无线光通信(FSO),无线光通信(FSO)的特点及原理/前景

无线光通信(FSO),无线光通信(FSO)的特点及原理/前景是什么?

是指无线激光通信(OWC)，又称自由空间激光通信(FSO)。自从1960年激光的出现以来，许多学科的发展都得到极大地促进了，而其在通讯领域的表现尤为突出。激光良好的单色性、方向性、相干性及高亮度性等特点正是光通信所需的理想光源，将激光用于通信的想法随之产生，从此掀开了现代光通信史上崭新的一页，经过近40年的努力，各项基本技术有了很大的发展，在当今的信息传递中占有非常重要的地位。

激光通信 是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，和传统的电通信一样，激光通信可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。有线激光通信就是近二、三十年来迅猛发展起来的以光导纤维作为传输媒质的光纤通信，目前己成为高速有线信息传输的骨干，具有了相当的规模，正在逐步取代传统的电缆通信。但必须有安装光缆用的各种基本敷设条件，当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大，建设周期长，费用高。

无线激光通信也称自由空间激光通信，它不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送，不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信，是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量人力和物力来争夺这一领域的技术优势。

根据其使用情况，无线光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网格状通信。而从光可以有一定穿透能力的介质来看，光在自由空间的传播介质有近地面大气层、远离地面的深空和水三种，因此，根据其传输信道特征则又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信。

按传输信道特征，目前研究开发的范畴可划分如下: 

现代社会信息的日益膨胀，使信息传输容量剧增，现行的无线微波通信出现频带拥挤，资源缺乏现象，开发大容量、高码率的无线激光通信是未来空间通信发展的主要趋势，和光纤通信对常规电缆通信的逐步替代相类似，有关专家认为，无线激光通信是今后发展卫星高码率通信的最佳解决方案，在商业上，未来的“无线”激光通信将提供一个立体的交叉光网络，在大气层内外和外太空卫星上形成庞大的高速率、大容量的通信，再与地面的光纤通信网相连接，提供未来所需的各种通信业务需求。

无线光通信的优势与特点
无线光通信是以激光为传输载体以大气为传输媒介的通信方式，与传统的通信方式相比较，无线光通信主要的优点是：

1、架设灵活便捷，OWC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OWC对于解决最后公里的宽带接入，对于应用于企业和校园网络，以及作为光纤冗余链路、无线临时传输手段等，有着极大的应用价值。OWC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，因此大大缩短了施工周期，这对于通信运营商来说，是一种快速抢占市场的极好选择。

2、微米级的波束发散角和稳定的方向。波束发散角与波长成正比。激光通信的工作波长一般在微米量级或更小，而和微波通信的波长范围在数百米到亚厘米之间。因此，激光通信的光束发散角比RP和微波通信至少小3到4个数量级，大约在10微弧度左右。这在军事应用上具有非常重要的意义，因为捕捉这么窄的光束是非常困难的，从而大大提高了军事通信的保密性。

3、设备对电源量需求很低，只需几伏，采用本地供电，并且供电方式多种多样。

4、常轻小的天线尺寸和系统结构。天线尺寸与工作波长有关，波长越短，所需的天线就越小。由于激光通信的波长远小于RF和微波通信的波长，在同样功能和条件下，激光通信的天线尺寸远小干RF和微波通信的天线尺寸。因此，激光通信系统的重量和体积相对就显得非常轻小。这有利于激光通信在各种航天器上的应用，尤其是在小卫星上的应用。

5、高数据传输率。对激光脉冲进行调制解调后，激光通信可以提供高达10Gbps(每秒千兆位)量级的数据传输率，远远高于目前RF及微波通信传输速度。

6、低发射功率，高接收功率。对于接收端而言，有效接收功率与波束发散角的平方成反比。由于激光通信的波束发散角远小于RP和微波通信。因此，在距离相同的情况下，较之RF和微波通信，激光通信可以用更小的发射功率获得更高的接收功率。

7、新的通信频带。由于激光通信的波长远小于RF和微波通信，因此其工作频率比目前拥挤的无线电通信频率高许多，为信息传输提供了新的通信频带。

8、 适用任何通信协议，OWC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(异步传输模式)、FD-DI(光纤分布式数据接口)、Ethernet(以太网)、Fast Ethernet(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。

