無線激光通信技術

美國科學家首次在實驗室實現了中紅外線激光的頻率調製，在波長為100吉赫茲（GHz）及以上的光譜範圍內，移動式平台不需要使用光纖也能實現每秒傳輸1000億位元組數據。

最新技術由斯蒂文斯理工學院超速激光光譜實驗室主任、物理學和工程物理學副教授賴納·馬汀尼領導的研究團隊所完成，相關成果發表在最新一期《應用物理學快報》雜誌上，《自然·光子學》雜誌也將重點推介該研究。

隨著高速本地環路網路互聯需求的不斷增長，光纖網路布線難以及成本高的問題日益突出，無線激光通信（owc）技術開始受到青睞。OWC又稱自由空間激光通信（FSO），該技術不用光纖作為傳輸媒介，而是一種在自由空間中用太赫茲(THz，1012赫)光譜範圍內的激光或光脈衝傳送分組數據(數據包)的通信系統。

FSO能提供與光纖傳輸相近的速率，且比光纖線路成本低。由於激光技術的進步、激光器件造價的降低，FSO成為當前熱門的一種新通信技術。但該技術也面臨著一些挑戰，比如光束的傳輸極易受大霧等天氣環境的影響而改變光束的傳輸路徑、降低數據通信的可靠性等。

而對激光束進行調製能讓FSO技術更好地傳輸更多數據。幾年前，馬汀尼團隊實現了中紅外線的幅度調製（AM），但調幅信號容易受灰塵和霧氣的干擾。現在，他們首次實現了中紅外線的頻率調製（FM）。

馬汀尼說：“調幅（AM）傳輸的數據會受環境的影響，但是，影響調幅傳輸的環境並不會影響調頻傳輸的數據，因此更加可靠。新研究使通過調頻傳輸數據成為可能。”

作為方興未艾的FSO技術先驅，馬汀尼團隊希望其技術成果能更好地應用於日常生活中。他們的一個關注重點是，將FSO系統同現有的光纖網路系統整合在一起，使地上和地下的高速激光通訊成為可能。該研究團隊也在著手研發一種相位控制檢波器，以與他們最新製造的相位控制發射器結合在一起，相位控制發射器將製造出一個全新的相位控制系統，使研究人員能管理該系統的方方面面。另外，新研究成果或許也能將化學和生物探測器的探測能力提高100萬倍。

相比於微波通信等其他幾種接入方式，無線激光通信主要優勢包括：

1．無須授權執照

無線激光通信工作頻段在365～326THz（目前提供無線激光通信設備的廠商使用的光波長範圍多在820nm～920nm），設備間無射頻信號干擾，所以無需申請頻率使用許可證。

2．安全保密

激光的直線定向傳播方式使它的發射光束窄，方向性好，激光光束的發散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數據傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截斷，否則數據不易外泄。

3．實施成本相對低廉

無須進行昂貴的管道工程鋪設和維護，其造價約為光纖通信工程的五分之一。

4．建網快速

無線激光通信技術

無線激光通信建網速度快，只須在通信點上進行設備安裝，工程建設以小時或天為計量單位，適合臨時使用和複雜地形中的緊急組網。對於重新撤換部署也很方便容易。

5．協議的透明性

以光為傳輸機制，任何傳輸協議均可容易的迭加上去，電路和數據業務都可透明傳輸。

6．設備尺寸小

由於光波波長短（約零點幾微米到幾十微米），在同樣功能情況下，光收發終端的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重量輕等特點。

7．信息容量大

光波作為信息載體可傳輸達10Gbit/s的數據碼率。Lucent貝爾實驗室不久前演示了其“無線激光通信數據鏈路”，並且創造了在2.4公里的自由空間距離上以2.5Gbit/s的速率無差錯傳輸信息的世界記錄。目前已經商用的無線激光設備，最高速率已達622Mbit/s。

無線激光通信也有其固有的缺點：

1．只能在視線範圍內建立鏈路

兩個通信點之間視線範圍內必須無遮擋，必要的時候需要考慮線路中間將來可能出現的樹木，建築物的遮擋。對於中間存在障礙物而不可直視的兩點之間的傳輸，可以通過建立一個中繼站實現連接。

2．通信距離受限

目前用於地面民用無線激光通信的設備所能達到的距離一般為200m到6000m,受安全發送功率、數據速率、天氣等條件的限制，實際使用的距離要短一些。延長直視的兩點之間的傳輸距離可以通過建立中繼站的方法。

3．天氣影響鏈路的可靠性

天氣因素尤其是大霧所引起的光的色散影響激光通信的可靠性。據測算，當距離在200～500米之間時，全球大部分地區均可達到99.999%的通信要求。

4．安裝點的晃動影響激光對準

樓頂晃動(受日光，風力的影響)將影響兩個點之間的激光對準，使鏈路質量下降。

5．意外因素使通信鏈路的阻斷，可用性受限制

點對點及點對多點模式中，如有一條鏈路被隔斷(如飛鳥經過鏈路空間)，通信將受阻。

1．無線激光主要應用場合

無線激光通信綜合了光纖通信與微波通信的優點，比較適合在城域網中使用。目前的主要應用場合包括:

