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1、无线光通信技术杨奋华无线光通信也称为自由空间光通信（FreeSpaceOptics），简称为FSO。FSO技术具有高带宽、部署迅速、费用合理等优势。FSO技术以激光为载体，用点对点或点对多点方式实现连接。虽然FSO通信不需要光纤而是以空气为介质，但由于其设备以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“无线光纤”之称。前言FSO的提出：“最后一公里”的新方案随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始快速增长，将这些高速的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。当前有很多接入技术可供选择，比如光纤、微波、XDSL等，但光纤敷设时间长及高额投入限制了普及；微波技术日渐
2、成熟，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许证），对业务提供商而言，这种接入方式不很经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒质，但XDSL带宽太低。而自由空间光通信FSO（FreeSpaceOptics），作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面，是解决宽带网络“最后一公里”的传输瓶颈的有效途径，FSO的出现引起了业界广泛地关注。4什么是光通信？光通信是一种以光波作为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同都属于电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短（如图）。556通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率 Hz10110710210610310510410410
3、510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外线红外线可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质6光通信按传输介质不同可分为光纤通信和大气激光通信。光纤通信：是以光波作为信息载体，以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。大气激光通信：是利用大气作为传输介质的激光通信。光通信的分类7光通
4、信有线光通信：光纤通信无线光通信：大气、海水、外层空间7FSO系统组成无线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，就可以进行通信。一个无线光通信系统包括三个基本部分：发射机、信道和接收机8FSO的物理模型FEC（ForwardErrorCorrection）-前向纠错APC（AutomaticPowerControl）-自动功率控制ATC（AutomaticTemperatureControl）-自动温度控制LD（LaserDiode）-半导体激光器AGC（AutomaticGainControl）-自动增益控制9驱动电
5、路半导体激光器（LD）是高速调制的理想光源。但是，半导体激光器对温度的变化很敏感。因此稳定的激光器的输出信号是必须考虑的问题。控制电路的作用，就是消除温度变化和器件老化的影响，输出稳定光信号。因此除了一些特殊的发光器外，一般的半导体激光器发送机中都含有自动温度控制（ATC）与自动功率控制（APC）电路。10光源进行通信时，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
6、。11光发送机光发送机的性能-输出光功率及稳定性。发送机的输出光功率，实际上是发射端的端点测得的光的功率，因此也称为出端光功率。工程上光功率用相对值表示。1mW光功率定义为0db。发送机的输出功率大小直接影响系统的中继距离。如何得到高功率的输出功率？12光接收机在无线光通信系统中，光接收机的任务是以最小的附加噪声与失真，恢复出经信道传输后光载波所携带的信息，因此光接收机的输出特性反映了整个光通信系统的性能。接收机由光检测器、滤波器及其他处理电路组成。13光接收机性能数字接收机的误码率（BER）-指的是数字信号中码元在传输过程出现差错的概率。灵敏度-对数字接收机来说，灵敏度是指保证一定的误码率条
7、件下，光接收机所能接收的最小光功率，一般用dBm作单位。动态范围-在满足一定误码率的指标下因为接收到的光信号已经很微弱，因此如何提高光接收机的灵敏度是研究接收机的主要问题。14FSO的关键技术高功率激光光源技术高功率激光光源技术光收发天线和精密可靠的光束控制技术光收发天线和精密可靠的光束控制技术大气信道的研究大气信道的研究高灵敏度的信号探测和处理技术高灵敏度的信号探测和处理技术高精度的捕获、跟踪和瞄准高精度的捕获、跟踪和瞄准( ATP) ( ATP) 技术技术15 高功率激光光源技术在FSO通信中,背景光的干扰很强,所以在通信过程中需要大功率、低损耗光源,调制速率又要尽可能高。同时,光源的调制
8、需要采用纠错技术,尽可能减少误码和突发误码。目前,主要采用800860nm波段和1550nm波段的光源。800nm波段光源研究时间较早,器件比较成熟，被广泛采用。CCD（电荷耦合器件）能将光学信号转化为数字信号，实现光电转换。CCD与800nm、1550nm波长光源均兼容，CCD相关参数如表所示。16选取1550nm的光源采用1550nm的优点是光源调制速率高,并且波长稳定。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。17光收发天线和精密可靠的光束控制技术(1)发射端的光束要进行准直,先将发射光束压缩到mrad级,再
