自由空間光學(xué)

自由空間光學(xué)通訊 - 簡介

　　紅外激光通訊即自由空間光學(xué)通信（FSO），是指采用激光器生成的光束，通過空氣從一臺設(shè)備到另一臺設(shè)備發(fā)送寬帶數(shù)據(jù)、語音和視頻。這一技術(shù)可以視為與通過光纖電纜實現(xiàn)的光通信有線傳輸同等的光通信無線傳輸技術(shù)。這種通訊能有效的解決通訊量和信息安全的問題。其應(yīng)用范圍已從軍用和航天逐漸邁入民用領(lǐng)域，其技術(shù)本身也在不斷完善中。

自由空間光學(xué)通訊 - 基本原理

　　自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進行光信號的傳送的。只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進行。

　　自由空間光學(xué)通訊系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換。在點對點傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機和光接收機，可以實現(xiàn)全雙工的通信。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，并通過作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號經(jīng)過大氣信道傳送到接收端的望遠(yuǎn)鏡。高靈敏度的光接收機，將望遠(yuǎn)鏡收到的光信號再轉(zhuǎn)換成電信號。

　　由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，可以選用透過率較好的波段窗口。光的無線系統(tǒng)通常使用850nm或1550nm的工作波長。同時考慮到1500nm的光波對于霧有更強的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長的FSO系統(tǒng)具有更廣闊的使用前景。

自由空間光學(xué)通訊 - 特點

　　速率高

　　自由空間光通信與微波技術(shù)相比，它具有調(diào)制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特點。

　　靈活度高

　　與有線和光纖通信相比，它具有機動靈活、對市政建設(shè)影響較小、運行成本低、易于推廣等優(yōu)點。它可以直接架設(shè)在屋頂，由空中傳送。既不需申請頻率執(zhí)照，也沒有敷設(shè)管道挖掘馬路的問題。使用點對點的系統(tǒng)，在確定發(fā)收兩點之間視線不受阻擋的通道之后，一般可在數(shù)小時之內(nèi)安裝完畢，投入運行。在考慮到當(dāng)?shù)貧庀蟮臈l件以后，光無線系統(tǒng)一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系統(tǒng)構(gòu)成主備用，甚至可達到99.999%電信級的可用性要求.

　　價格低廉

　　自由空間光學(xué)通訊可以在一定程度彌補光纖和微波的不足。它的容量與光纖相近，但價格卻低得多。

　　運行便利

　　自由空間光學(xué)通訊對運行的協(xié)議透明，通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、ATM、ip等都能通過。

　　升級便利

　　自由空間光學(xué)通訊可組成點對點、星形、和網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，易于擴容升級，只需稍作接口的變動就能改變?nèi)萘?/p>

自由空間光學(xué)通訊 - 應(yīng)用范圍

　　1、可以作為光纖通信和微波通信冗余鏈路的備份；

　　2、可以應(yīng)用于移動通信基站間的互連，無線基站數(shù)據(jù)回傳；

　　3、應(yīng)用于城域網(wǎng)的建設(shè)以及最后一公里接入；

　　4、在技術(shù)上或經(jīng)濟上不宜敷設(shè)光纜的地區(qū)，在不宜采用或限制使用無線電通信的地方；

　　5、在軍事設(shè)施或其他要害部門需要嚴(yán)格保密的場合；

　　6、在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互連和數(shù)據(jù)傳輸。

自由空間光學(xué)通訊 - 存在問題

　　距離因素

　　FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時波束就會變寬導(dǎo)致難以被接收點正確接收。在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠(yuǎn)只能達到4Km。多種因素影響其達不到99.999%的穩(wěn)定性。

　　氣象因素

　　FSO系統(tǒng)性能對天氣非常敏感是另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國外為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進的光學(xué)器件和多光束來解決。

　　建筑因素

　　城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動將影響兩個點之間的激光對準(zhǔn)。

　　激光安全因素

　　激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。

自由空間光學(xué)通訊 - 研究現(xiàn)狀

　　國外

　　在自由空間光通信（FSO）領(lǐng)域，國外已經(jīng)開始了將近10年的研究，國外幾個大的FSO廠家，包括LightPointe公司，AirFiber 公司，Canon 公司，Terabeam 公司。LightPointe收到Corning和思科系統(tǒng)公司的投資款3千多萬美元，而AirFiber則獲得大概來自北電網(wǎng)絡(luò)的5千萬美元，朗訊科技則投資了4億5千萬美元的巨款在Terabeam身上。

　　Lucent公司：1998年3月開始開發(fā)，1999年3月發(fā)布WaveStar OpticAir system 產(chǎn)品。單波長，傳輸速率2.5 Gb/s， 四波長10 Gb/s， 距離5Km，1999年12月，Global Crossing Ltd.現(xiàn)場使用。

　　LightPointe公司：將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計和制造電信公司等級的光傳輸設(shè)備，向電信服務(wù)商提供比傳統(tǒng)光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通訊解決方案。

