浅议超宽带业务自由空间光通信FSO

浅议超宽带业务自由空间光通信FSO

王文涛

解放军91033部队  山东  266003

摘要：自由空间光通信（FSO）是下一代网络技术，是代替光纤、射频、微波在大气中传输光信号的光通信技术，可以为多用户提供超宽带业务。本文主要介绍了空间光通信的概念，与传统无线电通信相比有哪些特点和应用，并对实现超宽带业务空间光通信的瓶颈问题进行了讨论。

关键词：空间 光通信

一、空间光通信（FSO）概念

提到光通信，大家可能首先会想到光纤、光缆、光端机等等这些词汇，其实，光通信有着几千年的悠久历史。早在西周时期，我们就有了用于军事用途的光通信系统---烽火台。也有了周幽王“烽火戏诸侯”的典故。公元前800年，古希腊和罗马人也采用了烽火传递信号，18世纪90年代，旗语开始应用于航海。不论烽火、旗语，都是采用人的眼睛来接收信息，这些可以理解为目视空间光通信。

第一个真正意义上的空间光通信是1880年亚历山大.格拉汉姆.贝尔的光电话实验。在发明了电话的4年之后，贝尔用太阳光作为光源，并通过透镜将光聚焦在话筒的振动片上，当人对着话筒讲话时，振动片在声波的激励下振动，进而使反射光的强弱随着话音的强弱产生相应变化，从而完成了将声音信息调制到光波上。载有声音信息的光波经空气传送到接收端，在接收端利用抛物面镜将光波聚焦到光敏电池上，光敏电池将光能转换成电流并送到听筒，就可以听到从发送端传过来的声音了。就这样，贝尔用光波“背着”声音信息，并且传送了213米。

无线通信其实是电磁波通信，光具有波粒二象性，光也是电磁波的一种。

空间光通信是以光波为信号载体，不需要使用光纤等波导介质，在大气、真空或水下等自由信道进行信息传输的一种无线通信技术。

空间光通信系统通常包括光学天线、发射光端机、信道和接收光端机组成。

光学天线是用于通信激光的发射和接收的光学系统，如果要实现对飞机、卫星等移动平台间的光通信，还要求光学天线具备对移动平台上的通信激光进行捕获、瞄准和跟踪的功能。

发射光端机用于将电信号转换成光信号，完成E-O转换。其基本器件包括信号源、光源和调制器。

接收光端机利用光检测器将光信号转变成电信号，完成O-E转换。这样就完成了信息从发送方到接收方的传递。

二、空间光通信特点

1、通信容量大

空间激光通信以光为载波，常用的频率范围为190THz~560 THz，是微波通信频率的数千倍，可实现更高速率的数据传输，可达到数十Gb/s，并且采用DWM波分复用技术，可以使通信容量提升几十倍，因此空间光通信具有传输频带宽、通信容量大的优点。

2、抗电磁干扰能力强、安全保密性高

空间激光通信采用激光作为载波，激光的光束极窄，用于星地通信信号激光的发散角极小，信息传递不易被其他设备捕获，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

3、无需授权许可

空间激光通信的工作频率在百THz以上，不挤占宝贵的无线电频率资源，无需像传统的无线电通信那样申请频率使用的许可证，即可以无证经营。

4、快速链路部署

对于几公里至数十公里的短距离光通信，只需在通信节点上进行设备安装，相比较于光纤通信，不需要进行光缆埋设，工程时间可以用小时来计算，部署或撤换调整方便容易。

三、空间光通信的主要应用

FSO的运用场合主要有四种:

（1）在陆地上，岛屿间，高楼间或江河两岸实现短距离通信；或者用于解决光纤入网“最后一公里”接入问题。

（2）在空间中，可用激光束建立卫星间链路，也可以多星形成网络，实现远程大容量通信。

（3）静止的FSO节点和移动的FSO节点之间的通信。

（4）水下通信，水下航行器通信等。

目前，卫星通信频段资源日趋枯竭，C、KU等各频段的频率资源已近饱和，静止轨道上的卫星也已经十分拥挤，给卫星装上激光通信终端具有明显的优点，空间激光通信链路无需审批，可直接使用，不存在频谱受限问题，通信速率高，通信容量大，能达到数十Gb/s的速率；同时由于光源功率小、收发天线可以做得很小，激光通信终端的体积小，重量轻，可减轻卫星通信的载荷负担。

