术理解不多。 桂林三十四所、清华同方有限公司、中科院成都光电技术研究所、深圳飞通有限公司、上海光机所等几家单位，有比较成熟的样机。 桂林三十四所产品的重要性能参数有如下某些，传播速率：8 Mbit/s，34 Mbit/s，155 Mbit/s；工作波长：850 nm；通信距离：14 km；光发射功率：不不小于40 mW。 清华同方推出了面向将来的无线光链路的自由空间通信产品OWLink E100。清华同方在迅速追踪系统具有自动校准功能获得了专利，其产品还遵循眼睛安全原则。 中科院成都光电技术研究所，开发的产品重要性能参数有传播速率:10 Mbit/s；工作波长：850 nm；通信距离：14 km；发射功率：330 mW。 上海光机所承当的无线激光通信系统具有双向高速传播和自动跟踪功能。其传播速率可以达到622 Mbit/s，通信距离可以达到2 km。自动跟踪系统采用双波长同光路接受镜筒和高敏捷度位敏探测器，实现敏捷的伺服跟踪。 深圳飞通有限公司开发出的样机，其速率有155 Mbit/s、622 Mbit/s以及1.25 Gbit/s几种，通信距离最远可达4 km。 6 FSO研究的发展趋势 FSO目前存在的问题重要集中在下面几种方面：针对大楼摆动的瞄准问题；大气中粒子对光线的散射、吸取问题；提高传播速率问题。这些问题影响了传播的可靠性，因此对这些问题的研究成为FSO的发展方向。 6.1 发射、接受的瞄准的研究 在大风中或因地震引起大楼的摆动，发射机发送的光信号对不准接受机，产生的误差大，甚至通信无法实现。目前的研究方向在于提高激光的瞄准，如何运用非机械装置来实现精确的对准和迅速瞄准；在接受机方面，散射光线也带有信息，接受散射光线越多，接受的信号能量越大，但同步接受的噪声也越大，因此尽量提高接受机接受信号总功率，又不能减少信噪比成为研究目的。 6.2 减小大气对通信的影响 在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸取窗口、不同的散射函数以及不同的折射率，需要谋求一种最优波长，在通信链路中找出波长与性能的最优组合。 6.3 传播速率的提高 FSO相对于其她接入设备最大的优势之一就是带宽。目前FSO产品的速率从2 Mbit/s开始，形成多种系列，比较典型的有10 Mbit/s、100 Mbit/s、155 Mbit/s、622 Mbit/s。有的公司采用波分复用技术，速率可以达到2.5 Gbit/s、10 Gbit/s。 综上所述， FSO的发展方向是解决大楼的抖动引起的对不准问题、大气微粒的散射问题、大气湍流影响通信问题，提高系统可靠性，在此基本上提高传播速率，使FSO发挥最大优势。 7 结束语 无线光通信已经成为现实，它是连接宽带网的一种快捷措施。文中具体地简介了国内外目前对FSO的研究以及研究成果，分析了目前存在的问题， 如果这些问题能得到解决，那么必能发挥FSO的最大潜能和优势。随着无线光通信技术的不断完善，它一定可以得到广泛的应用。从古人的烽火台传递信息到目前的SONET/SDH，以及到将来的光孤子通信和全光通信，人类的光通信历史可谓渊远流长。但无线光通信技术作为一种光通信技术，却只有三十近年的研究历史。初期，由于光学器件制导致本较高，无线光通信的研究仅限于星际通信和国防通信领域。近年来，由于光通信器件制造技术的飞速发展，使无线光通信设备的制导致本大大下降，人们才又逐渐开始了无线光通信的民用研究。无线光通信在业内被称为 Free Space Optical (FSO)，顾名思义，FSO是一种无需光纤的通信手段，它是现代光纤通信的有利补充，具有如下特点： 迅速链路部署。由于无需埋设光纤，施工周期大大缩减，一般只需要几种小时便可以竣工。这对于电信运营商来讲，无疑是迅速抢占市场的最佳选择。拥有光纤传播的性能。理论上，无线光通信的传播带宽与光纤通信的传播带宽相似。只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传播，无线光通信的光信号在空气介质中传播。因此也有人把无线光通信技术称为虚拟光纤通信技术。无线光通信产品作为一种物理层的传播设备，可以不依赖于任何合同。与微波无线通信相比，无线光通信产品不需要申请频率使用权。目前世界各厂商提供的设备多工作于红外频带，该频带有相称丰富的频谱资源，且在全世界范畴内均不受管制，这为无线光通信技术的灵活应用提供了有利条件。传播保密性好。由于它的波束很窄，是不可见的，很难在空中发现一条业务链路。同步，这些波束又非常定向，是对准某一接受机的，如想截接，就需要用另一部接受机在视距内对准发射机，还需要懂得如何接受信号，这是很难做到的。虽然被截接，顾客也会发现，由于链路被中断了。因此，FSO比一般的无线系统安全得多。一 无线光通信在局域网连接中的应用图1：局域网的延伸在校园网、社区网或大公司的内部网建设中，常常会遇到这样一种状况：马路对面的新建大楼急需接通，可挖路许可权却迟迟不能得到批准或者主线就无法取到。