自由空间光通信的应用和发展

【摘 要】自由空间光通信（Free-Space Optical Communication，简称FSO）是一种通过激光在无需光纤的情况下实现通信的技术，本文主要介绍了自由空间光通信基本原理、应用领域，以及研究现状和发展趋势。

【关键词】自由空间；光通信；带宽；发展

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

激光通信是当今社会信息传播的最重要、最常规的手段。按照传输介质的不同，激光通信可分为光纤通信、自由空间光通信和水下通信。自由空间光通信（Free-Space Optical Communication，简称FSO），也称为无线激光通信，是一种通过激光在无需光纤的情况下实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。在宽带接入、广域网和城域网扩展、局域网互联、深空通信等领域有广泛的应用前景，是当前光通信研究的热点之一。

1 FSO简介

FSO技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信且具有成本上的优势。它的工作原理与光纤通信系统类似，包括光发送、光传输和光接收3个部分，所用的基本技术也就是光电的转换。在点对点传输的情况下，在发送端和接收端之间，必须是互相可视的，两终端之间不能有阻挡。FSO结合了光纤通信和无线通信各自的优势，具有频带宽的特点。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。与光纤通信不同的是，FSO以大气为媒质，光载波信号通过大气而不是通过光纤来传送。系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定。

自由空间光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机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。

图1 自由空间光通信系统原理图

FSO系统主要由光发送机、光接收机、光学天线（透镜组和滤波片）和大气信道以及捕获、跟踪及瞄准（ATP）子系统组成，如图1所示。电信号经过调制器调制到由激光器产生的光载波上，再通过光学发射天线对光束整形将光信号发射到大气空间。光信号经大气信道传输，到达接收端，光学天线将接收到的光信号聚焦至光电探测器转化成电信号，经放大滤波处理，再解调成原信息。自动跟踪系统的主要功能是确保两个通信终端的精确定向，完成通信链路的建立[1]。

和其他无线通信相比，它具有不需要频率许可证、带宽高、成本低廉、保密性好，低误码率、链路部署快速、协议透明、抗电磁干扰组网方便灵活等优点[2]。特别适合骨干网的扩建、光纤网络的备援、宽频接入、企业应用、无线基地台数据的回传等领域以及其他需要高速接取的终端。随着光通信器件制造技术的飞速发展，企业对短距离高速率传输的需求越来越高，使得无线光通信技术又受到了各国军事和民用的关注。

2 FSO的应用领域

FSO具有以上技术优势，以其独特的性质，在很多领域都能有广泛的应用，例如：

1）城域网的扩展[3]，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。FSO可以用于扩展已有的城域网，将新的网络与骨干网相连接。

2）企业、校园互连。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，主干传输速率可以达到1Gbps甚至10Gbps[4]。

3）军事应用以其高保密性和安装快捷的特性广泛的应用于军事场所。

4）作为光纤的补充。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。

5）无线基地台数据的回传。FSO也可用来接入移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[5]。

3 FSO的现状和发展趋势

早在20世纪60年代，人们就对自由空间光通信进行过研究，但当时主要用于军事及实验目的，其商业应用是在最近这些年才在美国兴起。

国外在自由空间光通信（FSO）领域已经开始了将近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。美国、英国、加拿大等国的十几家厂商正在从事FSO的相关研发工作。目前，国际市场上AirFiber、LightPointe等公司是推广FSO技术的先行者。比较典型产品有AstroTerra公司的TERRALINK4-155系列产品、Air-Optica公司的UWIN802、PLH802系列和PAV数据系统公司的SKY系列产品。而Terabeam公司和Airriber公司已将FSO应用于商业服务；尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奥运会上成功地使用FSO设备进行图像传送，在西雅图的四季饭店也成功地利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。大部分的FSO系统的设计均处于较短距离100～500m的技术水平，大多采用的是中等功率10～100mW激光二极管或小型光电二极管的低成本解决方案[6]。

就国内FSO的发展来说，还基本在起步阶段。在国内，从事FSO研究的主要有中国电子科技集团公司第34研究所（桂林）、成都光电技术研究所及上海光机所等单位。中国电子科技集团公司第34研究所早在1971年就开始进行FSO技术研究。FSO设备最初来到中国应该在2000年前后，那时国内从事FSO研究的主要是一些具有军方研究项目的研究所。后来，FSO获得了较好的发展，主要FSO设备公司不断取得技术和商业上的进展。清华同方公司的FSO产品TFOW100-1已经面世，它能提供100Mbps的带宽，定位在1000m之内的网络连接应用。但是还没有一家公司规模性的生产FSO设备。当然这也有FSO设备由于本身的可靠性，在国内暂时不被运营商看好的因素。

