无线光通信技术.doc

无线光通信技术

摘 要：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。在过去的几年中，人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，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。但是从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"，如果铺设光缆，不仅花费大而且耗时；许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题，但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照，不仅要使用户支付大量的频率占用费，而且申请也要花费数月的时间。
关键字：无线光通信技术 高速率数据传输 系统构成
　　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。在过去的几年中，人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，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。但是从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"，如果铺设光缆，不仅花费大而且耗时；许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题，但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照，不仅要使用户支付大量的频率占用费，而且申请也要花费数月的时间。
　　无线光通信因为无需频率申请，机型小方便架设，能够简单的解决最后一英里的问题，为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案。
　　无线光通信可在以下一些范围发挥重要作用：
　　·可以作为预防服务中断的光纤通信和微波通信的备份；
　　·可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；
　　·应用于近距离高速网的建设以及最后一英里接入；
　　·不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方；
　　·在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合；
　　·用于企业内部网互连和数据传输。
　　1 无线光通信系统的构成
　　无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，就可以进行通信。

　　一个无线光通信系统包括三个基本部分：发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。对基于FSO的系统来说，最常用的光学波长是近红外光谱中的850 nm；还有一些基于FSO的系统使用1500 nm的波长，可以支持更大的系统功率。
　　2 无线光通信系统的特点和优势
　　2.1 频带宽，速率高
　　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。FSO产品目前最高速率可达2.5 Gbit/s，最远可传送4 km。
　　2.2 频谱资源丰富
　　与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传输，有相当丰富的频谱资源，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。
　　2.3 适用任何通信协议
　　适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的SDH、ATM、以太网、快速以太网等都能通过，并可支持2.5 Gbit/s的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。
　　2.4 架设灵活便捷
　　FSO可以直接架设在屋顶，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，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。
　　2.5 安全可靠
　　无线光通信的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。
　　2.6 经济
　　光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一

　　3 无线光通信系统存在的问题
　　FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也会导致发射机和接收机无法对准。
　　恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的发射功率。
　　传输距离与信号质量的矛盾非常突出，传输距离越大，光束就会越宽，接收的光信号质量越差。
　　激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。
　　4 国外研究现状
　　在FSO领域，国外已经开始了将近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。在FSO这个领域里，国外几个大的FSO厂家，包括LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。
　　LightPointe将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。LightPointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度最高可达2.5 Gbit/s，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。
　　AirFiber位于美国加洲San Diego，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为OptiMesh，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离622 Mbit/s无线光传输系统。
　　Canon主要产品有：Canobeam DT-50，速率从25 Mbit/s到622 Mbit/s，可连接 FastEthernnet、FDDI、ATM。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2 km。Canobeam III：数据速率达到622 Mbit/s，有不同的网络接口，如ATM、FDDI、Fast Ethernet并可选择SNMP 的TCP/IP。
　　TeraBeam Internet Systems产品是基于IP 的无光纤点到多点网络，发送和接收机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。
　　5 国内研究现状

　　目前在中国，无线光纤技术基本处于起步阶段，有几家公司在实验室作出了样机，但是没有规模性的生产，主要原因有FSO本身的可靠性问题，一些人对FSO技术存有一定程度的误解和疑虑；还有一些用户对FSO技术了解不多。
　　桂林三十四所、清华同方有限公司、中科院成都光电技术研究所、深圳飞通有限公司、上海光机所等几家单位，有比较成熟的样机。
　　桂林三十四所产品的主要性能参数有以下一些，传输速率：8 Mbit/s，34 Mbit/s，155 Mbit/s；工作波长：850 nm；通信距离：1~4 km；光发射功率：小于40 mW。
　　清华同方推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产品OWLink E100。清华同方在快速追踪系统具有自动校准功能获得了专利，其产品还遵循眼睛安全标准。
　　中科院成都光电技术研究所，开发的产品主要性能参数有传输速率:10 Mbit/s；工作波长：850 nm；通信距离：1~4 km；发射功率：3~30 mW。
　　上海光机所承担的"无线激光通信系统"具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以达到622 Mbit/s，通信距离可以达到2 km。自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高灵敏度位敏探测器，实现灵敏的伺服跟踪。
　　深圳飞通有限公司开发出的样机，其速率有155 Mbit/s、622 Mbit/s以及1.25 Gbit/s几种，通信距离最远可达4 km。
　　6 FSO研究的发展趋势
　　FSO目前存在的问题主要集中在下面几个方面：针对大楼摆动的瞄准问题；大气中粒子对光线的散射、吸收问题；提高传输速率问题。这些问题影响了传输的可靠性，所以对这些问题的研究成为FSO的发展方向。
　　6.1 发射、接收的瞄准的研究
　　在大风中或因地震引起大楼的摆动，发射机发送的光信号对不准接收机，产生的误差大，甚至通信无法实现。目前的研究方向在于提高激光的瞄准，怎样利用非机械装置来实现精确的对准和快速瞄准；在接收机方面，散射光线也带有信息，接收散射光线越多，接收的信号能量越大，但同时接收的噪声也越大，所以尽量提高接收机接收信号总功率，又不能降低信噪比成为研究目标。
　　6.2 减小大气对通信的影响
　　在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸收窗口、不同的散射函数以及不同的折射率，需要寻求一种最优波长，在通信链路中找出波长与性能的最优组合。

　　6.3 传输速率的提高
　　FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2 Mbit/s开始，形成多个系列，比较典型的有10 Mbit/s、100 Mbit/s、155 Mbit/s、622 Mbit/s。有的公司采用波分复用技术，速率可以达到2.5 Gbit/s、10 Gbit/s。
　　综上所述， FSO的发展方向是解决大楼的抖动引起的对不准问题、大气微粒的散射问题、大气湍流影响通信问题，提高系统可靠性，在此基础上提高传输速率，使FSO发挥最大优势。
　　7 结束语
　　无线光通信已经成为现实，它是连接宽带网的一种快捷方法。文中详细地介绍了国内外目前对FSO的研究以及研究成果，分析了目前存在的问题， 如果这些问题能得到解决，那么必能发挥FSO的最大潜能和优势。随着无线光通信技术的不断完善，它一定可以得到广泛的应用。