　　AirFiber公司：位于美國加洲San Diego，1998年5月成立，主要服務(wù)于大城市大樓寬帶接入。

　　Canon公司：是世界著名生產(chǎn)光學(xué)儀器的公司，主要產(chǎn)品有：Canobeam DT-50，速率從25Mb/s到622Mb/s。產(chǎn)品特點是具有自動跟蹤系統(tǒng)，不因建筑物的擺動和震動而使傳輸中斷。

　　中國

　　國內(nèi)FSO還在起步階段，有幾家研究所與公司由于跟蹤這項技術(shù)比較早，所以現(xiàn)在在實驗室作出了自己的樣機，但是還沒有一家公司規(guī)模性的來生產(chǎn)FSO設(shè)備。幾家樣機比較成熟的單位有：桂林三十四所，清華同方有限公司，中科院成都光電技術(shù)研究所，深圳飛通有限公司，上海光機所等。

　　桂林三十四所：主要進行軍品的研究，在1997年4月曾派員到俄羅斯，就激光大氣通信技術(shù)及應(yīng)用情況進行了實地考察。它的樣機在2001年2月由主管部門進行設(shè)計定型，已經(jīng)有部分投入試用。它的產(chǎn)品的主要性能參數(shù)有：傳輸速率：8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波長：850nm；通信距離：1～4Km；光發(fā)射功率：小于40mW。

　　中科院成都光電技術(shù)研究所：引進國外公司先進的激光器及其附屬電路，利用自己在光學(xué)器件上的優(yōu)勢，開發(fā)出了工作波長為850nm，可以傳輸1公里、4公里兩種距離的兩款產(chǎn)品。產(chǎn)品主要性能參數(shù)是，速率：10Mb/s；工作波長：850nm；通信距離：1～4Km；光發(fā)射功率：3～30mW。

　　上海光機：承擔(dān)的“無線激光通信系統(tǒng)”項目在2003年1月13日通過了驗收。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能。其傳輸速率可以達到622Mb/s，通信距離可以達到2Km，自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應(yīng)時間為0.2s，已申請一項專利。

　　深圳飛通有限公司：利用自身強大的光電器件的優(yōu)勢，開發(fā)出了光收發(fā)模塊加上EDFA系統(tǒng)方式的樣機，其速率有155Mb/s，622Mb/s，以及1.25Gb/s幾種，通信距離最遠(yuǎn)可達4KM。

自由空間光學(xué)通訊 - 應(yīng)用范例

　　中國

　　在中國，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少50套無線光通信設(shè)備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng)。上海鐵通最初的系統(tǒng)安裝將從陸家嘴金融區(qū)開始，F(xiàn)SO系統(tǒng)將服務(wù)陸家嘴的企業(yè)網(wǎng)以及為吉通，網(wǎng)通，聯(lián)通等提供網(wǎng)絡(luò)租借服務(wù)。Terabeam的設(shè)備已經(jīng)在上海和重慶作為跨江的通信設(shè)備投入應(yīng)用。

　　美國

　　2010年，AOptix公司為空軍驗證了一種采用適應(yīng)性光學(xué)儀器的系統(tǒng)，這種方式借鑒了望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計，用以確保激光束傳輸和接收質(zhì)量。1.5微米波長的激光束能夠高效傳輸，但潮濕的空氣和濃霧會降低信號的傳輸范圍。AOptix公司將他們的系統(tǒng)與無線電頻率發(fā)射機結(jié)合在一起，作為備用系統(tǒng)。

　　2012年，美國俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的空軍研究實驗室與阿肯色州費耶特維爾的空間光子學(xué)(Space Photonics)公司合作，研發(fā)一種名為“自由空間光學(xué)通訊”的紅外激光系統(tǒng)。這種激光通訊攜帶的信息量超過Wi-Fi等其他無線信號并且安全性更高。

　　紅外激光通訊之所以具有較高的安全性要歸功于這種激光的特性。紅外激光束很窄，敵方無法竊聽，除非他們正處在傳輸線路上，這與無線電波形成鮮明對比。

自由空間光學(xué)通訊 - 發(fā)展趨勢

　　大氣信道的研究

　　主要研究大氣信道的空間損耗，不同氣象條件下的傳輸衰減，大氣閃爍，空氣散射，背景噪聲等。其主要目的是準(zhǔn)確掌握某地的氣候等通信條件，同時找到氣象條件影響通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。

　　傳輸可靠性的研究

　　這個方面的研究工作主要是在某地區(qū)一定通信條件下，采取必要的發(fā)射接收技術(shù)來正確進行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　傳輸速率的提高

　　FSO相對于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢之一就是帶寬。FSO產(chǎn)品的速率從2M開始，形成多個系列，比較典型的有10Mb/s，100Mb/s，155Mb/s，622 Mb/s。有的公司采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，速率可以達到2.5Gb/s，10Gb/s。

　　設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯?/h3>

　　FSO網(wǎng)可以有三種拓?fù)?，即點到點、點到多點（星型）和網(wǎng)狀網(wǎng)，也可以把他們組合起來使用。已使用的系統(tǒng)多采用點到點結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把業(yè)務(wù)集中到一點再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟。但缺點是能提供的帶寬較少，可靠性差。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以提供幾乎實時的迂回選路，使服務(wù)得到保護。