無線光通信(FSO),無線光通信(FSO)的特點及原理/前景

無線光通信(FSO),無線光通信(FSO)的特點及原理/前景是什么?

是指無線激光通信(OWC)，又稱自由空間激光通信(FSO)。自從1960年激光的出現(xiàn)以來，許多學(xué)科的發(fā)展都得到極大地促進了，而其在通訊領(lǐng)域的表現(xiàn)尤為突出。激光良好的單色性、方向性、相干性及高亮度性等特點正是光通信所需的理想光源，將激光用于通信的想法隨之產(chǎn)生，從此掀開了現(xiàn)代光通信史上嶄新的一頁，經(jīng)過近40年的努力，各項基本技術(shù)有了很大的發(fā)展，在當今的信息傳遞中占有非常重要的地位。

激光通信 是利用激光光束作為信息載體來傳遞信息的一種通信方式，和傳統(tǒng)的電通信一樣，激光通信可分為有線激光通信和無線激光通信兩種形式。有線激光通信就是近二、三十年來迅猛發(fā)展起來的以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒質(zhì)的光纖通信，目前己成為高速有線信息傳輸?shù)墓歉?，具有了相當?shù)囊?guī)模，正在逐步取代傳統(tǒng)的電纜通信。但必須有安裝光纜用的各種基本敷設(shè)條件，當遇到惡劣地形條件時，工程施工難度大，建設(shè)周期長，費用高。

無線激光通信也稱自由空間激光通信，它不使用光纖等導(dǎo)波介質(zhì)，直接利用激光在大氣或外太空中進行信號傳遞，可進行語音、數(shù)據(jù)、電視、多媒體圖像的高速雙向傳送，不僅包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，還包括地面站的光通信，是目前國際上的一大研究熱點，世界上各主要技術(shù)強國正投入大量人力和物力來爭奪這一領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

根據(jù)其使用情況，無線光通信可分為:點對點、點對多點、環(huán)形或網(wǎng)格狀通信。而從光可以有一定穿透能力的介質(zhì)來看，光在自由空間的傳播介質(zhì)有近地面大氣層、遠離地面的深空和水三種，因此，根據(jù)其傳輸信道特征則又可分為:大氣激光通信、星際(深空)激光通信和水下激光通信。

按傳輸信道特征，目前研究開發(fā)的范疇可劃分如下:?

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現(xiàn)代社會信息的日益膨脹，使信息傳輸容量劇增，現(xiàn)行的無線微波通信出現(xiàn)頻帶擁擠，資源缺乏現(xiàn)象，開發(fā)大容量、高碼率的無線激光通信是未來空間通信發(fā)展的主要趨勢，和光纖通信對常規(guī)電纜通信的逐步替代相類似，有關(guān)專家認為，無線激光通信是今后發(fā)展衛(wèi)星高碼率通信的最佳解決方案，在商業(yè)上，未來的“無線”激光通信將提供一個立體的交叉光網(wǎng)絡(luò)，在大氣層內(nèi)外和外太空衛(wèi)星上形成龐大的高速率、大容量的通信，再與地面的光纖通信網(wǎng)相連接，提供未來所需的各種通信業(yè)務(wù)需求。

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無線光通信的優(yōu)勢與特點
無線光通信是以激光為傳輸載體以大氣為傳輸媒介的通信方式，與傳統(tǒng)的通信方式相比較，無線光通信主要的優(yōu)點是：

1、架設(shè)靈活便捷，OWC可以翻越山頭，以及在江河湖海上進行通信，可以完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)。因此OWC對于解決最后公里的寬帶接入，對于應(yīng)用于企業(yè)和校園網(wǎng)絡(luò)，以及作為光纖冗余鏈路、無線臨時傳輸手段等，有著極大的應(yīng)用價值。OWC可以在幾小時內(nèi)把寬帶信道接到任何地方，而無需埋設(shè)光纖，因此大大縮短了施工周期，這對于通信運營商來說，是一種快速搶占市場的極好選擇。

2、微米級的波束發(fā)散角和穩(wěn)定的方向。波束發(fā)散角與波長成正比。激光通信的工作波長一般在微米量級或更小，而和微波通信的波長范圍在數(shù)百米到亞厘米之間。因此，激光通信的光束發(fā)散角比RP和微波通信至少小3到4個數(shù)量級，大約在10微弧度左右。這在軍事應(yīng)用上具有非常重要的意義，因為捕捉這么窄的光束是非常困難的，從而大大提高了軍事通信的保密性。