这时候无线光通信技术便可以大显身手。如图1所示。其中，SNMP（简朴网络管理器为可选项）。无线光通信设备配备原则RJ45接口或光接口，且对合同透明，可以非常以便的完毕局域网的连接。美国LightPointe公司针对于不同的应用场合，开发了三种系列的产品，可用于不同的网络层次中： FlightLite及FlightPath系列带宽从10M-1.25Gb/p，可以解决Access Layer(接入层)的应用，例如，当一种社区的一处居民楼离控制中心较远这时采用无线光通信的接入方案能较好的解决该处居民楼的联网问题。 FlightSpectrum产品系列可解决 Core Layer(核心层)的应用。一般状况下核心层要保证数据通信的迅速，因此需要较高的带宽，FlightSpectrum 产品系列产品较好的解决了相距较远（1-4KM）较高带宽（155M-2.5G）规定的应用。二 无线光通信在城域、边沿网建设中的应用图2：城域网的建设及扩展随着社会经济的飞速进步，都市建设的步伐和力度也在不断加大，都市的覆盖面积也在不断增长。早在几年前，各大运营商在抢占通信市场的时候，纷纷着手建设自己的基本网络设施。目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达10G，已基本上可以满足数据通信的需求。随着都市的发展，以往的郊区也逐渐被纳入到都市中心来，如何高效、低成本的实现城域网的扩展，迅速占领新市场，越来越成为各大电信运营商关注的问题。图2所示为一种采用无线光通信技术的解决方案。在这种方案中，无线光通信技术集中呈现了高带宽的魅力，这种连接方式可以满足都市边沿网通信中对数据通信带宽的需求。由于它具有建设周期短，投入小的特点，已被欧美某些电信运营商采用。三 无线光通信在最后一公里接入中的应用图3：光纤到楼由于接入Internet 的需求不断的增长，越来越多的公司，团队，个人规定加入Internet但由于多种实际因素例如公路开挖，敏感地区对微波使用的限制，诸多接入没有方案解决，无线光通信输入的诞生为运营商抢占市场提供了一种可行的解决方案。四 无线光通信在移动通信中的应用移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将来对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。自从1981年第一代的以FDMA技术为基本的模拟通信系统建立使用以来，移动通信技术组建演变为以TDMA技术为基本的第二代数字蜂窝移动通信。目前，随着移动电话顾客的迅猛增长和移动数据业务的推广，无线网络需要具有更高的带宽和容量。既有的第二代移动通信系统已不能满足这一规定，从而使3G(第三代移动通信技术)成为当今电信业的热点。如何充足地运用既有资源，在最低投入、最迅速度的状况下实现从既有的第二代网络(2G)向第三代网络(3G)平化过渡，成为移动网络运营商最为关注的问题。无线光通信技术作为一种接入技术，由于其自身的特点和在施工、带宽、成本等方面的长处，已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。下面具体简介无线通信技术在移动网建设中的应用。图4 无线光通信技术在2G网中的应用图4所示为一种采用无线光通信技术连接的2G移动网的构造图。主干网到距离近来的天线之间采用光纤连接，经NE1接口转换器后，由无线光通信设备再连接到其他天线，所有的天线可以共用一种基站，具有如下长处：* 省却基站到天线之间的链路铺设，缩短了施工时间和施工费用* 可以多种天线共用一种基站，减少了基站数目* 大大减少了基站与中心节点之间的光纤铺设费用*无线光通信技术采用红外激光传播，相邻设备之间不会产生干扰。如图5 所示为目前2G网的微蜂窝构造。按照抱负状况，蜂窝社区的天线应架设在蜂窝社区的中心，这样才干保证对社区内的顾客提供最佳服务，也使相邻社区间的发射干扰降为最小，如图5（a）所示。但在网络的实际建设过程中，由于建筑或其他地理条件因素，基站和天线无法架设在社区中心位置，由于布线的因素，也无法将基站与天线分开，天线往往与抱负位置间有一定的偏差，如图5(b)。2G网中，该偏差相对于微蜂窝直径较小，导致的影响并不十分明显。在2G网向3G网过渡的过程中，微蜂窝的设计直径变小，网格构造变细（根据业务量的多少，微微蜂窝的半径也许会小到500米）。这时天线的偏离便会对通信质量导致较大的影响。无线光通信技术的引入为解决这一问题带来了以便。如图5（c）所示，由于基站和天线之间采用无线光通信设备连接，基站位置可保持不变，而将天线移动到网格中心。运营商只需作很小的投入便可以完毕天线的架设。图5微蜂窝构造的天线架设事实上，无线光通信技术作为一种宽带接入技术，在目前的通信市场中有极为广阔的应用，据Strategis Group预测，无线光通信设备的全球市场到，将会上升到20亿美元。