無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用.doc

_無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用一、無線光通信技術(shù)發(fā)展歷史光在空氣中直接傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q之為無線光通信。也就是利用激光束作為信道在空間（近地或外太空）中直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息雙向傳送的一種技術(shù)。又稱為“自由空間光通信”（Freespace optical unicanon）或虛擬光纖（VirtualFiler）。無線光通信的出現(xiàn)比無線電通信要早得多。在兩千七百年前的周幽王時(shí)代，就有了利用烽火臺(tái)通信的方法。這是人類最早利用無線光通信的典型方式。后來，雖然人類社會(huì)的文明程度和科學(xué)技術(shù)得到了很大的提高，但是簡單的利用光傳遞信息的方式仍然在廣泛使用，例如紅黃綠交通信號(hào)燈、旗語等。不論是烽火臺(tái)，還是交通紅綠燈、旗語，它們都是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。這些都是非常原始的無線光通信方式。其后許多年，無線光通信幾乎沒有什么太大的發(fā)展。盡管如此，人們?nèi)匀粵]有對(duì)無線光通信失去興致。以發(fā)明電話而著名的貝爾，在1876年發(fā)明了電話之后，就想到利用光來通電話。1880年，他利用太陽光作光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，成功地進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn)，通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213m。1881年，貝爾宣讀了一篇題為關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的產(chǎn)生與復(fù)制的論文，報(bào)導(dǎo)了他的光電話裝置。在貝爾本人看來：在他的所有發(fā)明中，光電話是最偉大的發(fā)明。這被認(rèn)為是近代無線光通信的開始。1930年至1932年間，日本在東京的日本電報(bào)公司與每日新聞社之問實(shí)現(xiàn)了3 6kn，的無線光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，無線光電話發(fā)展成為紅外線電話，因?yàn)榧t外線肉眼看不見，更有利于信息保密。利用光在大氣中傳送信息方便簡單，所以人們開始研究的光通信都是這種方式。但是光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，信號(hào)傳輸受到很大阻礙。此外，太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源，因?yàn)閺耐ㄐ偶夹g(shù)上看，這些光都是帶有“噪聲”的光。也就是說，這些光的頻率不穩(wěn)定、不單一，光的性質(zhì)也很復(fù)雜。因此，要用光來通信，必須找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。在此后的幾十年中，由于這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，無線光通信就一直裹足不前。也正因此，貝爾的光話始終沒有走上實(shí)用化的階段。1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質(zhì)與電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。激光器的發(fā)明對(duì)無線光通信的研究工作產(chǎn)生了重大的影響。研究現(xiàn)代化無線光通信的時(shí)代也從此開始。20世紀(jì)60年代后，隨著人們對(duì)通信的要求變得越來越強(qiáng)烈，無線光通信獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。許多實(shí)驗(yàn)室用氫-氖氣體激光器做了傳送電視信號(hào)和20路電話的實(shí)驗(yàn)。也有的公司制成了語言信道試驗(yàn)性通信系統(tǒng)，最大傳輸距離為600米。到70年代初無線激光通信己進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展階段。然而1970年半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，使光纖通信開始從理想變成可能，這立即引起了各國電信科技人員的重視，他們競相進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mb/s。這也同時(shí)標(biāo)志著無線光通信的研發(fā)開始轉(zhuǎn)向外太空光通信，近地的無線光通信工作幾乎停滯。20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)固定無線應(yīng)用的關(guān)注和對(duì)高速率的要求，無線光通信技術(shù)因其具有獨(dú)到的優(yōu)勢，在固定無線寬帶接人技術(shù)中，能為寬帶接人的快速部署提供一種靈活的解決方案，又得到了極大的關(guān)注。其應(yīng)用范圍己從軍用和航天逐漸邁人民用領(lǐng)域，技術(shù)也在得以逐步完善。二、基本工作原理1880年，貝爾的光電話用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息調(diào)制在光波上。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。這是無線光通信的基本工作原理?，F(xiàn)代無線光通信設(shè)備的每一端分別包括專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、激光收發(fā)器、線路接口、電源、機(jī)械支架等部分組成。