編者按: 光通信分為有線光通信和無線光通信兩種。其中,有線光通信即光纖通信,已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一;無線光通信又稱自由空間光通信(FSO,F(xiàn)ree Space Optical communication)。近年來,隨著“最后一公里”對高帶寬、低成本接入技術(shù)的迫切需求,F(xiàn)SO在視距傳輸、寬帶接入中有了新的發(fā)展機(jī)遇,同時(shí)由于光通信器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展,無線光通信設(shè)備的制造成本大幅下降,F(xiàn)SO得到越來越多的應(yīng)用。雖然目前FSO的使用無需通過政府的頻率許可(目前無線電頻率劃分至300GHz,而光波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該頻率),但對于無線電管理部門來說,了解這種全新的通信技術(shù)的特征和發(fā)展趨勢是大有裨益的。
1 無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成
無線光通信系統(tǒng)以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進(jìn)行光信號的傳送。只要在適當(dāng)距離的收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率,即可實(shí)現(xiàn)無線光通信。
無線光通信系統(tǒng)的一般原理如圖1所示,由激光源、摻鉺光纖放大器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)和接收機(jī)等組成,具體儀器包括專用望遠(yuǎn)物鏡、標(biāo)準(zhǔn)光收發(fā)機(jī)和高功率的Er/Yb光放大器等,其中望遠(yuǎn)物鏡和光收發(fā)送機(jī)組合在一起。其關(guān)鍵技術(shù)是多徑發(fā)射和使用放大器補(bǔ)償光通道損耗。
在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下,每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī),可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號的調(diào)制,通過作為天線的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng),將光信號通過大氣信道傳送到接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡;接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡收集接收到光信號并將它聚焦在光電檢測器中,光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
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由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別,F(xiàn)SO系統(tǒng)一般選用透過率較好的波段窗口,最常用的光學(xué)波長是近紅外光譜中的850nm;還有一些FSO系統(tǒng)使用1500nm波長頻段,可以支持更大的系統(tǒng)功率。 |
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2 無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
當(dāng)前,雖然無線光通信技術(shù)還有待成熟,但它以獨(dú)特的方式、顯著的優(yōu)點(diǎn),擁有著巨大的市場潛能。
(1) 頻帶寬,速率高
理論上,無線光通信的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同。光纖通信中的光信號在光纖介質(zhì)中傳輸,而FSO的光信號在空氣介質(zhì)中傳輸。目前國外無線光通信系統(tǒng)一般使用1550nm波長(頻率約為1.935×105GHz)頻段,傳輸速率可達(dá)10Gbit/s(4×2.5Gbit/s),即可完成12萬個(gè)話路,其傳輸距離可達(dá)5km。國內(nèi)無線光通信系統(tǒng)一般使用850nm波長(頻率約為3.529×105GHz)技術(shù),速率為10Mbit/s~155Mbit/s,傳輸距離可達(dá)4km。
(2) 頻譜資源豐富
與微波技術(shù)相比,F(xiàn)SO設(shè)備多采用紅外光傳輸方式,有非常豐富的頻譜資源,無需向無線電管理部門申請頻率執(zhí)照和交納頻率占用費(fèi),也不會和微波等無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互干擾。
(3) 適用多種通信協(xié)議
無線光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備,可以用在SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等常見的通信網(wǎng)絡(luò)中,并可支持2.5 G bit/s的傳輸速率,適用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等信息。
(4)部署鏈路快捷
FSO設(shè)備可以直接架設(shè)在樓頂,甚至可在水域上部署,能完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù),其施工周期較短,可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)建立起通信鏈路,而建設(shè)成本只有地下光纖的五分之一左右。
(5)傳輸保密性好
無線光通信的安全性是非常顯著的。無線光通信具有很好的方向性和非常窄的波束,因此,對其竊聽和人為干擾幾乎是不可能的。
3 無線光通信的應(yīng)用
無線光通信的主要應(yīng)用可歸結(jié)為如下幾個(gè)方面。
(1)在不具備有線接入條件或原帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案
無線光通信可以不必在城市內(nèi)破路埋線而快速地在樓宇間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字通信,也可在不便鋪設(shè)光纜地區(qū)、沒有橋梁的大河兩岸之間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸。在1994年,加里福尼亞的ThermoTrex公司,成功地進(jìn)行了在相距42km、海拔高度為2133m的兩座山峰之間的傳輸實(shí)驗(yàn),傳輸數(shù)速率為1.2Gbit/s。