3、設(shè)備對電源量需求很低，只需幾伏，采用本地供電，并且供電方式多種多樣。

4、常輕小的天線尺寸和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。天線尺寸與工作波長有關(guān)，波長越短，所需的天線就越小。由于激光通信的波長遠小于RF和微波通信的波長，在同樣功能和條件下，激光通信的天線尺寸遠小干RF和微波通信的天線尺寸。因此，激光通信系統(tǒng)的重量和體積相對就顯得非常輕小。這有利于激光通信在各種航天器上的應(yīng)用，尤其是在小衛(wèi)星上的應(yīng)用。

5、高數(shù)據(jù)傳輸率。對激光脈沖進行調(diào)制解調(diào)后，激光通信可以提供高達10Gbps(每秒千兆位)量級的數(shù)據(jù)傳輸率，遠遠高于目前RF及微波通信傳輸速度。

6、低發(fā)射功率，高接收功率。對于接收端而言，有效接收功率與波束發(fā)散角的平方成反比。由于激光通信的波束發(fā)散角遠小于RP和微波通信。因此，在距離相同的情況下，較之RF和微波通信，激光通信可以用更小的發(fā)射功率獲得更高的接收功率。

7、新的通信頻帶。由于激光通信的波長遠小于RF和微波通信，因此其工作頻率比目前擁擠的無線電通信頻率高許多，為信息傳輸提供了新的通信頻帶。

8、 適用任何通信協(xié)議，OWC產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備，可以適應(yīng)任何通信協(xié)議，如SONET, SONET/SDH, ATM(異步傳輸模式)、FD-DI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)、Ethernet(以太網(wǎng))、Fast Ethernet(快速以太網(wǎng))等，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等各種信息。

9、 傳輸容量大，微波頻率大致在數(shù)GHz到數(shù)十GHz量級，而激光的頻率大致在數(shù)百.THz量級，比微波高3-5個數(shù)量級，因而可以得到高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。

10、經(jīng)濟性強。沒有任何設(shè)計、勘察、工程和線路費等附加費用，較其它如衛(wèi)星站、短波和光纜等手段每兆比特的傳輸費用更為經(jīng)濟。

從上述的特點可以看出，激光通信在科學(xué)研究和軍事領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用，而它在商業(yè)上的應(yīng)用前景更為廣泛，潛力也更為巨大。在當今信息社會中，對于各種各樣的通信網(wǎng)絡(luò)和信息傳輸工具(如INTERNET、電話、電視等)來說，低的數(shù)據(jù)傳輸率和越來越擁擠的通信頻帶己成為阻礙其發(fā)展的難以逾越的瓶頸。而激光通信所提供的高達10Gbps級的數(shù)據(jù)傳輸率和新的通信頻帶，是徹底、全面解決上述問題的希望所在。

無線光通信及其應(yīng)用
無線光通信系統(tǒng)主要由光源、調(diào)制器、光發(fā)射機、光接收機及附加電信發(fā)送和接收設(shè)備等組成，只要相互進行瞄準即可進行通信。無線光通信除具有不擠占頻帶，通信容量大，傳輸速率高等無線激光通信的優(yōu)點外，還具有機動靈活、經(jīng)濟、架設(shè)快捷、使用方便，不影響市政建設(shè)等特點。隨著大氣通信技術(shù)的成熟，它的應(yīng)用將會越來越廣泛，根據(jù)其特點，它潛在的應(yīng)用場合有:

(1) 民用上可用于移動基站間的互連，單位內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸及小范圍內(nèi)局域網(wǎng)建設(shè)如校園網(wǎng)的組建，需嚴格保密的場合及要害部門，技術(shù)上或經(jīng)濟上不宜敷設(shè)光纜的地區(qū)如軍工、國防部門，核電站、邊遠山區(qū)、江河兩岸間、高山間等，以及用于災(zāi)區(qū)、事故地點的快速搶通等。

OWC最大的成功來自于校園局域網(wǎng)連接市場。這種應(yīng)用包括連接編輯室和廣播站，或者作為一棟大型綜合大樓兩個高速傳輸節(jié)點之間的通信手段。在光纖主干鏈路被切斷或網(wǎng)路因惡劣天氣被破壞以及其它突發(fā)事件時，OWC可以作為緊急情況備用和災(zāi)難后的恢復(fù)措施。另外，OWC還可以應(yīng)付一些其它情況，如在光纖要通過河流或高速公路時，或在一些交通擁擠和地形復(fù)雜的城市，政府通常不希望挖開街道鋪設(shè)光纖，OWC也可以作為一種很好的替代方式。有關(guān)專家指出，在未來的移動通信網(wǎng)建設(shè)中，無線光通信系統(tǒng)將用于最后一公里的接入。

