自由空间光通信FSO

自由空间光通信（FSO）
摘要：无线光通信又称自由空间光通信（FSO），是一种以激光为载波（MHz）, 在真空或大气中传递信息的通信技术。

随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，F S O 在视距传输、宽带接入中逐渐得到了的应用。

本文简单介绍了自由空间无线光通信技术的发展现状，其基本原理、系统组成和相关的关键技术，简要分析影响自由空间光通信的几个重要因素及可能解决的方法，最后从应用的角度，分析自由空间的发展的方向和趋势。

关键词：自由空间光通信（FSO），系统组成，问题，趋势
一、背景
自由空间光通信FSO( Free space optics)或称无线光通信技术，在20 世纪80 年代就开始用于军方,随着掺饵光纤放大器EDFA、波分复用WDMA、自适应光学Adaptive Optics 等技术不断发展, 无线光通信在传输距离、可靠性、传输容量等方面有了较大改善, 适用面也越来越宽。

90年代 FSO 系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品, 因为安装屋顶到屋顶的FSO 链路比挖掘城市街道、安装光纤线路快捷便宜得多。

由于无线通信所赖以生存的射频频谱正在变得十分拥挤, 很难再支撑高速宽带大容量无线通信应用。

于是, 人们又将目光转向了无线光通信。

虽然无线光通信技术还有待成熟，但它却有显著的优点：
(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。

目前国外无线光通信系统一般使用1550n m波长，传输速率可达10Gbit/s，可完成12万个话路，其传输距离可达5k m。

国内一般使用850n m波长技术，速率为10M b i t/s～155Mbit/s，传输距离可达4km。

(2) 频谱资源丰富：FSO设备多采用红外光传输方式，无需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。

升级容易，接口开放。

(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S D H、A T M、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。

并且安装快速简易, 因此可在野外的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接。

(5)传输保密性好：无线光通信的安全性高。

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较困难。

(6)组网灵活：可以构建点地点，点对多点，环状，星状，网状等多种结构。

并且网络的扩展容易。

在自由空间光通信(FSO)领域, 国外已经开始了近10年的研究, 但是FSO 产品真正投人使用也就是最近几年的事情。

Light-Pointe 公司自从2004 年推出的FlightLite一直是最畅销的企业无线产品之一，而LightPointe 又于05年五月份推出FlightStrata100XA, 是第一款集成了快速以太网光无线链路和5.8GHzRF 技术的FSO 产品。

该产品提供了全天候的工作能力, 同时可以提供与光纤线路一样的带宽。

FlightStrata100XA 是基于LightPointe 的发展历程验证的LAN- to- LAN 光无线连接解决方案, 同时支持全双工工作, 支持光路和RF线路的自动切换, 具有99.999%的网络可靠性。

在中国，FSO最初的使用是一些军方的项目研究所，后来，清华同方公司推出的FSO 产品TFOW100-1能提供100Mbps的带宽，用于1km以内的网络接连，该产品的特点是采用小功率激光器，所以大幅降低成本。

