自由空間光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢<

　　自由空間光通信（free-space optical columniation，簡稱fso）是一種通過激光在大氣信道中實現(xiàn)點對點、點對多點或多點對多點間語音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)，介紹了自由空間光通信的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了應用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。
　　　　
　　1.1 基于光電探測器直接耦合的fso系統(tǒng)

　　早在30多年前，自由空間光通信曾掀起了研究的熱潮，但當時的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進一步發(fā)展。與此同時，隨著光纖制作技術(shù)、半導體器件技術(shù)、光通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善和成熟，光纖通信在20世紀80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網(wǎng)的基本建成以及最后一公里問題的出現(xiàn)，以及近年來大功率半導體激光器技術(shù)、自適應變焦技術(shù)、光學天線的設(shè)計制作及安裝校準技術(shù)的發(fā)展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。

　　在國外，fso系統(tǒng)主要在美英等經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)達的國家生產(chǎn)和使用。到目前為止，fso己被多家電信運營商應用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有terabeam和airfiber公司。在悉尼奧運會上，terabeam公司成功地使用fso設(shè)備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用fso設(shè)備向客戶提供10omb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計劃4年內(nèi)在全美建設(shè)100個fso城市網(wǎng)絡(luò)。而airfiber公司則在美國波士頓地區(qū)將fso通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)（sonet）通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

　　目前商用的fso系統(tǒng)（見圖1）通常采用光源直接輸出、光電探測器直接耦合的方式，這種系統(tǒng)有以下幾點缺點：

　?。╨）半導體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發(fā)散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓高斯光束再準直擴束后發(fā)射，這樣發(fā)射端的光學系統(tǒng)就較為復雜，體積也會相應增大。

　　（2）在接收端，光斑經(jīng)光學天線會聚之后直接送入pd轉(zhuǎn)化為電信號。通常，我們需要提供點到點的，雙向的通信系統(tǒng)，這樣，fso系統(tǒng)的每個終端都包括了激光器，探測器，光學系統(tǒng)，電子元器件和其中有源器件所需要的電源。這種系統(tǒng)的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從fso系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出，完成一個簡單的點到點的鏈路需要6個oe轉(zhuǎn)換單元。隨著人們對帶寬的需求越來越高，pd的成本也越來越高，6個oe轉(zhuǎn)換單元大大增加了成本閉。

　?。?）fso終端設(shè)備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設(shè)備，會給我們的安裝帶來了很多不方便。

　?。?）系統(tǒng)的可擴展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個fso系統(tǒng)終端都需要被新的終端取代，安裝新設(shè)備的過程需要再次對準，整個升級過程所需要的時間很長，給人們帶來巨大的損失。
　　
　　1.2 基于光纖耦合技術(shù)的fso系統(tǒng)

　　光纖輸出、光纖輸入的自由空間光通信系統(tǒng)（見圖2），激光器輸出的高斯光束耦合至光纖再經(jīng)準直出射，傳輸一定距離后，光束通過合適的聚焦光學系統(tǒng)聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經(jīng)pd接收還原信號。這樣我們通過在發(fā)射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學天線系統(tǒng)，而將其他的控制系統(tǒng)通過光纖放置于室內(nèi)就可以實現(xiàn)點到點的連接，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。
　　
　　這種新型的fso系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①減少了不必要的e一o轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要2個oe接口即可，大大降低了成本。②光學系統(tǒng)較為簡單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡化了光學系統(tǒng)，減小了體積，易于安裝。③易于升級及維護，當用戶的帶寬增加時，我們只需要對放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進行升級即可，免去了復雜繁瑣的對準過程。④基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好的與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，edfa和wdm中所用到的復用器和解復用器。⑤可以與光碼分多址復用技術(shù)（ocdma）相結(jié)合，構(gòu)成自由空間ocdma系統(tǒng)，進一步擴大系統(tǒng)的帶寬。

　　對于一個基于光纖耦合技術(shù)的fso系統(tǒng)而言，以下2個因素必不可少：①體積小，重量輕的光學天線系統(tǒng)一個最佳的光學天線的設(shè)計首先必須使盡可能多的光耦合進單模光纖，獲得最大的耦合效率；其次要能通過粗跟蹤系統(tǒng)測出入射光的角度；另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩(wěn)定性。②性能良好的跟蹤系統(tǒng)要使光學接收天線接收到的光能夠有效的耦合進纖芯和數(shù)值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統(tǒng)加上雙向的跟蹤系統(tǒng)。
　　
　　2 國內(nèi)空間光通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和進展
　　
　　我國衛(wèi)星間光通信研究與歐、美、日相比起步較晚。國內(nèi)開展衛(wèi)星光通信的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學（系統(tǒng)模擬和關(guān)鍵技術(shù)研究）、清華大學（精密結(jié)構(gòu)終端和小衛(wèi)星研究）、北京大學（重點研究超窄帶濾波技術(shù)）和電子科技大學（側(cè)重于apt技術(shù)研究）。目前已完成了對國外研究情況的調(diào)研分析，進行了星間光通信系統(tǒng)的計算機模擬分析及初步的實驗室模擬實驗研究，大量的關(guān)鍵技術(shù)研究正在進行，與國外相比雖有一定的差距，但近些年來在光通信領(lǐng)域也取得了一些顯著的成就。

