自由空间光通信的应用及前景

2019-11-03 18:15:13

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

戴永江哈尔滨工业大学国家大学科技园　　摘要：在激光雷达、激光制导和激光大气传输效应研究的基础上，研发了大气中的自由空间激光通信（Free Space Optical 简称fso）系统。通过比较它和微波通信及光纤通信的优缺点，说明了相互的互补关系。本文特别强调了FSO系统在解决宽带网络“最后一公里”瓶颈的重要作用和意义。介绍了哈工大和美国OA公司合作所生产的《烽火台》FSO产品的特点，接入方案和未来的发展趋势。对FSO应用领域，市场前景和产生的效益作了分析。本文还介绍了《烽火台》FSO产品在大大提高了接入的传输速率后，实现人机直接对话的必要性。将《烽火台》FSO产品和《吉祥之音》汉语语音门户平台集成和融合系统在技术上的先进性和市场优势。

一、前言

　　激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个发展阶段。60年代，处在大气窗口的激光通信曾掀起了世界性的研究热潮。与大气激光通信技术基本同时起步的，还有光纤波导通信。光纤通信从80年代起被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要通信手段。然而，大气中的自由空间光通信（FSO）技术，由于当时诸多客观因素，特别是大气衰减和大气湍流的不利影响，限制了它的发展。

21世纪初，激光大气通信技术在以下方面取得较大突破：

1、激光器的发射功率和光电器件探测灵敏度能满足15km以内通信的需求。

2、自适应变焦光学天线技术，解决了大气中传输的信息特性随机变化的不利影响。

3、体积小、重量轻、特性好的收发天线已经研制成功。安装校准仅需几分钟，就可开通通信链。

4、有限的调制宽带内信号压缩编码技术能更大容量地传输多路信号。

5、光波窄带滤波技术和光源稳频技术的成熟，提高了系统的稳定性和可靠性。

6、自动跟踪和准瞄技术取得较大进展，基本满足FSO系统的要求。

　　这些都为大气激光通信的FSO技术实用化提供了坚强的技术保障。在大气中的可视距离范围内，实现全天候光通信，实现宽带网络的最后一公里接入已经没有技术障碍。

　　1999年美国NASA的OA公司将600～1200km星对地自由空间激光通信技术转换为民品，开发了5km以内的商业化FSO激光通信链产品。仅在2001年就在全球安装了4500链，哈工大在长期从事激光大气探测技术、激光雷达、激光制导和激光空间通信技术基础上，多年来坚持进行FSO技术研究和FSO的光接入宽带网络最后一公里接入技术的研究。2002年哈工大与美国OA公司建立了全面战略合作伙伴关系，将在中国实现FSO产品生产，并承担多个FSO网络的设计和建设工程。

　　总之，从现在起，实用化大气激光通信技术，即FSO技术应该是一项值得我们引以高度重视的重要技术。

二、目前网络建设存在的问题及解决方案

　　近年来的实践证明，光纤通信网络的发展遇到了一些问题：

1、材料和工程费用高。维修也较困难，因此，通信的成本较高。

2、我国国土辽阔，在高山峻岭、地形复杂、人烟稀少的地方架设光纤通信明线和沟埋的难度较大，工程也较大。

3、现有光纤通信宽带网虽然可以接到楼外，但进户到室、到桌面，仍以金属介质线材为主。这种传输介质在传输速度和带宽方面受到限制。绝大多数用户都在离骨干光缆的主要光节点一定距离外。到用户的树状网络的性能和成本都不能满足要求。宽带网络的“最后一公里”接入的发展遇到了瓶颈。

4、互动式“三网合一”（电信、广播电视和互联网），由于频带、管线之争，体制之间的矛盾，难以短期内实现。

5、光纤通信网络仅是一个平面型网络，三维立体组网目前还要靠卫星的微波通信实现。然而，微波的缺点，又制约了它的发展。

　　无线光通信可分为：点对点的通信（Point to Point）；点对多点的通信（Point to Multi-point）；环形或网格状的通信（MESH Optical Communication）。FSO系统应用时，常遇到的一些实际问题，近年来都得到了解决。

1、通信链路的阻断是采用环形或网格拓扑状的通信（MESH Optical Communication）-自愈环解决的。

2、安装点的楼顶晃动（受日光，风向的影响）将影响两个点之间激光对准则采用CCD摄像、多目跟瞄器和自动跟踪系统（Auto-Tracking System）解决。

3、天气的影响，特别是大雾影响大。但在一定的条件下，已有措施确保达到国际电信联盟要求的99.999%的可靠性。我们的《烽火台》FSO产品在200-500m之间，适合任意天气使用。