根据华为公司与Light-Pointe 公司04年7月的OEM 合作协议，华为将在欧洲，中东等地将LightPoint的产品作为自己光网络产品的部分销售。

华国已成功将FSO产品安装到国内的各大运营网络中，这表示华为是世界一流的供应商。

二、自由空间光通信系统的构成
自由空间光通信的基本原理与光纤通信相同,只不过它是以大气作为传播媒质来进行光信号的传送。

只要在两个收发端之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,通信就可以进行。

自由空间光通信系统使用的基本技术是光电转换。

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,可以实现全双工的通信。

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。

由于大气介质对不同光波长的信号的透过率有很大的差别,所以应该选用透过率较好的波段窗口。

自由空间光通信的波长一般有850nm和1500nm。

850nm的设备相对便宜，用于传输距离不太远的场合。

而1500nm的FSO设备价格要高一些，不过却有更好的功率、传输距离和视觉安全方面的优点。

无线光通信系统的一般原
理如图1所示。

自由空间光通信系统可以看成是由以下几部分组成：
（1）光源部分：进行通信时，由于受到大气性能的影响，应考虑激光的功率和传输频率等特性。

目前主要是有半导体激光器、固体激光器等。

半导体激光器可以工作在1.06um 左右，这是大气低损耗窗口，可以减小衰减。

并且半导体激光器具有体积小、转换效率高、低成本可直接调制等特点。

实际的FSO系统多采用半导体激光器为光源。

（2）发射和接收系统：这是FSO系统的重要组成部分，包括调制解调器，光发射接收天线及探测放大等装置。

光发射机主要是完成调制，通过天线发射载信息的激光，接收机用来接收激光，进行光电转换，放大，解调等。

（3）对准、捕获、跟踪系统：FSO要求发送光必须准确地到达接收机探测器上。

对准是调整发送激光瞄准一个特定方向的过程。

而确定入射光到达目标方向的接收过程为捕获。

调整整个通信过程的对准和捕获的动态变化过程称为跟踪。

由于自由空间信道具有随机的不稳定性，因此FSO系统必须具有实时调整的ATP来适应不断变化的条件。

自由空间光通信网络的拓扑结构主要有：点到点，点到多点（星形），环形或网格状通信。

点到点结构是最简单的网络拓扑。

目前这种结构大多数只是用来连接企业内部各幢大楼，作为宽带的专线连接。

其优点是链路独立，网络规划简单，但是其光链路没有任何保护，只要有一点出故障，链路就中断，因而不适合于电信级系统中的应用。

点到多点拓扑结构可以把业务集中到一点（集线器或中心节点），再接入核心网，这种结构效率较高，但是每条链路仍无保护，可靠性差。

并且集线器的位置选择十分关键，集线器的成本也较高。

环状和网格状的结构见下页图2。

由于通过多个网络节点提供实时的迂回路由，使服务得到较好的保护。

电信级的系统一般采用这两种结构及其混合结构。

其缺点是传输距离短、成本高，网络
规划复杂。

三、自由空间光通信的关键技术
1、高功率激光技术
自由空间光通信系统的传输方程经过简化后可表示为：
22
0.0128//100.09(1)10L L r t P P e βα--=⨯-⨯ 由上式可知L 处的接收光功率Pr 与发射功率Pt 、传输距离L 、光束发散角β和大气衰减系数α有关。

所以改善发射功率Pt 显得至关重要。

自由空间光通信对激光器的要求主要 ：（1）波长必须在空间传输的低损耗窗口，如大气通信的820~860nm 和1600nm 波长区。

大多数以LD 泵浦的Nd:Y AG 固体激光器作为信号光的光源。

（2）高功率。

由于空间光通信在传输过程中有可能存在严重的损耗，为了建立可靠的低误码通信信道。

必须具有足够大的功率。

一个解决的方法就是采用光纤放大器。

（3）窄光束。

系统一般要求光束10 u rad ，因此高功率的LD 必须以衍射极限光束输出。

通常信标光源要求能提供几瓦量级的连续或脉冲光，以便在大视场和高背景光干扰下快速、精确地捕获和跟踪目标。

信标光的调制频率为几十Hz 到几千Hz ，或几千Hz 到几十千Hz ，以克服背景光的干扰。

信号光源刚选择几十mW 的半导体激光器，但要求输出光束质量好，调制频率要高。

目前国外用于无线光通信的半导体激光器和接收器已经实现商品化。

2、光学天线技术
光学天线的主要方式有：收发结合式、收发分离式和收发合一式。

FSO 通信系统中均采用收发合一的天线。

由于半导体激光器的光束质量一般较差，因此要求高的天线增益。

此外为了适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等）总体结构要紧凑、稳定可靠。

国际上现有的FSO 天线口径一般为几cm 到25cm 。

而在天线的光学设计上，可采用自适应变焦技术来解决大气信道传输特性随机变化时对通信产生的不利影响。

在天线的架设上技术上，要求要有高效率地校准和调校装置。

3、自动跟瞄技术
自动跟瞄技术系统中最重要的PA T 方案中，美国T16rmoTrex 研究所提出的采用原子滤光器的方案相当成熟。

在接收端采用性能优异的超窄带宽的原子滤光器可以展宽视场角，所以较容易捕获发射的激光束。

而且原子滤光器对太阳背景辐射有很强的抑制作用，发射的信标信号光不会被强噪声覆盖。

（1）捕获。

在大视场范围内捕获目标，其范围可达120o o ±±或更大。

通常由阵列CCD 实现，并与带通光滤波器信号实时处理的饲服执行机构来完成捕获。

（2）跟踪、瞄准。

在捕获之后，进行目标的跟踪、瞄准。

通常由四象限红外探测器QD 或Q －APD 位敏传感器，配以相应的电子学饲服控制系统来实现。

要求视场为几百微弧度。

4、信道分析及压缩编码技术
自由空间光通信的信道是随机信道。

因此保证在随机信道中正常对待光通信的研究十分重要。

自适应光学技术是逐渐走向实用化的一项技术。

为了在自由空间光通信目前还十分有限的调制带宽内更大容量地传输多路信号提供保证，信号压缩编码技术发展迅速，其中小波技术由于具有优良的时频分析能力和变焦性能，因而能有效地应用于空间数据压缩和解压缩。

