激光通信介绍

背景
六十年代激光出现以来，光学和整个现代科学的面貌都焕然一新，激光以其突出的高度相干性、高亮度、方向性好、极小的发散角、功率集中等优异特点广泛应用于各个邻域中。

空间激光通信是指利用激光束作载波在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。

与微波通信相比，激光通信具有以下显著的优势：激光波长短，通信容量显著增大；较小的发射功率需求；较小的收发天线和系统结构；各通信链路间的电磁干扰小；由于通信激光束发散角很小，
保密性强，这一点对军事应用十分重要。

研究现状
主要研究单位有：NASA的喷气推进实验室、美国空军部、林肯实验室、欧空局、日本邮政通信室、宇宙开发事业团。

国内目前主要研究单位有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、长春理工大学、上海光机所、武汉大学及空间技术研究院504所等。

关键技术：
激光及高码率调制技术、光学准直技术、高增益光学收发天线、高灵敏度光信号接收技术、快速精确的APT（捕获、瞄准、跟踪）技术、大气信道技术。

自由空间光通信原理：
最初的无线激光通信系统和无线电系统在结构上基本相同。

信号通过调制器加载到光波上，通过光学天线将发散角极小的光束向发射出去。

接收端的光学天线捕获到经调制的光波后，首先经过光探测器件将光信号转换为电信号，然后由解码器解调作加载的信号。

其中激光器类似于无线电通信中的射频发生器。

发射端和接收端的收发光学天线相当于无线电收发电线。

所不同的仅仅是激光通信使用光波作为信息的载波。

光学天线其实就是光学望远镜，只是尺寸有明显的减小。

一、光空间通信技术（FSO）
自由空间光通信或称无线光通信（FSO：Free Space Optical Communication）是一种宽带接入方式。

FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。

FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。

850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。

1550纳米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。

1550纳米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1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2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给传输带来的影响。

FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155Mbps－10Gbps的传输速率，传输距离可达2～4公里，但通常在一公里有稳定的传输效果。

FSO在传输带宽方面比除光纤外的其它宽带接入方式有着明显的优势。

由于激光具有直线性和窄波束的特点，FSO主要用于点对点视距传输。

使用时，要求通信两点间必须无阻碍，任何对光束的遮挡都将对通信造成影响。

同时，要求两端设备对准且固定牢稳，以保证对光信号的直接有效接收。

由于采用激光通信，信号方向性强，能量集中，不向空中其它方向产生辐射，因此，FSO系统不会同频干扰，即使链路交*也不影响通信，因此，同一地点可以装多套FSO设备。

FSO是物理层传输设备，以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。

在基础网的建设方面，使用光纤技术的高速网络正在不断完善。

与此同时，光空间通信方式作为高速网络最后一公里的宽带通信方式，近来正受到各方面的关注。

特别是，在城市宽带网络建设中，由于市政建设基本定形，新设光纤的施工需要繁琐的市政批准。

有些地方如跨铁路、公路的施工非常困难，该通信方式的实用化对城市高速宽带通信网络的建设不失为一种极其有效的方法。

光通信方式分为利用光纤技术的有线通信方式和利用光空间通信技术(FSO)的无线通信方式两种。

光空间通信方式是将自由空间作为传送媒体，主要用半导体振荡器做光源，以激光束的形式在空间传送信息。

对该领域的开发研究曾经风行一时。

最近几年，由于光空间通信所需要的各种设备的价格下降导致光空间通信装置本身的价格降低，同时，光空间通信所持有的简便性、宽带性、无电磁干扰性、无需申请政府批准等特性，使得这种通信方式重新受到广泛的关注。

二、光空间通信技术应用
FSO网络主要有3种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和网状，也可以把它们组合起来使用。

FSO技术相对是简单的，相连的二个FSO 单位均由一个激光发射器和一个接收器所组成，以提供全双工能力。

FSO一方通过将调制后的激光通过透镜发送，另一方的透镜接收后将信号经由光纤连至一个高敏感接收器加以解调。

光无线通信系统，特别是宽带应用，以前只限于国防和企业专用网，因为距离短，而可*性不需太严格。

近年来，应用范围开始扩展到公用电信网；一方面，宽带接入的需求旺盛。

而现场的具体条件，常常令传统的一些技术遇到难以克服的困难。

另一方面，公网所需的可用性，已在一定程度上，得到光无线系统的保证。

已经有一些不同的措施，经试验获得较好的效果。

光空间通信的设置施工简单，短时间内可实现点对点大容量通信，因此，对于大容量的临时线路，以及灾害后的通信恢复工程是一种有效的选择。

1、FSO与其他接入技术的比较优点如下：
1）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，FSO可以在短至几天内完成连接。

FSO的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶、屋内甚至窗外。

2）无需频谱许可证。

无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。

3）带宽高。

如果采取点到点的组网方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。

在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持1 55Mb/s-10Gb/s的传输速率，但传输距离为1-2公里。