这些问题的解决，显示出FSO通信系统的优越性：

　　和微波通信比较：

1、无须无线电通信申请频率使用证和昂贵的使用费。

2、激光的定向窄波束具有先天的保密性和抗干扰性。外来信号难以侵入。优于GSM，CDMA，LMDS等微波通信。

　　和光纤通信比较：

1、无管道工程施工及维护费用，总体造价低。特殊的地形不便敷设光缆。

2、光缆很脆弱，易被破坏，骨干光缆破坏事件时有发生。

3、由于无介质传输，就不需要缴纳昂贵的电信的信道使用费用，为用户节省大量开支，有利于信息化的普及，特别对农村的信息化建设。

4、建网快速，节省时间。只须几小时或几天便可完成。特别适合临时，地形复杂的紧急组网和军事组网。

5、克服铜线进户带宽窄和速率低的缺点，是宽带的“最后一公里”直接进户的优选解决方案。

6、大气激光传输频带，速率较光纤快和宽，双工性也较好。适合发展“三网合一”业务。

7、协议的透明性，任何传输协议的业务均可容易地迭加上去。实现对语音，数据，多媒体电视/电影和图像传输。

8、FSO系统在价格上较光纤和移动通信有一定优势，易于被市场和用户接受。

9、大气激光通信系统还是未来实现卫星之间的通信，组建三维通信网络的有效手段。

　　因此，FSO系统是一种物美价廉，有广泛应用前景和巨大市场潜力的通信系统。是实现我国信息化建设跳跃式发展的主要措施。

三、《烽火台》FSO系统的特性

　　所提供的全部的《烽火台》FSO系列产品在接收孔径处对人眼是安全的。对于较远的通信距离，采用了多光束同步发射和大孔径光学接收天线，以减少大气效应的影响；采用两个专利一个6o视场的CCD摄像机实现瞄准和自动跟踪，补偿建筑物晃动的影响，并且对链路监控；采用了一个跟踪万向多轴平台，并由计算机界面提供激光输出功率和接收信号的强度信息实行连续控制。RS-422串接电缆和RG-59视频同轴电缆将位于屋顶的《烽火台》FSO系统串接到建筑物内的控制室内定期遥控跟踪。

　　《烽火台》FSO系统可以提供全双工，独立协议的大气通信链，数据传输率在8km可达到230Mbps，3.5km可达到622Mbps。它已形成了传输速率2Mbps~1.25Gbps, 链长300m～5.5km的6个系列，近40个型号的产品。

　　《烽火台》FSO系统的基本性能是：

1、全双工，独立协议的大气通信链能在OC-12中以622Mbps的速率传输数据。

2、晴朗天气下，综合大气衰减和气象因素引起的损耗使系统具有99.999%有效率。《烽火台》FSO系统在晴朗天气下，大气衰减是0.5dB/km(类似于单模光纤)，在雨中的衰减是3dB/km（类似多模光纤）。只有在浓雾大风雪，衰减才较严重。但设计中考虑到这一因素的影响，也采取了相关措施。

3、FSO不受任何通信协议的约束。应可以接入快速以太网（125Mbps），光线分布式数据界面（Fiber Distributed Data Interface, FDDI, 125Mbps），异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode, ATM,155和622Mbps），企业网（EnterPRise Systems Connection, ESCON, 200Mbps）等。

4、《烽火台》FSO系统实现了相关的各自的ip地址控制闯入者。所有接入网引入的通信流量都将在接入点接受检查。如果IP源地址不同于该点预设的IP地址，从一个接入点引入的系统结构的访问者将被清除。这一特性在电话线和电缆线中是没有的。因此，约束了“入侵用户”，也就是叫做入侵者的未被授权的接入金属线或接入点的用户。此外，《烽火台》FSO系统的CCD摄像原本是精密跟踪，消除晃动影响的。由于它的链两端彼此以一定的视场对准，同时实现监控，还可和小区的安防系统联结，可以直接录下闯入者。

　　《烽火台》FSO系统有许多优点：

1、有很高的数据传输率，目前最高达到了1250Mbps，未来是2.5Gbps。

2、由于激光的窄光束，提高了通信的安全性。探测、截断和干扰激光束是非常困难的。因而是金融、法律、军事和其他敏感信息领域的理想通信手段。

3、不需要无线电管理委员会审批频率许可执照。也不必申请昂贵的电信信道。

4、激光通信的终端是轻便和快速架设的。在突发事件和灾害时的营救和恢复，需要临时架设通信架设时，也是十分理想的。

5、采用《吉祥之音》汉语语音门户平台的《烽火台》FSO系统，具有“看门人”的功能，使入侵者信号无法进入网络。同时，《烽火台》FSO系统本身的CCD精密跟瞄，又具有监控功能，直接将通信链两端情况传到安防监控系统。

6、采用了多光束发射和大孔径光学接收天线，减少了大气效应影响。已经确定了气象对FSO有效性的影响，并补偿了这种影响。

7、对点对点的FSO系统，虽然狭窄的光束使FSO系统的终端的对准困难得多。但自动跟踪专利技术对建筑物晃动的补偿是有效的。由室内的计算机界面连续控制，实现定期遥控跟踪和补偿。