FSO在研发方面，发达国家在空间激光通信技术领域关键技术进行深入研究和在轨试验，不断推动空间激光技术迈向工程实用化。2014年NASA进行了国际空间站至地面的下行50Mbps单向激光通信，其通信方式为IM/DD强度调制直接检测方式，误码率为10-4 。面向空间激光通信组网的要求，美国正在开展激光通信中继验证计划。欧洲的光通信组网验证也正在开展中，德国成功进行了同步轨道Alphasat卫星终端与地面站的1.8Gbps双向相干通信试验。

我国在基于大气激光通信领域的研究起步较晚，不过近年来进展迅速。以蓝绿激光通信为例，来进行一下说明：蓝绿激光通信是激光大气通信的一种，采用波长为450～570nm，介于蓝光和绿光之间的光束为信息载体。由于海水对蓝绿波段的可见光损耗和吸收极小，因此蓝绿光通过海水时，不仅穿透能力强，且方向性极好，该波段是海水中唯一低损耗光通信窗口。例如498nm的蓝绿光在2km深度的海水中其透光程度平均可达90%～95%，因此可以确保与水下数十至百米的航行器进行通信。

    随着卫星技术和激光器技术的快速发展，蓝绿激光通信被认为是目前最有希望的对水下航行器进行安全隐蔽双向高速通信的技术手段之一，结合现有卫星体系来看，下行通信最适宜使用同步卫星；双向通信则必须使用低轨卫星，同时要求多星覆盖。从应用的角度来说，下行通信最为灵活，上行和双向通信则对航行器一定的区域和时间段的要求）

空间光通信除了可以满足卫星信息高速传输的要求，一项被称为LiFi（Light  Fidelity）的可见光无线通信技术可能走进我们的生活，目前正处于实验室阶段。

对于发明家来讲，伴随着爱迪生在1879年发明了电灯，电灯泡一直以来被视为发明家梦寐以求的灵光闪现的象征，结果电灯泡给德国一位物理学家Herald Hass带来了灵感，申请了一项专利技术，Hass认为，通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，达到百万次/秒，可以快速传输二进制码，达到发送数据的目的。这样高的闪烁频率对于裸眼是不可见并且安全的，只有光敏接收器才能探测。目前，全世界大约有140亿盏电灯泡，理论上可以做到有灯泡的地方就有网络，成为WiFi的有效补充，实现1Gbps高速率网络接入，并且不需要新建大量的射频信号发射基站。任何设想，随着技术的进步，算法的优化和元器件生产工艺的进步，一定会实现。

四、实现超宽带业务空间光通信的瓶颈问题

1、空间光通信系统的缺点

空间光通信的性能对天气非常敏感，雨、雪、云、雾对激光的传输影响较大，大气中的气体分子、水雾、霾、气溶胶等粒子，也会引起光的吸收、散射，导致激光链路中断。

大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，湍流中每一点的压强、速度、温度等物理特性随机变化，飞机在大气湍流中飞行时会产生颠簸。大气湍流的存在对光波、声波和电磁波的传播产生一定的干扰，因此大气湍流会严重干扰光信号的传输，大气湍流效应可造成信号光束波前畸变、光斑弥散、抖动，使接收端的接收光功率降低甚至无法通信，是制约实现超宽带业务光通信的关键问题。

2、解决星地激光通信大气湍流的对策

为实现高速率、高可靠的星地激光通信，大气湍流问题必须得到解决。自适应光学技术是克服星地激光通信大气湍流效应的核心技术之一。该技术通过使用可变形镜面校正因大气抖动造成光波波前畸变，自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器组成，抑制大气湍流对信号光的影响，提高通信端机的接收效率，从而改进了光学系统性能。

    相信不久的将来，空间光通信将更广泛地走进我们的生活，给我们带来高速、安全的通信新世界，而空间光通信的应用也将由烽火狼烟到星辰大海。

参考文献：

[1]Stamatios V.Kartalopoulos，Free Space Optical Networks for Ultra-Broad Band Services，2017

[2]S.V.Kartalopoulos,Next Generation SONET/SDH:Voice and Data,WiLey/IEEE Press,2004