(2) 軍事上則可應(yīng)用于戰(zhàn)斗打響前無線電靜默期間的短距離通信，或戰(zhàn)斗打響后的保密通信，海岸與海岸之間、海島之間，邊防哨所之間，艦船之間，導(dǎo)彈發(fā)射現(xiàn)場與指揮中心之間的短距離通信等。

無線光通信的缺點
是受天氣狀況、地形條件、外來物的影響較大，難以實現(xiàn)全天候，超視距的通信，這是一直困擾大氣工程師的問題，也是無線光通信無法推廣使用的原因，一旦無線光通信技術(shù)能克服氣候因素的影響，能實行全天候通信，無線光通信不失為一種非常好的通信手段。

無線光通信的發(fā)展狀況
從激光出現(xiàn)至今，大氣激光通信技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)過了高峰—低谷—復(fù)蘇三個階段。60-70年代，研究高峰期，人們對激光在通訊方面的巨大潛在應(yīng)用充滿了興趣，成為無線光通信發(fā)展史上最輝煌的時期，國際上掀起了研究大氣激光通信機的高潮.1961年美國貝爾試驗室和休斯公司分別用紅寶石激光器和氮--氖激光器作了大氣通信實驗，60年代中期，C02激光器和 Nd:YAG 激光器的發(fā)明，使大氣激光通信又向前邁進了一步，尤其是C02激光器.它發(fā)射的波長為10.6km ,正好處于大氣信道傳輸?shù)牡蛽p耗窗口，逐漸成為大氣激光通信的主要候選光源。60年代中期以后涌現(xiàn)了許多大氣激光通信實驗系統(tǒng)，其中包括10.6微米外差探測電視信號傳輸實驗系統(tǒng)，傳輸距離19英里，30Mbit/s脈沖偏碼調(diào)制通信實驗系統(tǒng)，傳輸距離S英里；10.6微米, 224Mbit/s脈沖編碼通信實驗系統(tǒng)等等。與此同時，光調(diào)制技術(shù)和探測技術(shù)也得到了一定的發(fā)展。由于當時技術(shù)條件的限制，此時的大氣激光通信系統(tǒng)受氣候條件的影響很大，只能在晴好及小雨天氣下進行短距離的通信，遇到大霧大雨等惡劣天氣則無法通信，此外，由于受大氣湍流影響，通信質(zhì)量也很不穩(wěn)定，因而其應(yīng)用場合大受限制，無法推廣。70-80年代，衰落期。進入70年代后，隨著低損耗光纖的問世和光纖通信的迅猛發(fā)展，人們對大氣激光通信逐漸失去了興趣甚至有人指出走大氣激光通信的道路是一條死胡同，根本走不通，它便在轟轟烈烈的光纖通信研究熱潮中逐漸消退，到了80年代中后期，國際國內(nèi)大部分從事激光大氣通信技術(shù)研究的單位相繼停止了對它的進一步研究，近20年來，該項技術(shù)沒有取得多大進展，大氣激光通信的發(fā)展步入了低谷。但由于其良好的保密性及在軍方的巨大潛在應(yīng)用，少數(shù)幾個財力雄厚的國家特別是軍方?jīng)]有放棄它。進入 90 年代后，隨著大功率半導(dǎo)體激光器器件的研制成功、激光技術(shù)、光電探測等關(guān)鍵技術(shù)和日益完善與成熟，以及空間通信需求的日益增加，無線光通信重新喚起了人們的熱情，在探索大容量、高數(shù)碼通信的研究中大氣激光通信技術(shù)悄然復(fù)蘇并逐漸走向?qū)嵱没?988年，巴西AVIBRAS宇航公司研制出一種便攜式半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)，其外形如一架雙筒望遠鏡，在上面安裝了激光二極管和麥克風(fēng)，將一端對準另一端即可通信，通信距離lkm ，如果將光學(xué)天線固定下來，通信距離可達15km。 1989 年 美國 FARANTI儀器公司研制出一種短距離、隱藏式大氣激光通信系統(tǒng)。1990年，美國又成功試驗了一種適合特種戰(zhàn)爭和低強度戰(zhàn)爭需要的紫外光波通信系統(tǒng)，通信距離2-5km。與此同時，俄羅斯進行的激光大氣通信系統(tǒng)技術(shù)的實用化研究也取得實質(zhì)性進展，推出lOkm以內(nèi)的半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)并在莫斯科、瓦洛涅什、圖拉等城市投入應(yīng)用。五年前在瓦洛涅什城瓦洛涅什河兩岸相距4km的兩個能源站之間架設(shè)的半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)(該系統(tǒng)同時傳輸8路數(shù)學(xué)電話〕，如今仍穩(wěn)定運行。而在距瓦洛涅什城約200km以及在距莫斯科不遠的地方也開通了半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)線路。俄羅斯專家普遍認為:半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)在一定的視距內(nèi)有效地實現(xiàn)全天候通信是完全可能的。近年來， 美國、日本、英國等國家相繼推出了一些大氣激光通信系統(tǒng)產(chǎn)品，比如美國Terra公司的一系列大氣光通信產(chǎn)品，日本佳能的無線光通信系統(tǒng)等，1999年木朗訊公司在深圳首屆高交會上首先發(fā)表了一個短距離激光無線多媒體通信系統(tǒng)樣機(采用1550nm激光)。2000年悉尼奧運會期間，美國的Terabeam與IacentTechnology合作，在水上中心與演播中心之間建立了8波道的無線數(shù)據(jù)通信鏈路，運行期間始終保持暢通，效果良好。2001年8月，Terabeam又成功地為MicrosoftCorporation年度員工大會提供了無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

