FSO自由空间光通信

自由空间光通信
（FSO）
侯全心
2007年2月
课程目的：
了解FSO的基本原理
了解FSO应用设计中应注意的问题
参考文献：
《城域光网络》；
Internet。

FSO概述
FSO基本原理
FSO关键技术
FSO应用分析及对比 FSO典型设备
FSO的设计要点
FSO概述
微波通信，节省线缆资源、易于跨越复杂地形。

但容量小；频率资源管制。

光纤（光波导）通信，容量大、保密安全，但敷设光缆的成本大、受地理环境影响大。

道路通过权管制。

上述两者结合的可能性？？？
基本概念
FSO( Free Space Optical com sys)技术是一种基于
光传输方式、采用红外激光承载高速信号的无线传输技
术；
利用小功率红外激光束为载体，以空气为介质，以点对
点或点对多点的方式实现连接；
设备以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“虚拟
光纤”之称；
红外波段比微波波段更小，更加灵活。

无线光通信系统
的工作频段在300GHz以上，一般采用技术成熟的
850nm、1550nm波长器件，与大多数低频段电磁波不同，该电磁波频段的应用在全球不受管制，可以免费使
用；
可安装在楼顶或窗口。

安装方式
安装方式
FSO概述-应用场合
FSO概述
FSO基本原理
波长资源
光在大气的传播特性
激光与人眼安全
系统工作原理
FSO关键技术
FSO应用分析及对比 FSO典型设备
FSO的设计要点
基本原理（1）－波长资源
光谱图
名称声波无线电波红外线可
见
光
紫外线
X射线γ射线
频率波长104 Km 10Km 1Km 1 m 1cm 1mm 1 μm 1 nm 0.1 nm
3×10-1 3×1023×105 3×108 3×1010 3×1011 3×1014 3×1017 3×1018 3×1021
760nm 400nm
0.76
近红外波
15
25
300
μm 中红外波
远红外波
大气光通信的可行性－－大气的组成特点 均匀不变组分（从海平面至80km的高度组成成分几乎不变）9二氧化碳，氩，甲烷，一氧化碳等
可变组分（随高度变化，组成成分、浓度等变化）
9水汽含量随距地面的高度而减少；但到15km后就不再减少；
9氧气、氮气含量随高度增加而减少；
9臭氧在25km处浓度最大；
9悬浮微粒（通常也称气溶胶）在地面较集中、在10-50km也较多。

布给定理。

衰减的因素＝吸收衰减＋散射衰减。

)](λγx
x
e
P e
P P ⋅−⋅+−×=×=)()]()([)0,()0,(),(λαλγλμλλχλ大气吸收系数；大气散射系数，大气综合衰减系数。

)(λμ)(λα
透射率，与波长存在密切关系，因为大气中的一些分子
对辐射有选择性吸收或散射。

x
x e
e P P T ⋅−⋅+−===)()]()([)
0,(),(),(λαλγλμλχλχλ),(χλT
吸收损耗－阳光被大气吸收透射率图
小于0.3μm和大于20μm的辐射几乎被大气吸收，紫外是氮气、氧气的吸收，红外是水汽的吸收；
二氧化碳在2.7\4.3\15μm的吸收最强；
水汽在0.94/1.1/1.38/1.87/2.7/6.27μm吸收较强；
气溶胶在3-5μm以及大于吸收较强；
透射率较高的波段区域称为“大气窗口”：850nm，1000nm，1500-1600nm。

