自由空间光通信技术及应用

自由空间光通信技术及应用

王帅

大庆油田设计院有限公司  黑龙江 大庆 163000

摘要：自由空间光通信技术中，将光纤通信的优势及传统无线微波通信优势相结合。但是，自由空间光通信系统在应用过程中极易受到大气之中分子及大气分子的影响，对通信质量产生不利影响，所以本文就自由空间光通信技术及应用展开论述分析，以其不断拓展自由空间光通信技术的应用领域，促进其发展。

关键词：自由空间；光通信技术；大气分子

一、自由空间光通信技术构成和优劣分析

（一）组成

自由空间光通信技术的通信方式最主要的载体为光，通过大气、海水等作为传输的介质，进行信息的传到和输送。自由空间光通信系统的组成分别为信号接收与发射端信号处理单元、光检测器、光放大器、自动跟踪瞄准系统、光学发射天线、半导体激光收发器等，当信息源携带数据信息，通过将信息源上的数据信息进行信息源编码，进而向光载波之上进行调整，利用大气或者海水、真空媒介进行传递输送，再通过特定的光学接收天线采集传输的光信号，及时将光信号转变为容易处理和识别的电信号，此后，开展对应的调解及译码干预，对发送端所传输的原始信息发挥恢复作用。

（二）应用优势

相对于光纤通信技术来说，自由空间通信技术无需长距离的经过光纤线路，所以无需铺设及维护光纤线路，其部署过程中成本低廉，主网具有较强的灵活性，不仅可以在海、峰、山川、河流等复杂地域进行信息通信传输，还可以在特殊紧急情况下为灾后通讯、军事通讯和卫星通讯提供信息通讯等需求。相对于无线波通信方式，自由空间光通信技术具备以下应用优势，第一，具有较大的通信容量，自由空间光通信技术应用过程中，频率在1012-1017方Hz之间，相当于无线波通信宽带的10万倍以上，所传输的码率能够超过10G bit/s；第二，具有较强的抗干扰性，密封性较强，激光通信的频段处于可见光和远红外频段与红外频段之中，其独特的频段可以在极大的程度上降低光衍射的负面影响，而且激光光束的发射角属于毫秒弧级，所以激光光束的方向性极强，在传输过程当中规避干扰波束的的干扰现象，发挥良好的高保密特征[1]；第三，无需频谱认证，自由空间通信技术应用中，所应用的频率大都高于300GHz，在世界范围内，电磁波频段会在300GHz以上情况下开放化的应用，其表示无需再次申请应用频段，可降低系统运营中的成本，缩减通信系统的开发时长；第四，功率小，投入资金较少，激光信号在传输过程中高度集中各种能量，所接收端的信号功率密度较高，有利于缩减发射端功率，发挥节能能源的效用，与此同时，接收天线口的直径尺寸相对能够缩减，有利于灵活性的应用。第五，快速链路布置，由于自由空间光通信技术应用过程中无需埋设光纤，也无需等待，自由空间光通信技术可在几天之内完成连接工作，且自由空间光通信技术无线接收器的体积较小，相当于一部摄像机，可以轻松的在室内或者室外环境之中安装应用。

（三）应用缺陷

第一，自由空间光通信技术应用中，对天气的敏感程度较低，晴朗天气并不会对自由空间光通信技术传输效果产生影响，但是遇到沙尘天气、浓雾天气或者大风天气，将会极大程度影响传输业务的应用效果，其中浓雾极易对自由空间光通信技术的应用产生较大影响，依据相关测试结果显示，轻雾状态下，损耗数值在每千米50dB，而在浓雾状态下，损耗数值在每千米300dB。第二，具有较短的传输距离，自由空间光通信技术属于视距技术的一种，传输距离会与信号质量产生较大矛盾，若是传输过程中超过一定距离的情况下，信号质量将极大程度降低，所以自由空间光通信技术一般情况下智能在城市之中应用。第三，收发端对准缺陷，自由空间光通信技术属于新型宽带通信技术的一种，想要实现两个收发端之间的对准，所需要的条件十分严苛，若是在高层建筑上层安装通信设备，一旦受到风力作用的影响，将加剧设备的摇晃概率，若是楼层之中出现热膨胀，或者地动问题出现，也极易影响发射与接收机的精准性[2]。

