摘要:无线激光通信(Wireless Optical Communication)又称自由空间光通信或大气激光通信,是近年来出现的通信热点,它是以大气或者自由空间为媒介,让载波激光在大气中传输有效信息的一种新型的通信技术。无线激光通信有无线电通信的便利性,同时也继承了光纤通信的绝大部分优点,尤其是大通信容量的特点。它凭借着传输速率高、方便灵活、保密性好、抗于扰性强等特点脱颖而出,在民用和军用上得到了广泛的应用,成为一种极具竞争力的新兴的通信技术。文章主要介绍无线激光通信的基本工作原理,分析了无线激光通信关键技术技术,以及国内无线激光通信应用的现状,供大家参考。
关键词:FSO;激光;无线;宽带接入
1 无线激光通信的基本原理
无线激光通信不是用光纤作为传输媒介,而是以大气为媒质,通过激光或光脉冲在太赫兹(THz)光谱范围内传送信息的通信系统;其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似,但由于用在接入系统,因而组成更为简单。激光具有普通光的一切特性,即折射、反射、透射、衍射和干涉等,但它比普通光具有更优良的特性,即单色性(激光光波都具有相同的频率)好,强度高,相干性与方向性好,因此激光束的发散角度小,能量集中在很小的范围内,接收器可获得比微波高几个数量级的功率密度。
无线激光通信本质上也是一种无线电通信,但它与一般无线电通信相比又有区别。在无线激光通信系统中多了两个转换过程,即在发送端进行电一光的转换,在接收端进行光一电的转换。一个光传输系统,所用的基本技术,也就是光电的转换。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,具有全双工的通信能力。通常把待发送的信息源(语言、文字、数据、图像等),通过信号转换设备(话筒、摄像机等)转换成模拟或数字电信号,然后把这些信号输入光调制器,调制到一个由激光器产生的激光束(激光载波)上,并控制这个载波的某个参数(振幅等),使它按电信号的规律变化。于是,激光载波就运载着这些信息(此时的激光被称作已调制激光信号),经过信息处理以后由发射望远镜(发射天线)发射出去。发射望远镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束,方便接收望远镜调整方位并接收信号;如果不进行这样的处理,由于激光束截面很小,且激光是直线传播的,将会给接收望远镜的方位调整带来困难。接收是发射的逆过程。接收望远镜(接收天线)接收到已调制激光信号,送到光检测器取出电信号,然后由信号转换设备(如扬声器、显示器等)恢复出原始信息。接收望远镜能用于接收大面积的激光束,并聚焦成较小的光斑,起到恢复激光束本来面目的作用。
2 无线激光通信的关键技术
2.1 有关于大气中通信信道的研究
大气中的气体分子、水雾、雪、气溶胶等离子,其儿何尺寸与半导体激光器波长相近甚至更小,这就会引起光的吸收、散射,特别是在强湍流的情况下,光信号将受到严重干扰甚至脱靶自适应光学技术可以较好的解决这一问题,并逐渐走向实用化。多孔径发射、多孔径接收技术也可以适当减弱大气散射的影响。
2.2 需要精密可靠的收发合一的光学天线
为完成系统的双向互逆跟踪,光通信系统均采用收、发合一光学天线,由于半导体激光器光束质量一般较差,要求天线增益要高。另外,为适应空间系统,天线(包括主副镜,合束、分束滤光片等光学元件)总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。
2.3 抗干扰高灵敏度的微弱光信号接收技术为快速、精确地捕获目标和接收信号,抗击空间光通信系统中,光接收端机接收到的信号是十分微弱的,又加之在高背景噪声光场的干扰情况下,会导致接收端信噪比很小的缺点,通常采取两方面地措施:第一是提高接收端机的灵敏度,第二是对所接收信号进行处理,在光信道上采用光窄带滤波器,以抑制背景杂散光的千扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。
2.4 高调制速率,高能量转换效率。大功率的光放大发射技术
空间激光通信系统的远距离高码率特点,对光发射模块提出了极高的要求。第一要求激DAFA光器有很好的性能,保证激光器在高码率调制下啁啾系数小,第二对激光器的功率要求很高。同时,由于系统与各子系统的共同约束条件限制,信号光的波束宽度不能太小,接收天线的增益有限。因此,如何解决大功率与高调制速率的矛盾是一项必须解决的关键技术。
2.5 ATP系统技术
这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。ATP系统通常由两部分组成,一是.捕获(粗跟踪)系统。它是在较大视场范围内捕获目标,通常采用阵列ccD来实现,并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪即目标的捕获。二是跟踪、瞄准(精跟踪)系统。该系统的功能是在完成了目标捕获后,对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD高灵敏度位置传感器来实现,并配以相应的电子学伺服控制系统。
3 无线激光通信的主要应用
3.1 FSO在企事业内部网连接中的应用
在校园网、小区网或大企业的内部网建设中,经常会碰到这样一种情况:马路对面的新建大楼急需接通,可挖路许可权却迟迟不能得到批准或者根本就无法取到,这时候无线激光通信技术便可以大显身手。无线激光通信设备配备标准RJ45接口或光接口,且对协议透明,可以非常方便的完成局域网的连接。
3.2 FSO在宽带接入中“最后一公里”的应用
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,必须依靠高带宽的接入网络。当前有很多接入技术可供选择,比如光纤、微波、xDSL等;但光纤、微波接入方式成本高,xDSL则带宽太低,而无线激光通信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。
3.3 FSO在移动通信中的应用
移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一,随着移动电话用户的迅猛增长和移动数据业务的推广,无线网络需要具有更高的带宽和容量。如何充分地利用现有资源,用最低投入、以最快速度实现移动网络扩容和优化,成为移动网络运营商最为关注的问题。无线激光通信技术作为一种接入技术,因为其自身的特点和在施工、带宽、成本等方面的优点,已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。该方案在主干网到距离最近的天线之间采用光纤连接,经过协议转换器后,由FSO设备系统再连接到其它天线,一定距离内的天线可以共用一个基站,具有以下优点:一是省去基站到天线之间的链路铺设,缩短了施工时间和施工费用;二是可以多个天线共用一个基站,减少了基站数目;三是无线激光通信技术采用红外激光传输,相邻设备之间不会产生干扰。
3.4 用于意外恢复和应急临时链路
在突发的自然或人为意外灾害中,原有通信线路被破坏,难以立即恢复时;或者在一些特殊地方发生突发事件,需要应急通信;或者某些需要快速建立一些临时链路用于现场通信的场合,可采用无线激光通信进行快速的部署。
3.5 用于特殊地理条件下的通信链路连接
在通信链路必须跨越高速公路、河流、拥挤的城区,由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时,采用无线激光通信可以有效解决链路连接的困难。
4 结束语
FSO可以用于城域网的扩展,局域网的互连,移动通信的基站互连,最后一公里宽带接入,以及灾难应急、临时部署等。今后,随着宽带网络的进一步发展,要求更高带宽应用的流媒体视频等业务的普及,对接入网络的容量和覆盖范围的要求将更为严格。而作为光纤与微波通信的一种补充方式,无线激光通信将有着良好的应用发展前景。
参考文献
[1]杜安源,柯熙政.大气激光通信系统中RS码的研究与实现[J].光电工程;2004年S1期.