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空間無線激光通信
自由空間(jian)光通信（Free-Space Optical Columniation，簡稱FSO）是一種通過激光在大氣信(xin)道中(zhong)實現(xian)點(dian)對點(dian)、點(dian)對多(duo)點(dian)或多(duo)點(dian)對多(duo)點(dian)間語音(yin)、數(shu)據(ju)、圖像(xiang)信(xin)息的(de)雙向通信(xin)技術，本文介紹了自由(you)空間光通信(xin)的(de)國內外研(yan)究現(xian)狀，分析了應用現(xian)狀和未來發展趨勢。
1 自由空間光(guang)通(tong)信的研究現(xian)狀(zhuang)
1.1 基于(yu)光電(dian)探測(ce)器直(zhi)接耦合的(de)FSO系(xi)統
早在30多(duo)年前，自由空間(jian)光(guang)通信曾掀起了(le)研究的(de)熱(re)潮，但當時的(de)器(qi)件技術、系(xi)統技術和(he)大氣(qi)信道(dao)光(guang)傳(chuan)輸特(te)性本身的(de)不(bu)穩定性等諸多(duo)客觀因素卻阻礙了(le)它的(de)進一步發展(zhan)。與此同時，隨著光(guang)纖制作技術、半(ban)導體器(qi)件技術、光(guang)通信系(xi)統技術的(de)不(bu)斷完善和(he)成熟(shu)，光(guang)纖通信在20世(shi)紀80年代掀起(qi)了熱潮，自由空間光(guang)通(tong)信一度陷(xian)入(ru)低谷。然而，隨著骨干網的基(ji)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(guang)器技術(shu)、自適應變焦技術(shu)、光(guang)學天線的設計制(zhi)作及(ji)安裝校準技術(shu)的發展和成熟(shu)，自由空(kong)間(jian)光(guang)通信的研究重新得到重視。
在國外，FSO系統主要在(zai)美英等經(jing)濟和(he)技術(shu)發達的國(guo)家生產和(he)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(bi)較典型的有Terabeam和Airfiber公(gong)司。在悉(xi)尼奧運會上，Terabeam公司成(cheng)功地(di)使用FSO設備進行圖(tu)像傳(chuan)送(song)，并在西雅(ya)圖(tu)的四季飯店成功地實(shi)現(xian)了利用(yong)FSO設備向(xiang)客戶提供10OMb/s的數據(ju)連接。該公(gong)司還計劃4年內在全美建設100個FSO城市(shi)網絡。而Airfiber公司則(ze)在美國波(bo)士(shi)頓(dun)地(di)區(qu)將FSO通信網(wang)與(yu)光纖網(wang)（SONET）通過光節(jie)點連(lian)接(jie)在一起，完成了(le)該地區整個光網絡的建設。
目前商(shang)用的FSO系(xi)統（見圖(tu)1）通常采(cai)用光(guang)源直接輸出、光(guang)電探測器直接耦合的(de)方式，這種系統有以(yi)下幾點缺點：
（l）半導體激光(guang)器出射(she)光束在水平(ping)方(fang)向和垂直(zhi)方(fang)向的(de)發(fa)(fa)散角不同，且出射(she)光斑較(jiao)粗，因此我(wo)們需要(yao)先將(jiang)出射(she)光束整(zheng)形為圓(yuan)高斯(si)光束再準直(zhi)擴束后發(fa)(fa)射(she)，這樣發(fa)(fa)射(she)端的(de)光學(xue)系統就較(jiao)為復雜，體積也會相應增大。
（2）在接(jie)收(shou)端，光斑經光學天線會聚之(zhi)后(hou)直(zhi)接(jie)送入PD轉化為電信號(hao)。通常，我們需要提供點(dian)到點(dian)的，雙向的通信系(xi)統，這樣(yang)，FSO系(xi)統的每個終(zhong)端(duan)都(dou)包括了激光器，探測器，光學(xue)系統(tong)，電子元器件和其中(zhong)有源器件所需要(yao)的電(dian)源。這種系統的體積通常比較大，重量大，成(cheng)本也比較高。從FSO系統終端的(de)內(nei)部結構圖(tu)中可(ke)以看出，完成一(yi)個簡單(dan)的(de)點(dian)到點(dian)的(de)鏈路需(xu)要6個(ge)OE轉換(huan)單元。隨著人們對帶寬(kuan)的需求越來越高，PD的成本也越來越高，6個OE轉換單元大(da)(da)大(da)(da)增(zeng)加了成本閉。
（3）FSO終端設備一般(ban)安裝于樓頂，如(ru)果終端中含有(you)大量的(de)有(you)源設備，會給我們的(de)安裝帶來了(le)很(hen)多不方便。