一些廠商的設(shè)備還包括伺服機(jī)構(gòu)、監(jiān)控裝置、微波備份及遠(yuǎn)程管理軟件等部分。激光收發(fā)器的光源主要采用LD和LED，其中的LD多采用鋁砷化鉀二極管、DFB，接收器主要采用PIN或APD。三、技術(shù)優(yōu)勢與劣勢1、技術(shù)優(yōu)勢相對(duì)于常用的數(shù)字微波、銅纜數(shù)字用戶線、光纖等其他幾種接入方式，無線光通信主要優(yōu)勢有：良好的安全保密性，由于激光的高指向性使它的發(fā)射光束極窄，方向性很好。通常激光光束的發(fā)散角都在毫弧度，甚至微弧度數(shù)量級(jí)，因此具有數(shù)據(jù)傳遞極高的保密性。無微波頻段的許可證，因?yàn)闊o線光通信的工作頻段在350THz，設(shè)備間無射頻信號(hào)干擾前無需申請(qǐng)頻率使用許可證。運(yùn)營成本相對(duì)低廉， 由于無須進(jìn)行昂貴的管道工程鋪設(shè)和維護(hù)，使得其造價(jià)約為光纖通信工程的五分之一。架設(shè)迅速無線光通信架設(shè)、組網(wǎng)速度快，只須在通信節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，工程建設(shè)以小時(shí)或天為計(jì)量單位，尤其適合作為光纖通信的應(yīng)急故障后備及臨時(shí)構(gòu)造大容量的通信鏈路。重新撤換部署也很方便。透明的傳輸協(xié)議對(duì)于任何傳輸協(xié)議均可容易的迭加，電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都可透明傳輸。設(shè)備尺寸小，由于光波的波長短，在同樣功能情況下，光收發(fā)天線的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，同時(shí)功耗小，體積小，重最輕。信息容量大，光波作為信息載體可輕易傳輸高達(dá)10Gb/s的數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)商用無線激光設(shè)備，最高速率已達(dá)2 5Gb/s。實(shí)驗(yàn)室里最高傳輸速率已達(dá)160Gb/s。2、技術(shù)劣勢當(dāng)然，無線光通信也有其固有的劣勢：天氣影響通信質(zhì)量天氣因素尤其是大霧、沙塵暴等所引起的光的色散、漫反射將極大影響光通信的質(zhì)量。通信距離受限 目前用于近地的民用無線光通信的設(shè)備所能達(dá)到的距離受人眼安全的發(fā)射功率、成本、數(shù)據(jù)速率、天氣條件等的限制，一般為100m-5kmm，延長傳輸距離也可以通過建立中繼站的方法。只能在視距范圍內(nèi)建立通信鏈路兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間視距范圍內(nèi)必須無遮擋。對(duì)于中間存在障礙物而不可直視的兩點(diǎn)之間的傳輸，可以通過建立一個(gè)中繼站實(shí)現(xiàn)連接。安裝點(diǎn)的震動(dòng)影響樓頂搖晃、振動(dòng)可能會(huì)影響兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，使通信質(zhì)量下降甚至?xí)簳r(shí)中斷。意外因素可能使通信鏈路中斷如飛鳥等障礙物經(jīng)過鏈路空問，通信可能會(huì)瞬間中斷?？傊捎跓o線光通信設(shè)備固有的特點(diǎn)，在眾多接入方式中具有比較明顯的優(yōu)勢。四、應(yīng)用領(lǐng)域與傳統(tǒng)的租用線路比較，無線光通信綜合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)其最大優(yōu)勢（寬帶寬）與最大劣勢（短距離），定位在城域接入網(wǎng)、交換機(jī)和移動(dòng)基站等設(shè)備的連接、閉路監(jiān)視系統(tǒng)、廣播電視信號(hào)的單、雙工的傳輸中使用?？梢院莒`活的接人數(shù)據(jù)、話音、視頻業(yè)務(wù)。其益處在于長期費(fèi)用的節(jié)約和對(duì)數(shù)據(jù)吞吐能力的增長。目前的主要應(yīng)用場合包括：對(duì)于特殊要求的線路進(jìn)行冗余備份以及應(yīng)急時(shí)鏈路和意外恢復(fù)：在突發(fā)的自然或人為意外災(zāi)害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復(fù)時(shí)，或者在一些特殊地方發(fā)生突發(fā)事件，需要應(yīng)急通信，采用無線光通信進(jìn)行快速的部署。提供室內(nèi)外、臨近局域網(wǎng)之間的互連互通：當(dāng)分布在兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條企業(yè)內(nèi)部通信鏈路，受價(jià)格、帶寬、線路資源等因素和其他通信方式不能較好地解決時(shí)，采用無線光通信就可快速解決。解決綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)（FSN）接入的“最后一公里”：對(duì)智能小區(qū)的寬帶接入，大企業(yè)Intmnet的互連，校園網(wǎng)的互連，大客戶的寬帶接入等提供一種快速靈活的方案，可提供2Mbs2.5Gbs的帶寬。在不具備接入條件或帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案：在通信鏈路跨越高速公路、鐵路、河流、峽谷、海灣或擁擠的城區(qū)時(shí)，由于地理?xiàng)l件的限制無法敷設(shè)光纖線路時(shí)，采用無線光通信可以有效解決。用于移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)基站與交換中心的互聯(lián)。用于一些大型集會(huì)如運(yùn)動(dòng)會(huì)、展覽會(huì)、慶祝會(huì)等需要快速建立一些臨時(shí)鏈路用于現(xiàn)場通信的場合。五、結(jié)束語無線光通信填補(bǔ)了受頻率資源許可、價(jià)格、帶寬等限制的無線通信方式與受地形、建網(wǎng)時(shí)間等特殊限制的光纖通信方式之間的空白。在一些情況下可以解決其他方式無法解決的問題?？梢造`活、快速地以較小的投資