9、通过发射镜将光束进一步准直为rad级光束。(2)接收端的接收天线将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面,接收天线的效率和尺寸对系统接收光功率的能力有重要影响。目前,该系统的天线直径为几厘米到25cm。18大气信道的研究 在FSO通信中,大气中的气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子,其几何尺寸与半导体激光的波长相近甚至更小,这会引起光的吸收、散射、折射,特别是在强急流的情况下,还可能发生波前畸变、强度抖动、多径衰减、云层遮断,光信号将受到严重干扰,甚至脱靶。1919大气中的粒子引起的散射20天气对通信的影响21解决方法在有雾的天气一般采用增大发射功率的办法,因此多选用1550nm波长设备,运营商需要
10、根据当地的气候特点确定合适的通信距离。针对设备可靠性的解决方案,采用不需许可证的微波作为备份节点,特别是在网状结构的重要地点,因为微波对雾的抗扰能力强,不过实际中只有很少的时间需要倒换到微波上。22高灵敏度的信号探测和处理技术FSO系统中,激光束的强度是与距离的平方成反比,所以光接收机接收到的信号十分微弱,在高背景噪声场(如太阳光、月光、星光等)的干扰下,会导致接收端信噪比小于1,即信号淹没在噪声中。为快速、精确地捕获目标和接收信号,采取了表3所示的提高接收灵敏度和信噪比的措施。23解决方法24高精度的捕获、跟踪和瞄准( ATP) 技术ATP 主要解决收发双方光束彼此对准的问题,并且在整个通信
11、过程中保持稳定,即在数据传输前发射器发送的光束对准接收机所在的方向,先探测对方发出的信标,依据接收的信标进行捕获和跟踪,然后回传信标给对方,系统便逐渐实现瞄准,最终双方建立光传输信道,实现双向通信。 要求：ATP 的跟踪精度优于2 rad , 瞄准精度优于1rad。25 但经过空间信道的传输,光束会受到外界环境的影响而发生折射、反射和散射等现象,从而造成光信号衰减和失真,接收机必须准确捕获发射过来的光束,在整个通信过程中维持信号跟踪。26解决方法发送信号时由于外部不可避免的抖动会引起误差,因此引入自适应反馈控制系统对抖动引起的误差进行补偿,用该补偿信号来控制发射振镜系统。27空间分集技术传统的
12、FSO端对端通信，采用单发射器和唯一的接受天线，为了使激光发射器保持瞄准接收机激光探测器，必须保证激光发射器的光束发散角在几十个微弧度之内，但是经过几公里，会在接受机平面产生一个半径较大的光斑，但接收机的口径有限，只能接收到光斑的一部分能量，所以就产生了光能量的几何空间损耗，损耗的大小与发射光束的发散角，接受探测器孔径尺寸，通信距离以及瞄准偏差有关。为了增大接受端的光能量，可以采用多发射端的空间分集技术来改善信噪比，降低误码率。28不分集光斑面积单位面积的光功率密度（OPD）29分集采用光分路将一束光将两个不同发射角的发射光束A、B进行光传输（如图）。30A采用小发射角，B采用大发射角，L为最
13、远传输距离，发射机移动的距离为x。当L变大时，由于两束光功率叠加避免远距离传输时接受光功率过小而难以探测；当L变小时，窄光束A光斑面积随着变小，宽光束B尽可能取得最大避免光斑过小受不到不可预知震动而失去链路。31FSO六大特点频带宽，速率高频谱资源丰富适用任何通信协议架设灵活便捷安全可靠成本低32FSO的特点和优势一频带宽，速率高FSO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，而FSO的光信号在空气介质中传输。FSO产品目前最高速率可达2.5Gbit/s，最远可传送4km。点到点：155Mb/s10Gb/s2-4公里点到多点：155Mb/s10Gb/s12公里
14、网状网：622Mb/s200400米3333FSO的特点和优势 二频谱资源丰富（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。FSO与大多数低频段电磁波不同的是，300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-I标准）34FSO的特点和优势 三适用任何通信协议适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的SDH、ATM、以太网、快速以太网等都能通过，并可支持2.5Gbit/s的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。35FS
15、O的特点和优势 四架设灵活便捷 FSO可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。 36安全可靠无线光通信的安全性是非常显著的，光无线通信的波束很窄，定向性非常好，不是可视光，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。FSO的特点和优势 五37成本低光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分