二、自由空间光通信技术的应用领域

虽然当前自由空间通讯技术在应用过程中存在一定的缺陷，但是其应用的技术优势仍十分显著。自由空间光通信技术应用优势吸引了大量电信运营商的注意，且其应用中的劣势也逐渐被其技术的升级及更新所改善，自由空间光通信系统应用前景十分广泛，其应用领域主要包括以下几种：第一，在不具备有线接入条件或者原宽带应用程度不足的情况下，提供高效化和有效化的解决方案。自由空间光通信技术系统，无需在城市内铺设埋线，能够快速的在楼宇之间实现宽带数字的通讯传输，也可以在不便于铺设光缆的区域或者没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据的传输应用。第二，应急备用方案中的应用，若是通信链路需要跨越海湾、峡谷、河流、铁路或者高速公路的情况下，甚至可以在拥挤的城市或者重灾区内应用中，在这种情况下进行普通的光纤线路铺设难度过大，甚至通过传统的光纤技术无法进行实现，所以采用自由空间光通信技术对于构建应急通信工作机制，应用无线光通信设备来辅助通信的恢复

[2]；第三，光纤网络备份之中应用，大量移动电信运营商在进行通信工作中需要保障通信网络的数据应用安全，所以往往需要铺设两条光纤链接，但是，应用自由空间光通信技术后，运营商就可以减少无效光纤线路的铺设，减少光纤冗余链路，节约设备搭建成本，同时应用自由空间光通信技术进行备份，还可以充分满足通讯需求。第四，局域网互联之中应用，一般情况下，局域网不同网段之间的互联大都会对走线及路面等正常应用产生一定影响，且建设过程中施工周期较长，资金投入较大，而自由空间光通信技术的应用，为临近局域网提供了互相连通的最优化方案，不仅可以对局域网内用户接入问题进行解决，还有利于提出提升传输效率，能够方便不同局域网之间的连接，有利于扩大城域网及广域网，满足区域内通信需求。第五，无线基站台数据回传的应用，自由空间光通信技术可以通过接入移动电话基地台的形式，将其所接收的信号向公用电话传输，也可以接入至交换中心，将所接收的信号相交换中心设备之中传输。

三、自由空间光通信技术应用中的影响因素

在自由空间光通信系统之中，光波的传输过程中容易收到大气之中其它分子和大气分子自身的影响。而且光在通过大气媒介传输的过程中，还会受到大气效应的影响，大气吸收效应会削弱传输光功率，大气散射效应还会导致多径效应的行程，导致传输功率降低，脉冲宽度减少，大气湍流效应还会导致光束飘逸，光强度起伏变动，光速扩展或者光到达角起伏等现象，从而对平均信噪产生缩减影响，进而致使探测信号产生随机性欺负波动，严重情况下会直接干扰信号，影响系统稳定运行，降低在系统应用过中的可靠程度。

（一）大气分子

大气分子对自由空间光通信技术产生的影响主要为其吸收效应、散射效应和湍流效应的影响，主要表现为以下几点：第一，大气分子的吸收作用指的是在大气信道内，光信号在传输过程中发生极化效应，导致其产生的自身磁场对大气传输之中的微粒产生影响作出极化运动，导致大气之中的其余粒子与其进行碰撞，传递对应能量，导致光信号的能量转化为热能或者转化成其他形式的能量。而因为大气之中的气体分子构成存在不同的差异，分子各不相同，所以其吸收特性也各不相同，光信号的频率关系到不同分子的吸收特性。第二，所谓大气散射作用，指的是在气溶胶及大气分子等因素的影响下，对光信号产生影响，子波与其周围辐射频率保持相似的频率，这种情况被称之为大气散射效应，一旦在光信号传递时发生散射，就会导致光束的传播方向产生误差传播偏离，而光强的空间特性也会随着光束传播的误差偏离而发生相应变化，其会直接降低系统接收功率。依据散射粒子半径和入射波长之间的联系，一般情况将大气散射现象划分为三种类型，分别为非选择性散射、米氏散射和瑞利散射。第三，湍流效应，指的是在受到太阳和地面辐射以及大气运动等等各种因素的影响之下，促使大气温度场产生变化，而这种温度变化会进一步导致大气压力和大气密度的改变，劲儿印发不同折射率涡流的行程，同时收到风速的直接影响，这些差异还会在长期的不断运动状态下，使其不断磨灭消失，而不同涡流还会在变化中出现交联和叠加作用，形成随机湍流运动，这种情况就被称之为大气湍流。而光波在通过涡流时，会产生相位波动和振幅波动，其中强度较为剧烈的波动就被称之为闪烁，其会严重影响自由空间光通信技术通信链接，影响其性能的发挥，在天气较好的情况下也会出现。在几何光学中，涡旋气流还可以产生透镜作用，随机折射光波，导致光波幅度和相位发生改变，从而导致产生光束随机飘逸问题的形成[2]。

