悄然兴起的无线光通信

2019-11-03 18:21:49

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供稿：网友

尹璐
北京理工大学继续教育学院

　　摘要：在介绍光纤通信相关技术状况的基础上，介绍了悄然兴起的无线光通信（fso）的特点和所具有的优点，以及国内外对无线光通信的研发、应用情况，认为无线光通信有着非常好的发展前景。

　　关键词：无线光通信；光纤；星间光通信

1 引言

　　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。例如，一种崭新的通信技术—无线光通信（FSO:Free Space Optieal）就正在悄然兴起。

　　FSO是利用激光作为载体传输数据，提供无线高速点对点或点对多点通信的一种方式。FSO的传播介质不是光纤而是空气，因此FSO也称之为“虚拟光纤”通信。本文主要介绍FSO的特点与优势，国内外研发的进展情况，以及FSO的应用等等。

2 光纤通信相关技术发展的状况

　　由于FSO是在光纤通信的基础上发展起来的，因此在介绍FSO的特点与所具备的优势之前，先来介绍一下光纤通信及其相关技术发展的现状。

　　光纤通信技术为通信的发展打下了坚实的基础，当仁不让地占据了通信网络的核心地位，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输的，城域网中的光纤传输也占据了主导地位，接下来的就是接入网。接入网发展的方向也是光纤接入，是光纤的家庭。接入网技术的最新发展动向是无源光纤网络（PON）与以太网（Ethernet）相结合的以太网无源光纤网络（EPON）。

　　目前，光核心网络正在向着超高速率、超大容量、超长距离的方向发展，并以建立电层网络、光传送网（OTN）和自动交换光网络（ASON）为目标，其传送的信号需要逐步由以电路信号为主向以分组信号为主过渡。特别是由于数据业务带有突发性，迫切要求网络具有带宽动态分配的能力，而传统传送网络中的DXC和OXC，在连接配置中均需人工干预，而不适应数据业务发展的需要。因此在传送网络中引入了交换的概念，即自动交换传送网（ASTN）。那么，以光传送为基础的ASTN，就是ASON，使得传送与交换融合在一起，成为传送网更新的一种趋势。

　　继光核心网、接入网的大规模建设之后，光城域网将成为重点发展的对象。城域网的主要特点是功能多，成本低，传输与提供业务相结合。当然，由于城域网的范围有限，不宜直接采用核心网建设的方案，因此在城域网中易采用以下关键技术，即：基于SDH的多业务提供平台，基于WDM的多业务提供平台，弹性分组环（RPR），软交换，多业务环，粗波分复用（CWDM）等等。其中，弹性分组环是最近出现的一种热门技术，体现了以太网技术与SDH技术的融合，IEEE已组织了专门的工作组对此项技术进行研究，ITU-T也正在针对此项技术考虑开发和制订相关的标准。对于粗波分复用技术，其特点是：波长间隔大，对波长准确度要求低；可以用不同的制冷器和一秀的波分复用/去复用器件，以及不必用光放大器等，因而可以大大降低器件的成本。另外，粗波分复用技术还有系统简单，便于维护管理等优点，因而更适合用于城域网。

3 无线光通信（FSO）的特点与优势

　　FSO是一种无需光纤进行通信的方式，是现代光纤通信技术的补充和拓展。

　　FSO具有以下的特点和优势：

　　（1）频带宽，速率高，容量大

　　从理论上讲，FSO的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而FSO的光信号在空气介质中传输。目前投入商用的具有多个发射器的一般无线数据链路，最高速率只有622Mbit/s，而Lucent贝尔实验室科学家和工程师们所演示的“FSO数据链路”，已创造了在2.4km自由空间距离上，以2.5Gbit/s速率无差错信息传输的记录。

　　（2）架设灵活便捷

　　FSO可以翻越山头，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务。因此FSO对于解决最后一公里的宽带接入，对于应用于企业和校园网络，以及作为光纤冗余链路、无线后拖和临时传输手段等，有着极大的应用价值。FSO可以在几小时内把宽带信道接到任何地方，而无需埋设光纤，因此在大缩短了施工周期，这对于通信运营商来说，是一种快速抢占市场的极好选择。