散射损耗－激光在大气中传输时，其能量会在大气分子、微粒粒子（气溶
胶）以及空气湍流中发生散射
主要有以下特性：
9分子散射：又称瑞利散射，散射系数
9微粒散射：，
为修正因子，如雨、云、雾、霾等
4
1
)(λ
λμ∝
4
)(λ
ε
λμ∝ε
典型气候条件下的综合衰减系数
)(λα0.144-0.03
50-100km
非常晴朗
0.45-0.14420-50km 晴朗 1.03-0.4510-20km 晴 2.9-1.034-10km 轻霾 6.2-2.92-4km 雾或霾13.4-6.31-2km 薄雾28.3-13.4500-1000m 轻雾58-28.2250-500m 中雾220-5870-250m 浓雾392-22040-70m 重雾衰减系数（dB/km）能见度天气条件)
(λα
人眼对光波的响应曲线
400-1400nm的光波，包括部分不可见光如800nm，但也会穿过角膜和晶状体，被聚焦于视网膜上；
对视网膜可造成危害的光被聚焦进入眼睛后，功率可放大100,000倍，而穿透视网膜，而视网膜没有疼痛感觉，对不可见光也无法激发眨眼动作，这样会被伤害。

而对于大于1400nm的波长照射到眼睛时，由于上图所示的生物特性，眼睛可以承受波长大于1400nm的光以比800nm光强50倍的功率照射，而不会受伤害。

眼睛的可视范围
眼睛的功率响应曲线
1550nm
√
400-1400nm的光波，包括部分不可见光如800nm，但也会穿过角膜和晶状体，被聚焦于视网膜上；
对视网膜可造成危害的光被聚焦进入眼睛后，功率可放大100000被，而穿透视网膜，而视网膜没有疼痛感觉，对不可见光也无法激发眨眼动作，这样会被伤害。

而对于大于1400nm的波长照射到眼睛时，由于上图所示的生物特性，眼睛可以承受波长大于1400nm的光以比800nm光强50倍的功率照射，而不会受伤害。

双向工作的收发机
激光器
信号调制
信号解调
光纤放大器
发射光学系统
接收光学系统
发射单元
接收单元
捕获/瞄准/跟踪(ATP)
捕获/瞄准/跟踪(ATP)
是一种物理层的工作设备，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。

基本原理（4）－系统设备组成
电源子系统
恒温除霜
子系统
监控、ATP
子系统
光发射
子系统
光接收
子系统
接入子系统
FSO概述
FSO基本原理
FSO关键技术
捕获/跟踪/瞄准(ATP)
高功率光源及高码率调制技术
光学收发天线和精密可靠的光束控制 高灵敏度的信号探测和处理技术
FSO应用分析及对比
FSO典型设备
FSO的设计要点
快速、精确的捕获/跟踪/瞄准(ATP)是保证实现空间远距离光通信的核心技术；（Acquisition,Tracking,Pointing） 一般要求ATP系统的跟踪精度优于2urad，描准精度优于1urad。

工作过程：
粗方向对准
甲方探测乙方
的信标光
甲方捕获
跟踪
甲方发送
信标光
互发
信标光
乙方探测甲方
信标光
乙方
捕获跟踪
乙方发送
信标光
对准？
预瞄准精跟踪
粗跟踪精跟踪
ATP子系统：预瞄准系统、粗跟踪系统、精跟踪系统 预瞄准系统：根据预先计算或设定的通信方向，控制光束的方向，使其能较为准确的对准接收系统。

粗跟踪系统：实现在大视角/视场范围内捕获目标，并对
目标进行粗跟踪，然后将目标控制在精跟踪能实现的范围内。

9捕获范围通常为±1-20°。

9通常采用CCD、带通率波器、信号实时处理的伺服执行机构完
成。

精跟踪系统：在小视角/视场范围内调节瞄准系统，用以
方向精瞄准，拟制设备微小振荡、建筑物微位移等引起的扰动。

9要求视场角度为几百urad，跟踪精度为urad，灵敏度为几nW。

9通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器、
电子学伺服执行机构实现。

设备微振荡、位移的解决（1）
偏光法：就是让激光在发出时偏离一定的角度，在到达
接收器时会形成一个很大的光椎。

9偏转角可为3-6urad，当距离为1km时，光椎半径可达3-6米；
9使用前一般使接收机置于光椎的圆心；
9成本较低，但造成了接收侧能量的密度发散，接收机的接收功率会变弱，不适合高速率的数据业务。

