無線激光通信技術(shù)詳解

　　無線激光通信是指利用激光束作為信道在空間（陸地或外太空）直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，又稱為“自由空間激光通信“，“無纖激光通信”或“無線激光網(wǎng)絡(luò)”。無線激光通信以激光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，屬于新型應(yīng)用技術(shù)，早期的研究應(yīng)用主要是在軍用和航天上，隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來逐漸應(yīng)用于商用的地面通信，技術(shù)也在逐步完善。

　　一、無線激光通信的基本原理

　　無線激光通信不是用光纖作為傳輸媒介，而是以大氣為媒質(zhì)，通過激光或光脈沖在太赫茲（THz）光譜范圍內(nèi)傳送信息的通信系統(tǒng)；其傳送終端在原理上與光纖傳送終端十分相似，但由于用在接入系統(tǒng)，因而組成更為簡單。激光具有普通光的一切特性，即折射、反射、透射、衍射和干涉等，但它比普通光具有更優(yōu)良的特性，即單色性（激光光波都具有相同的頻率）好，強(qiáng)度高，相干性與方向性好，因此激光束的發(fā)散角度小，能量集中在很小的范圍內(nèi)，接收器可獲得比微波高幾個數(shù)量級的功率密度。

　　無線激光通信本質(zhì)上也是一種無線電通信，但它與一般無線電通信相比又有區(qū)別。在無線激光通信系統(tǒng)中多了兩個轉(zhuǎn)換過程，即在發(fā)送端進(jìn)行電–光的轉(zhuǎn)換，在接收端進(jìn)行光–電的轉(zhuǎn)換。一個光傳輸系統(tǒng)，所用的基本技術(shù)，也就是光電的轉(zhuǎn)換。在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，具有全雙工的通信能力。通常把待發(fā)送的信息源（語言、文字、數(shù)據(jù)、圖像等），通過信號轉(zhuǎn)換設(shè)備（話筒、攝像機(jī)等）轉(zhuǎn)換成模擬或數(shù)字電信號，然后把這些信號輸入光調(diào)制器，調(diào)制到一個由激光器產(chǎn)生的激光束（激光載波）上，并控制這個載波的某個參數(shù)（振幅等），使它按電信號的規(guī)律變化。于是，激光載波就運(yùn)載著這些信息（此時的激光

　　被稱作已調(diào)制激光信號），經(jīng)過信息處理以后由發(fā)射望遠(yuǎn)鏡（發(fā)射天線）發(fā)射出去。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡能把截面很小的激光束變成截面較大的激光束，方便接收望遠(yuǎn)鏡調(diào)整方位并接收信號；如果不進(jìn)行這樣的處理，由于激光束截面很小，且激光是直線傳播的，將會給接收望遠(yuǎn)鏡的方位調(diào)整帶來困難。接收是發(fā)射的逆過程。接收望遠(yuǎn)鏡（接收天線）接收到已調(diào)制激光信號，送到光檢測器取出電信號，然后由信號轉(zhuǎn)換設(shè)備（如揚(yáng)聲器、顯示器等）恢復(fù)出原始信息。接收望遠(yuǎn)鏡能用于接收大面積的激光束，并聚焦成較小的光斑，起到恢復(fù)激光束本來面目的作用。

　　由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大差別，可以選用透過率較好的波段窗口，激光無線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.55μm的紅外波段。波長0.85μm的設(shè)備相對便宜，一般應(yīng)用于傳輸距離不太遠(yuǎn)的場合；1.55μm波長的設(shè)備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。1.55μm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規(guī)定允許1.55μm波長設(shè)備的功率可以比0.85μm的設(shè)備高兩個等級。功率的增大，有利于增大傳輸距離和在一定程度上抵消惡劣氣候?qū)鬏斮|(zhì)量的影響。