　　2002年哈爾濱工業(yè)大學成功地研制了國內(nèi)首套綜合功能完善的激光星間鏈路模擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可模擬衛(wèi)星間激光鏈路瞄準、捕獲、跟蹤、通信及其性能指標的測試。所研制的激光星間鏈路模擬實驗系統(tǒng)的綜合功能、衛(wèi)星平臺振動對光通信系統(tǒng)性能的影響及對光通信關(guān)鍵單元技術(shù)的攻關(guān)研究有創(chuàng)新性，其技術(shù)水平為國內(nèi)領(lǐng)先，達到國際先進水平，目前該項研究已進入工程化研究階段。上海光機所研制出了點對點155m大氣激光通信機樣機，該所承擔的“無線激光通信系統(tǒng)”項目也在2003年1月份通過了驗收，該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能，其傳輸速率可達622mb/s，通信距離可以達到2km，自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應時間為0.2s。中科院成都光電所于2004年在國內(nèi)率先推出了10m碼率、通信距離300m的點對點國產(chǎn)激光無線通信機商品。桂林激光通信研究所也在2003年正式推出fso商品，最遠通信距離可達8km，速率為10~155m。武漢大學于2006年在國內(nèi)首先完成42m多業(yè)務(wù)大氣激光通信試驗，2007年3月又在國內(nèi)率先完成全空域fso自動跟蹤伺服系統(tǒng)試驗，這為開發(fā)機載、星載激光通信系統(tǒng)和地面帶自動目標捕獲功能的fso系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。另外在光無線通信系統(tǒng)設(shè)計、以太網(wǎng)光無線通信、usb接口光無線通信、大氣激光傳輸、大氣光通信收發(fā)模塊和信號復接/分接技術(shù)等方面都取得了多項成果。
　　
　　3 自由空間光通信技術(shù)的應用與未來發(fā)展趨勢
　　
　　自由空間光通信和其他無線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好，低誤碼率、安裝快速、抗電磁干擾，組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點。正是由于這些特點，fso系統(tǒng)正受到電信運營商越來越多的關(guān)注與青睞。對于有線運營商，fso可以在城域光網(wǎng)之外提供高帶寬連接，而其成本只有地下埋設(shè)光纜的五分之一，而且不需要等6個月才能拿到施工許可證。對于無線運營商，在昂貴的e1/t1租用線路和帶寬較低的微波解決方案之外，fso在流量回輸方面提供了一個經(jīng)濟的替代選擇。在目前這個競爭激烈的環(huán)境中，fso無疑為電信運營商以較低的成本加速網(wǎng)絡(luò)部署，提高“服務(wù)速度”并降低網(wǎng)絡(luò)操作費用提供了可能。而且fso技術(shù)結(jié)合了光纖技術(shù)的高帶寬和無線技術(shù)的靈活、快速部署的特性，可以在接入層等近距離高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地，在目前許多企業(yè)和機構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率（如stm-1或更高）的情況下，fso不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。

　　fso產(chǎn)品目前最高速率可達2.5g，最遠可傳送4km，在本地網(wǎng)和邊緣網(wǎng)等近距離高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地，主要應用于一些不宜布線或是布線成本高、施工難度大、經(jīng)市政部門審批困難的地方，如市區(qū)高層建筑物之間、公路（鐵路）兩側(cè)的建筑物之間、不易架橋的河流兩岸之間、古建筑、高山、島嶼以及沙漠地帶等。另外，fso設(shè)備也可用于移動基站的環(huán)路建設(shè)、場所比較分散的企業(yè)局域網(wǎng)子網(wǎng)之間的連接和應急通信。對于銀行、證券、政府機關(guān)等需要穩(wěn)定服務(wù)的商業(yè)應用來說，fso產(chǎn)品可以作為預防服務(wù)中斷的光纖備份設(shè)備。

　　當然，fso在應用過程中也存在一定的瓶頸，主要是會受到大氣狀況或物理障礙的影響，比如其光束在傳輸中極易受大霧等惡劣天氣，物理阻隔或建筑物的晃動/地震的影響。在惡劣的天氣下，光束傳輸?shù)木嚯x會下降，從而降低通信的可靠性，嚴重的甚至會造成通信中斷。

　　盡管存在不少問題，但自由空間光通信的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯，其自身的特點決定了在一定的環(huán)境下，它可以最大發(fā)揮自身優(yōu)勢，比如可以用于不便鋪設(shè)光纖的地方和不適宜使用微波的地方；又由于光纖成本過高，用戶無法在短期內(nèi)實現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利， 結(jié)合我國現(xiàn)階段寬帶網(wǎng)絡(luò)的實際情況——許多企業(yè)和機構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率（如stm-1或更高），fso不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。fso系統(tǒng)解決了寬帶網(wǎng)絡(luò)的“最后一公里”的接入，實現(xiàn)了光纖到桌面，完成語音、數(shù)據(jù)、圖像的高速傳輸，拉動了聲訊服務(wù)業(yè)和互動影視傳播，實現(xiàn)了“三網(wǎng)融合”，有利于電子政務(wù)、電子商務(wù)、遠程教育及遠程醫(yī)療的發(fā)展，并產(chǎn)生了巨大的效益，具有廣闊的應用領(lǐng)域和市場前景。
　　
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