空間光通信的發(fā)展和前景

鄭皓文

通信在人們的社會(huì)生活中扮演者十分重要的角色。隨著社會(huì)變遷、人類(lèi)文明程度的提髙以及各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，信息傳遞的方式也有著巨大的變化。 古人傳遞信息主要使用飛鴿、烽火、快馬、暗號(hào)、手語(yǔ)、書(shū)信、旗幟等。近年來(lái)信息技術(shù)的飛速發(fā)展給人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。其中，自由空間光通信（Free-Space Optical Columniation，簡(jiǎn)稱(chēng)FSO）又稱(chēng)大氣光通信，自20世紀(jì)90年代以來(lái)已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的光纖通信相比，F(xiàn)SO的優(yōu)勢(shì)在于使信號(hào)脫離了光纖的束縛，具有工作頻率高、方向性強(qiáng)、傳輸碼率高、天線尺寸小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在一些特定的環(huán)境下有很高的應(yīng)用價(jià)值。

從20世紀(jì)60年代至今，對(duì)于空間光通信的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史，取得了許多成果。本文整體回顧了FSO的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

一、空間光通信發(fā)展和應(yīng)用

（一）發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代，激光器的發(fā)明標(biāo)志著激光通信技術(shù)的開(kāi)端。然而在之后的若干年間，由于各方面原因，激光技術(shù)的研究和應(yīng)用集中在地面光纖通信領(lǐng)域，而空間光通信技術(shù)停滯不前。直到20世紀(jì)七八十年代，隨著科技的進(jìn)步和人類(lèi)對(duì)通信技術(shù)更高需求的產(chǎn)生，針對(duì)空間光通信的研究開(kāi)始進(jìn)入高速軌道，各種地面試驗(yàn)以及測(cè)試平臺(tái)的研究得到了廣泛的開(kāi)展。

（二）國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外在FSO領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始了近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投入使用也就是最近幾年的事情。美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)的十幾家廠商正在從事FSO的相關(guān)研發(fā)工作。目前，國(guó)際市場(chǎng)上AirFiber、LightPointe等公司是推廣FSO技術(shù)的先行者。而Terabeam公司和Airriber公司已將FSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù);尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，在西雅圖的四季飯店也成功地利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。

就國(guó)內(nèi)FSO的發(fā)展來(lái)說(shuō)，還基本在起步階段。FSO設(shè)備最初來(lái)到中國(guó)應(yīng)該在2000年前后，那時(shí)國(guó)內(nèi)從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項(xiàng)目的研究所。目前還沒(méi)有一家公司規(guī)模性的生產(chǎn)FSO設(shè)備。當(dāng)然這也有FSO設(shè)備由于本身的可靠性，在國(guó)內(nèi)暫時(shí)不被運(yùn)營(yíng)商看好的因素。

（三） 應(yīng)用領(lǐng)域

FSO以其獨(dú)特的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域都能有廣泛的應(yīng)用，例如：

1.城域網(wǎng)的擴(kuò)展。通信服務(wù)廠商在骨干網(wǎng)建設(shè)上花費(fèi)大量資金， 以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能，來(lái)滿足快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。FSO可以用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)，將新的網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)相連接。

2.企業(yè)、校園互連。由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發(fā)器裝設(shè)在樓頂或窗外傳輸數(shù)據(jù)。FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校的局域網(wǎng)。以FSO來(lái)代替光纖，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速度。

3.軍事應(yīng)用。FSO具有高保密性和安裝快捷的特性，因而被廣泛應(yīng)用于軍事場(chǎng)所。

4.作為光纖的補(bǔ)充。目前大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商都采用兩條光纖連接來(lái)保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全，現(xiàn)在，運(yùn)營(yíng)商無(wú)需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。

5.無(wú)線基地臺(tái)數(shù)據(jù)的回傳。FSO也可用來(lái)接入移動(dòng)電話基地臺(tái)與交換中心，將基地臺(tái)接收的信號(hào)傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的交換中心設(shè)備。

（四） 性能缺陷

FSO也具有一定的缺點(diǎn)。比如，其光束在傳輸中極易受大霧等惡劣天氣，物理阻隔或建筑物的晃動(dòng)/地震的影響。在惡劣的天氣下，光束傳輸?shù)木嚯x會(huì)下降，從而降低通信的可靠性，嚴(yán)重的甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛唷Ｓ捎诩す獾陌l(fā)散角度比較小、方向性較強(qiáng)，F(xiàn)SO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，難以保證其精度。激光在大氣中傳播時(shí)容易受到天氣的影響，大氣湍流、大氣衰減等效應(yīng)會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸特性使組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)難以大規(guī)模的覆蓋。

二、FSO的技術(shù)原理

FSO系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒介來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的傳送的。只要在收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無(wú)遮擋的路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進(jìn)行。

FSO系統(tǒng)主要由光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光學(xué)天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)（ATP）子系統(tǒng)組成，電信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制到由激光器產(chǎn)生的光載波上，再通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線對(duì)光束整形將光信號(hào)發(fā)射到大氣空間。光信號(hào)經(jīng)大氣信道傳輸，到達(dá)接收端，光學(xué)天線將接收到的光信號(hào)聚焦至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)放大濾波處理，再解調(diào)成原信息。

三、FSO的未來(lái)發(fā)展分析

與其它無(wú)線通信相比，F(xiàn)SO具有成本低、安裝方便、保密性好、組網(wǎng)靈活、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的電信運(yùn)營(yíng)商對(duì)FSO技術(shù)青睞有加。但是物理障礙和大氣狀況的影響也成為FSO應(yīng)用過(guò)程中的瓶頸。好在瑕不掩瑜，F(xiàn)SO的自身特點(diǎn)決定了它可以在特定環(huán)境下發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)。光纖技術(shù)的瓶頸之一在于其高成本和線路鋪設(shè)過(guò)程復(fù)雜，難以在短期內(nèi)滿足用戶對(duì)寬帶接入的需求。而且我國(guó)現(xiàn)階段許多地區(qū)都尚未鋪設(shè)光纖線路，在這一情況下，F(xiàn)SO可以成為有效的解決途徑。FSO系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的接入，完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像的高速傳輸，有利于電子商務(wù)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療及電子政務(wù)等領(lǐng)域的發(fā)展。

FSO的使命并非取代已經(jīng)發(fā)展成熟的微波通信和光纖通信，而是發(fā)揮自己的特色，成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，與其他通信方式互相配合、互相補(bǔ)充。FSO技術(shù)受到越來(lái)越多用戶的認(rèn)可，兼有光通信和無(wú)線通信優(yōu)勢(shì)的FSO技術(shù)有廣闊的、迷人的前景。相信不久的將來(lái)，F(xiàn)SO在通信領(lǐng)域中必將占據(jù)重要地位。