无线光通信技术综述

摘 要：简单介绍了无线光通信技术在国内外发展现状，以及在通信领域的应用概况。通过描述无线光通信系统组成、拓扑结构、技术特点、优势以及不足，多方面详细地介绍了光无线通信技术（FS0）。

关键词：无线光通信（FSO）；通信；光纤

一.引言

随着社会信息化程度的不断提高，通信技术的突飞猛进，高速率数据传输的要求和应用越来越广泛，光通信的高性能传输速率顺应通信发展的需求，已成为了当前传输网络的骨干载体，占据市场的主导地位。而光通信分为有线光通信和无线光通信。有线光通信即光纤通信，无线光通信又称自由空间光通信（FSO，Free Space Optical Communication）。无线光通信是指一种通过在自由空间中传输激光信号来实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信的技术。FSO具有传输速率高、无需申请频段许可、成本低、抗干扰性强、传输保密性好、组网方便灵活等特点，广泛应用于移动通信基站互连、多用户局域网延伸以及各种临时网络的信息无线传输和星际激光通信领域。军事上则可应用于战斗打响前无线电静默期间的短距离通信，或战斗打响后的保密通信，海岸与海岸之间、海岛之间，边防哨所之间，舰船之间，导弹发射现场与指挥中心之间的短距離通信等。最初无线光通信的应用仅限于星际通信和国防通信领域，随着光器件制造技术的发展和市场特殊地域的通信需求，FSO也迎来了广阔的发展机遇

二、无线光通信系统的构成

光无线通信是一种视距传输技术，以大气作为媒质。实现电一光和光一电的转换，系统包括三个基本组成部分：发射机、信道和接收机。具体设备则包括专用望远物镜、标准光收发机和高功率的Er、Yb光放大器等。只要在收发设备之间存在无遮挡的可视距路径和足够的光发射功率，就可以进行通信。

光无线通信实现的是点对点传输，每一端都需设有光发射机和光接收机，实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜。在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。无线光通信可分为：点对点、点对多点、环形或网格状通信。现有的FSO系统一般采用850nm和1550nm近红外波段的半导体激光器，有研究表明，在同样条件下，1550nm波段的激光传输性能比850nm 的优越。美国近几年发展了中红外波段（8-l0）的激光器和探测器技术，由于中红外波段受到的大气散射小，在恶劣天气条件下的传输性能较近红外波段优异，因此将成为FSO的另一选择。

无线光通信系统的一般原理如图1所示。

图1 无线光通信系统一般原理

三.存在的问题和解决方法

1.存在的问题

（1）收发端对准问题：FSO是一种可视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的对准传输。通信设备安装在建筑物时，建筑物受风力、轻微地震或热胀冷缩等原因影响而摆动，都会影响激光器的对准，导致接收机无法接收信号。

（2）大气媒介的影响：大气激光通信受天气状况、地形条件、外来物的影响较大，难以实现全天候，超视距的通信，这是一直困扰无线光通信性能的问题，一旦大气激光通信技术能克服气候因素的影响，能实行全天候通信，大气激光通信不失为一种非常好的通信手段。大气的影响主要分为大气衰减效应和大气湍流效应。大气衰减主要影响无线光通信系统的通信距离，而湍流效应会使光波参量在传输过程中随机改变，影响系统的通信质量。

大气衰减是指因大气对光束的吸收和散射作用引起的信号能量的减弱，包括大气分子的吸收和散射、气溶胶粒子的衰减。FSO波段大气分子的散射一般可以忽略不计；大气分子的吸收跟波长有关，一般选择处于大气窗口区的波段进行传输，可以有效减轻大气分子的吸收；而气溶胶的衰减与天气状况（雾、霾、雨、雪等）密切相关，不同的天气条件下，气溶胶引起的衰减不同。大气衰减效应直接影响FSO的有效通信距离，常用大气透过率r或衰减系数 来描述大气对激光传输的衰减，衰减系数越大，通信距离越短，反之，则通信距离越长，表1为不同天气条件下的大气衰减系数表。

大气湍流效应是指人类活动和太阳辐照等因素所产生的大气微小温度随机变化将导致大气风速的随机变化，从而形成大气的湍流运动。大气温度的随机变化产生大气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机变化。这些变化的累积效应导致折射率轮廓的明显不均匀性，从而在湍流大气中传输光束的波前也将作随机起伏，由此引起光束抖动，强度起伏（闪烁）、光束扩展和像点抖动等一系列大气湍流效应。

影响FSO通信主要表现在可靠性上，衡量可靠性的指标叫LINK MARGIN。其意义为FSO设备正常工作所允许的最大功率损耗（dB）。一个典型的FSO系统的LINK MARGIN值为20 CⅡ3，在天气晴好的条件下，每公里光信号的功率损耗大约为l dB，所以，无线光通信系统的最大工作距离就是20 km。恶劣天气状况下，每公里造成的损耗可达50～300 dB，使得FSO系统的有效工作距离不到50 m，甚至比局域网传输距离还要短。

（3）传输距离的影响：传输距离的增大会导致信号的衰减，传输距离越大，光束就会越宽，接收的光信号质量越差，速率就会越低。如果要提高传输距离和速率，就必须要增大激光器的发射功率和提高接收机的灵敏度，以保证可靠的传输。

2.解决的方法

针对FSO技术的缺陷，解决系统光链路两端的激光束的对准和跟踪是关键。目前在国内外普遍采用扩束法、多束法和动态跟踪技术克服这些缺陷。扩束法是展宽激光的发射光束。但扩束法降低了接收端的光斑能量密度，传输距离和速度受到影响和限制。于是，业界又提出了多束法，即利用多个激光器和发射镜同时发射激光束，每个光束都以相同的发射角发射，在接收处就得到一个大而相互重叠的激光光斑。从而提高了接收端的能量密度，也扩大了可接收面积。

四、结束语

从上述的介绍、分析中可以看出 技术在军事、经济、科技等领域的巨大潜力，FSO正在发展成为一种热门新兴技术。FSO未来的研究将集中在增加传输容量、延长传输距离、自动方向对准、降低设备成本等方面。如果这些问题能得到有效解决，那么FSO将发挥巨大潜能和优势，成为光通信领域的一个新亮点。

参考文献

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（作者单位：78156部队 四川成都 610036）

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