寬帶接入中激光無線通信技術的應用

一、前言

激光是隨著無線通信技術的不斷發展得以創造并逐漸走向成熟的一種現代先進技術。激光是結合光和無線兩種通信形式來實現數據、圖片以及語言在空中的傳播，是一種現代較為新穎的技術。根據其使用場合的不同，目前可以將其分為星際激光和無線激光兩種通信方式。星際激光指的是衛星之間的通信傳播以及衛星和地球之間的信號傳播方式，該方式需要相對于無線激光通信而言有更大的容量，可以滿足未來對更大通信容量好球的星際通信。無線激光通信指的是在地面上架設的通信設備，改通信方式具有適用于任何地形且靈活性極好、抗電磁或輻射都比較好的有點，這些有點能夠很大程度上彌補普通電纜無法或較難在惡劣環境中安裝的缺點，是目前使用最多也是最高效的通信技術。

二、激光無線通信的主要工作原理

激光無線通信技術指的是以大氣而非光纖為傳播媒介，通過利用激光的快速傳播特性在太赫茲范圍內進行聲音、圖片、數據傳播的一種新型通信系統。激光無線通信技術與光纖通信傳播方式有異曲同工之妙，只是激光無線通信技術是一種用在接入系統的技術，因此在組長和利用上都相對比較簡單和方面。激光是普通光中的一種，因此其內部處理本身具有的特性外具有普通光的全部特點，如光線折射、反射以及光線干涉等特點。但是激光先對與普通光而言仍具有其不同的特性，如激光束能量比較集中且強度高，單色性也非常好，在信號接收上受干擾比較好，且功率密度較高等特點。

激光無線通信是從無線電通信衍生出來的另一個具有更高技術水平的通信技術，因此其具有無線電通信的主要特點，即實現數據、聲音等信號的無線傳播。激光無線通信相對于無線電通信多出兩個信號的轉換過程———信號兩端的兩個轉換過程：信號發送端口的電和光的相互轉換過程；信號接收端口的光和電的轉換過程。兩個轉換其實就是光電傳播信號的整個過程。激光無線通信技術具體工作原理為：

（1）發射端。發射端主要有兩個光機器，即發射機和接收機，當有數據需要進行傳輸時，接收機首先將需要放的聲音、圖像、數據等信號資源進行接收，然后在利用專門轉換設備將這些信號源轉換成為數字信號，數字信號全部轉換完成后將其輸入至光信號調制器，調制器將信號調制至激光束中，然后對這個激光束進行參數的調節，使其能夠按照正常的信號發送規律進行自動轉變。然后利用發射望遠鏡將這個已經調制好的激光束發射至目的地。

（2）接收端。接收端也就是將發生端傳輸過來的激光束重新進行調制后通過顯示器等轉換設備發射過來的信號源顯示出來的一個信號接收端口。接收端整個流程簡單化就是發射端的逆向過程。一般接收望遠鏡將發射望遠鏡發生過來的激光束進行接收，在這個過程中需要注意的一個問題是，發生望遠鏡必須要有叫激光束截面變大的功能，從而才能夠使接收望遠鏡更好的接收到激光束信號。接收器接收到信號后使用專門的光檢測儀器將信號源取出并放入轉換設備中，轉換設備對原始信號進行讀取和顯示，最終實現信號的傳輸。

激光無線通信波段的選擇主要也是根據不同的場合來決定。針對不同光波長信號在大氣空間中具有完全不同的透過率這個無法改變的性質特征，在選擇波段窗口時一般需要選擇一些透過率比一般波段透過率都要好的波段。目前激光無線系統比較常使用且效果也比較好的波段有1.55μm以及0.85μm兩種紅外型波段。1.55μm波長具有能夠傳輸更大距離、功率更強以及含有較高視覺安全性能的有點，且1.55μm波長由于其主要部分的光波均被角膜吸收干凈，剩下僅有的一下光波也不會造成視網膜的損害。因此國家對光波功率安全要求的規范條例上有明確規定1.55μm功率能夠具有更高的等級（一般為大于0.85μm波長功率兩個等級），使其能夠具有在惡劣天氣中順利傳輸的性能，同時還很大程度上使傳輸距離得到增加。但是其也具有價格相對比較高的缺點，因此在選擇該種波長時一般需要考慮是否具有一定的經濟承受能力。0.85μm波長相對于1.55μm波長而言價格比較便宜，但是也相對應的其傳輸距離也比較近。