此外还需建立光通信网上空间数据（特别是影像数据）的压缩和解压缩模型，实现空间数据的无约束通信。

四、影响自由空间光通信的重要因素及解决方法
1、大气衰减的影响
大气衰减对FSO 的影响主要表现为大气分子和气溶胶对光辐射能量的吸收和散射。

大气分子的吸收特性强烈依赖于光波的频率。

大气中N 2、O 2 分子虽然含量最多, 但它们在可见光和红外区几乎不吸收, 对远红外和微波波段才呈现出很大的吸收。

大气中除大气分子外, 还含有大
量的粒度在0.03～2000μm 之间的固态和液态微粒，这些在大气中呈悬浮状态的微粒统称气溶胶。

此外, 大气中还经常出现一些飘落物, 如: 雨、雪等。

气溶胶对光波的衰减包括散射和吸收。

由于气溶胶微粒尺寸较大, 瑞利散射作用一般不用考虑, 主要考虑米氏(Mie) 散射。

表1 为各种天气条件下气溶胶的衰减系数。

从表1 来看,气溶胶在不同天气状况下对激光传播的影响差别相差很大, 晴朗天气衰
减较小，而在浓雾天气下衰减极大, 这一点对FSO 长期运行的稳定性造成重大影响。

雨滴对光波传输的衰减要比雾相对小得多。

从表面上来看, 似乎可以通过加大激光发射功率、减少发散角、增大接收天线面积方法等均可改善接收效果。

然而上述方法有效性只局限于较好的天气条件。

在恶劣天气下, 尤其浓雾条件下, 大气衰减将占支配地位。

然而, 对无线电波区域, 气溶胶的影响却很小。

进入亳米波区域后, 大气衰减系数急剧减小, 且波长越长, 衰减系数越小。

对于60GHz 毫米波衰减系数大约为16dB/km, 主要来源于氧分子的吸收, 其吸收大小和天气状况无关。

因此60GHz 波段成为开放波段。

将60GHz 毫米波系统结合到FSO 可有效降低大气衰减对系统影响。

在浓雾天气, 当FSO 系统无法正常工作时, 可将数据切换到60GHz 毫米波系统;而大雨、暴雨天气, 60GHz 毫米波系统无法正常发挥时, FSO 系统又可保证系统的正常运行。

在实际应用中, 可运用冗余链接控制技术(RLC)，在数据传送时, 混和系统在要传送的数据帧中插入检验码, 分别通过60GHz 毫米波和FSO 系统向外传送, 接收端将分别来自于60GHz 毫米波系统和FSO 的数据帧进行错误校验, 选取正确的数据帧, 并将数据帧还原。

当混和系统因大气衰减、飞行物( 比如飞鸟等) 、甚至系统故障造成其中一个系统无法正常工作时, RLC系统要做的工作只是丢弃错误的数据帧而选择正确的数据帧传送岀去而己, 而无需进行数据通道切换,由此可降低因数据通道
切换而带来的延时。

60GHz 毫米波系统和FSO 的有机结合使得系统的环境生存度、冗余度以及可靠性得到了极大的提高。

实践证明, 采用60GHz 毫米波和FSO 的混合系统, 其载波级的有效传输距离可超过1km。

2、摇摆、晃动和漂移的影响
自由空间光通信系统通常以点到点的方式进行传输，由于激光光束较细。

通信的两端点必须保证稳定的对准状态。

在实际的应用场合中，由于日间、季间温度的变化，使大楼随之作周期性的缓慢的摇摆、晃动。

实验证明，大楼因温度的影响其同期性的摆动辐度根据不同的气候条件大约在1～8 毫弧度之间; 风也会使大楼产生晃动，此外，系统的对准机构自身也会因为温度、湿度以及风等外界因素的影响而产生漂移。

对于简单的FSO 系统而言，摇摆、抖动和漂移等因素将使FS0 的两个通信端点的激光束产生偏离，甚至完全分开，从而造成系统性能下降或通信中断。

对于摇摆、晃动及漂移等因素造成FSO 激光光束的偏离, 最简单的解决方法是增大激光发散角，直至光束的偏离在控制范围之内。

激光能量的损失和发散角的平方成正比。

发散角增加一倍，意味着激光能量将损失为原来的四分之一。

要较好地解决摇摆、晃动及漂移等因素造成的影响，激光的发散角至少要大于8 毫弧度，这样的发散角，激光的能量损失较大。

如果不增加激光的发射功率, 要使系统可靠的运行,只有减少通信距离了。

另一种更为可行的办法是采用ATP(Acquisition、Tracking and Pointing)技术, 即捕获、跟踪、瞄准技术。

最简单的捕获方法是采用望远镜人工目视对准，复杂的可采用GPS 技术全自动完成。

采用ATP 技术的FSO 系统可有效解决因摇摆、晃动及漂移而带来的影响，虽然ATP 技术的采用增加了系统的复杂度和成本, 但对于一个可靠的FSO 系统而言, 其价值是明显, 也是必要的。