　　二、無線激光通信的優(yōu)勢

　　相比于微波通信等其他幾種接入方式，無線激光通信主要優(yōu)勢包括：

　　1、無須授權(quán)執(zhí)照

　　FSO系統(tǒng)的設(shè)備之間沒有射頻信號的相互干擾，工作頻率在百THz以上，不擠占寶貴的無線電頻率資源，可以免費(fèi)使用，故無需像無線電通信那樣申請頻率使用許可證。

　　2、快速鏈路部署

　　因?yàn)椴恍枰裨O(shè)光纖和等待各種手續(xù)上的問題，只須在通信點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，工程建設(shè)以小時或天為計量單位。FSO的無線接收器大小如同一部視頻攝像機(jī)，可以輕而易舉地安裝在屋頂，屋內(nèi)甚至窗外，對于重新撤換部署也很方便容易。

　　3、成本低廉

　　由于以大氣為傳輸媒質(zhì)，免去了昂貴的光纖鋪設(shè)和維護(hù)工作。有資料表明，F(xiàn)SO系統(tǒng)的造價僅為光纖系統(tǒng)造價的五分之一左右。

　　4、傳輸保密性強(qiáng)

　　激光的直線定向傳播方式使它的發(fā)射光束窄，方向性好；激光束的發(fā)散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數(shù)據(jù)傳送的保密性。激光波長使用紅外非可視光，夜間也無法被發(fā)現(xiàn)，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性；除非其通信鏈路被截斷，否則數(shù)據(jù)不易外泄。

　　5、信息容量大

　　自由空間光通信和光纖通信一樣，具有頻帶高的優(yōu)勢。FSO支持155Mbit/s～10Gbit/s的傳輸速率，傳輸距離在2～4km之間。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO同樣能支持155Mbit/s～10Gbit/s的傳輸速率，但傳輸距離為1～2km。

　　6、協(xié)議透明

　　FSO以光為傳輸機(jī)制，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。

　　7、設(shè)備尺寸小

　　光收發(fā)終端設(shè)備小巧輕便，便于攜帶，尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重量輕等特點(diǎn)。

　　三、無線激光通信的缺點(diǎn)

　　當(dāng)然，無線激光通信也有其固有的缺點(diǎn)：

　　1、通信距離有限

　　激光的定向性雖然很好，但波束還是隨傳輸距離的增加而慢慢變寬，超過一定距離后就難以被正確接收。目前用于地面民用無線激光通信的設(shè)備所能達(dá)到的距離一般為200m到6000m，受發(fā)送功率、數(shù)據(jù)速率、天氣等條件的限制，實(shí)際使用的距離要短一些。測試表明，F(xiàn)SO系統(tǒng)在1公里以下才能獲得最佳的效率和質(zhì)量。

　　2、易受惡劣天氣影響

　　FSO的傳輸質(zhì)量對天氣非常敏感。因?yàn)榧す夤獠ǖ牟ㄩL與雨雪或霧氣的水微粒的直徑差不多，光波易被水氣吸收，導(dǎo)致衰減嚴(yán)重；所以遇到雨、雪、霧天氣，將嚴(yán)重影響激光通信的可靠性，甚至無法接通。據(jù)測試FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天5～15dB/Km，雨天20～50dB/Km，雪天為50～150dB/Km，霧天為50～300 dB/Km。

　　3、只能在視線范圍內(nèi)建立鏈路

　　由于激光不能穿過有形物體，如建筑物、樹木等障礙物，所以無線激光通信要求兩個通信點(diǎn)之間視線范圍內(nèi)必須無遮擋；對于中間存在障礙物而不可直視的兩點(diǎn)之間的傳輸，可以通過建立一個中繼站實(shí)現(xiàn)連接。

　　4、對準(zhǔn)困難

　　由于激光在自由空間傳輸時人眼看不見，這就使接收天線不易把握方位，對準(zhǔn)困難。一般FSO系統(tǒng)的發(fā)射天線設(shè)在大樓上，大風(fēng)或輕微的地震都會使天線產(chǎn)生晃動造成光路的偏移而不易對準(zhǔn)。目前已有“偏光法”和“動態(tài)跟蹤法”兩種手段可以解決這一問題。