9、 传输容量大，微波频率大致在数GHz到数十GHz量级，而激光的频率大致在数百.THz量级，比微波高3-5个数量级，因而可以得到高得多的数据传输速率。

10、经济性强。没有任何设计、勘察、工程和线路费等附加费用，较其它如卫星站、短波和光缆等手段每兆比特的传输费用更为经济。

从上述的特点可以看出，激光通信在科学研究和军事领域有着极为重要的应用，而它在商业上的应用前景更为广泛，潜力也更为巨大。在当今信息社会中，对于各种各样的通信网络和信息传输工具(如INTERNET、电话、电视等)来说，低的数据传输率和越来越拥挤的通信频带己成为阻碍其发展的难以逾越的瓶颈。而激光通信所提供的高达10Gbps级的数据传输率和新的通信频带，是彻底、全面解决上述问题的希望所在。

无线光通信及其应用
无线光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。无线光通信除具有不挤占频带，通信容量大，传输速率高等无线激光通信的优点外，还具有机动灵活、经济、架设快捷、使用方便，不影响市政建设等特点。随着大气通信技术的成熟，它的应用将会越来越广泛，根据其特点，它潜在的应用场合有:

(1) 民用上可用于移动基站间的互连，单位内部的数据传输及小范围内局域网建设如校园网的组建，需严格保密的场合及要害部门，技术上或经济上不宜敷设光缆的地区如军工、国防部门，核电站、边远山区、江河两岸间、高山间等，以及用于灾区、事故地点的快速抢通等。

OWC最大的成功来自于校园局域网连接市场。这种应用包括连接编辑室和广播站，或者作为一栋大型综合大楼两个高速传输节点之间的通信手段。在光纤主干链路被切断或网路因恶劣天气被破坏以及其它突发事件时，OWC可以作为紧急情况备用和灾难后的恢复措施。另外，OWC还可以应付一些其它情况，如在光纤要通过河流或高速公路时，或在一些交通拥挤和地形复杂的城市，政府通常不希望挖开街道铺设光纤，OWC也可以作为一种很好的替代方式。有关专家指出，在未来的移动通信网建设中，无线光通信系统将用于最后一公里的接入。

(2) 军事上则可应用于战斗打响前无线电静默期间的短距离通信，或战斗打响后的保密通信，海岸与海岸之间、海岛之间，边防哨所之间，舰船之间，导弹发射现场与指挥中心之间的短距离通信等。

无线光通信的缺点
是受天气状况、地形条件、外来物的影响较大，难以实现全天候，超视距的通信，这是一直困扰大气工程师的问题，也是无线光通信无法推广使用的原因，一旦无线光通信技术能克服气候因素的影响，能实行全天候通信，无线光通信不失为一种非常好的通信手段。

无线光通信的发展状况
从激光出现至今，大气激光通信技术的发展大致经过了高峰—低谷—复苏三个阶段。60-70年代，研究高峰期，人们对激光在通讯方面的巨大潜在应用充满了兴趣，成为无线光通信发展史上最辉煌的时期，国际上掀起了研究大气激光通信机的高潮.1961年美国贝尔试验室和休斯公司分别用红宝石激光器和氮--氖激光器作了大气通信实验，60年代中期，C02激光器和 Nd:YAG 激光器的发明，使大气激光通信又向前迈进了一步，尤其是C02激光器.它发射的波长为10.6km ,正好处于大气信道传输的低损耗窗口，逐渐成为大气激光通信的主要候选光源。60年代中期以后涌现了许多大气激光通信实验系统，其中包括10.6微米外差探测电视信号传输实验系统，传输距离19英里，30Mbit/s脉冲偏码调制通信实验系统，传输距离S英里；10.6微米, 224Mbit/s脉冲编码通信实验系统等等。与此同时，光调制技术和探测技术也得到了一定的发展。由于当时技术条件的限制，此时的大气激光通信系统受气候条件的影响很大，只能在晴好及小雨天气下进行短距离的通信，遇到大雾大雨等恶劣天气则无法通信，此外，由于受大气湍流影响，通信质量也很不稳定，因而其应用场合大受限制，无法推广。70-80年代，衰落期。进入70年代后，随着低损耗光纤的问世和光纤通信的迅猛发展，人们对大气激光通信逐渐失去了兴趣甚至有人指出走大气激光通信的道路是一条死胡同，根本走不通，它便在轰轰烈烈的光纤通信研究热潮中逐渐消退，到了80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了对它的进一步研究，近20年来，该项技术没有取得多大进展，大气激光通信的发展步入了低谷。但由于其良好的保密性及在军方的巨大潜在应用，少数几个财力雄厚的国家特别是军方没有放弃它。进入 90 年代后，随着大功率半导体激光器器件的研制成功、激光技术、光电探测等关键技术和日益完善与成熟，以及空间通信需求的日益增加，无线光通信重新唤起了人们的热情，在探索大容量、高数码通信的研究中大气激光通信技术悄然复苏并逐渐走向实用化。1988年，巴西AVIBRAS宇航公司研制出一种便携式半导体激光大气通信系统，其外形如一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风，将一端对准另一端即可通信，通信距离lkm ，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。 1989 年 美国 FARANTI仪器公司研制出一种短距离、隐藏式大气激光通信系统。1990年，美国又成功试验了一种适合特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信系统，通信距离2-5km。与此同时，俄罗斯进行的激光大气通信系统技术的实用化研究也取得实质性进展，推出lOkm以内的半导体激光大气通信系统并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市投入应用。五年前在瓦洛涅什城瓦洛涅什河两岸相距4km的两个能源站之间架设的半导体激光大气通信系统(该系统同时传输8路数学电话〕，如今仍稳定运行。而在距瓦洛涅什城约200km以及在距莫斯科不远的地方也开通了半导体激光大气通信系统线路。俄罗斯专家普遍认为:半导体激光大气通信系统在一定的视距内有效地实现全天候通信是完全可能的。近年来， 美国、日本、英国等国家相继推出了一些大气激光通信系统产品，比如美国Terra公司的一系列大气光通信产品，日本佳能的无线光通信系统等，1999年木朗讯公司在深圳首届高交会上首先发表了一个短距离激光无线多媒体通信系统样机(采用1550nm激光)。2000年悉尼奥运会期间，美国的Terabeam与IacentTechnology合作，在水上中心与演播中心之间建立了8波道的无线数据通信链路，运行期间始终保持畅通，效果良好。2001年8月，Terabeam又成功地为MicrosoftCorporation年度员工大会提供了无线数据传输服务。

