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    空間無線激光通信

     

     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點對點、點對多點或多點對多點間語音、數據、圖像信息的雙向通信技術,本文介紹了自由空間光通信的國內外研究現狀,分析了應用現狀和未來發展趨勢。
      1 自由空間光通信的研究現狀
      1.1 基于光電探測器直接耦合的FSO系統
      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、系統技術和大氣信道光傳輸特性本身的不穩定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進一步發展。與此同時,隨著光纖制作技術、半導體器件技術、光通信系統技術的不斷完善和成熟,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,隨著骨干網的基本建成以及最后一公里問題的出現,以及近年來大功率半導體激光器技術、自適應變焦技術、光學天線的設計制作及安裝校準技術的發展和成熟,自由空間光通信的研究重新得到重視。
      在國外,FSO系統主要在美英等經濟和技術發達的國家生產和使用。到目前為止,FSO己被多家電信運營商應用于商業服務網絡,比較典型的有TerabeamAirfiber公司。在悉尼奧運會上,Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送,并在西雅圖的四季飯店成功地實現了利用FSO設備向客戶提供10OMb/s的數據連接。該公司還計劃4年內在全美建設100FSO城市網絡。而Airfiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網與光纖網(SONET)通過光節點連接在一起,完成了該地區整個光網絡的建設。
      目前商用的FSO系統(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,這種系統有以下幾點缺點:
     。l)半導體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發散角不同,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射,這樣發射端的光學系統就較為復雜,體積也會相應增大。
    基于PD直接接受的FSO系統.jpg
    。2)在接收端,光斑經光學天線會聚之后直接送入PD轉化為電信號。通常,我們需要提供點到點的,雙向的通信系統,這樣,FSO系統的每個終端都包括了激光器,探測器,光學系統,電子元器件和其中有源器件所需要的電源。這種系統的體積通常比較大,重量大,成本也比較高。從FSO系統終端的內部結構圖中可以看出,完成一個簡單的點到點的鏈路需要6OE轉換單元。隨著人們對帶寬的需求越來越高,PD的成本也越來越高,6OE轉換單元大大增加了成本閉。
     。3FSO終端設備一般安裝于樓頂,如果終端中含有大量的有源設備,會給我們的安裝帶來了很多不方便。
     。4)系統的可擴展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加,那么封裝在一起的整個FSO系統終端都需要被新的終端取代,安裝新設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 基于光纖耦合技術的FSO系統
      光纖輸出、光纖輸入的自由空間光通信系統(見圖2),激光器輸出的高斯光束耦合至光纖再經準直出射,傳輸一定距離后,光束通過合適的聚焦光學系統聚焦在光纖纖芯上,沿著光纖傳輸后經PD接收還原信號。這樣我們通過在發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,而將其他的控制系統通過光纖放置于室內就可以實現點到點的連接,整個系統結構簡單,易于安裝。
    基于光纖的FSO系統.jpg
      這種新型的FSO系統具有以下優點:減少了不必要的EO轉換,一條鏈路現在只需要2OE接口即可,大大降低了成本。光學系統較為簡單,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,減小了體積,易于安裝。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的系統進行升級即可,免去了復雜繁瑣的對準過程。基于光纖耦合的空間光通信系統能夠很好的與現有的光纖通信網絡結合,利用現有的比較成熟的光纖通信系統中的器件如發射接收模塊,EDFAWDM中所用到的復用器和解復用器。可以與光碼分多址復用技術(OCDMA)相結合,構成自由空間OCDMA系統,進一步擴大系統的帶寬。
      對于一個基于光纖耦合技術的FSO系統而言,以下2個因素必不可少:體積小,重量輕的光學天線系統一個最佳的光學天線的設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定性。性能良好的跟蹤系統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值孔徑都極小的單模光纖,我們必須為系統加上雙向的跟蹤系統。
    2 國內空間光通信系統研究現狀和進展
      我國衛星間光通信研究與歐、美、日相比起步較晚。國內開展衛星光通信的單位主要有哈爾濱工業大學(系統模擬和關鍵技術研究)、清華大學(精密結構終端和小衛星研究)、北京大學(重點研究超窄帶濾波技術)和電子科技大學(側重于APT技術研究)。目前已完成了對國外研究情況的調研分析,進行了星間光通信系統的計算機模擬分析及初步的實驗室模擬實驗研究,大量的關鍵技術研究正在進行,與國外相比雖有一定的差距,但近些年來在光通信領域也取得了一些顯著的成就。
      2002年哈爾濱工業大學成功地研制了國內首套綜合功能完善的激光星間鏈路模擬實驗系統,該系統可模擬衛星間激光鏈路瞄準、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的綜合功能、衛星平臺振動對光通信系統性能的影響及對光通信關鍵單元技術的攻關研究有創新性,其技術水平為國內領先,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項目也在20031月份通過了驗收,該系統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年在國內率先推出了10M碼率、通信距離300m的點對點國產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年在國內首先完成42M多業務大氣激光通信試驗,20073月又在國內率先完成全空域FSO自動跟蹤伺服系統試驗,這為開發機載、星載激光通信系統和地面帶自動目標捕獲功能的FSO系統創造了條件。另外在光無線通信系統設計、以太網光無線通信、USB接口光無線通信、大氣激光傳輸、大氣光通信收發模塊和信號復接/分接技術等方面都取得了多項成果。
      3 自由空間光通信技術的應用與未來發展趨勢
      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,組網方便靈活等優點。正是由于這些特點,FSO系統正受到電信運營商越來越多的關注與青睞。對于有線運營商,FSO可以在城域光網之外提供高帶寬連接,而其成本只有地下埋設光纜的五分之一,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濟的替代選擇。在目前這個競爭激烈的環境中,FSO無疑為電信運營商以較低的成本加速網絡部署,提高服務速度并降低網絡操作費用提供了可能。而且FSO技術結合了光纖技術的高帶寬和無線技術的靈活、快速部署的特性,可以在接入層等近距離高速網的建設中大有用武之地,在目前許多企業和機構都不具備光纖線路,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產品目前最高速率可達2.5G,最遠可傳送4km,在本地網和邊緣網等近距離高速網的建設中大有用武之地,主要應用于一些不宜布線或是布線成本高、施工難度大、經市政部門審批困難的地方,如市區高層建筑物之間、公路(鐵路)兩側的建筑物之間、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設備也可用于移動基站的環路建設、場所比較分散的企業局域網子網之間的連接和應急通信。對于銀行、證券、政府機關等需要穩定服務的商業應用來說,FSO產品可以作為預防服務中斷的光纖備份設備。
      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,光束傳輸的距離會下降,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優勢更為明顯,其自身的特點決定了在一定的環境下,它可以最大發揮自身優勢,比如可以用于不便鋪設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,用戶無法在短期內實現光纖接入,而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利,結合我國現階段寬帶網絡的實際情況——許多企業和機構都不具備光纖線路,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系統解決了寬帶網絡的最后一公里的接入,實現了光纖到桌面,完成語音、數據、圖像的高速傳輸,拉動了聲訊服務業和互動影視傳播,實現了三網融合,有利于電子政務、電子商務、遠程教育及遠程醫療的發展,并產生了巨大的效益,具有廣闊的應用領域和市場前景。
     
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