三、激光無線通信現狀以及未來發展方向

激光無線通信技術由于其具有的高速度和高效率的傳播優點，是現代社會實現最大科技化的必然要求，因此，目前世界上相對比較發達的國家如美國、日本、英國、德國等西方發達國家都對其進行比較深入的研究，對其重視度逐漸增強。激光無線通信技術從90年代出開始在俄羅斯研制成功后，已經開始成為世界各國爭相研究的重要的科研技術。激光無線通信技術實用化的體現是瓦涅什河兩岸設置的能夠在同一時間傳輸達8路數字電話的激光系統，該系統真正是激光無線通信系統得以用理論變成實際。

目前激光無線通信系統在世界各國的重要場合均有使用，其顯示的出來的效果也非常好。如2000年的悉尼奧運會，為了實現對奧運比賽場地的監控，美國一家激光無線電通信公司利用激光無線將演播控制中心和水上中心連接在一起，實現了對水上中心的全方位監控，且改無線系統在整個奧運期間都表現的非常好，沒有出現交通受阻現象。

目前我國在改領域的研究上也取得了比較好的成績，各種科學研究所、電子科技大學等都相繼展開對該技術領域的研究。我國的第一臺真正有理論轉為實際的一個激光無線通信設備為2000年中國電子科技集團公司第34研究所研究人員統統研制出來的使用在普通民眾生活中的2M激光大氣通信機。在此之后我國的激光無線通信系統也得到了長遠的發展，不斷運用到普通生活和特殊領域只用。

未來激光無線通信系統的發展趨勢將會向更快速度和更高效率的方向發展，在無線激光通信和星際激光通信兩種方式中實現應用范圍的擴大。同時還需要努力使激光無線通信真正實現廣泛運用于實際生活的目的，為人民的生活提供更高水平的通信服務。

四、激光無線通信系統的特點和缺陷

4.1特點

（1）安裝方便。激光無線通信系統是無線和光纖兩種優質通信方式內部優點的集中體現：具有無線系統的不受特殊、惡劣地形影響的特點。同時具有光纖占地小，成本低以及靈活性強的有點。這兩種有點的結合使其成為當前最受歡迎的通信方式。（2）安全性高。激光無線通信除了能夠對現有且普遍使用的通信手段進行補充之外，還具有良好的保密性以及抗電磁干擾和輻射的功能，且對體不會沉聲輻射傷害，是一種現代的綠色通信系統，對人們身體健康不會產生影響，安全系數比較高。（3）傳輸量大。由于激光無線通信系統含有光纖的優質特點，因此具有和光纖通信一樣的寬大的傳輸帶。根據對時下我國的通信業務傳輸寬帶量的調查顯示，當前已經實現且廣泛使用的才傳輸寬帶高達2.5G。這種寬大的傳輸帶能夠實現更大量的傳輸，給慢慢了各行各業高速寬帶的要求。（4）成本低。激光無線通信的傳播媒介為大氣，因此就能夠省去大量花在設備鋪設和維護的費用，使其造價成本相對光纖等形式更加便宜。（5）能夠實現最大速度的鏈路部署。激光無線通信由于不需要鋪設光纖的等設備，且部署的各種設備不需要進行置辦專門的授權手續，因此一般只需要安裝必要的通信和信號接收器就能夠實現整個通信傳輸的目的。相對于其他有形的通信方式其鏈路部署可以說非常快。