设备微振荡、位移的解决（2）
动态跟踪：通过反馈装置动态调整可移动镜片，控制入射光的传播方向，从而使激光束锁定目标。

9一种闭环控制系统，控制效果好；9适合高速的数据传输场合。

9但成本较高。

光学伺服系统
信标光源
识别反馈
监测信号
广义自动跟踪控制还包括以下几方面：
动态链路控制----可减少数据丢失，提供错误容忍操
作；
动态跟踪----保持光束，减少建筑物摇摆造成的影响；
动态激光补给----调整激光功率，克服严酷天气所引起的空气稀薄造成的影响；
动态环境控制----维持适宜的操作温度，以保持链路性能的一致性；
动态系统监测和管理----性能监测和故障管理与电信网络无缝结合现实世界中的自然环境是动态变化的，所以FSO系统必须具有动态跟踪机制。

光源
主要采用800-860nm、1550nm波段的光源；
9采用850nm，因为器件比较成熟，CCD探测器，四象
限探测器？？？
9采用1550nm，因为光源调制速率可以很高，波长稳
定，可以用EDFA进行功率放大。

多采用半导体激光器或半导体泵浦的Nd:YAD固体激光器作信号光和信标光源；工作波长满足“大气
窗口”；
用于ATP系统的信标光源，要求提供数瓦级的连续光或脉冲光。

9可以在大视场、高背景光干扰下，快速精确的捕获和根
总目标；
9调制频率为几十Hz-kHz。

调制方式
多采用IM-DD方式（强度调制、直接检测）；
实现较简单
主要采用幅度调制ASK/OOK或DPDM方式；
信标光采用CW方式。

编码方式
多为开关监控（OOK）编码和曼彻斯特编码方式。

直接调制又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。

具有结构简单、损耗小、成本低的特点，但存在啁啾。

适用低速率、短距离。

间接调制又称做外调制，即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个光开关的作用。

检测器件在工作范围内有足够高的响应度即灵敏度；常用的光检测器p-i-n光电二极管（PIN-PD）和雪崩光电二极管APD 。

关键技术（3）-高灵敏度的信号探测和处理技术
空间的接收信号功率与传输距离的平方成反比；而日光、杂散光等信号相当强，信收端的信噪比往往小于1；
通过以下途径：
在允许的范围内信号发射增大功率；
对接收信号进行处理：
9光信道上采用光窄带滤波器，拟制背景杂散光的干扰：如：吸
收滤光片，干涉滤光片和原子共振滤光片。

提高接收机的灵敏度，拟制噪声；
9选择量子效率高、灵敏度好、响应速度快、噪声小的光电探测
器；
9目前采用Q-APD(四象限APD探测器)和CCD接收器件，同时采
用光、电滤波器。

冗余链路控制(RLC)
FSO系统通过专利未决(Patent-pending Control) RLC 来缓解由媒质产生的比特错误，其误码率达到10-12，象这样的BER以前只有在光纤媒质中才可能产生。

FSO的RLC模块可自动监测多条链路上的数据，当一条链路上有干扰发生时，FSO系统可将其所传送的数据倒换至其它链路，专利一等待过程同时发生，没有任何数据丢失。

同时，如果太阳光与FSO系统所产生的光束在一条直线上，可能导致接收装置产生“饱和”，寄存器通信信号丢失．FSO系统采用冗余链路配置时，可保护此信号。

关键技术（4）-光学收发天线和精密可靠的光束控制
收发天线
发射端，将激光器光束质量较差、发散角大的光压缩
为：发散角为毫弧度级，然后再通过发射望远镜进一步
准直成微弧度级的光束。