(2)有效解決“最后一公里”問題
無線光通信可以解決各種業(yè)務(wù)接入的“最后一公里”問題,提高用戶接入端的傳輸容量和速度,能夠較好地滿足電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和IP網(wǎng)三網(wǎng)合一對帶寬的要求。
(3)力助局域網(wǎng)互聯(lián)
FSO提供了臨近局域網(wǎng)之間互連互通的選擇方案,不僅可以解決局域網(wǎng)內(nèi)用戶接入的高速傳輸問題,還可方便地實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接,形成更大范圍的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。
(4)應(yīng)急備用方案
無線光通信可以作為有線通信線路故障或緊急搶險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)急備用鏈路,也可作為大型臨時(shí)活動(dòng)的通信解決方案。
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(5)快速組建電信網(wǎng)絡(luò)
對于新興的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說,無線光通信網(wǎng)絡(luò)可以幫助其快速組建本地網(wǎng),以較少的資金、人力和時(shí)間完成城域網(wǎng)建設(shè);對于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來講,無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補(bǔ)充,用于不便鋪設(shè)光纜的區(qū)域。建設(shè)周期短、所需費(fèi)用少,無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)先組網(wǎng)再銷售的商業(yè)模式。
此外,F(xiàn)SO在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間有著重要的應(yīng)用。如在1995年美國與日本所進(jìn)行的聯(lián)合試驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)了日本菊花-6衛(wèi)星與美國大氣觀測衛(wèi)星相距39000km的雙向光通信。這是一種遠(yuǎn)距離通信應(yīng)用,目前仍在研發(fā)之中,但衛(wèi)星間光通信具有容量大、不需進(jìn)行ITU國際協(xié)調(diào)等優(yōu)勢,將成為重要的衛(wèi)星通信手段之一。 |
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4 存在的問題
雖然無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨(dú)具魅力,擁有大量潛在的應(yīng)用市場,但也存在許多有待完善的地方。目前,其主要問題有:
(1) 收發(fā)端對準(zhǔn)問題
FSO是一種視距寬帶通信技術(shù),發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視距傳輸條件才能實(shí)現(xiàn)通信。當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時(shí),在風(fēng)力的作用下設(shè)備會發(fā)生擺動(dòng),這樣便會影響激光器的對準(zhǔn)精度。樓宇結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微地震等因素,有時(shí)也會導(dǎo)致發(fā)射機(jī)和接收機(jī)無法對準(zhǔn)。
(2)大氣媒介的影響
惡劣的天氣情況,會對FSO的傳播信號產(chǎn)生衰耗作用。空氣中的散射粒子,會使光線在空間、時(shí)間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量,使信號的功率衰減。衡量FSO信號可靠性指標(biāo)之一——LINK MARGIN,單位為dB,其意義為FSO設(shè)備正常工作所允許的最大功率損耗。一個(gè)典型的FSO系統(tǒng)的LINK MARGIN值為20dB,即在天氣晴好的條件下,光信號每公里的功率損耗大約為1dB,也就是說,一般無線光通信系統(tǒng)的最大工作距離是20公里。FSO采用的紅外光在空氣中傳播時(shí)易受各種氣候因素的影響,如雨、強(qiáng)烈日光等。在大霧天氣下,信號衰減可達(dá)到每公里400dB,這使FSO系統(tǒng)的有效工作距離不到50米,甚至比無線局域網(wǎng)傳輸距離還要短。因此,F(xiàn)SO需要尋求一種最優(yōu)波長頻率,并在通信鏈路中找出波長與性能的最優(yōu)組合。
(3)傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾突出
FSO傳輸距離越大,光束就會越寬,接收端收到的光信號質(zhì)量越差。目前較遠(yuǎn)距離的大氣激光通信的研究還沒有取得突破性進(jìn)展。
(4)激光的安全問題
激光束的安全性是FSO系統(tǒng)必須考慮的問題。光信號發(fā)射功率必須限制在保證人類眼睛安全的功率范圍內(nèi),這也限制了FSO的通信距離。
5 總結(jié)
無線光通信作為一種快捷的寬帶網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式,已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。本文簡單介紹了無線光通信的基本概念、系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)和優(yōu)勢,以及在通信領(lǐng)域的應(yīng)用及研究情況,同時(shí)也分析了其存在的技術(shù)問題。
無線光通信系統(tǒng)將來的研究將集中在增加傳輸容量、延長傳輸距離、自動(dòng)方向?qū)?zhǔn)、降低設(shè)備成本等方面。如果這些問題能得到有效解決,那么FSO將發(fā)揮巨大潛能和優(yōu)勢,成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。
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[5] 尹璐,“悄然興起的無線光通信”,北京理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院.
作者:廣東省無線電監(jiān)測站 范國良 來源:中國無線電 |
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