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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4FSO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。5什么是光通信？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）。566通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外线可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质7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光通信有线光通信：光纤通信无线光通信：大气、海水、外层空间8FSO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9FSO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10驱动电路•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。11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。12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？13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。14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。15FSO的关键技术•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•大气信道的研究•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(ATP)技术16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800～860nm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。17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。18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,再通过发射镜将光束进一步准直为μrad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。19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。1920大气中的粒子引起的散射21天气对通信的影响22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。23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。24解决方法25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2μrad,瞄准精度优于1μrad。26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。27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。28空间分集技术•传统的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。29不分集•光斑面积•单位面积的光功率密度（OPD）30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）。31•A采用小发射角，B采用大发射角，L为最远传输距离，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。32FSO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33FSO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/s～10Gb/s2-4公里点到多点：155Mb/s～10Gb/s1～2公里网状网：622Mb/s200～400米3334FSO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）35FSO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。36FSO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。37•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的特点和优势五38•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之一。FSO的特点和优势六39接入方式各种性能光纤接入微波接入FSO带宽Gbps以上较低100Mbps-2.5Gbps保密性好较差好传输距离120公里以上60公里4公里成本10-20万美元/公里2-3万美元/套2-3万美元/套建设速度4-12月2-3天2-3天市政许可有无无频率许可无有无便携性困难一般方便维护复杂一般简便40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404142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通信方式。43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