FSO技术原理比较简单，关键的问题是如何提高传输的可靠性，使其尽量达到用户的要求。现在的研究方向大多是提高可靠性，然后提高传输距离与速率，大致有以下几个方面。

（1）大气信道的研究

对于大气对通信信号的干扰分析，不能仅局限于大气的吸收和散射等，还要注意大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题。这些因素都会影响接收端信号的信噪比，从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。其主要目的是准确掌握某地的气候等通信条件，同时找到气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。因此，必须在这方面做更深入详尽的分析，提出解决方案。

（2）传输可靠性的研究

这个方面主要是对信号源和接收技术的研究。对于信号源，除了要求输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄以外，还要考虑激光器的输出功率稳定性、频率稳定性、光束方向稳定性和工作寿命等。有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四个）发射技术，既可以克服气穴的影响，同时可以克服小鸟等引起的光路的突然割断。还有比较重要的一种技术就是跟踪技术，这方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光强度或者波形来自动定位、调整发射端的位置。现在几个大的FSO生产厂家都有自己的一些自己的专利技术来解决这个问题。据统计，MRV公司现在拥有最多的FSO专利，达16项之多。现在电路部分的做法一般是采取大功率连续单纵模激光器加高灵敏度Si光电二极管来克服大气信道带来的衰减，减少误码。

（3）传输速率的提高

FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2M开始，形成多个系列，比较典型的有10Mb/s，100Mb/s，155Mb/s，622 Mb/s。有的公司采用波分复用（WDM）技术，速率可以达到2.5Gb/s，10Gb/s。

（4）FSO设备网络拓扑的研究

FSO网可以有三种拓扑，即点到点、点到多点（星型）和网状网，也可以把他们组合起来使用，既可以单独使用，也可以组合使用。目前已使用的系统多采用点到点结构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为高带宽的专线连接。网状结构的优点是可以把业务集中到一点再接入核心网，效率较高、比较经济。但缺点是能提供的带宽较少，可靠性差。网状结构的优点是通过多个网络节点可以提供几乎实时的迂回选路，使服务得到保护。随着自由空间光通信技术的不断完善，由点对点系统向光网络系统发展是大势所趋。有专家预测，未来的自由空间光网络将形成一个立体的交叉光网，可在大气层内外和外太空卫星上形成庞大的高容量通信网，再与地面上的光纤网络相沟通，满足未来的各种通信业务需求。

（5）保密性的研究

自由空间光通信的安全保密性较好，因为红外激光的波束窄且不可见，很难在空中发现其通信链路。同时，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在链路中插入，这是很难做到的，而即使被截取，用户也会发现，因为链路被中断。因此，自由空间光通信系统比微波系统安全得多。但是经分析论证，由于自由空间光通信信道的开放性，窃听信号而又不阻断光束的传播，也是可以做到的，所以深入研究自由空间光通信的保密方法和技术是十分必要的[7]。

从以上看来，现在FSO的发展方向是：首先提高系统的可靠性，然后在此基础上增加系统的传输速率，传输距离，从而找寻FSO更多的使用领域；同时研究FSO的网络拓扑结构，以使得FSO设备发挥最大得潜能。

随着通信需求和设备技术的进步，自由空间光通信系统已开始进入实用化研究阶段。相信不久的将来，激光通信将取代微波通信成为星际间通信的主要手段。无线电系统和光无线系统在许多方面可互为补充，光无线系统能提供小区域的高速连接，而无线电系统能提供大区域内低速通信。各种系统的无缝连接将能使用户得到更方便的服务。

4 结语

作为一种宽带接入技术，FSO以其灵活方便的接入方式，较短距离的情况下，以低廉的成本投资可获得光纤传送的速率。同时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已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，FSO在未来的通信领域中必将占据重要地位。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FOS技术会有广阔的、迷人的前景。

【参考文献】

[1]吴迪.自由空间光通信系统的设计及性能分析[D].浙江：浙江大学，2007.

[2]朱震，陈凌.自由空间光通信技术[J].无线光通信技术，2003（1）：12-16.

[3]张春，侯晓霞，范忠礼.自由空间光通信技术及其在城域光网络的应用[J].电信快报， 2003（9）：39-41.

[4]吕宏强.基于FSO技术的“最后1km”宽带接入[J].中国有线电视，2003（4）：54-55.

[5]安亚青，李文田.无线光通信技术与应用分析[J].电力系统通信，2005（4）：7-9.

[6]郑勇刚，李博.自由空间光通信技术的应用与发展[J].无线光通信，2006（7）：54-55.

[7]孙文燕.浅谈自由空间光通信技术及其发展[J].科技信息，2007（19）：109-111.