现代通信技术主流之一：无线光通信

　　工控摘要：无线光通信技术高速率数据传输系统构成光通信分为有线光通信和无线光通信两种。其中，有线光通信即光纤通信，在过去的几年中，由于人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增。
　　
　　光纤通信因为能传输高速率的数据，已成为广域网、城域网的骨干网络之一，如今在广域通信网中更有80%以上的信息是通过光纤传输的。无线光通信又称自由空间光通信（FSO，FreeSpaceOpticalcommunication）。其作为一种光通信技术，具有三十多年的研究历史。zui初，由于光学器件制造成本较高，无线光通信的研究于星际通信和国防通信领域。近年来，由于光通信器件制造技术的飞速发展，导致无线光通信设备的制造成本大幅下降，尤其是其解决了从光纤骨干网到用户之间的"zui后一英里"的问题，人们才又逐渐开始了无线光通信的民用研究。
　　
　　一、无线光通信技术的现状：
　　
　　1、国外研究现状
　　
　　在FSO领域，国外已经开始了将近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是zui近几年的事情。在FSO这个领域里，国外几个大的FSO厂家，包括LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。
　　
　　LightPointe将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。LightPointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度zui高可达2.5Gbit/s，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。
　　
　　AirFiber位于美国加洲SanDiego，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为OptiMesh，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离622Mbit/s无线光传输系统。
　　
　　Canon主要产品有：CanobeamDT-50，速率从25Mbit/s到622Mbit/s，可连接FastEthernnet、FDDI、ATM。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。CanobeamIII：数据速率达到622Mbit/s，有不同的网络接口，如ATM、FDDI、FastEthernet，并可选择SNMP的TCP/IP。
　　
　　TeraBeamInternetSystems产品是基于IP的无光纤点到多点网络，发送和接收机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。
　　
　　2、国内研究现状
　　
　　目前在中国，无线光纤技术基本处于起步阶段，有几家公司在实验室作出了样机，但是没有规模性的生产，主要原因有FSO本身的可靠性问题，一些人对FSO技术存有一定程度的误解和疑虑;还有一些用户对FSO技术了解不多。
　　
　　桂林三十四所、清华同方有限公司、中科院成都光电技术研究所、深圳飞通有限公司、上海光机所等几家单位，有比较成熟的样机。
　　
　　桂林三十四所产品的主要性能参数有以下一些，传输速率：8Mbit/s，34Mbit/s，155Mbit/s;工作波长：850nm;通信距离：1~4km;光发射功率：小于40mW。
　　
　　清华同方推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产品OWLinkE100。清华同方在快速追踪系统具有自动校准功能获得了，其产品还遵循眼睛安全标准。
　　
　　中科院成都光电技术研究所，开发的产品主要性能参数有传输速率:10Mbit/s;工作波长：850nm;通信距离：1~4km;发射功率：3~30mW。
　　
　　上海光机所承担的"无线激光通信系统"具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以达到622Mbit/s，通信距离可以达到2km。自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高灵敏度位敏探测器，实现灵敏的伺服跟踪。深圳飞通有限公司开发出的样机，其速率有155Mbit/s、622Mbit/s以及1.25Gbit/s几种，通信距离zui远可达4km。
　　
　　二、无线光通信系统的构成
　　
　　无线光通信系统是以大气作为传播媒质来进行光信号的传递的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的诗句路径和足够的光发射频率，就可以通信。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。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜;在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。对基于FSO的系统来说，zui常用的光学波长是近红外光谱中的850nm;还有一些基于FSO的系统使用1500nm的波长，可以支持更大的系统功率。
　　
　　三、无线光通信系统的特点和优势：
　　
　　1、频带宽，速率高
　　
　　从理论上讲，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zui高速率可达2.5Gbit/s，zui远可传送4km。
　　
　　2、频谱资源丰富
　　
　　与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传输，有相当丰富的频谱资源，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信*的。
　　
　　3、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。
　　
　　4、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。
　　
　　5、安全可靠
　　
　　无线光通信的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。
　　
　　6、经济
　　
　　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之一。
　　
　　四、无线光通信系统存在的问题
　　
　　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准。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。
　　
　　五、无线光通信的应用
　　
　　无线光通信的主要应用可归纳为如下几个方面
　　
　　（1）在不具备有线接入条件或原带宽不足时提供的接入方案
　　
　　无线光通信可以不必在城市内破路埋线而快速地在楼宇间实现宽带数字通信，也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传输。在1994年，加里福尼亚的ThermoTrex公司，成功地进行了在相距42km、海拔高度为2133m的两座山峰之间的传输实验，传输数速率为1.2Gbit/s。
　　
　　（2）有效解决“zui后一公里”问题
　　
　　无线光通信可以解决各种业务接入的“zui后一公里”问题，提高用户接入端的传输容量和速度，能够较好地满足电信网、有线电视网和IP网三网合一对带宽的要求。
　　
　　四、无线光通信系统存在的问题
　　
　　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准。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。
　　
　　五、无线光通信的应用
　　
　　无线光通信的主要应用可归纳为如下几个方面
　　
　　（1）在不具备有线接入条件或原带宽不足时提供的接入方案
　　
　　无线光通信可以不必在城市内破路埋线而快速地在楼宇间实现宽带数字通信，也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传输。在1994年，加里福尼亚的ThermoTrex公司，成功地进行了在相距42km、海拔高度为2133m的两座山峰之间的传输实验，传输数速率为1.2Gbit/s。
　　
　　（2）有效解决“zui后一公里”问题
　　
　　无线光通信可以解决各种业务接入的“zui后一公里”问题，提高用户接入端的传输容量和速度，能够较好地满足电信网、有线电视网和IP网三网合一对带宽的要求。
　　
　　1、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。
　　
　　2、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*波长，在通信链路中找出波长与性能的*组合。
　　
　　3、传输速率的提高
　　
　　FSO相对于其他接入设备zui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、10Gbit/s。
　　
　　综上所述，无线光通信作为一种新兴的技术，在社会的各个领域都具有着很大的开发和发展潜力，伴随着FSO技术的不断完善及基础设备的不断革新，其必将正在成为一种热门技术，必会引起通信领域的重大变革。