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。