（二）大气中其他分子

大气信道会经常进行随机改变，在大气信道之中的大气粒子也在随着时间变化的情况下，受到雨雪天气、雾霾天气的影响，导致散射现象和吸收现象的形成，尤其是在天气恶劣的天气情况下，自由空间光通信技术的通信质量也会受到影响，在通信质量降低严重的时候甚至会导致发生通信中断的重大故障问题。在天气条件不同的情况，大气粒子的构成成分也会有不同的差异，这就导致其所行程的激光影响也存在了一定的差异性。第一，雨滴，激光信号对其敏感度较高，而雨滴的粒子相对半径较大，它会超过近红外光的波长，雨滴会很容易导致非选择性散射情况的发生。第二，雾滴，在空气中漂浮的小型水滴形成水雾，水雾产生的影响与水滴相似，均会影响激光的传输，导致广播出现散射现象或者被吸收。雾滴离子的半径相近于近红外光，所以极易发生米氏散射。

四、自由空间光通信技术的应用

（一）民用范围

自由空间光通信技术主要应用于移动通信基站信号传输之中，在光纤网络备份、移动平台、搭载网络、应急备用方案及短期通信之中应用，尤其是缺少基础通信设施的应用场景当中，通过自由空间光通信技术可以快速高效的解决大数据实时传输的问题。第一，临时通信的应用，在无需许可证或者快速安装中应用自由空间光通信技术，可迅速部署，涵盖在内乱、国事、临时交通高峰期、犯罪侦查、视频监控、建筑施工、道路建设、赛马会、博览会、运动赛事及音乐会等场景中应用。第二，应急备用，通信链路构建可开展限产救援和智慧，迅速解决布网难题问题。第三，搭载网络，由于自由空间光通信技术建设成本较低，性能较强，可以辅助网络搭载的应用，在商业写字楼及未铺设光阑的区域内，可以设置自由空间光通信技术链路。

（二）军用范围

自由空间光通信技术主要利用激光通信形式，具有较好的电磁相容性，具有较强的抗电磁干扰笑傲个，可以在作战区域短距离通信内应用，且应用效果良好。第一，在常规通信设施的部署实施中，可以在边境哨所、布放岛屿和偏僻山区等区域中应用，依靠自由空间光通信技术建立移动通信网络[2]。第二，在作战任务当中需要快速搭建信息传输网络，在进行军事级别的任务执行区域内，为了满足作战需求，可以迅速搭建数据网络，短期内快速建网，补救通信设施中断问题，确保通信正常。第三，军事行动开展中，无线电极易受到影响，这一情况下，可以利用电磁波，维系无线电通信的正常化，确保通信内容的保密性。第四，海上舰载通信，自由空间光通信技术可以开展应用于舰艇之间、舰艇和舰载机之间以及不同舰载机之间的应用通信，满足短距离密集大容量信息信号传输的需求，还可以与微波通信方式相结合，实现动态化的全方位的立体化无线光通信干预。

五、结束语

综上所述，本文分析了自由空间光通信系统的构成及优势，分析了影响因素，介绍了该技术的应用及在民用和军事领域之中的应用情况，以此辅助用户信号的接收，提升通信水平。

参考文献：

[1]雷艺,陈斌,周红平,郭凯,郭忠义. 软信息辅助硬判决译码在自由空间光通信中的应用[J]. 电子学报, 2021, 049(010):1945-1951.

[2]梁静远, 亢维龙, 董壮,等. 自由空间光通信系统光学天线技术研究进展[J]. 光通信技术, 2022, 46(4):10.

作者简介：王帅，性别：男，民族：汉，籍贯：黑龙江省大庆市，出生年月：1984.04，文化程度：硕士研究生，现有职称：中级工程师，研究方向:光通信，无线通信，智能安防等.