（4）系統的可(ke)擴展(zhan)性(xing)很小。如果用戶所需要(yao)的帶寬增加，那么封裝在一(yi)起的整(zheng)個FSO系統終(zhong)端都需(xu)要(yao)被新的(de)終(zhong)端取代，安裝(zhuang)新設備的(de)過程需(xu)要(yao)再次(ci)對準，整個升級(ji)過程所需(xu)要(yao)的(de)時間(jian)很長，給人們帶來巨大的(de)損失。
1.2 基于光纖耦(ou)合(he)技(ji)術的FSO系統
光纖輸(shu)出、光纖輸(shu)入的自(zi)由空(kong)間光通信(xin)系統(tong)（見圖2），激光器輸出的高斯光(guang)束耦合(he)至光(guang)纖再(zai)經準(zhun)直出射，傳輸一定距離后(hou)，光(guang)束通過(guo)合(he)適的聚焦(jiao)光(guang)學系(xi)統聚焦(jiao)在光(guang)纖纖芯(xin)上(shang)，沿著光(guang)纖傳輸后(hou)經PD接收(shou)還(huan)原信號。這樣我們通過在(zai)(zai)發(fa)射和接收(shou)端都采用光(guang)纖(xian)連接的(de)(de)方式，只需要在(zai)(zai)樓頂放置光(guang)學天線系(xi)統(tong)(tong)，而將其他的(de)(de)控制系(xi)統(tong)(tong)通過光(guang)纖(xian)放置于室內就(jiu)可以實現點到(dao)點的(de)(de)連接，整個系(xi)統(tong)(tong)結構簡單，易于安裝。
這(zhe)種新(xin)型的FSO系(xi)統(tong)具有以下優點：①減(jian)少了不(bu)必要的E一O轉換，一條鏈路現(xian)在只(zhi)需(xu)要2個(ge)OE接口即可，大(da)大(da)降低了成本。②光(guang)學(xue)系統較為(wei)簡(jian)單，光(guang)纖出(chu)射(she)的光(guang)束一(yi)般(ban)為(wei)圓高斯光(guang)，不需要整形，簡(jian)化了光(guang)學(xue)系統，減小了體積，易于安(an)裝。③易于升級及維(wei)護，當用戶的帶寬增加時，我們只需要對放(fang)置在室內的系統進(jin)行升級即可，免去了復雜(za)繁瑣的對準過程(cheng)。④基(ji)于光(guang)纖耦合的(de)空間光(guang)通信(xin)系統能夠(gou)很(hen)好的(de)與現有的(de)光(guang)纖通信(xin)網(wang)絡結合，利用現有的(de)比較(jiao)成(cheng)熟的(de)光(guang)纖通信(xin)系統中的(de)器件如發射(she)接收模塊，EDFA和(he)WDM中所用到的復用器和解復用器。⑤可(ke)以與(yu)光(guang)碼分多址復用(yong)技術（OCDMA）相結合(he)，構成自由空間(jian)OCDMA系統(tong)，進一步擴大系統(tong)的帶寬。
對于(yu)(yu)一(yi)個(ge)基于(yu)(yu)光(guang)纖(xian)耦合技術(shu)的FSO系統而(er)言(yan)，以下2個因素必不(bu)可少：①體積小，重量(liang)輕的(de)光(guang)學天線(xian)系(xi)統一個最佳的(de)光(guang)學天線(xian)的(de)設計首先必須使盡可(ke)能多(duo)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)進單(dan)模光(guang)纖(xian)，獲得最大的(de)耦(ou)合(he)效率(lv)(lv)；其次(ci)要能通過(guo)粗跟蹤系(xi)統測出入射光(guang)的(de)角度(du)；另外，必須滿足(zu)盡可(ke)能高的(de)通信(xin)速率(lv)(lv)和穩定性(xing)。②性能(neng)良好的跟蹤系(xi)統(tong)(tong)要使光(guang)(guang)學接收(shou)天線接收(shou)到(dao)的光(guang)(guang)能(neng)夠有(you)效(xiao)的耦(ou)合進(jin)纖(xian)芯和數(shu)值(zhi)孔徑都極小的單模光(guang)(guang)纖(xian)，我們必須為(wei)系(xi)統(tong)(tong)加上(shang)雙向的跟蹤系(xi)統(tong)(tong)。
2 國內空(kong)間光(guang)通(tong)信系統(tong)研究(jiu)現狀(zhuang)和進展