国内从事OWC技术研究和产品开发的单位主要有华中科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、南京大学、上海光机所、信息产业部第34研究所和广东工业大学等。2001年4月激光大气通信机在广西桂林研制成功。该通信机以半导体激光器为光源，用两套设备构成点对点无线通信系统，可传输多种速率的数据和图像，直线视距全天候通信距离达4千米口该激光大气通信机具有体积小、组网灵活、无电磁干扰、可靠性强等特点。2003年1月上海光机所信息光学实验室研制成功的无线激光通信系统。该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，兼有体积小重量轻的特点。

无线光通信的前景
虽然光纤技术正得到不断地推广使用，但随着高速本地环路网络互联需求地不断增长，实施光纤网络遭遇到的布线难与成本高的问题日益突出。OWC技术既能提供类似于光纤的速率，又不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资，因此备受关注也是理所当然的。据统计，即使在通信发达的美国，几乎90%的办公大楼与业务提供商之间也没有光纤连接，因为用光纤连接是非常昂贵的。根据AirFiber公司的分析，在美国，如采用OWC的网络结构配置，每大楼的成本约为2万美元，平均链路长度为55米，最长为200米，只需2--3天就能安装完毕。相反，如用光纤连接大楼，则每大楼需5-20万美元，通常需要4-12个月才能连通。因此，与光纤线路相比，OWC系统不仅安装方便、建设迅速，而且成本低，大约是光纤到大楼成的1/10-1/3.到目前为止，OWC己被多家电信运营商应用于商业服务网络。于过去的激光大气通信有很大的不同，目前OWC是具有高度发达的光纤通信技术平台，引入望远镜式光学天线后以大气为传输介质，应用目标是5km内的视距通信。作为与现有光纤通信系统和网络兼容的光通信技术，应用于宽带接入网、城域网、企业网、校园网、军用战术通信网、应用通信系统、光纤通信的延伸系统(在通过江河、海岛与大陆、海岛与海岛等应用中)，可以利用和移植现有的光放大、波分复用、全光插分复用和交叉连接等技术，是光纤通信的补充。相比较而言，OWC最适宜用来组建高速本地网或用作现有光纤网络的备份。我国电信、移动、联通、网通、铁通、吉通等传统和新兴电信运营商，除了电信有接入网以外，包括电信在内都没有可支持高清晰度视频的宽带接入网和城域网，而城域网和接入网是电信运营商向全社会提供电信服务必备通道和聚集利润的漏斗，必然会被高度重视，宽带接入网和城域网的建设高潮将在HDTV等宽带信息业务的驱动下于近期到来，OWC在宽带接入网和城域网建设中将会有广阔的市场前景。OWC的另外一个大市场是没有光纤连接的中小企业。我们有理由相信兼有光通信和无线通信优势的OWC技术会有迷人的广阔前景