接收端，将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。

发射和接收天线的口径对系统的接收光功率有重要的影
响，目前国际上的口径一般为几cm至25cm间
发送系统的信号光尽可能地准直，发散角要小；而信标光一般进行光学扩束、发散100倍左右后输出。

人工瞄准的望远镜要求防止激光对人眼的伤害，人眼的保护极限为2mW/cm2.
FSO概述
FSO基本原理
FSO关键技术
FSO应用分析及对比 网络拓朴
应用的场合
FSO的主要优势
应用对比
设备安装
FSO典型设备
FSO的设计要点
FSO的网络拓朴
FSO本质上是一种点对点的全双工传输系统，可以构造任何形式的拓扑结构。

点对点、点到多点（星型）和网状网。

其实际采用的拓扑结构应有其上层网络决定。

FSO应用的场合
典型应用场合
租用数字专线的费用太高或速率太低
遇到公路铁路及河流铺设光缆代价太大
通信网络两点之间需要建立高速数据连接
由于各种原因在没有得到铺设光缆的情况下
投资少见效快能按需扩容的设备快速投入使用 需要随时安装拆卸的临时系统扩容或紧急应用
开通快、快速的部署：装拆方便（可在4小时内开通），不需要政府建设许可证和无线电频段申请；设备体积小、重量
轻，容易获得屋顶进入权；可透过窗口访问，免除了租用屋顶房屋的代价
不占用无线电频率资源，工作在不需管制的光谱（850nm、1550nm）范围，且不会与其它传输发生干扰。

拥有光纤传输的特性，容量大，带宽可达100M-2.5Gbps 或更高。

组网灵活、网络扩展性好：可以构建包括点对点、点对多点、环/网状或者这些结构的组合形态，当添加节点时，原有网络结构无需改变，只要改变节点数量和配置；
是物理层的设备，不依赖任何协议。

传输保密性好，安全性高：FSO通信的光束很窄，业务链路很难被发现，信号很难被截获；
成本低：费用约为光纤通信的1/5，装拆方便，可更换地方再用，保护客户投资
传输速率向下兼容，物理层透明光传输，各种业务均可传送，如155M设备可以传送FE、34M、
45M等任意小于155M速率、任意协议的信号，可方便地作为多种业务的备份和应急通信手段，做到一机多用，节约投资。

添加新的节点时无需对原有结构改变。

FSO是视距传输，传输距离与信号质量的矛盾突出；
当波束超过一定长度时（几公里）就会难以被正确接
受。

测试表明：
9在1km以下才能获得最佳的效率和质量，并且是在较好的天气
条件下；
9在超过500m时就不能保证获得电信级的可靠性（99.999%）
9在多雾的城市，限制在200m。

尽量缩短或控制用户与集线器间的距离。

空中障碍物
如飞行的小鸟等障碍物，会造成干扰。

自动功率控制、网状结构、数据业务的分组特性。

由于光信号裸露在大气中进行传输，势必会受到气象条件的影响。

风力和大气温度的梯度变化会产生气穴，气穴密度的变
化将带来光折射率的变化，这会造成光束强度的瞬时突
变，即所谓的“闪光”，影响FSO的通信质量。

为消除闪光的影响，FSO用位于几个不同位置的激光发射器同时发送同样的信息。

几台激光发射器安装在同一地点，彼此间相距200
毫米。

由于气穴体积非常小，因此几束平行的激光在行进当中不可能遇到完全相同的气穴，最后，总有一束激光束会被接收机正确收到。

把这种方法与在接收机中采用多个独立大口径透镜的方法相结合，实际抵抗气穴的效果会更好
天气。

下雪、下雨、雾都会影响FSO的通信质量。

据测试，FSO受天气影响的衰减值分别为：晴天，1～
15db/km；雨天，20～50db/km；雪天，50～
150db/km；雾天，50～300db/km。

雾对FSO的影响最大，这是由于FSO的波长接近雾粒，
能量被吸收，同时，雾粒呈现出棱镜的作用，使激光产
生衍射的结果。

为了消除天气影响，一些公司研制了融合光和60GHz毫米波的无线通信系统HFR。

FSO易受到大雾的影响，而60GHz的毫米波在下雨时会出现衰减现象，HFR系统融FSO和60GHz毫米波于一体，采用“RLC”方法，使两种
技术互为补充、互为冗余、互相热备份，实现全天候无线通信。

