自由空間光學(xué)

自由空間光學(xué)通訊 - 簡(jiǎn)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(tái)設(shè)備到另一臺(tái)設(shè)備發(fā)送寬帶數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻。這一技術(shù)可以視為與通過光纖電纜實(shí)現(xiàn)的光通信有線傳輸同等的光通信無(wú)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(jìn)行光信號(hào)的傳送的。只要在收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無(wú)遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進(jìn)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(diǎn)對(duì)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)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，并通過作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)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(jī)，將望遠(yuǎn)鏡收到的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)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(wú)線系統(tǒng)通常使用850nm或1550nm的工作波長(zhǎng)。同時(shí)考慮到1500nm的光波對(duì)于霧有更強(qiáng)的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長(zhǎng)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(diǎn)

　　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(diǎn)。

　　靈活度高

　　與有線和光纖通信相比，它具有機(jī)動(dòng)靈活、對(duì)市政建設(shè)影響較小、運(yùn)行成本低、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。它可以直接架設(shè)在屋頂，由空中傳送。既不需申請(qǐng)頻率執(zhí)照，也沒有敷設(shè)管道挖掘馬路的問題。使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的系統(tǒng)，在確定發(fā)收兩點(diǎn)之間視線不受阻擋的通道之后，一般可在數(shù)小時(shí)之內(nèi)安裝完畢，投入運(yùn)行。在考慮到當(dāng)?shù)貧庀蟮臈l件以后，光無(wú)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(dá)到99.999%電信級(jí)的可用性要求.

　　價(jià)格低廉

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

　　運(yùn)行便利

　　自由空間光學(xué)通訊對(duì)運(yùn)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(jí)便利

　　自由空間光學(xué)通訊可組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星形、和網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，易于擴(kuò)容升級(jí)，只需稍作接口的變動(dòng)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(dòng)通信基站間的互連，無(wú)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(jì)上不宜敷設(shè)光纜的地區(qū)，在不宜采用或限制使用無(wú)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(chǎng)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(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時(shí)波束就會(huì)變寬導(dǎo)致難以被接收點(diǎn)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(dá)到4Km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%的穩(wěn)定性。

　　氣象因素

　　FSO系統(tǒng)性能對(duì)天氣非常敏感是另一個(gè)主要問題。晴天對(duì)FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測(cè)試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國(guó)外為解決這個(gè)難題，一般會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)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(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。

　　激光安全因素

　　激光的安全問題也會(huì)影響其使用，超過一定功率的激光可能對(duì)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(guó)外

　　在自由空間光通信（FSO）領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)開始了將近10年的研究，國(guó)外幾個(gè)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(wàn)美元，而AirFiber則獲得大概來自北電網(wǎng)絡(luò)的5千萬(wàn)美元，朗訊科技則投資了4億5千萬(wàn)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(zhǎng)，傳輸速率2.5 Gb/s， 四波長(zhǎng)10 Gb/s， 距離5Km，1999年12月，Global Crossing Ltd.現(xiàn)場(chǎng)使用。

　　LightPointe公司：將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計(jì)和制造電信公司等級(jí)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(guó)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(diǎn)是具有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，不因建筑物的擺動(dòng)和震動(dòng)而使傳輸中斷。

　　中國(guó)

　　國(guó)內(nèi)FSO還在起步階段，有幾家研究所與公司由于跟蹤這項(xiàng)技術(shù)比較早，所以現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室作出了自己的樣機(jī)，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(jī)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(jī)所等。

　　桂林三十四所：主要進(jìn)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(jìn)行了實(shí)地考察。它的樣機(jī)在2001年2月由主管部門進(jìn)行設(shè)計(jì)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(zhǎng)：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(jìn)國(guó)外公司先進(jìn)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(shì)，開發(fā)出了工作波長(zhǎng)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(zhǎng)：850nm；通信距離：1～4Km；光發(fā)射功率：3～30mW。

　　上海光機(jī)：承擔(dān)的“無(wú)線激光通信系統(tǒng)”項(xiàng)目在2003年1月13日通過了驗(yàn)收。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能。其傳輸速率可以達(dá)到622Mb/s，通信距離可以達(dá)到2Km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應(yīng)時(shí)間為0.2s，已申請(qǐng)一項(xiàng)專利。

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

自由空間光學(xué)通訊 - 應(yīng)用范例

　　中國(guó)

　　在中國(guó)，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購(gòu)至少50套無(wú)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(guó)

　　2010年，AOptix公司為空軍驗(yàn)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(jì)，用以確保激光束傳輸和接收質(zhì)量。1.5微米波長(zhǎng)的激光束能夠高效傳輸，但潮濕的空氣和濃霧會(huì)降低信號(hào)的傳輸范圍。AOptix公司將他們的系統(tǒng)與無(wú)線電頻率發(fā)射機(jī)結(jié)合在一起，作為備用系統(tǒng)。

　　2012年，美國(guó)俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的空軍研究實(shí)驗(yàn)室與阿肯色州費(fèi)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(wú)線信號(hào)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?dú)w功于這種激光的特性。紅外激光束很窄，敵方無(wú)法竊聽，除非他們正處在傳輸線路上，這與無(wú)線電波形成鮮明對(duì)比。

自由空間光學(xué)通訊 - 發(fā)展趨勢(shì)

　　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(shí)找到氣象條件影響通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實(shí)現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。

　　傳輸可靠性的研究

　　這個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　傳輸速率的提高

　　FSO相對(duì)于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢(shì)之一就是帶寬。FSO產(chǎn)品的速率從2M開始，形成多個(gè)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(dá)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(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)（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(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以把業(yè)務(wù)集中到一點(diǎn)再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟(jì)。但缺點(diǎn)是能提供的帶寬較少，可靠性差。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以提供幾乎實(shí)時(shí)的迂回選路，使服務(wù)得到保護(hù)。