我(wo)國衛星(xing)間光(guang)通信研究與歐(ou)、美、日相比起(qi)步較晚。國內(nei)開展衛星(xing)光(guang)通信的單位主要有(you)哈(ha)爾(er)濱(bin)工業大(da)(da)學（系統模擬和(he)關鍵技術研究）、清華大(da)(da)學（精密結構終端和(he)小(xiao)衛星研究）、北京大(da)(da)學（重(zhong)點研究超窄(zhai)帶濾(lv)波技術）和(he)電子科技大(da)(da)學（側重(zhong)于APT技術(shu)研究）。目前已(yi)完成了對(dui)國外研究情(qing)況的調研分析，進(jin)行(xing)了星間光通信系統的計算機模(mo)擬分析及初步的(de)實驗室模(mo)擬實驗研究，大量的(de)關(guan)鍵技術研究正在(zai)進行，與國外(wai)相比雖(sui)有一定的(de)差距，但(dan)近些(xie)年來在(zai)光通(tong)信領(ling)域也取(qu)得了一些(xie)顯著的(de)成就。
2002年哈爾濱(bin)工業大(da)學(xue)成功地研制了國內首(shou)套綜合功能(neng)完善的(de)激光星(xing)間鏈路(lu)模擬實驗(yan)系統(tong)，該(gai)系統(tong)可模擬衛(wei)星(xing)間激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)鏈路(lu)瞄(miao)準、捕獲、跟蹤、通信及(ji)其性能指標的(de)測(ce)試(shi)。所研(yan)制(zhi)的(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)星(xing)間鏈路(lu)模擬實驗(yan)系統(tong)的(de)綜(zong)合功(gong)能、衛(wei)星(xing)平(ping)臺(tai)振動對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)通信系統(tong)性能的(de)影響及(ji)對(dui)光(guang)(guang)(guang)(guang)通信關鍵(jian)單(dan)元技(ji)(ji)術的(de)攻關研(yan)究(jiu)(jiu)有創新(xin)性，其技(ji)(ji)術水平(ping)為(wei)國(guo)內領先，達到國(guo)際先進(jin)水平(ping)，目前該(gai)項(xiang)研(yan)究(jiu)(jiu)已進(jin)入工(gong)程化研(yan)究(jiu)(jiu)階(jie)段。上海光(guang)(guang)(guang)(guang)機(ji)所研(yan)制(zhi)出(chu)了點(dian)對(dui)點(dian)155M大氣(qi)激光通(tong)信(xin)機(ji)樣機(ji)，該所(suo)承擔(dan)的(de)“無(wu)線激光通信系(xi)統”項目也(ye)在2003年1月份(fen)通過了(le)驗(yan)收，該系統具有雙向高(gao)速傳輸(shu)和自(zi)動跟蹤功能，其傳輸(shu)速率(lv)可(ke)達622Mb/s，通信距離可以達到2km，自動跟蹤(zong)系統的(de)跟蹤(zong)精(jing)度(du)為0.1mrad，響(xiang)應時(shi)間為0.2s。中(zhong)科院成(cheng)都光電所于2004年(nian)在(zai)國內率(lv)先推出了10M碼率、通信距(ju)離(li)300m的點(dian)對點(dian)國產激光(guang)無線通信機(ji)商品。桂林激光(guang)通信研究所也在2003年正式推出FSO商品，最遠通信距離可(ke)達8km，速率為(wei)10~155M。武漢大學于2006年在(zai)國內首先完成42M多業務大氣(qi)激(ji)光通信試驗，2007年(nian)3月又在(zai)國內(nei)率先完(wan)成全空域FSO自(zi)動(dong)跟(gen)蹤伺服系統試(shi)驗(yan)，這為開發(fa)機載、星載激光通信系統和地面帶自(zi)動(dong)目標捕獲功能的FSO系(xi)統(tong)創造了條(tiao)件。另(ling)外在(zai)光無(wu)線通信系(xi)統(tong)設計、以太網光無(wu)線通信、USB接(jie)口光(guang)(guang)(guang)無(wu)線通信、大(da)氣(qi)激光(guang)(guang)(guang)傳輸、大(da)氣(qi)光(guang)(guang)(guang)通信收(shou)發模塊(kuai)和信號復接(jie)/分接(jie)技術等方面都取得了(le)多項成果。
3 自由空間光(guang)通信技術的應用與(yu)未來發展趨(qu)勢