（1）在不具備接入條件(如：複雜地形)或帶寬不足時提供高效的接入方案

在通信鏈路跨越高速公路、河流、擁擠的城區時，由於地理條件的限制無法敷設光纖線路時，採用無線激光通信可以有效解決。

（2）解決綜合業務接入的“最後一公里”

對智能小區的寬頻接入，大企業Intranet的互連，大客戶的寬頻接入提供一種快速靈活的方案，可提供2～622Mbit/s的帶寬。

（3）提供室內外、臨近區域網之間的互連互通

當兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條通信鏈路，其他通信方式不能較好的解決時（帶寬、價格、線路資源），採用無線激光通信可快速解決。

（4）對於特殊要求的線路進行備份以及應急臨時鏈路和意外恢復

在突發的自然或人為意外災害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復時，或者在一些特殊地方發生突發事件，需要應急通信，採用無線激光通信進行快速的部署。

另外對於一些大型的集會（如運動會、慶祝會等）需要快速建立一些臨時鏈路用於現場通信。

大部分無線激光通信設備向用戶提供的是業務透明的介面，因此，可以適應多種常用的通信協議，可以很靈活的接入數據，話音，視頻業務。

數據網路的互連，適用於Ethernet、FDDI、TokenRingFR等不同協議的網路。

電路業務網路的互連，適用於交換機，移動基站等設備的連接，主要採用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)介面。

閉路監視系統，廣播電視信號的單，雙工的傳輸。

無線激光通信設備的激光通信終端每一側分別包括專用望遠物鏡(Telescope)、激光收發器部分、線路介面、電源、機械支架，部分廠商的設備還包括伺服、監控、遠程管理等部分。

激光通信終端中的光源（Lightsource）主要分為LD（LaserDiode）和LED(LightEmittingDiode),其中LD多採用鋁砷化鉀二極體(AlGaAsLaserDiode)，接收器主要採用PIN(PositiveIntrinsicNegativeDiode)或APD(Avalanchephotodiode)。

另外，部分設備商的產品中集成了伺服裝置，用於安裝調試、組網調整以及由於環境因素引起的基座移動的調整。

2．採用無線激光技術組網通信時需要考慮一些必要影響因素

（1）自由空間損耗(Free-SpaceLoseobstacle)

自由空間損耗是指激光波束在傳播過程中的擴散引起的損耗；解決方法：提高發射功率、增加波束數量、波束聚焦。

（2）基座的偏移

建築物的偏移：由於日光、風力、季節的變化引起建築物及固定基座發生偏移，通常最大4Mrad/2層樓。解決方法：自動跟蹤、改變波束聚焦。

（3）衰減(Attenuation)

在不同氣象條件下，空氣中的微粒會對激光的傳播形成不同的衰耗。表1是典型天氣條件下的數值。

（4）閃爍（scintillation）

500m之內的閃爍影響不明顯，大於500m則影響較大。

（5）空氣散射（scattering）

激光波束在傳播路徑上由於空氣溫度的差異而引起介質的折射率不同導致波束的散射產生的損耗。解決方法：縮短路徑；傳播路徑避免經過排風口、煙囪、高溫屋頂、管道等。

（6）背景雜訊

在無線激光通信組網過程中，當部分終端的位置需要俯仰或東西朝向時，會遇到日光照射到終端的接收器上，日光形成的背景雜訊對正常通信有一定的影響。

另外，由於不同設備廠商在不同型號（傳輸速率）的設備上採用不同的激光器（LED/LD）和接收器（PIN/APD）,在相同的天氣條件下所能達到的通信距離不盡相同，考慮到天氣及環境因素的變化，在保證誤碼率的前提下，應留出一定的裕量。

激光的直線傳輸和擴散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能會在傳輸的路徑中間或在光束的擴散區域中，接受器直接置於傳輸路徑中間可能會導致傳輸中斷，在擴散區域，由於衰耗較大，需要較高的接收靈敏度。另外，部分廠商採用了特殊的編碼，用以保護數據的安全。激光對人體的危害，尤其是對眼睛的損傷，其損傷程度可以使眼睛視力降低，甚至完全失明，但這種損傷並非所有量級激光能引起，而是有一最低限度——即致傷閾值，只有當激光能量密度或功率密度超過此閾值時才能對眼睛造成傷害。激光器的級別分類提供了一個安全的參考值。

無線激光通信填補固定無線通信方式（受頻率資源許可、價格、帶寬等限制）與光纖通信方式（特殊地形、建網時間等限制）之間的空白。可以靈活、快速地建立通信鏈路。因此，在調查和了解使用過程中不同條件和要求（傳輸的距離、用戶要求的傳輸速率、誤碼率、可用時間等，當地的氣象條件如降雨、雪、霧、塵的天數及程度，附近鳥群等）的情況下，可以充分考慮採用採用無線激光通信的方式組網，迅速建立一個有效覆蓋、能夠為用戶提供端到端的網路綜合接入服務能力的寬頻接入網路。