无线激光通信技术详解

　　无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间（陆地或外太空）直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信“，“无纤激光通信”或“无线激光网络”。无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上，随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。

　　一、无线激光通信的基本原理

　　无线激光通信不是用光纤作为传输媒介，而是以大气为媒质，通过激光或光脉冲在太赫兹（THz）光谱范围内传送信息的通信系统；其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似，但由于用在接入系统，因而组成更为简单。激光具有普通光的一切特性，即折射、反射、透射、衍射和干涉等，但它比普通光具有更优良的特性，即单色性（激光光波都具有相同的频率）好，强度高，相干性与方向性好，因此激光束的发散角度小，能量集中在很小的范围内，接收器可获得比微波高几个数量级的功率密度。

　　无线激光通信本质上也是一种无线电通信，但它与一般无线电通信相比又有区别。在无线激光通信系统中多了两个转换过程，即在发送端进行电–光的转换，在接收端进行光–电的转换。一个光传输系统，所用的基本技术，也就是光电的转换。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，具有全双工的通信能力。通常把待发送的信息源（语言、文字、数据、图像等），通过信号转换设备（话筒、摄像机等）转换成模拟或数字电信号，然后把这些信号输入光调制器，调制到一个由激光器产生的激光束（激光载波）上，并控制这个载波的某个参数（振幅等），使它按电信号的规律变化。于是，激光载波就运载着这些信息（此时的激光

　　被称作已调制激光信号），经过信息处理以后由发射望远镜（发射天线）发射出去。发射望远镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，方便接收望远镜调整方位并接收信号；如果不进行这样的处理，由于激光束截面很小，且激光是直线传播的，将会给接收望远镜的方位调整带来困难。接收是发射的逆过程。接收望远镜（接收天线）接收到已调制激光信号，送到光检测器取出电信号，然后由信号转换设备（如扬声器、显示器等）恢复出原始信息。接收望远镜能用于接收大面积的激光束，并聚焦成较小的光斑，起到恢复激光束本来面目的作用。

　　由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别，可以选用透过率较好的波段窗口，激光无线系统通常使用0.85μm或1.55μm的红外波段。波长0.85μm的设备相对便宜，一般应用于传输距离不太远的场合；1.55μm波长的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1.55μm的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1.55μm波长设备的功率可以比0.85μm的设备高两个等级。功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候对传输质量的影响。

　　二、无线激光通信的优势

　　相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括：

　　1、无须授权执照

　　FSO系统的设备之间没有射频信号的相互干扰，工作频率在百THz以上，不挤占宝贵的无线电频率资源，可以免费使用，故无需像无线电通信那样申请频率使用许可证。

　　2、快速链路部署

　　因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，只须在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位。FSO的无线接收器大小如同一部视频摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶，屋内甚至窗外，对于重新撤换部署也很方便容易。

　　3、成本低廉

　　由于以大气为传输媒质，免去了昂贵的光纤铺设和维护工作。有资料表明，FSO系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右。

　　4、传输保密性强

　　激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好；激光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传送的保密性。激光波长使用红外非可视光，夜间也无法被发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性；除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

　　5、信息容量大

　　自由空间光通信和光纤通信一样，具有频带高的优势。FSO支持155Mbit/s～10Gbit/s的传输速率，传输距离在2～4km之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mbit/s～10Gbit/s的传输速率，但传输距离为1～2km。

　　6、协议透明

　　FSO以光为传输机制，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。

　　7、设备尺寸小

　　光收发终端设备小巧轻便，便于携带，尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、重量轻等特点。

　　三、无线激光通信的缺点

　　当然，无线激光通信也有其固有的缺点：

　　1、通信距离有限

　　激光的定向性虽然很好，但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m，受发送功率、数据速率、天气等条件的限制，实际使用的距离要短一些。测试表明，FSO系统在1公里以下才能获得最佳的效率和质量。

　　2、易受恶劣天气影响

　　FSO的传输质量对天气非常敏感。因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多，光波易被水气吸收，导致衰减严重；所以遇到雨、雪、雾天气，将严重影响激光通信的可靠性，甚至无法接通。据测试FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天5～15dB/Km，雨天20～50dB/Km，雪天为50～150dB/Km，雾天为50～300 dB/Km。

　　3、只能在视线范围内建立链路

　　由于激光不能穿过有形物体，如建筑物、树木等障碍物，所以无线激光通信要求两个通信点之间视线范围内必须无遮挡；对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输，可以通过建立一个中继站实现连接。

　　4、对准困难

　　由于激光在自由空间传输时人眼看不见，这就使接收天线不易把握方位，对准困难。一般FSO系统的发射天线设在大楼上，大风或轻微的地震都会使天线产生晃动造成光路的偏移而不易对准。目前已有“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段可以解决这一问题。

　　5、意外因素使通信链路阻断

　　点对点及点对多点模式中，如有飞鸟或杂物经过某条链路空间时，链路将被隔断，通信受阻。

　　四、无线激光通信的主要应用

　　1、FSO在企事业内部网连接中的应用。在校园网、小区网或大企业的内部网建设中，经常会碰到这样一种情况：马路对面的新建大楼急需接通，可挖路许可权却迟迟不能得到批准或者根本就无法取到，这时候无线激光通信技术便可以大显身手，如右图所示。无线激光通信设备配备标准RJ45接口或光接口，且对协议透明，可以非常方便的完成局域网的连接。

　　2、FSO在宽带接入中“最后一公里”的应用。随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始快速增长，将这些高速的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠高带宽的接入网络。当前有很多接入技术可供选择，比如光纤、微波、xDSL等；但光纤、微波接入方式成本高，xDSL则带宽太低，而无线激光通信作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面，是解决宽带网络“最后一公里”的传输瓶颈的有效途径。

　　3、FSO在移动通信中的应用。移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，随着移动电话用户的迅猛增长和移动数据业务的推广，无线网络需要具有更高的带宽和容量。如何充分地利用现有资源，用最低投入、以最快速度实现移动网络扩容和优化，成为移动网络运营商最为关注的问题。无线激光通信技术作为一种接入技术，因为其自身的特点和在施工、带宽、成本等方面的优点，已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。该方案在主干网到距离最近的天线之间采用光纤连接，经过协议转换器后，由FSO设备系统再连接到其它天线，一定距离内的天线可以共用一个基站，具有以下优点：一是省去基站到天线之间的链路铺设，缩短了施工时间和施工费用；二是可以多个天线共用一个基站，减少了基站数目；三是无线激光通信技术采用红外激光传输，相邻设备之间不会产生干扰。

　　4、用于意外恢复和应急临时链路。在突发的自然或人为意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时；或者在一些特殊地方发生突发事件，需要应急通信；或者某些需要快速建立一些临时链路用于现场通信的场合，可采用无线激光通信进行快速的部署。

　　5、用于特殊地理条件下的通信链路连接。在通信链路必须跨越高速公路、河流、拥挤的城区，由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时，采用无线激光通信可以有效解决链路连接的困难。

　　五、总结

　　无线激光通信与微波通信相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。因此，无线激光通信已成为通信家族中新的一员。FSO可以用于城域网的扩展，局域网的互连，移动通信的基站互连，最后一公里宽带接入，以及灾难应急、临时部署等。今后，随着宽带网络的进一步发展，要求更高带宽应用的流媒体视频等业务的普及，对接入网络的容量和覆盖范围的要求将更为严格。而作为光纤与微波通信的一种补充方式，无线激光通信将有着良好的应用发展前景。