16、之一。FSO的特点和优势 六38接入方式各种性能接入方式各种性能光纤接入光纤接入微波接入微波接入 F S OF S O带带 宽宽Gbps以上较 低100Mbps-2.5Gbps保保 密密 性性好较 差好传传 输输 距距 离离120公里以上60公里4公里成成 本本10-20万美元/公里2-3万美元/套2-3万美元/套建建 设设 速速 度度4-12月2-3天2-3天市市 政政 许许 可可有无无频频 率率 许许 可可无有无便便 携携 性性困 难 一 般方 便维维 护护复 杂一 般简 便39无线光通信的应用无线光通信可在以下一些范围发挥重要作用：1、可以作为预防服务中断的光纤通信和微波通信的备份2、可
17、以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传3、用于近距离高速网的建设以及最后一英里接入4、用于不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方5、在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6、用于企业内部网互连和数据传输404041军事应用：蓝绿光通信1981年5月，美国在圣地亚哥海域上空，采用530nm的激光束从一架飞行在1.3万米高度的飞机与巡航在300米深度的核潜艇成功的实现无线光通信 。通过星载激光系统、机载激光系统、陆基反射镜系统还可以实现潜艇与卫星、潜艇与飞机、潜艇与地面指挥所的实时保密通信。 美国当前正在研制的深潜航母就计划采用先进的蓝绿光通信与中微子通信相结合的
18、通信方式。42蓝绿光通信它是一种使用波长介于蓝光与绿光之间的激光，在海水中传输信息的通信方式，是目前较好的一种水下通信手段。利用450570nm的激光束在深海里进行通信波长459nm的蓝绿光在大气中的透过率是65%，在2000米深度的海水中，其透光程度平均可达9095。43蓝绿激光水下通信44基于无线光通信的高清晰数字传输系统45无线光通信系统存在的问题视距问题FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也会导致发射机和接收机无法对
19、准。4646天气影响恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的发射功率。无线光通信系统存在的问题47因此晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天为50-150dB/Km，雾天为50-300 dB/Km。国外为解决这个问题，一般会采用高功率的激光器二极管，更先进的光学器件和多光束来解决。无线光通信系统存在的问题48影响FSO性能指标的另外两个因素是大风和地震。风力和大气温度的梯度变化会产生
20、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”，严重影响FSO的通信传输质量。同时，由于FSO系统的收发设备一般都安装在高楼之上，因此，大风引起的建筑物的晃动或地震也会造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段可以解决这一问题。无线光通信系统存在的问题49无线光通信系统存在的问题空中障碍物小鸟或冰雹、雨雪可以阻断链路产生毫秒级的中断。城市内，由于建筑物的阻隔、晃动也会影响两个点之间的激光对准。50无线光通信系统存在的问题传输距离传输距离与信号质量的矛盾非常突出，传输距离越大，光束就会越宽，接收的光信号质量越差。安全问题激光的安全问题必须考
21、虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。51FSO发展趋势 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，使其尽量达到电信运营商的要求。所以现在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高传输距离与速率。大致有以下一些方面。发射、接收的瞄准的研究减小大气对通信的影响传输速率的提高52研究发展趋势一发射、接收的瞄准的研究在大风中或因地震引起大楼的摆动，发射机发送的光信号对不准接收机，产生的误差大，甚至通信无法实现。目前的研究方向在于提高激光的瞄准，怎样利用非机械装置来实现精确的对准和快速瞄准；在接收机方面，散射光线也带有信息，接收散射光线越多，接收的信号能量越大，但同时接收的噪声也
22、越大，所以尽量提高接收机接收信号总功率，又不能降低信噪比成为研究目标。5353减小大气对通信的影响在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸收窗口、不同的散射函数以及不同的折射率，需要寻求一种最优波长，在通信链路中找出波长与性能的最优组合。54研究发展趋势二54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2Mbit/s开始，形成多个系列，比较典型的有10Mbit/s、100Mbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s。有的公司采用波分复用技术，速率可以达到2.5Gbit/s、10G
23、bit/s。55研究发展趋势三55综上所述，FSO的发展方向是解决大楼的抖动引起的对不准问题、大气微粒的散射问题、大气湍流影响通信问题，提高系统可靠性，在此基础上提高传输速率，使FSO发挥最大优势。56总结自由空间光通信技术自身的特点决定了在一定的环境下，它可以最大发挥自身优势，比如不便铺设光纤的地方和不适宜使用微波的地方。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。在未来几年里，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是没有光纤连接的中小企业。5758The end,thank you!Merry Christmas59