如果采用格形的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率，传输距离为200-400米。

4）安全保密性强。

FSO的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。

并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。

5）协议透明。

FSO以光为传输媒介，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。

6）成本低。

FSO的成本是光纤到楼的1/10～1/3。

7）便携性。

当公司搬迁或临时驻军时，无需重新安装光纤从而节约成本。

FSO在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地。

具体应用如下：
•城域网扩展：在现有城域网上向外延伸、连接新的网络或者在网络核心建设SONET环路等。

•企业内部网互联：企业局域网的各网段往往被大楼或大楼间的道路所分隔，FSO设备安装的简易性使它非常适合用来实现企业内各局域网网段的互联，轻松解决大楼间的复杂地貌带来的挖沟布线难题。

•光纤通信系统的备份：在对光纤通信设施进行冗余备份设计时，可用FS O作为备份链路。

•无线基站数据回传：FSO可用来将移动电话天线塔接收的信号回传至与有线公用电话网相连的中心交换设备。

• .最后一公里接入：在最终用户和服务提供商间建立高速连接，或在本地环网络中为相关业务提供高速链接服务。

从上图中可以看出，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。

2、“最后一公里”的新方案
FSO系统是一种物美价廉，有广泛应用前景和巨大市场潜力的通信系统。

由于它的技术特点，在解决宽带网络“最后一公里”瓶颈方面有着重要意义和作用：
•骨干网的扩展：通信服务厂商在骨干网建设上花费大量资金，以提升网络整体性能与快速发展的市场需求。

但是，在最后一公里的建设上，通信服务厂商
却着力不多，而其实很多网络应用的瓶颈不在骨干网上而是在最后一公里。

为了在现有的骨干网上，快速进行扩展和向外延伸，FSO是一种不错的选择。

•光纤网络的备援：目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。

现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO 系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。

•宽频接入：目前主干网的频宽容量急剧增加，从622 Mbit/s到10 Gbit/ s，再到更高的40Gbit/s DWDM。

同样，客户端网络的频宽也从10 Mbit/s增加到100 Mbit/s，再到Gb的以太网络。

仅网络接入部分仍未有可突破频宽成本与容量瓶颈的有效解决方法。

无线通信的宽频网络接入瓶颈更为严重，因此，在此部分FSO有很大的发展空间。

•企业应用：由于FSO是以小功率的红外激光束为载体，可将收发器装设在楼顶或窗外传输数据。

FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业LAN到LAN的连接及校园网的连接。

以FSO来代替光纤接取各局端，不但能降低成本，而且具有更高的传输速度。

•无线基地台数据的回传：FSO亦可用来接取行动电话基地台与交换中心，将基地台接收的信号传至与有线公用电话网相连的交换中心设备。

•其它需要高速接取的终端：由于FSO网络建设时成本低、操作简单，因此可以用在其它高速连接的终端应用。

如：楼与楼之间、横跨诸如公路与河流之类复杂地形、灾难恢复及临时解决方案的网络快速部署方案。

3、代替光纤连接企业网
FSO通信设备最初是无线设备生产商为宽带服务运营商开发的一种在不易进行光纤布线的地段代替光纤设备的网络连接方案，现在被很多企业用户看好，纷纷用在了企业内部网的互联建设上。

企业看好FSO的理由有三点：一是综合成本低，用它可以省去租用专线和铺设光纤的一大笔费用；二是通信质量好，无线光通信是一种本地环路技术，最低速度为45Mbps（相当于T3线路），最高为2.5Gbps（相当于OC-48线路）；三是运营商级的通信质量足以满足企业网络应用的各种要求。

目前，很多企业把FSO网络与光纤网、微波网和高频段无线网结合起来使用，发挥各自的优点，弥补彼此的不足。

4、国内外应用成功案例
目前，将FSO应用于商业服务比较典型的公司有Terabeam和Airfiber。

在2000年悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。

该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。

而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。

在国内，清华同方研究发展中心一直致力于“Last Mile”解决方案的探索，于2001年12月成立了“FSO技术跟踪研究小组”，并推出自由空间光通讯产品TFOW 100-1，完成了1000米点到点通讯样机的检测。

三、国内外光空间通信技术发展
FSO技术出现已久由于在空气中传输衰减大，在大雾天等天气情况不好的时候可能无法使用，它只能在难以布线的地方用于短距离传输。

而且在这些情形下WLAN分流。

但随着企业对短距离高速率传输的要求越来越多，FSO还是有了自己的发展空间。

这是因为，FSO与802.11b/a乃至LMDS等其他无线连网手段相比，还是具有：一是速率高，实验室中研制的FSO设备甚至能达到160Gbps ；二是无需申请频段使用执照；三是安全性高，它虽是无线，在安全上却相当于光纤通信的水平等优势成为被长期关注的一项技术。

