自由空间光通信(FSO)技术及应用分析

自由空间光通信(FSO)技术及应用分析

刘新金朱春勇

广州杰赛科技股份有限公司广东省广州市510310

摘要：自由空间光通信技术拥有安装快速和低投资以及保密性好等优点。文章首先对自由空间光通信进行了阐述，然后分析了自由空间光通信(FSO)技术的优点，最后对自由空间光通信技术的应用与未来发展趋势进行了重点的探究。

关键词：自由空间；光通信；应用

1.前言

自由空间的光通信技术是一种以激光为主要信息载体的通信技术，按不同的传输介质可以分为大气激光通信和星际激光通信。由于自由空间光拥有速率高、频带宽、安装方便，还有一定的高度保密性等特点，近年来已经受到了人们的重视，得到了很好的发展。

2.自由空间光通信(FSO)简介

FSO技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信且具有成本上的优势。它的工作原理与光纤通信系统类似，包括光发送、光传输和光接收3个部分，所用的基本技术也就是光电转换。在点对点传输的情况下，在发送端和接收端之间，必须是互相可视的，两终端之间不能有阻挡。FSO结合了光纤通信和无线通信各自的优势，具有频带宽的特点。由于激光具有直线性和窄波束的特点，FSO主要用于点对点视距传输。与光纤通信不同的是，FSO以大气为媒质，光载波信号通过大气而不是通过光纤来传送。系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定。

自由空间光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号传送。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。

FSO系统主要由光发送机、光接收机、光学天线（透镜组和滤波片）和大气信道以及捕获、跟踪及瞄准（ATP）子系统组成。电信号经过调制器调制到由激光器产生的光载波上，再通过光学发射天线对光束整形将光信号发射到大气空间。光信号经大气信道传输，到达接收端，光学天线将接收到的光信号聚焦至光电探测器并转化成电信号，经放大滤波处理，再解调成原信息。自动跟踪系统的主要功能是确保两个通信终端的精确定向，完成通信链路的建立。

和其他无线通信相比，它具有不需要频率许可证、带宽高、成本低廉、保密性好，误码率低、链路部署快速、协议透明、抗电磁干扰组网方便灵活等优点。特别适合骨干网的扩建、光纤网络的备援、宽频接入、企业应用、无线基地台数据的回传等领域以及其他需要高速接取的终端。随着光通信器件制造技术的飞速发展，企业对短距离高速率传输的需求越来越高，使得无线光通信技术又受到了各国军事和民用的关注。

3.自由空间光通信(FSO)技术的优点

3.1频带宽，速率高

从理论上将，FSO的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而FSO的光信号在空气中传输。FSO设备一般都可以实现2M~2.5Gb/s的速率，理论上还可以支持更高速率的业务传输。

3.2频谱资源丰富

与微波技术相比，FSO设备多采用红外传输，有非常丰富的频谱资源，不会和微波等无线通信系统产生相互干扰，故无需向无线电管理部门申请频率执照和交纳频率占用费。

3.3快速链路部署

因为不需要埋设光纤等待各种手续上的问题，FSO可以在短至几天内完成连接。FSO的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举的安装在屋顶、屋内、窗外甚至水域上。

3.4协议透明

FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。

3.5不容易出现传输堵塞

由于FSO系统使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，光无线通信系统到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，中间没有电转换的介入。这样，FSO系统内光信号的流动就没有光电转换的障碍，所以信息在传输时就不会出现信息堵塞现象。

3.6安全保密性强

FS0的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。

3.7便携性

无线通信装置可灵活拆装，移装至其他位置，适于临时、应急的通信。比如当公司搬迁或临时驻军时，无需重新安装光纤从而节约成本。

4.自由空间光通信技术的应用与未来发展趋势

4.1光纤通信的备份

FSO的一个主要应用是作为光纤通信系统的备份，即对光纤通信设施进行冗余备份设计时，选用FSO作为备份链路，可替代光纤链路的短暂中断。

4.2局域网段连接

由于FSO是以小功率的红外激光束为载体，可将收发器装设在楼顶或窗外传输数据。这种灵活性使它可以应用于许多企业和学校，是拥挤的城市环境通讯以及校园通讯的理想解决方案。

4.3最后一公里的宽带接人

目前主干网的频宽容量急剧增加，从622Mbit/s到10Gbit/s，再到更高的40Gbit/sDWDM。同样，客户端网络的频宽也从10Mbit/s增加到100Mbit/s，再到Gb的以太网络，但网络接人部分仍未有可突破频宽成本与容量瓶颈的有效解决方法。很多网络应用的瓶颈不在骨干网上而是在最后一公里，无线通信的宽频网络接人瓶颈更为严重；许多城市为避免交通阻塞、空气污染、树木移植和破坏历史遗迹，已逐步限制光缆的掘沟敷设，从而使面向终端用户的“最后一公里”路程颇为艰难，FSO无疑是解决这一矛盾的重要技术选择。

4.4骨干网的扩展

FSO可以用于城域网的扩展，即在现有城域网上向外延伸、连接新的网络。运营商可利用FSO来扩展现有的都市区域光缆环路，使其能后续扩接新的无线网络，并形成有线、无线综合光传输网络，这是向家庭用户直接提供高速数据传输服务的最佳途径。

4.5无线基站的数据回传

FSO亦可用来接取移动电话基地台与交换中心，将基地台接收的信号传至与有线公用电话网相连的交换中心设备。

4.6复杂环境的快速服务

FSO可作为灾难恢复及临时解决方案的网络快速部署方案。如:楼与楼之间、横跨诸如公路与河流之类的复杂地形、展览会、短期租用的建筑、野外的临时工作场所、抗灾、战时等突发事件的现场等，作为一种临时的通信连接。还可为等待光纤的消费者提供临时快速的服务。

4.7发展趋势

FSO产品目前最高速率可达2.5G，最远可传送4km，在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地，主要应用于一些不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方，如市区高层建筑物之间、公路（铁路）两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间、古建筑、高山、岛屿以及沙漠地带等。另外，FSO设备也可用于移动基站的环路建设、场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信。对于银行、证券、政府机关等需要稳定服务的商业应用来说，FSO产品可以作为预防服务中断的光纤备份设备。

当然，FSO在应用过程中也存在一定的瓶颈，主要是会受到大气状况或物理障碍的影响，比如其光束在传输中极易受大雾等恶劣天气，物理阻隔或建筑物的晃动/地震的影响。在恶劣的天气下，光束传输的距离会下降，从而降低通信的可靠性，严重的甚至会造成通信中断。

5.结束语

FSO系统解决了宽带网络的“最后一公里”的接入，实现了光纤到桌面，完成语音、数据、图像的高速传输，拉动了声讯服务业和互动影视传播，实现了“三网融合”，有利于电子政务、电子商务、远程教育及远程医疗的发展，并产生了巨大的效益，具有广阔的应用领域和市场前景。

参考文献

[1]刘晖.自由空间激光通信系统研究[D].武汉:华中科技大学,2015.

[2]王秉均.现代卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2014:110-112.