無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)及其應(yīng)用光通信分為有線(xiàn)光通信和無(wú)線(xiàn)光通信兩種

2024年3月16日發(fā)(作者：學(xué)校共青團(tuán)組織)

無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)及其應(yīng)用

光通信分為有線(xiàn)光通信和無(wú)線(xiàn)光通信兩種。其中，有線(xiàn)光通信即光纖通信，已成為

廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一；無(wú)線(xiàn)光通信又稱(chēng)自由空間光通信(FSO，

FreeSpaceOpticalcommunication)。近年來(lái)，隨著“最后一公里”對(duì)高帶寬、低成本接入技

術(shù)的迫切需求，F(xiàn)SO在視距傳輸、寬帶接入中有了新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)由于光通信器件制造

技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)光通信設(shè)備的制造成本大幅下降，F(xiàn)SO得到越來(lái)越多的應(yīng)用。雖然目

前FSO的使用無(wú)需通過(guò)政府的頻率許可（目前無(wú)線(xiàn)電頻率劃分至300GHz，而光波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)

該頻率），但對(duì)于無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，了解這種全新的通信技術(shù)的特征和發(fā)展趨勢(shì)是大有

裨益的。

1 無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的構(gòu)成

無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)以大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)進(jìn)行光信號(hào)的傳送。只要在適當(dāng)距離的收發(fā)

兩個(gè)端機(jī)之間存在無(wú)遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)光通信。

無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的一般原理如圖1所示，由激光源、摻鉺光纖放大器、發(fā)射光學(xué)系

統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)和接收機(jī)等組成，具體儀器包括專(zhuān)用望遠(yuǎn)物鏡、標(biāo)準(zhǔn)光收發(fā)機(jī)和高功率的

Er/Yb光放大器等，其中望遠(yuǎn)物鏡和光收發(fā)送機(jī)組合在一起。其關(guān)鍵技術(shù)是多徑發(fā)射和使用

放大器補(bǔ)償光通道損耗。

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，通過(guò)作為天線(xiàn)的發(fā)射

光學(xué)系統(tǒng)，將光信號(hào)通過(guò)大氣信道傳送到接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡；接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡收集接收到光信號(hào)并

將它聚焦在光電檢測(cè)器中，光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)的透過(guò)率有較大的差別，F(xiàn)SO系統(tǒng)一般選用透過(guò)率

較好的波段窗口，最常用的光學(xué)波長(zhǎng)是近紅外光譜中的850nm；還有一些FSO系統(tǒng)使用1500nm

波長(zhǎng)頻段，可以支持更大的系統(tǒng)功率。

圖1無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的原理

2 無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)前，雖然無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)還有待成熟，但它以獨(dú)特的方式、顯著的優(yōu)點(diǎn)，擁有著

巨大的市場(chǎng)潛能。

(1)頻帶寬，速率高

理論上，無(wú)線(xiàn)光通信的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同。光纖通信中的光信號(hào)

在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號(hào)在空氣介質(zhì)中傳輸。目前國(guó)外無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)一般使用

1550nm波長(zhǎng)（頻率約為1.935×105GHz）頻段，傳輸速率可達(dá)10Gbit/s(4×2.5Gbit/s)，

即可完成12萬(wàn)個(gè)話(huà)路，其傳輸距離可達(dá)5km。國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)一般使用850nm波長(zhǎng)（頻

率約為3.529×105GHz）技術(shù)，速率為10Mbit/s～155Mbit/s，傳輸距離可達(dá)4km。

(2)頻譜資源豐富

與微波技術(shù)相比，F(xiàn)SO設(shè)備多采用紅外光傳輸方式，有非常豐富的頻譜資源，無(wú)需

向無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)申請(qǐng)頻率執(zhí)照和交納頻率占用費(fèi)，也不會(huì)和微波等無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)產(chǎn)生相互

干擾。

(3)適用多種通信協(xié)議

無(wú)線(xiàn)光通信產(chǎn)品作為一種物理層的傳輸設(shè)備，可以用在SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以

太網(wǎng)等常見(jiàn)的通信網(wǎng)絡(luò)中，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，適用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像

等信息。

(4)部署鏈路快捷

FSO設(shè)備可以直接架設(shè)在樓頂，甚至可在水域上部署，能完成地對(duì)空、空對(duì)空等多

種光纖通信無(wú)法完成的通信任務(wù)，其施工周期較短，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)建立起通信鏈路，而建

設(shè)成本只有地下光纖的五分之一左右。

(5)傳輸保密性好

無(wú)線(xiàn)光通信的安全性是非常顯著的。無(wú)線(xiàn)光通信具有很好的方向性和非常窄的波束，

因此，對(duì)其竊聽(tīng)和人為干擾幾乎是不可能的。

3 無(wú)線(xiàn)光通信的應(yīng)用

無(wú)線(xiàn)光通信的主要應(yīng)用可歸結(jié)為如下幾個(gè)方面。

(1)在不具備有線(xiàn)接入條件或原帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案

無(wú)線(xiàn)光通信可以不必在城市內(nèi)破路埋線(xiàn)而快速地在樓宇間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字通信，也可