8、计算机界面可以提供激光输出功率和接收信号强度信息，便于对系统工作状况监测。

　　电话是中国百姓最为熟悉的通信工具。2002年7月，我国的电话已达4.0亿部，占世界第一位。然而，电话的普及率虽为全球第二，但百人占有率仅为30％。相对我国3600万左右的互联网电脑终端用户来说，电话普及程度相对较高。在FSO接入时，采用语音应用技术，通过电话就可以为中国百姓增加一条通往信息时代的“宽带高速公路”，将信息科学技术以最为方便的方式带到人们身边。

　　《烽火台》FSO网络和《吉祥之音》汉语语音门户平台集成系统是哈工大独特的技术垄断性产品。它是根据中国国情研发的。

　　《烽火台》FSO系统和《吉祥之音》汉语语音门户平台继承和融合后，还有以下优势：

1、可以用于窄带和宽带网络，易于普及。既可通过传统的键盘和鼠标，也可随时随地的拨打电话，通过语音进入网络，点播、查询和获取信息方便快捷。

2、对客户的适应性极强，提供多种形式的，友好的和自然的交流界面，用户输入方便灵活，速度快，服务过程时间短。

3、产品直接建立在国际统一的标准基础上，先期在国内实现了和国际技术标准的接轨。产品寿命周期长。避免了今后技术标准和国际接轨带来的不便和支付高额的使用费。

4、《烽火台》FSO系统从通信到控制的全部功能是通过计算机自动完成的，响应快速，准确无误，提供高质量不间断的服务。减少人工，降低了服务成本。也不会因受到人工的精力和情绪的影响而降低服务质量。

5、在硬件和软件都使用了积木式，模块化结构，易于扩充容量、增加功能和升级。

6、采用了自有专利技术，有较强的抗干扰能力和较高的信噪比。

7、有丰富的军用通信应用技术能力，可以随时开发为军品，覆盖军用和民用需求。

四、主要应用领域和市场前景

　　建成以《烽火台》FSO为核心的无线光通信网络后，带来以下效益：

1、显著降低建网资本，而通信容量以较低成本大幅提升。避免因频率使用，而付出高昂的代价，也无须向现有的竞争对手租用昂贵的信道。

2、无线光通信网极大提高了光网的覆盖面（On-net Buildings），具有巨大利润空间。

3、随着无线光通信网覆盖面的扩大，可为客户提供所有的全面的B-ISDN通信业务，最终成为市场主导者。

4、将形成立体交叉光通信网络，在大气层内或外太空（定点卫星与低轨卫星）形成庞大的高容量的通信网层，再与地面巨大的光纤网沟通，提供未来各种通信业务。

5、《烽火台》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，拉动了声讯服务业和互动影视传播，实现了“三网融合”，有利于电子政务、电子商务和远程教育及远程医疗的发展，并产生了巨大效益。因此，具有广阔的应用领域和市场前景。

主要应用领域为：

1、光纤通信网的完善和延伸

　　由《烽火台》FSO系统和《吉祥之音》语音门户平台集成和融合的系统将使现在的通信网络发生巨大的变化，为用户提供更多的有线、无线语音服务；视频多媒体和高速数据传输的远程教育、医疗、科研、商务和政务服务；各种经济和科学技术的数据及图像传输服务；双向点播电视服务；计算机互连网服务。使人们在生产和生活中更多、更快、更好地享受各种信息。

（1）通信级产品市场

通信级产品主要用于城市公共信息网、电子政务、电子金融和超大型企业的管理。

（2）企业级产品市场

企业级的主要用于中小企业、各类事业单位局域网。

（3）居民住宅

（4）旅游饭店写字楼

（5）电信部门的支持接入

　　目前，通信业务是以窄带通信为主。多数采用地下管道的电线和铜线连接。电话线的传输速率是1.5Mbps，一般的电缆是5Mbps ，ASDL的速率是6Mbps，然而用户需要的企业内部互连、电子商务和电子政务，数据存储和备份、虚拟网络、视频会议和视频电话等宽带综合业务数字服务（B-ISDN）需要100Mbps到1000Mbps，以保证能接入到多路波分复用的2.5Mbps到10Mbps光纤通信骨干网。采用《烽火台》FSO系统便解决了这一问题。

2、“三网融合”的互动电视宽带业务网

　　有线电视具有先天的同轴电缆入户的优势，它的“最后1公里”入户的带宽和传输速率非常高。使用《烽火台》FSO系统可以实现有线电视双向播放，开展宽带上网等新业务，从而实现“三网融合”。

3、其他主要应领域还有：

（1）应急通信

（2）三维网络组建

（3）保密通信快速部署机动通信

（4）不便铺设光纤场合的通信

（5）军事通信的需求

　　市场潜力测算：全国共计需生产88.2万长链和211.6万短链，销售额达8642.0亿元。

　　本公司按市场占有率的0.5％计算，需生产长链4400套，短链1.06万套。销售额43.21亿元。年开发市场2％，有50年市场占有期。每年需生产长链88套，短链212套。销售额为0.86亿元。现已和全球最大的光通信集团之一MVR集团的OA公司签订全面战略合作协议，努力实现这一目标。

摘自《光纤新闻网》

上一篇：全光网络的开端－全光与OEO交换

下一篇：自动交换光网络中光电子器件的进展