自(zi)由(you)空間光(guang)通信(xin)和(he)其(qi)他無線(xian)通信(xin)相比，具(ju)有不需要頻(pin)率(lv)許可證、頻(pin)率(lv)寬、成本低廉、保(bao)密性(xing)好，低誤碼率(lv)、安(an)裝(zhuang)快速、抗電磁干擾，組網方(fang)便靈活等優點。正是由(you)于這(zhe)些特點，FSO系(xi)統正受(shou)到(dao)電信(xin)運(yun)(yun)營商越(yue)來越(yue)多的關注與青睞。對于有線運(yun)(yun)營商，FSO可以在城域光網之(zhi)外提(ti)供高(gao)帶寬連接(jie)，而(er)其成本只(zhi)有地下(xia)埋設(she)光纜(lan)的五(wu)分之(zhi)一，而(er)且不需要等6個月才能拿到施工許可證。對于(yu)無線運營商，在昂貴的E1/T1租用線路和帶寬較低的微(wei)波(bo)解決方案之外，FSO在流量回輸方面提供了(le)一個經濟的替代選(xuan)擇。在目前(qian)這個競爭(zheng)激烈(lie)的環境中，FSO無疑(yi)為電信運營(ying)商以較(jiao)低(di)的成(cheng)本加速網絡部署，提高(gao)“服(fu)務速度”并降低(di)網絡(luo)操(cao)作費用提(ti)供了可能。而且FSO技(ji)術結合(he)了光(guang)纖(xian)技(ji)術的(de)高(gao)帶寬和無(wu)線技(ji)術的(de)靈活、快(kuai)速部(bu)署的(de)特性，可以在(zai)接入層等(deng)近距離高(gao)速網的(de)建設中大有用武之(zhi)地，在(zai)目前(qian)許多企業和(he)機構都不(bu)具備光纖線路，但又(you)需(xu)要(yao)較高速率（如STM-1或更(geng)高）的情況下，FSO不失為一種(zhong)解決“最(zui)后一公(gong)里(li)”瓶頸(jing)問題的有效途(tu)徑。
FSO產品目前最高(gao)速率(lv)可達2.5G，最遠可傳送4km，在本(ben)地網(wang)和(he)邊緣網(wang)等(deng)近距離(li)高速網(wang)的建(jian)設中大有用(yong)武之地，主要(yao)應用(yong)于一些(xie)不宜布線或是布線成(cheng)本(ben)高、施工難度大、經市政(zheng)部門審批(pi)困難的地方，如市區高層建(jian)筑(zhu)物之間(jian)、公路（鐵路）兩(liang)側的建(jian)筑(zhu)物之間(jian)、不易(yi)架橋的河流兩(liang)岸(an)之間(jian)、古(gu)建(jian)筑(zhu)、高山(shan)、島嶼以及(ji)沙漠地帶(dai)等(deng)。另外，FSO設備也可用于移(yi)動基站的(de)環路建設、場所比(bi)較分散的(de)企(qi)業局域網子網之間的連接(jie)和應急(ji)通信。對于銀行(xing)、證券、政府機關等需要(yao)穩定(ding)服務的商業應用(yong)來說，FSO產品可以作為預防服(fu)務中斷的光纖備(bei)份設(she)備(bei)。
當然，FSO在應用過程中也存在一定的瓶(ping)頸(jing)，主要是會受到大氣(qi)狀況或物理(li)障礙的影響，比(bi)如其光束(shu)在傳輸中極易受大霧(wu)等惡劣天氣(qi)，物理(li)阻隔或建筑物的晃(huang)動/地震的(de)(de)(de)影響。在惡劣的(de)(de)(de)天氣下(xia)(xia)，光束(shu)傳輸的(de)(de)(de)距離(li)會下(xia)(xia)降(jiang)，從而(er)降(jiang)低通信(xin)的(de)(de)(de)可靠性，嚴重的(de)(de)(de)甚(shen)至會造成通信(xin)中斷。
盡管存在(zai)不少(shao)問題，但自由空間光(guang)通信的(de)(de)技術優勢(shi)更為明顯(xian)，其(qi)自身的(de)(de)特(te)點決(jue)定了在(zai)一(yi)定的(de)(de)環(huan)境下，它可以最大發揮自身優勢(shi)，比如可以用于不便鋪(pu)設(she)光(guang)纖(xian)的(de)(de)地方和不適宜使用微波的(de)(de)地方；又(you)由于光(guang)纖(xian)成(cheng)本過(guo)高，用戶無法在(zai)短期內實現光(guang)纖(xian)接入(ru)，而(er)他們卻(que)渴望享受寬帶(dai)接入(ru)帶(dai)來的(de)(de)便利，結合我國現階段寬帶網(wang)絡的(de)實際(ji)情況——許(xu)多企(qi)業和機構都不具備光纖線路，但又需(xu)要較高速率（如STM-1或更(geng)高），FSO不失(shi)為一種(zhong)解決“最后(hou)一公里”瓶頸問題的有(you)效途徑。FSO系(xi)統解決了寬帶網絡(luo)的“最后一公里”的(de)接入，實現了光纖到桌面，完成(cheng)語音、數據、圖像的(de)高速(su)傳輸，拉(la)動了聲訊服(fu)務業和互動影視傳播，實現了“三網(wang)融合(he)”，有利于電子政務(wu)、電子(zi)商務(wu)、遠程教(jiao)育及(ji)遠(yuan)程醫療的發展，并產生了巨大的效(xiao)益，具有廣闊的應(ying)用領域和市場前景。
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