　　（3）适用任何通信协议

　　FSO产品作为一种物理层的传输设备，可以适应任何通信协议，如SONET、SONET/SDH、ATM、FD-DI、以太网、快速以太网等，并可支持2.5Gbit/s的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。

　　（4）频谱资源丰富

　　目前，微波无线通信及其它无线通信方式的频面几乎被瓜分完毕，空间发展余地已所剩无几，而目前世界上各厂商所提供的FSO设备，多采用红外光传输，有相当丰富的频谱资源，不会受到频谱管制的束缚，不需要申请频率使用权，因而为FSO灵活地应用提供了良好的条件，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。

　　（5）传输保密性好

　　因为FSO的波束很窄，且不可见，因此形成通信链路后很难发现。而且，这些波束的定向性很强，如果对准了某个接收机，要想截获它，就必须用另一部接收机在视距的范围内与该系统的发射机对准，并要了解如何接收信号等等，这些都是很难做到的。即使波束被截获，也会很快被用户发现，因为链路被插入的接收机中断了。因此，FSO比通常的无线通信系统有高得多的安全系数，这也一般微波、无线通信无法比拟的。特别是对于军事通信来说，安全系数高是极其重要的。

　　（6）小型化

　　FSO的光学天线尺寸很小，一般只有10cm～30cm（同样功能的微波通信系统，天线的直径要有1m到多m），对于激光有很好的聚束作用，即扩束损耗很小，增益很高。另外，FSO所使用的固体和半导体激光器，发光效率很高，功耗却很小，不需要有庞大的能源供给设施，因此系统设备极易小型化。由于FSO体积较小，无论由机载、舰载、还是卫星承载都是十分理想的，如使FSO与定位系统和激光跟踪系统相结合，就会有望实现“动中通”。因此，FSO无论对民用还是军用，是在陆地、海洋、还是在太空，使用起来都是十分便利的。为此，FSO受到了世界各国的关注。

　　当然，FSO也有缺点，基光束在传输中极易受大雾等恶劣天气的影响。在恶劣的天气下，光束传输的路径甚至会被改变，而降低通信的可靠性。

4 国内外FSO技术的进展

　　在接近地面的空间，尽管存在着对FSO诸多不利的因素，如大气衰减、大气湍流、烟雾的影响等等，但考虑到激光通信的特殊优势，特别是在军事方面有着不可比拟的优势，该项技术一直受到社会各界，特别是军方的重视。自20世纪70年代以来，国外及台湾地区等对FSO技术陆续进行了如下方面的研究和试验：

　　（1）研制近距离应急FSO系统

　　利用FSO机动灵活的特点，进行了近距离应急FSO系统的研制和应用，即通过架设临时性的通信线路，应用FSO系统。如在战场上，地面上所有的通信枢纽都遭受了破坏，这时可以将空中光通信中心装在直升机上，以FSO的方式与地面链接，就可在很短的时间内起到通信枢纽的使用。近些年来，由于接收技术的改进和对光束瞄准跟踪的速度、精度有了较大的提高，使得应急FSO系统的接收效果有了较大的改善，已经接近达到实用化的程度。例如在20世纪80年代，美国海军学院（U.S Navy Academy）研制出了一种用于海岛与海岸之间进行图像和数据交换的大气激光传输通信系统，采用的光源为Ar+激光器，接收部分为雪崩光电二极管和声光调制。这种系统具有8MHz的带宽，可以传送25路数据和一路视频信号。1994年，加里福尼亚的ThermoTrex公司为显示自由空间激光通信技术的成熟性，进行了在相距42km，海拔高度为2133m两座山峰之间的传输实验，传输数据的速率为1.2Gbit/s。

　　（2）进行了地面和空中移动目标之间FSO试验

出于保密和抗电磁干扰性能方面的考虑，进行了地面和空中移动目标之间FSO的试验，即选用FSO作为野战车辆、舰船或作战收音机之间的通信手段，实现在运动状态下话音和数据的传递。显然，这对光束瞄准跟踪技术提出了很高的要求，尽管这种试验已取得了一定的进展，但距实用化的要求仍有一定的距离。