FSO的主要劣势
对准与保持影响FSO性能指标的另外两个因素是大风和地震。

由于FSO系统的收发设备一般都安装在高楼之上，因此，大风引起建筑物的晃动或地震都会造成光路的偏移。

“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段用以解决这一问题
使用的安全感
激光对人及飞鸟的危害。

公众的认同感还需时间。

功率控制。

几种接入技术的性能比较
简便
一般
一般
复杂
维护
好困难一般困难
移动便利性不要不要要不要频谱申请不要不要不要要市政许可4小时2-3天2-3天4-12个月建设速度2-3万美元/套低2-3万美元/套10-20万美元/km 成本4km
100m-3.5km <20km 120km 传输距离安全安全不安全安全安全性100M～10Gb/s 2-3M 一般小于34M 1Gb/s以上带宽FSO 铜线技术小型PDH微波光纤比较性能
系统部件
底面方向调节装置
现场检查
第一确定合适的系统以满足每一个特定位置的需要
第二确保实际的，周围可用的视野
第三确保传输的安全性，确保可中断发射光束的其它设备位于连接头的后面，以至它们很难阻挡发射光束
第四评价周围环境的安装条件
第五在系统使用方面评估安装位置
第六评估安装位置的操作完整性
第七考虑安装地基
第八考虑安装类型
安装类型
9通用的安装垂直固定安装；
9安装地表是固体材料，并能
穿入安装固定装置
9办公室地板
安装
9使用这种安
装，要求在实
验室和办公室
环境或必须短
期内室内安装
是稳定的
安装类型靠柱子安装
9这种安装，要求在一根现成
的杆，同时要求杆为易安装
9标准安装（带U形固定装置
和支架等）确保有风时不受其
它天线的安装影响
特制安装
9这种安装适
用于单一客户
的需要和要求
安装类型9靠墙安装
9这种安装，水平安装在墙表面上，能
制成可穿透的固定装置，墙必须是固
体，其深度足够束缚固定装置带电缆
线的电源盒位于连接头的底部
扶拦安装
9这种安装要求扶
拦足够高，由固
体材料制成，这
种应用不允许在
系统前面有人走
过的
安装类型人字形的安装
9在很高的桅杆上安装时并且有持续的
大风使用这种安装方式
塔顶安装
9使用这种安装对高度要求很重要，有
好的视野范围
多点安装
9多个连接头被安装到同一
地点多个连接头能同在一个
位置安装多个连接头应该至
少被放置在3米远，如果它
们朝向
9一个方向，对指向不同方
向的连接头不受任何限制
安装位置的安装准备
第一检查空间的情况
第二准备安装表面
9检查表面确保它是固体材料并能被固定套穿过。

9确认表面没有裂纹和破口
9检查表面确保表面坚硬
第三检查可用的电源
9确保电源线足够长
9注意使用电源线的直径和级别
第四步检查网络接口的连接
9连接数目根据系统类型和冗余度要求而有不同，一般按双倍数量准备电缆。

9决定光纤的类型（单模还是多模）
9如果需要冗余，至少要铺8芯线
第五步检查光纤的路由
9系统要么使用单模，或者50/62.5μm,多模光纤
9确保使用的是正确的光缆
9连接头的端口为：SC接头
9所有接头都贴有标签（Data In，Data Out，及OMI）
第六步使用一光纤测试仪来检查来自于网络和OMI接口卡所有光缆的衰减度，测量光纤的损耗确保可接收的操作。