【摘 要】自由空間光通信（Free-Space Optical Communication，簡(jiǎn)稱FSO）是一種通過(guò)激光在無(wú)需光纖的情況下實(shí)現(xiàn)通信的技術(shù)，本文主要介紹了自由空間光通信基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域，以及研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】自由空間；光通信；帶寬；發(fā)展
The Applied and Development of Optical Communication in Free Space
YANG Qing-li
（Department of Electronic and Information Engineering of Chengdu College University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu Sichuan 611731， China）
【Abstract】Free-Space Optical Communication is a communication system which uses the laser as the carrier wave， and transmits laser from source to over distance through atmosphere without fiber cable. The paper introduces the basic theory and applied fields of Free-Space Optical Communication， and its present situation and future development.
【Key words】Free-Space； Optical Communication；Broadband；Devecopment
0 引言
激光通信是當(dāng)今社會(huì)信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信（Free-Space Optical Communication，簡(jiǎn)稱FSO），也稱為無(wú)線激光通信，是一種通過(guò)激光在無(wú)需光纖的情況下實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。在寬帶接入、廣域網(wǎng)和城域網(wǎng)擴(kuò)展、局域網(wǎng)互聯(lián)、深空通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前光通信研究的熱點(diǎn)之一。
1 FSO簡(jiǎn)介
FSO技術(shù)具有與光纖技術(shù)相同的帶寬傳輸能力，能以千兆的速度進(jìn)行全雙工通信且具有成本上的優(yōu)勢(shì)。它的工作原理與光纖通信系統(tǒng)類似，包括光發(fā)送、光傳輸和光接收3個(gè)部分，所用的基本技術(shù)也就是光電的轉(zhuǎn)換。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，在發(fā)送端和接收端之間，必須是互相可視的，兩終端之間不能有阻擋。FSO結(jié)合了光纖通信和無(wú)線通信各自的優(yōu)勢(shì)，具有頻帶寬的特點(diǎn)。由于激光具有直線性和窄波束的特點(diǎn)，F(xiàn)SO主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距傳輸。與光纖通信不同的是，F(xiàn)SO以大氣為媒質(zhì)，光載波信號(hào)通過(guò)大氣而不是通過(guò)光纖來(lái)傳送。系統(tǒng)還需要保證收發(fā)兩點(diǎn)之間，光信號(hào)良好的準(zhǔn)直穩(wěn)定。
自由空間光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)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。
圖1 自由空間光通信系統(tǒng)原理圖
FSO系統(tǒng)主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光學(xué)天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)（ATP）子系統(tǒng)組成，如圖1所示。電信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制到由激光器產(chǎn)生的光載波上，再通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線對(duì)光束整形將光信號(hào)發(fā)射到大氣空間。光信號(hào)經(jīng)大氣信道傳輸，到達(dá)接收端，光學(xué)天線將接收到的光信號(hào)聚焦至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)放大濾波處理，再解調(diào)成原信息。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主要功能是確保兩個(gè)通信終端的精確定向，完成通信鏈路的建立[1]。
和其他無(wú)線通信相比，它具有不需要頻率許可證、帶寬高、成本低廉、保密性好，低誤碼率、鏈路部署快速、協(xié)議透明、抗電磁干擾組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。特別適合骨干網(wǎng)的擴(kuò)建、光纖網(wǎng)絡(luò)的備援、寬頻接入、企業(yè)應(yīng)用、無(wú)線基地臺(tái)數(shù)據(jù)的回傳等領(lǐng)域以及其他需要高速接取的終端。隨著光通信器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，企業(yè)對(duì)短距離高速率傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越高，使得無(wú)線光通信技術(shù)又受到了各國(guó)軍事和民用的關(guān)注。
2 FSO的應(yīng)用領(lǐng)域
FSO具有以上技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以其獨(dú)特的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域都能有廣泛的應(yīng)用，例如：