国外光空间通信产品为了提高通信距离和对准度，往往加大激光管发射功率、采用多光束同步发射和大孔径光学接收天线。

从而使激光管寿命减少、光斑很大，且系统成本增高。

清华同方FSO系统采用了有自主产权的自动跟踪和自动搜索技术，激光管仅在毫瓦级上工作，用很小的光斑即完成相同距离的通信，使系统成本大大降低。

国外同类产品难以克服当太阳光直射时的干扰，清华同方FSO 系统打破了传统的滤波手段，而采用自主专利技术的电路设计方案和软件控制技术，使得系统在太阳光直射时，也能快速精确对准和保持光链路的连接。

针对光空间通信技术中快速光链路两端的对准和保持这个技术难题，清华同方FSO技术研究小组首次创新的将一种光学器件应用在无线光通信产品中，并加以自主专利技术的控制算法和DSP信息处理技术，大大提高了系统的灵敏度。

在无需GPS的帮助下，在短短几秒内完成初始链路连接。

无论建筑物晃动还是其他外力因素干扰时，都能自动跟踪，保持通讯。

在任何干扰下重新对准的时间在几毫秒内。

环境干扰也是FSO要克服的难题之一，目前国外也没有很好的解决方案。

人工环境是清华同方拥有自主技术并坚持发展的主要领域，在清华同方FSO系统中，就采用了同方的环境控制技术和封装技术，使清华同方FSO系统不受环境、气候、季节的影响，而能全天候工作。

为克服恶劣天气对光传播的影响，不少公司都提出了各具特色的设想和产品，做得最好的能将LINK MARGIN值提高到40dB。

Attochron公司已经做出了对付
大雾的产品。

但是从技术上说，对付大雾的最佳方案还是无线电波。

无线电波的频率比光低很多，可以轻松穿过浓雾；但在普通的无线频谱内，不可避免地又会遇到普通无线电技术所无法回避的一系列麻烦。

因此，专家们打起了传统无线频谱之外的无线频谱的主意。

目前，还未被开发利用的频谱基本集中在T-RAY频段，这一频段与红外光极其接近。

工作在这一频段的FSO设备可以将无线电波和可见光的优点结合起来，在浓雾天气中也可以高速传输数据。

目前，T-RAY 频段的光通信设备还在研制阶段。

同时，另一类工作在高频段的无线通信设备已经面世。

W频段微波设备也有其弱点：大雾奈何不了它，但雨天对它则有很明显的影响。

因此，在部署这类设备前，要分析当地降雨的年平均分布规律。

显而易见，在终年无雨的地区，W频段设备是最佳选择，在常年没有雾的地区，用FSO最合适。

除此之外，把二种设备结合起来使用是最现实的选择。

现在，已有厂商推出了结合FSO技术和W频段无线技术的复合型产品，在极端天气出现时，设备可自动在FSO和W频段模式间切换。

在一般天气里，两类设备同时运行，其中一台作为冗余备份，这一方面可将可*性从单台的99%提高到99.99%，另一方面还可防止意外的光线遮挡。

综合W频段无线技术和FSO技术的复合型设备现在还比较昂贵，但不久价格会有大幅下降。

专家介绍，要把在宽带建设大潮中铺设的光纤资源充分利用起来，W频段无线技术和FSO依然是最佳的选择。

除了企业应用，无线光网还可用来连接3G网络的基站，这样，FSO 的应用发展前景将更加广阔。

四、结束语
光空间通信技术接入作为一种宽带的技术，主要的特点是能以较灵活的无线方式，在短距离内，以比现有系统低得多的投资，能获得光纤传送的容量。

由于无需向主管部门申请频率和许可证，在不便于光缆装设的环境或临时事件需要，可作为一种新的选择。

在气候条件较好的城市的高层建筑之间、校园内、军事上也有使用价值。

今后，随着宽带网络的进一步发展，流媒体视频等要求更高带宽应用的普及，对接入网络的容量和覆盖范围的要求更为严格。

作为光纤的一种补充方式，光空间通信技术接入是可能占有更重要的地位的。

无线光通信在业内被称为Free Space Optical (FSO)，顾名思义，FSO是一种无需光纤的通信手段，它是现代光纤通信的有利补充，具有以下特点：
＊快速链路部署。