4.2缺陷

（1）極易受天氣等外在因素的影響。由于激光的光波波長和空氣中漂浮的雨雪、霧氣顆粒的直徑相宜，易被這些極顆粒分子吸收，引起傳輸中信號的衰減和耗損，嚴重時會出現信號的中斷傳輸，這里體現的是傳輸質量對于天氣情況的要求。有關調查數據表明，FSO在不同的天氣情況下的傳輸數值波動比較大，如霧天，波動值高達20～300dB/Km。（2）必須在無障礙的情況下進行傳輸的連接。原因在于激光無法穿透過有形的物體進行傳輸，遇到遮擋時會反射、折射，而偏離軌道傳輸，影響效率，因此在無線激光通信的視線傳送范圍內要盡量避免遮擋的出現；若存在障礙物并無法撤除時，可建立中繼站實施再連接。（3）接收設備方位的對準難。激光在傳輸的過程中是以一種肉眼看不清的波長形式進行數據的輸送，因而在接收設備的方位對準性也很難把握。最為普遍的擺放方式是將其放于高建筑物上，這樣就更容易受到一些外在因素的影響，如天氣情況，或者輕微的晃動都會造成傳輸路徑的偏差。（4）有通信傳輸距離的限制。再擁有多好的激光定向性，激光波束在經過一定的距離傳輸后源于距離的增加會變寬而導致準確傳輸距離的縮短，沒有一定的距離傳輸數值限定就會導致信號無法被正常的接受。現如今被運用于普通民眾所消費的激光通信設備所能發送的信號傳輸距離為200～6000米，但是在加之一些條件的影響，實際的準確傳輸距離就沒這么可觀。試驗報告的數據證明，在1公里的范圍內是最為適宜。（5）其次為意外因素對通信鏈路破壞。在傳輸設備和接收設備的單向和多向模式的信號傳輸中，有雜物或鳥類懸浮而過便會造成鏈路的斷裂和中斷，影響通信質量。

五、寬帶接入中激光無線通信系統的主要拓撲結構

（1）網狀形式。該方式主要是不同點之間的一個擺放形式，一個中心節點有多個網絡節點供應，在這種模式下，能夠實現實時的選路迂回。這種拓撲形式最大特點是服務冗余和快速恢復服務。因此能夠使中心服務得到最大程度的保護。同時這種網狀的拓撲結構還能夠將一些特殊業務通過集中的方式接入到一些特定需要的需求點中，然后通過利用有效和網絡連接的方式滿足現代用戶對電信級地的要求。但是該方式也不可避免存在一些缺點，如由于需要在每個樓層之間連接多條線路，因此成本相對比較高，且這種網狀的形勢只有在距離比較短的情況下傳輸信號才會能夠更好的滿足客戶的需要，因此存在傳輸距離比較短的缺點，且該方式由于需要使用到多條線路，因此還存在連接方式比較復雜的缺陷。圖1為網狀拓撲方式的網狀圖。

（2）星形方式。這種方式相對于網狀拓撲方式而言相對比較經濟，且由于能夠將所有的業務利用專線集中到一個中心節點然后再轉到核心網的方式，因此其有效率相對比較高。但是這種方式需要使用到多個集線器，因此其成本也比較高，一般只有在視線范圍內視線更多大樓的連接，才能夠起到更好的經濟效益和服務效率。這種方式最大的優點是能夠實現對單個用戶提供單獨且高效服務的功能，且相對一些需要專用寬帶的客戶而言能夠很好的滿足客戶的要求。圖2為星形拓撲方式。

寬帶連接除了需要進行拓撲方式的選擇和設置外，還需要對使用的激光無線通信系統波長進行正確的選擇，從而才能夠實現效率和經濟的相互融合。

六、激光無線通信系統波長的選擇

激光無線通信是通過大氣層這樣的一個媒介進行傳輸的，在這樣的一個過程中會受內在或外在的因素而引起不必要的損耗，因此激光的發射功率要遠遠大于光源，但這樣的一個情況勢必對人體造成負面影響，所以就應該對其進行一個數值的限量要求，研究表明功率在幾十mW之內不會對人體健康產生影響。對傳輸設備到接收設備這一段區域內進行測試，發現這期間信號的傳輸已經有大的耗損，因而要適當的控制傳輸距離。此外，在暴露于空氣中的信號傳輸也極易受到大氣中各類因素的阻礙，產生的稱之為大氣衰減的現象。激光本身擁有著單色性的良好性能，在大氣中傳播是剛好與某些特殊分子的譜線相吻合，且不易被吸收的，所以一般的吸收效應對它的影響也不是很大。其次，在最為接近地表的大氣層中，僅從水平傳輸來講，大氣成分中的分子散射作用可以忽略不計。經過研究表明，信號衰減的系數和波長是兩個無相關的因素。

七、結語

要使得激光無線接入網能夠普及的應用到日常的生活生產中，還得去面對和解決很多實質性的問題。比如，傳輸過程中障礙物的出現引發的信號中斷和偏離；大氣對其產生的傳輸耗損；系統自身的性能升級，增強信號傳送和接收的精準度。即使很多困難都擺在面前，但是激光無線接入網的發展光景是很大的，這得源于它是低投資、高效益的項目研發。因此，加強激光無線通信系統在寬帶接入中的應用研究具有非常大的實際性意義。