在不便鋪設(shè)光纜地區(qū)、沒(méi)有橋梁的大河兩岸之間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸。在1994年，加里

福尼亞的ThermoTrex公司，成功地進(jìn)行了在相距42km、海拔高度為2133m的兩座山峰之間

的傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸數(shù)速率為1.2Gbit/s。

(2)有效解決“最后一公里”問(wèn)題

無(wú)線(xiàn)光通信可以解決各種業(yè)務(wù)接入的“最后一公里”問(wèn)題，提高用戶(hù)接入端的傳輸

容量和速度，能夠較好地滿(mǎn)足電信網(wǎng)、有線(xiàn)電視網(wǎng)和IP網(wǎng)三網(wǎng)合一對(duì)帶寬的要求。

(3)力助局域網(wǎng)互聯(lián)

FSO提供了臨近局域網(wǎng)之間互連互通的選擇方案，不僅可以解決局域網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)接入

的高速傳輸問(wèn)題，還可方便地實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接，形成更大范圍的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

(4)應(yīng)急備用方案

無(wú)線(xiàn)光通信可以作為有線(xiàn)通信線(xiàn)路故障或緊急搶險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)急備用鏈路，也可作為大

型臨時(shí)活動(dòng)的通信解決方案。

(5)快速組建電信網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于新興的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)可以幫助其快速組建本地網(wǎng)，以

較少的資金、人力和時(shí)間完成城域網(wǎng)建設(shè)；對(duì)于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)

絡(luò)系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補(bǔ)充，用于不便鋪設(shè)光纜的區(qū)域。建設(shè)周期短、所需費(fèi)用

少，無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)先組網(wǎng)再銷(xiāo)售的商業(yè)模式。

此外，F(xiàn)SO在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間有著重要的應(yīng)用。如在1995年美國(guó)與日本所

進(jìn)行的聯(lián)合試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了日本菊花-6衛(wèi)星與美國(guó)大氣觀(guān)測(cè)衛(wèi)星相距39000km的雙向光通

信。這是一種遠(yuǎn)距離通信應(yīng)用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大、不需進(jìn)行

ITU國(guó)際協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，將成為重要的衛(wèi)星通信手段之一。

圖2無(wú)線(xiàn)光通信在城域范圍內(nèi)的各種應(yīng)用

4 存在的問(wèn)題

雖然無(wú)線(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)獨(dú)具魅力，擁有大量潛在的應(yīng)用市場(chǎng)，但也存在許多有待

完善的地方。目前，其主要問(wèn)題有：

1)收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題

FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視距傳輸條件才能

實(shí)現(xiàn)通信。當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時(shí)，在風(fēng)力的作用下設(shè)備會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，這樣便會(huì)影

響激光器的對(duì)準(zhǔn)精度。樓宇結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微地震等因素，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)

和接收機(jī)無(wú)法對(duì)準(zhǔn)。

(2)大氣媒介的影響

惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)FSO的傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用。空氣中的散射粒子，會(huì)使光

線(xiàn)在空間、時(shí)間和角度上產(chǎn)生不同程度的偏差。大氣中的粒子還可能吸收激光的能量，使信

號(hào)的功率衰減。衡量FSO信號(hào)可靠性指標(biāo)之一——LINKMARGIN，單位為dB，其意義為FSO

設(shè)備正常工作所允許的最大功率損耗。一個(gè)典型的FSO系統(tǒng)的LINKMARGIN值為20dB，即在

天氣晴好的條件下，光信號(hào)每公里的功率損耗大約為1dB，也就是說(shuō)，一般無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)

的最大工作距離是20公里。FSO采用的紅外光在空氣中傳播時(shí)易受各種氣候因素的影響，

如雨、強(qiáng)烈日光等。在大霧天氣下，信號(hào)衰減可達(dá)到每公里400dB，這使FSO系統(tǒng)的有效工

作距離不到50米，甚至比無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)傳輸距離還要短。因此，F(xiàn)SO需要尋求一種最優(yōu)波長(zhǎng)

頻率，并在通信鏈路中找出波長(zhǎng)與性能的最優(yōu)組合。

(3)傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾突出

FSO傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收端收到的光信號(hào)質(zhì)量越差。目前較遠(yuǎn)距離

的大氣激光通信的研究還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。

(4)激光的安全問(wèn)題

激光束的安全性是FSO系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題。光信號(hào)發(fā)射功率必須限制在保證人類(lèi)

眼睛安全的功率范圍內(nèi)，這也限制了FSO的通信距離。

5 總結(jié)

無(wú)線(xiàn)光通信作為一種快捷的寬帶網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式，已經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。本文簡(jiǎn)單介紹了

無(wú)線(xiàn)光通信的基本概念、系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及在通信領(lǐng)域的應(yīng)用及研究情況，同

時(shí)也分析了其存在的技術(shù)問(wèn)題。

無(wú)線(xiàn)光通信系統(tǒng)將來(lái)的研究將集中在增加傳輸容量、延長(zhǎng)傳輸距離、自動(dòng)方向?qū)?zhǔn)、

降低設(shè)備成本等方面。如果這些問(wèn)題能得到有效解決，那么FSO將發(fā)揮巨大潛能和優(yōu)勢(shì),成

為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。