1）城域網(wǎng)的擴(kuò)展[3]，通信服務(wù)廠商在骨干網(wǎng)建設(shè)上花費(fèi)大量資金，以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能與快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。FSO可以用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)，將新的網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)相連接。
2）企業(yè)、校園互連。由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發(fā)器裝設(shè)在樓頂或窗外傳輸數(shù)據(jù)。FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。以FSO來(lái)代替光纖接取各局端，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速度，主干傳輸速率可以達(dá)到1Gbps甚至10Gbps[4]。
3）軍事應(yīng)用以其高保密性和安裝快捷的特性廣泛的應(yīng)用于軍事場(chǎng)所。
4）作為光纖的補(bǔ)充。目前大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商都采用兩條光纖連接來(lái)保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全，現(xiàn)在，運(yùn)營(yíng)商無(wú)需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。
5）無(wú)線基地臺(tái)數(shù)據(jù)的回傳。FSO也可用來(lái)接入移動(dòng)電話基地臺(tái)與交換中心，將基地臺(tái)接收的信號(hào)傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的交換中心設(shè)備[5]。
3 FSO的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
早在20世紀(jì)60年代，人們就對(duì)自由空間光通信進(jìn)行過(guò)研究，但當(dāng)時(shí)主要用于軍事及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模渖虡I(yè)應(yīng)用是在最近這些年才在美國(guó)興起。
國(guó)外在自由空間光通信（FSO）領(lǐng)域已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投人使用也就是最近幾年的事情。美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)的十幾家廠商正在從事FSO的相關(guān)研發(fā)工作。目前，國(guó)際市場(chǎng)上AirFiber、LightPointe等公司是推廣FSO技術(shù)的先行者。比較典型產(chǎn)品有AstroTerra公司的TERRALINK4-155系列產(chǎn)品、Air-Optica公司的UWIN802、PLH802系列和PAV數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司的SKY系列產(chǎn)品。而Terabeam公司和Airriber公司已將FSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)；尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，在西雅圖的四季飯店也成功地利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。大部分的FSO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均處于較短距離100～500m的技術(shù)水平，大多采用的是中等功率10～100mW激光二極管或小型光電二極管的低成本解決方案[6]。
就國(guó)內(nèi)FSO的發(fā)展來(lái)說(shuō)，還基本在起步階段。在國(guó)內(nèi)，從事FSO研究的主要有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第34研究所（桂林）、成都光電技術(shù)研究所及上海光機(jī)所等單位。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第34研究所早在1971年就開始進(jìn)行FSO技術(shù)研究。FSO設(shè)備最初來(lái)到中國(guó)應(yīng)該在2000年前后，那時(shí)國(guó)內(nèi)從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項(xiàng)目的研究所。后來(lái)，F(xiàn)SO獲得了較好的發(fā)展，主要FSO設(shè)備公司不斷取得技術(shù)和商業(yè)上的進(jìn)展。清華同方公司的FSO產(chǎn)品TFOW100-1已經(jīng)面世，它能提供100Mbps的帶寬，定位在1000m之內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用。但是還沒(méi)有一家公司規(guī)模性的生產(chǎn)FSO設(shè)備。當(dāng)然這也有FSO設(shè)備由于本身的可靠性，在國(guó)內(nèi)暫時(shí)不被運(yùn)營(yíng)商看好的因素。
FSO技術(shù)原理比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何提高傳輸?shù)目煽啃裕蛊浔M量達(dá)到用戶的要求。現(xiàn)在的研究方向大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率，大致有以下幾個(gè)方面。
（1）大氣信道的研究
對(duì)于大氣對(duì)通信信號(hào)的干擾分析，不能僅局限于大氣的吸收和散射等，還要注意大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴(kuò)展以及大氣色散等問(wèn)題。這些因素都會(huì)影響接收端信號(hào)的信噪比，從而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。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)。因此，必須在這方面做更深入詳盡的分析，提出解決方案。
（2）傳輸可靠性的研究