國內(nèi)從事OWC技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)的單位主要有華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、上海光機所、信息產(chǎn)業(yè)部第34研究所和廣東工業(yè)大學(xué)等。2001年4月激光大氣通信機在廣西桂林研制成功。該通信機以半導(dǎo)體激光器為光源，用兩套設(shè)備構(gòu)成點對點無線通信系統(tǒng)，可傳輸多種速率的數(shù)據(jù)和圖像，直線視距全天候通信距離達4千米口該激光大氣通信機具有體積小、組網(wǎng)靈活、無電磁干擾、可靠性強等特點。2003年1月上海光機所信息光學(xué)實驗室研制成功的無線激光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能，兼有體積小重量輕的特點。

無線光通信的前景
雖然光纖技術(shù)正得到不斷地推廣使用，但隨著高速本地環(huán)路網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需求地不斷增長，實施光纖網(wǎng)絡(luò)遭遇到的布線難與成本高的問題日益突出。OWC技術(shù)既能提供類似于光纖的速率，又不需在頻譜這樣的稀有資源方面有很大的初始投資，因此備受關(guān)注也是理所當然的。據(jù)統(tǒng)計，即使在通信發(fā)達的美國，幾乎90%的辦公大樓與業(yè)務(wù)提供商之間也沒有光纖連接，因為用光纖連接是非常昂貴的。根據(jù)AirFiber公司的分析，在美國，如采用OWC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置，每大樓的成本約為2萬美元，平均鏈路長度為55米，最長為200米，只需2--3天就能安裝完畢。相反，如用光纖連接大樓，則每大樓需5-20萬美元，通常需要4-12個月才能連通。因此，與光纖線路相比，OWC系統(tǒng)不僅安裝方便、建設(shè)迅速，而且成本低，大約是光纖到大樓成的1/10-1/3.到目前為止，OWC己被多家電信運營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。于過去的激光大氣通信有很大的不同，目前OWC是具有高度發(fā)達的光纖通信技術(shù)平臺，引入望遠鏡式光學(xué)天線后以大氣為傳輸介質(zhì)，應(yīng)用目標是5km內(nèi)的視距通信。作為與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)兼容的光通信技術(shù)，應(yīng)用于寬帶接入網(wǎng)、城域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)、軍用戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)、應(yīng)用通信系統(tǒng)、光纖通信的延伸系統(tǒng)(在通過江河、海島與大陸、海島與海島等應(yīng)用中)，可以利用和移植現(xiàn)有的光放大、波分復(fù)用、全光插分復(fù)用和交叉連接等技術(shù)，是光纖通信的補充。相比較而言，OWC最適宜用來組建高速本地網(wǎng)或用作現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的備份。我國電信、移動、聯(lián)通、網(wǎng)通、鐵通、吉通等傳統(tǒng)和新興電信運營商，除了電信有接入網(wǎng)以外，包括電信在內(nèi)都沒有可支持高清晰度視頻的寬帶接入網(wǎng)和城域網(wǎng)，而城域網(wǎng)和接入網(wǎng)是電信運營商向全社會提供電信服務(wù)必備通道和聚集利潤的漏斗，必然會被高度重視，寬帶接入網(wǎng)和城域網(wǎng)的建設(shè)高潮將在HDTV等寬帶信息業(yè)務(wù)的驅(qū)動下于近期到來，OWC在寬帶接入網(wǎng)和城域網(wǎng)建設(shè)中將會有廣闊的市場前景。OWC的另外一個大市場是沒有光纖連接的中小企業(yè)。我們有理由相信兼有光通信和無線通信優(yōu)勢的OWC技術(shù)會有迷人的廣闊前景