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无线光通信技术及其应用
2015-01-27 08:22:44   来源:   评论:0 点击:

光通信分为有线光通信和无线光通信两种。其中,有线光通信即光纤通信,已成为广域网、城域网的主要传输方式之一;无线光通信又称自由空

  光通信分为有线光通信和无线光通信两种。其中,有线光通信即光纤通信,已成为广域网、城域网的主要传输方式之一;无线光通信又称自由空间光通信(FSO,Free Space Optical communication)。近年来,随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求,FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇,同时由于光通信器件制造技术的飞速发展,无线光通信设备的制造成本大幅下降,FSO得到越来越多的应用。虽然目前FSO的使用无需通过政府的频率许可(目前无线电频率划分至300GHz,而光波远远超过该频率),但对于无线电管理部门来说,了解这种全新的通信技术的特征和发展趋势是大有裨益的。

1 无线光通信系统的构成

  无线光通信系统以大气作为传输媒质来进行光信号的传送。只要在适当距离的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,即可实现无线光通信。

  无线光通信系统的一般原理如图1所示,由激光源、掺铒光纤放大器、发射光学系统、接收光学系统和接收机等组成,具体仪器包括专用望远物镜、标准光收发机和高功率的Er/Yb光放大器等,其中望远物镜和光收发送机组合在一起。其关键技术是多径发射和使用放大器补偿光通道损耗。

  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,通过作为天线的发射光学系统,将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜;接收机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,FSO系统一般选用透过率较好的波段窗口,最常用的光学波长是近红外光谱中的850nm;还有一些FSO系统使用1500nm波长频段,可以支持更大的系统功率。

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图1 无线光通信系统的原理

2 无线光通信系统的优点

  当前,虽然无线光通信技术还有待成熟,但它以独特的方式、显著的优点,拥有着巨大的市场潜能。

  (1) 频带宽,速率高

  理论上,无线光通信的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同。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。目前国外无线光通信系统一般使用1550nm波长(频率约为1.935×105GHz)频段,传输速率可达10Gbit/s(4×2.5Gbit/s),即可完成12万个话路,其传输距离可达5km。国内无线光通信系统一般使用850nm波长(频率约为3.529×105GHz)技术,速率为10Mbit/s~155Mbit/s,传输距离可达4km。

  (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方式,有非常丰富的频谱资源,无需向无线电管理部门申请频率执照和交纳频率占用费,也不会和微波等无线通信系统产生相互干扰。

  (3) 适用多种通信协议

  无线光通信产品作为一种物理层的传输设备,可以用在SDH、ATM、以太网、快速以太网等常见的通信网络中,并可支持2.5 G bit/s的传输速率,适用于传输数据、声音和影像等信息。

  (4)部署链路快捷

  FSO设备可以直接架设在楼顶,甚至可在水域上部署,能完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务,其施工周期较短,可以在数小时内建立起通信链路,而建设成本只有地下光纤的五分之一左右。

  (5)传输保密性好

  无线光通信的安全性是非常显著的。无线光通信具有很好的方向性和非常窄的波束,因此,对其窃听和人为干扰几乎是不可能的。

3 无线光通信的应用

  无线光通信的主要应用可归结为如下几个方面。

  (1)在不具备有线接入条件或原带宽不足时提供高效的接入方案

  无线光通信可以不必在城市内破路埋线而快速地在楼宇间实现宽带数字通信,也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传输。在1994年,加里福尼亚的ThermoTrex公司,成功地进行了在相距42km、海拔高度为2133m的两座山峰之间的传输实验,传输数速率为1.2Gbit/s。

  (2)有效解决“最后一公里”问题

  无线光通信可以解决各种业务接入的“最后一公里”问题,提高用户接入端的传输容量和速度,能够较好地满足电信网、有线电视网和IP网三网合一对带宽的要求。

  (3)力助局域网互联

  FSO提供了临近局域网之间互连互通的选择方案,不仅可以解决局域网内用户接入的高速传输问题,还可方便地实现局域网之间的连接,形成更大范围的城域网和广域网。

  (4)应急备用方案

  无线光通信可以作为有线通信线路故障或紧急抢险时的应急备用链路,也可作为大型临时活动的通信解决方案。

  (5)快速组建电信网络

  对于新兴的电信网络运营商来说,无线光通信网络可以帮助其快速组建本地网,以较少的资金、人力和时间完成城域网建设;对于传统的电信网络运营商来讲,无线光通信网络系统可以作为其光缆传输系统的补充,用于不便铺设光缆的区域。建设周期短、所需费用少,无线光通信网络系统可以实现先组网再销售的商业模式。

  此外,FSO在卫星间、卫星与地面站间有着重要的应用。如在1995年美国与日本所进行的联合试验中,实现了日本菊花-6卫星与美国大气观测卫星相距39000km的双向光通信。这是一种远距离通信应用,目前仍在研发之中,但卫星间光通信具有容量大、不需进行ITU国际协调等优势,将成为重要的卫星通信手段之一。
 

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图2 无线光通信在城域范围内的各种应用  

4 存在的问题

  虽然无线光通信网络系统独具魅力,拥有大量潜在的应用市场,但也存在许多有待完善的地方。目前,其主要问题有:

  (1) 收发端对准问题

  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距传输条件才能实现通信。当通信设备安装在高楼的顶部时,在风力的作用下设备会发生摆动,这样便会影响激光器的对准精度。楼宇结构中某些部分的热胀或轻微地震等因素,有时也会导致发射机和接收机无法对准。

  (2)大气媒介的影响

  恶劣的天气情况,会对FSO的传播信号产生衰耗作用。空气中的散射粒子,会使光线在空间、时间和角度上产生不同程度的偏差。大气中的粒子还可能吸收激光的能量,使信号的功率衰减。衡量FSO信号可靠性指标之一——LINK MARGIN,单位为dB,其意义为FSO设备正常工作所允许的最大功率损耗。一个典型的FSO系统的LINK MARGIN值为20dB,即在天气晴好的条件下,光信号每公里的功率损耗大约为1dB,也就是说,一般无线光通信系统的最大工作距离是20公里。FSO采用的红外光在空气中传播时易受各种气候因素的影响,如雨、强烈日光等。在大雾天气下,信号衰减可达到每公里400dB,这使FSO系统的有效工作距离不到50米,甚至比无线局域网传输距离还要短。因此,FSO需要寻求一种最优波长频率,并在通信链路中找出波长与性能的最优组合。

  (3)传输距离与信号质量的矛盾突出

  FSO传输距离越大,光束就会越宽,接收端收到的光信号质量越差。目前较远距离的大气激光通信的研究还没有取得突破性进展。

  (4)激光的安全问题

  激光束的安全性是FSO系统必须考虑的问题。光信号发射功率必须限制在保证人类眼睛安全的功率范围内,这也限制了FSO的通信距离。

5 总结

  无线光通信作为一种快捷的宽带网实现方式,已经逐步成为现实。本文简单介绍了无线光通信的基本概念、系统的构成、特点和优势,以及在通信领域的应用及研究情况,同时也分析了其存在的技术问题。

  无线光通信系统将来的研究将集中在增加传输容量、延长传输距离、自动方向对准、降低设备成本等方面。如果这些问题能得到有效解决,那么FSO将发挥巨大潜能和优势,成为无线通信领域的一个新亮点。

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