ATP 今后要着重解决的问题是系统的实时性、快速性, 以应对因某些恶劣环境(如: 狂风)造成的剧烈摇晃和快速抖动对FSO 系统的影响。

3、大气闪烁的影响
大气闪烁是因大气湍流状态造成的一种结果。

大气湍流状态是指大气的折射率随空间和时间做无规则的变化。

大气闪烁将使激光信号受到随机的寄生调制而呈现出额外的大气湍流噪声，使接收信号信噪比减小，从而使激光通信的误码率提高。

图3为在FSO 光学接收孔径内观察到的大气闪烁图。

λ决图中因大气闪烁造成的小斑点时明时暗, 且分布随机。

斑点的尺寸大小大致可由L 定, 其中λ为激光波长,L为传输距离。

光斑尺寸越小，意味着在同样大小的接收孔径内光斑数量越多，经平均后的光强变化越小。

因此大气闪烁造成的影响越低。

光斑尺寸越大，接收孔径内光斑数量越少，平均光强变化越大，大气闪烁影响越高。

当光斑尺寸增大到在接收孔径中只剩下1 个或不到1 个光斑时, 光强变化最为剧烈, 大气闪烁的影响最高。

因此, 采用较短的激光波长更有利于降低大气闪烁的影响, 而传输距离的增大会相应地增加大气闪烁的影响。

实验证明，一个75mm 的接收孔径在100m 传输距离下因大气闪烁而造成的链接冗余损失为几个dB。

除了缩短激光波长、减少传输距离外, 另一种有效减小大气闪烁的方法是采用多个激光发射源。

多个发射源发出的光束在接收孔径处重叠, 经平均后, 光强的起伏得到降低, 从而有效地减小大气闪烁的影响。

对于一个载波级的FSO 系统, 因在设计中考虑了恶劣天气( 如浓雾) 的影响, 有较大的链接冗余,而大气闪烁影响最严重的时候一般都出现在晴朗的天气, 因此大气闪烁对这类系统造成的影响较小。

五、自由空间的研究方向和发展趋势
FSO发展的关键问题是如何提高传输的可靠性。

因此现在其研究方向及发展趋势有以下几个方面：
1、传输速率的提高。

相比于其他接入设备，FSO的优势之一就是带宽。

现在的FSO产品的速率有10Mb/s，100Mb/s，155Mb/s，622Mb/s等。

若采用WDM技术，速率可达2.5Gb/s 和10Gb/s。

2、大气信道的研究。

对于大气信道的随机特性，及信号所受的干扰分析，不能只局限于大气的散射，还应该多考虑大气湍流，大气色散等因素的影响。

这样才能提出更好的解决方案。

3、传输可靠性的研究。

对于光源，要求光束质量好、工作频率高、出射光束窄等，同
时还应考虑激光器的输出功率的稳定性、频率稳定性，寿命等。

对于接收系统。

应该要求有高的灵敏度。

跟踪技术的研究以及饲服系统的开发也是自由光通信发展的一个大要求。

4、保密性的研究。

虽然自由空间光通信的保密性好。

但是，窃听信号而又不阻断光束的传播也是可以做到的。

对于重要数据的传输。

就应该深入研究自由空间光通信的保密方法。

5、FSO设备网络拓扑的研究。

如何有效地组网，使得FSO系统的效率较高，经济实惠，是自由空间光通信一直在研究的热点。

六、结语
尽管存在不少问题, 但自由空间光通信的技术优势也是很明显，在一定的环境下, 它可以最大发挥自身优势, 比如可以用于不便铺设光纤的地方和不适宜使用微波的地方。

FSO 成了人们实现“最后一公里”宽带接入的选择, 自由空间光通信在最后一公里接入等领域也有着相当的竞争优势。

自由空间光通信的任务不是取代己经发展成熟的光纤通信和微波通信, 而是发挥自己特色, 成为整个通信网络中的一个环节, 与其他通信方式互相补充、互相配合, 发挥重要作用。

自由空间光通信技术受到越来越多用户的认可, 我们相信兼有光通信和无线通信优势的FSO 技术会成为无线通信的新亮点。

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