　　（3）进行了收音机与地面指挥中心之间音频激光通信的试验

　　20世纪80年代，美国麦道公司曾经进行过一个收音机与地面指挥中心之间音频激光通信的试验，试验中使用了0.53μm波长的光波，由收音机向地面发送高速数据，速率达1Gbit/s，用以传送多路彩色电视信号、语音和数据等。而地面指挥中心也以1.06μm波长的光向收音机发送低速数字信号。这个试验成功地展示了实现移动激光通信的可能性和所具有的通信潜力。国外及台湾地区相关公司研究大气激光通信的进展情况如表1所示。

　　（4）研究了深意激光通信系统

　　被广泛研究的深意激光通信链路的构成如图1所示。

　　可能看出，只要用一颗静止卫星作中继站，地面站的信息不管以光波还是微波方式发送到中继站上，都可以通过各种光链路传向世界各地，构成全球高速信息通信系统。目前，虽然还没有哪一个国家建立了这样的通信系统，但这一关键技术已有了重大突破，正在进入深空试验的阶段。如在1995年美国与日本所进行的联合试验中，就实现了日本菊花-6卫星与美国大气观测卫星相距39000km间的双向光通信。

　　国内从20世纪70年代起也进行了相关的研究，但就目前的水平来说，相距国外还有一段距离，特别是在移动中的FSO技术，还没完成突破。　　综合国内外已有的研究情况，近距离固定点间的大气激光通信技术已经比较成熟，也建立了不少这样的应用系统，但对于较远距离和在移动情况下的大气激光通信还没有完全突破。其中，大气信道补偿理论的研究，电信号处理在大气激光传输系统中应用的研究，以及电信号领域的通信理论（如信源编码和信道编码理论）在大气激光传输系统中的应用等，还是今后要重点研究的课题。

4 FSO的应用

　　目前，近距离固定点间的FSO已经在实际中得到了应用，具体有：

　　（1）FSO在局域网连接中的应用

　　在校园网、小区网或大企业内的网络中，在新建的大楼和原有的大楼之间的局域网中FSO均得到了应用，其连接如图2所示。由于FSO设备配备有标准的RJ45接口或光接口，对协议是透明的，因此可以非常方便地完成局域网的连接。

　　（2）FSO在城域网及边缘网中的应用

　　目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达10Gbit/s，已基本上能够满足数据通信的需求。但随着城市的发展，以往的效区也在逐渐被纳入城市之中来，因此如何高效、低成本地对城域网进行扩展及迅速占领新市场，已成为各大电信运营商十分关注的问题。于是纷纷采用FSO技术来实现这一目的，图3所示的就是一种采用FSO技术解决边缘网的方案。在这种方案中，FSO技术集中展现了带宽、方便、快捷、灵活的优势。

　　（3）FSO在最后一公里接入的应用

　　由于对Internet需求不断地增长，越来越多的公司、团体和个人，特别是大型企业都要求以宽带的方式加入Internet。当然，宽带接入的方式有很多，如ADSL、ISDN、FTTB+LAN等，但由于受各种因互的限制，例如公路开挖，第三地区无法使用微波等，现有的接入方式在解决宽带接入方面均有所不足，因此FSO就成了一种可知地的解决方案，如图4所示。

　　FSO除了以上应用外，还有一处是在卫星间、卫星与地面站间的应用，如图5所示。由于这是一种远距离通信的应用，目前仍在研发之中，但卫星间光通信具有容量大，不需要ITU协调等优势，可以预言，在不久的将来必将成为最主要的通信手段。

　　从上述的分析、介绍中可以看出FSO技术以其在军事、经济、科技等领域的巨大潜力，正在成为一种热门技术，必会引起通信领域的重大变革。

[参考文献]

[1] 徐荣龚倩.高速宽带光互联网技术[M].北京:人民邮电出版社,2002.

[2] 叶培大.光网络的组网与优化设计[M].北京:邮电大学出版社,2002.

摘自　天津通信技术

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