　　5、意外因素使通信鏈路阻斷

　　點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)模式中，如有飛鳥或雜物經(jīng)過某條鏈路空間時，鏈路將被隔斷，通信受阻。

　　四、無線激光通信的主要應(yīng)用

　　1、FSO在企事業(yè)內(nèi)部網(wǎng)連接中的應(yīng)用。在校園網(wǎng)、小區(qū)網(wǎng)或大企業(yè)的內(nèi)部網(wǎng)建設(shè)中，經(jīng)常會碰到這樣一種情況：馬路對面的新建大樓急需接通，可挖路許可權(quán)卻遲遲不能得到批準(zhǔn)或者根本就無法取到，這時候無線激光通信技術(shù)便可以大顯身手，如右圖所示。無線激光通信設(shè)備配備標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口或光接口，且對協(xié)議透明，可以非常方便的完成局域網(wǎng)的連接。

　　2、FSO在寬帶接入中“最后一公里”的應(yīng)用。隨著通信網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，局域網(wǎng)以及千兆以太網(wǎng)開始快速增長，將這些高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運(yùn)營商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠高帶寬的接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供選擇，比如光纖、微波、xDSL等；但光纖、微波接入方式成本高，xDSL則帶寬太低，而無線激光通信作為一種新興的寬帶無線接入方式浮出水面，是解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的傳輸瓶頸的有效途徑。

　　3、FSO在移動通信中的應(yīng)用。移動通信是當(dāng)今通信領(lǐng)域內(nèi)最為活躍、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，隨著移動電話用戶的迅猛增長和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的推廣，無線網(wǎng)絡(luò)需要具有更高的帶寬和容量。如何充分地利用現(xiàn)有資源，用最低投入、以最快速度實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和優(yōu)化，成為移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商最為關(guān)注的問題。無線激光通信技術(shù)作為一種接入技術(shù)，因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)和在施工、帶寬、成本等方面的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為各大運(yùn)營商的首選方案之一。該方案在主干網(wǎng)到距離最近的天線之間采用光纖連接，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器后，由FSO設(shè)備系統(tǒng)再連接到其它天線，一定距離內(nèi)的天線可以共用一個基站，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是省去基站到天線之間的鏈路鋪設(shè)，縮短了施工時間和施工費(fèi)用；二是可以多個天線共用一個基站，減少了基站數(shù)目；三是無線激光通信技術(shù)采用紅外激光傳輸，相鄰設(shè)備之間不會產(chǎn)生干擾。

　　4、用于意外恢復(fù)和應(yīng)急臨時鏈路。在突發(fā)的自然或人為意外災(zāi)害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復(fù)時；或者在一些特殊地方發(fā)生突發(fā)事件，需要應(yīng)急通信；或者某些需要快速建立一些臨時鏈路用于現(xiàn)場通信的場合，可采用無線激光通信進(jìn)行快速的部署。

　　5、用于特殊地理?xiàng)l件下的通信鏈路連接。在通信鏈路必須跨越高速公路、河流、擁擠的城區(qū)，由于地理?xiàng)l件的限制無法敷設(shè)光纖線路時，采用無線激光通信可以有效解決鏈路連接的困難。

　　五、總結(jié)

　　無線激光通信與微波通信相比，它具有調(diào)制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特點(diǎn)；與有線和光纖通信相比，它具有機(jī)動靈活、對市政建設(shè)影響較小、運(yùn)行成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。因此，無線激光通信已成為通信家族中新的一員。FSO可以用于城域網(wǎng)的擴(kuò)展，局域網(wǎng)的互連，移動通信的基站互連，最后一公里寬帶接入，以及災(zāi)難應(yīng)急、臨時部署等。今后，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，要求更高帶寬應(yīng)用的流媒體視頻等業(yè)務(wù)的普及，對接入網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍的要求將更為嚴(yán)格。而作為光纖與微波通信的一種補(bǔ)充方式，無線激光通信將有著良好的應(yīng)用發(fā)展前景。