這個(gè)方面主要是對(duì)信號(hào)源和接收技術(shù)的研究。對(duì)于信號(hào)源，除了要求輸出光束質(zhì)量好、工作頻率高、出射光束窄以外，還要考慮激光器的輸出功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、光束方向穩(wěn)定性和工作壽命等。有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四個(gè)）發(fā)射技術(shù)，既可以克服氣穴的影響，同時(shí)可以克服小鳥等引起的光路的突然割斷。還有比較重要的一種技術(shù)就是跟蹤技術(shù)，這方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光強(qiáng)度或者波形來(lái)自動(dòng)定位、調(diào)整發(fā)射端的位置。現(xiàn)在幾個(gè)大的FSO生產(chǎn)廠家都有自己的一些自己的專利技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，MRV公司現(xiàn)在擁有最多的FSO專利，達(dá)16項(xiàng)之多。現(xiàn)在電路部分的做法一般是采取大功率連續(xù)單縱模激光器加高靈敏度Si光電二極管來(lái)克服大氣信道帶來(lái)的衰減，減少誤碼。
（3）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。現(xiàn)在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。
（4）FSO設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞难芯?/p>
FSO網(wǎng)可以有三種拓?fù)洌袋c(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(lái)使用，既可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。目前已使用的系統(tǒng)多采用點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來(lái)連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。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(guò)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)。隨著自由空間光通信技術(shù)的不斷完善，由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展是大勢(shì)所趨。有專家預(yù)測(cè)，未來(lái)的自由空間光網(wǎng)絡(luò)將形成一個(gè)立體的交叉光網(wǎng)，可在大氣層內(nèi)外和外太空衛(wèi)星上形成龐大的高容量通信網(wǎng)，再與地面上的光纖網(wǎng)絡(luò)相溝通，滿足未來(lái)的各種通信業(yè)務(wù)需求。
（5）保密性的研究
自由空間光通信的安全保密性較好，因?yàn)榧t外激光的波束窄且不可見(jiàn)，很難在空中發(fā)現(xiàn)其通信鏈路。同時(shí)，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在鏈路中插入，這是很難做到的，而即使被截取，用戶也會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殒溌繁恢袛唷Ｒ虼耍杂煽臻g光通信系統(tǒng)比微波系統(tǒng)安全得多。但是經(jīng)分析論證，由于自由空間光通信信道的開放性，竊聽信號(hào)而又不阻斷光束的傳播，也是可以做到的，所以深入研究自由空間光通信的保密方法和技術(shù)是十分必要的[7]。
從以上看來(lái)，現(xiàn)在FSO的發(fā)展方向是：首先提高系統(tǒng)的可靠性，然后在此基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)的傳輸速率，傳輸距離，從而找尋FSO更多的使用領(lǐng)域；同時(shí)研究FSO的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以使得FSO設(shè)備發(fā)揮最大得潛能。
隨著通信需求和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，自由空間光通信系統(tǒng)已開始進(jìn)入實(shí)用化研究階段。相信不久的將來(lái)，激光通信將取代微波通信成為星際間通信的主要手段。無(wú)線電系統(tǒng)和光無(wú)線系統(tǒng)在許多方面可互為補(bǔ)充，光無(wú)線系統(tǒng)能提供小區(qū)域的高速連接，而無(wú)線電系統(tǒng)能提供大區(qū)域內(nèi)低速通信。各種系統(tǒng)的無(wú)縫連接將能使用戶得到更方便的服務(wù)。
4 結(jié)語(yǔ)
作為一種寬帶接入技術(shù)，F(xiàn)SO以其靈活方便的接入方式，較短距離的情況下，以低廉的成本投資可獲得光纖傳送的速率。同時(shí)在最后一公里接入等領(lǐng)域也有著相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。自由空間光通信的任務(wù)不是取代已經(jīng)發(fā)展成熟的光纖通信和微波通信，而是發(fā)揮自己特色，成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，與其他通信方式互相補(bǔ)充、互相配合、發(fā)揮重要作用，F(xiàn)SO在未來(lái)的通信領(lǐng)域中必將占據(jù)重要地位。自由空間光通信技術(shù)受到越來(lái)越多用戶的認(rèn)可，我們相信兼有光通信和無(wú)線通信優(yōu)勢(shì)的FOS技術(shù)會(huì)有廣闊的、迷人的前景。
【參考文獻(xiàn)】
[1]吳迪.自由空間光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能分析[D].浙江：浙江大學(xué)，2007.
[2]朱震，陳凌.自由空間光通信技術(shù)[J].無(wú)線光通信技術(shù)，2003（1）：12-16.
[3]張春，侯曉霞，范忠禮.自由空間光通信技術(shù)及其在城域光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[J].電信快報(bào)， 2003（9）：39-41.
[4]呂宏強(qiáng).基于FSO技術(shù)的“最后1km”寬帶接入[J].中國(guó)有線電視，2003（4）：54-55.
[5]安亞青，李文田.無(wú)線光通信技術(shù)與應(yīng)用分析[J].電力系統(tǒng)通信，2005（4）：7-9.
[6]鄭勇剛，李博.自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].無(wú)線光通信，2006（7）：54-55.
[7]孫文燕.淺談自由空間光通信技術(shù)及其發(fā)展[J].科技信息，2007（19）：109-111.
[責(zé)任編輯：曹明明]