由于无需埋设光纤，施工周期大大缩减，通常只需要几个小时便可以完工。

这对于电信运营商来讲，无疑是快速抢占市场的最佳选择。

＊拥有光纤传输的性能。

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。

只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，无线光通信的光信号在空气介质中传输。

因此也有人把无线光通信技术称为虚拟光纤通信技术。

＊无线光通信产品作为一种物理层的传输设备，可以不依赖于任何协议。

＊与微波无线通信相比，无线光通信产品不需要申请频率使用权。

目前世界各厂商提供的设备多工作于红外频带，该频带有相当丰富的频谱资源，且在全世界范围内均不受管制，这为无线光通信技术的灵活应用提供了有利条件。

＊传输保密性好。

因为它的波束很窄，是不可见的，很难在空中发现一条业务链路。

同时，这些波束又非常定向，是对准某一接收机的，如想截接，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，还需要知道如何接收信号，这是很难做到的。

即使被截接，用户也会发现，因为链路被中断了。

因此，FSO比通常的无线系统安全得多。

一无线光通信在局域网连接中的应用
图1：局域网的延伸
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。

这时候无线光通信技术便可以大显身手。

如图1所示。

其中，SNMP（简单网络管理器为可选项）。

无线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。

美国LightPointe公司针对于不同的应用场合，开发了三种系列的产品，可用于不同的网络层次中：FlightLite及FlightPath系列带宽从10M-1.25Gb/p，可以解决Access Layer(接入层)的应用，例如，当一个小区的一处居民楼离控制中心较远这时采用无线光通信的接入方案能很好的解决该处居民楼的联网问题。

FlightSpectrum产品系列可解决Core Layer(核心层)的应用。

通常情况下核心层要保证数据通信的快速，所以需要较高的带宽，FlightSpectrum 产品系列产品很好的解决了相距较远（1-4KM）较高带宽（155M-2.5G）要求的应用。

二无线光通信在城域、边缘网建设中的应用
图2：城域网的建设及扩展
随着社会经济的飞速进步，城市建设的步伐和力度也在不断加大，城市的覆盖面积也在不断增加。

早在几年前，各大运营商在抢占通信市场的时候，纷纷着手建设自己的基础网络设施。

目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达10G，已基本上能够满足数据通信的需求。

随着城市的发展，以往的郊区也逐渐被纳入到城市中心来，如何高效、低成本的实现城域网的扩展，快速占领新市场，越来越成为各大电信运营商关注的问题。

图2所示为一种采用无线光通信技术的解决方案。

在这种方案中，无线光通信技术集中展现了高带宽的魅力，这种连接方式可以满足城市边缘网通信中对数据通信带宽的需求。

因为它具有建设周期短，投入小的特点，已被欧美一些电信运营商采用。

三无线光通信在最后一公里接入中的应用
图3：光纤到楼
由于接入Internet 的需求不断的增长，越来越多的公司，团体，个人要求加入Internet但由于各种实际原因例如公路开挖，敏感地区对微波使用的限制，很多接入没有方案解决，无线光通信输入的诞生为运营商抢占市场提供了一种可行的解决方案。

四无线光通信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，也是将来对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。

自从1981年第一代的以FDMA技术为基础的模拟通信系统建立使用以来，移动通信技术组建演变为以TDMA技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信。

目前，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。

现有的第二代移动通信系统已不能满足这一要求，从而使3G(第三代移动通信技术)成为当今电信业的热点。

如何充分地利用现有资源，在最低投入、最快速度的情况下实现从现有的第二代网络(2G)向第三代网络(3G)平化过渡，成为移动网络运营商最为关注的问题。

无线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。

下面详细介绍无线通信技术在移动网建设中的应用。

图4 无线光通信技术在2G网中的应用
图4所示为一种采用无线光通信技术连接的2G移动网的结构图。

主干网到距离最近的天线之间采用光纤连接，经N′E1接口转换器后，由无线光通信设备再连接到其它天线，所有的天线可以共用一个基站，具有以下优点：
* 省却基站到天线之间的链路铺设，缩短了施工时间和施工费用
* 可以多个天线共用一个基站，减少了基站数目
* 大大减少了基站与中心节点之间的光纤铺设费用
*无线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。

如图5 所示为目前2G网的微蜂窝结构。

按照理想情况，蜂窝小区的天线应架设在蜂窝小区的中心，这样才能保证对小区内的用户提供最佳服务，也使相邻小区间的发射干扰降为最小，如图5（a）所示。

但在网络的实际建设过程中，由于建筑或其它地理条件原因，基站和天线无法架设在小区中心位置，因为布线的原因，也无法将基站与天线分开，天线往往与理想位置间有一定的偏差，如图5(b)。

2G网中，该偏差相对于微蜂窝直径较小，造成的影响并不十分明显。

在2G网向3G网过渡的过程中，微蜂窝的设计直径变小，网格结构变细（根据业务量的多少，微微蜂窝的半径可能会小到500米）。

这时天线的偏离便会对通信质量造成较大的影响。

无线光通信技术的引入为解决这一问题带来了方便。

如图5（c）所示，由于基站和天线之间采用无线光通信设备连接，基站位置可保持不变，而将天线移动到网格中心。

运营商只需作很小的投入便可以完成天线的架设。