无线激光通信技术范文

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中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-1888-02

无线光通信（Wireless Optical Communication，WOC）是一种以光信号为载体，结合现代电信号处理技术，光信号处理技术，信号传输检测技术，光学器件设计制造技术，实现信息无线传输的现代通信技术[1]。较普通无线通信技术，具有通信速率高，抗干扰性强，保密性好，无电磁干扰，无需频率许可等众多优点，适用于目前业务数据需求量大幅提高，通信环境干扰强，安全保密性要求高，频率资源紧缺的商用和军用无线通信领域，受到国内外研究机构商业公司越来越广泛的关注[2]。

无线光通信按光信号频率波段可分为红外光，可见光和紫外光无线通信。按其使用领域可分为：空间无线光通信，主要研究以激光信号为载体的卫星间，星地间信息通信技术；大气无线光通信，主要研究光纤“最后一公里”接入技术，城市楼宇间无线通信技术和街道智能交通控制技术；水下无线光通信，主要研究潜艇，鱼雷水下无线通信技术；室内无线光通信，主要研究楼宇内定位导航，室内高速无线数据通信技术。

1 研究现状

美国、欧空局各成员国、日本等国都对卫星光通信技术极其重视，对空间光通信系统所涉及的激光器技术、调制技术、同步技术、检测技术等各项关键技术展开了全面深入的研究，完成了空间激光通信链路的概念研究，已实现了低轨卫星对同步卫星的低、中码速率激光通信实验和进行低轨卫星对地面站的激光通信实验。由于LED固体照明技术的发展和成本的降低，基于LED的大气室内无线光通信正成为国际热点研究课题[3]。

日本于2003年11月成立可见光通信联盟（Visible Light Communications Consortium， VLCC），研究基于LED的可见光通信技术及其相关标准，旨在确立光无线环境的整合性，强化日本在光技术领域的影响力，扩大可视光通信的利用领域和早日达到实用水平[4]。

IEEE 802.15无线个人局域网（Wireless Personal Area Network， WPAN）小组也于2009年1月成立了可见光通信研究组（Task Group 7， TG7），研究制定可见光通信系统物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的协议标准。

德国西门子公司于2010年1月宣布在实验室实现数据传输速率高达500Mbps，通信距离为5M的近距离单一高亮度白光LED无线通信，比目前最高速度超出2.5倍，并预计将于2010年年内使用5个高亮度白光LED完成通信距离为10M，数据传输速率为100Mbps的较长距离无线通信[5]。

美国加州大学于2010年1月成立的光通信研究中心（Ubiquitous Communication by Light Center， UC-Light），也正致力于适用于城市室内照明，智能交通系统，广告等多个领域的下一代高亮度LED无线通信系统的研究。

国内无线光通信技术的研究现在正处于起步阶段，主要集中在基于激光的空间，大气无线光通信，还没有基于LED的大气，室内无线光通信方面的报道。现有比较成熟的单位有：桂林三十四所，中科院成都光电技术研究所，深圳飞通有限公司，上海光机所，北京大学量子电子学研究所，武汉大学激光通信实验室等。

桂林三十四所主要进行军品的研究，就现在推出的大气激光通信机样机也是在军品的基础上进行民用化改造完成的。它的样机在2001年2月由主管部门进行设计定型，现在已经有部分投入试用。它的产品的主要性能参数有以下一些，传输速率：8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波长：850nm；通信距离：1～4Km；光发射功率：小于40mW。

中科院成都光电技术研究所引进国外公司先进的激光器及其附属电路，利用自己在光学器件上的优势，开发出了工作波长为850nm，可以传输1公里、4 公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数是，速率：10Mb/s；工作波长：850nm；通信距离：1～4km；光发射功率：3～30mW。

上海光机所承担的“无线激光通信系统”项目在2003年1月13日通过了验收。该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以达到 622Mb/s，通信距离可以达到2Km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2s。

北京大学量子电子学研究所也已经开展了星际光通信系统和地面光通信系统的研究，研究原子滤光器对系统工作频段、系统性能和工作原理的影响，研究系统建立星际通信捕获、跟踪、瞄准过程。在原子滤光器的研究方面具有世界先进水平，所完成的卫星光链路采用原子滤光器的新方案新颖且具有更窄带宽和滤光能力。

哈尔滨工业大学（系统模拟和关键技术研究）、清华大学（精密结构终端和小卫星研究）、电子科技大学（侧重于APT技术研究）、华中科技大学、南京大学和广东工业大也均有相关的研究。

虽然现在国内已经有较多关于光无线通信技术的研究高校院所，但大都是基于激光信号的相关技术，还未有任何基于LED光信号的相关技术研究。基于激光的无线通信对光学器件要求较高，设备昂贵，成本较高，处于对人体健康，特别是眼睛安全的考虑，激光信号的功率一般受到严格的限制，只适用于一些特殊的通信场合。基于LED光的无线通信系统特别是基于可见光的无线通信系统，可以结合街道室内等照明系统，同时实现高速数据通信和人工照明[6]。同时LED器件发光效率高，节约能源，价格低廉，使用于照明系统时对人体健康安全无害，没有功率限制，是一种最具潜力的绿色现代高速信息通信技术[7]。

2 关键技术

无线光通信系统旨在实现一套基于激光和LED光的高数据传输率，高稳定安全保密的大气和室内无线通信系统，涉及现代电信号处理技术，光信号处理技术，信号传输检测技术，光学器件设计制造技术。研究的关键技术主要包括：

1）通信信道研究：主要研究通信信道的通信特性，包括噪声种类，来源，强度，特性，空间时间损耗，信道容量的分析和相应抑制技术的研究。无线光通信信道根据应用领域可分为大气通信信道和室内通信信道。大气通信信道主要有雨雪云雾等天气现象的光信号吸收传输衰减，大气湍流的闪烁，空气分子悬浮物等的散射，房屋树木的遮蔽，太阳路灯等自然人造光源的背景噪声，通信设备暗电流噪声量子噪声等干扰。室内通信信道较大气通信信道简单，主要有空气的吸收湍流，墙壁天花板以及桌椅等的吸收，反射，散射等现象，太阳光电视显示器等自然人造光源的背景噪声， 通信设备暗电流噪声量子噪声等干扰。

2）调制编码技术研究：主要研究基于光信号的高数据传输率，高稳定性，低误码率的调制解调，编解码技术。根据光源器件的特性，通信信道的特性研究设计适合光源器件的调制解调技术和符合光无线通信信道特性的高效高纠错率的编解码技术，以及调制编码结合的通信技术。

3）信号同步检测技术研究：主要研究光信号的同步，检测判决和噪声抑制技术。主要有扫描、对准、捕获技术，信号同步技术，信道噪声抑制技术，信号检测判决技术，信道估计均衡技术等。

4）通信器件设备研究设计：主要研究设计适用无线通信系统特性的设备元件。结合通信信道，调制编码技术，信号同步检测技术的研究结果设计相关的光源驱动电路元件，调制解调电路元件，编解码电路元件，光信号发射接收天线，接收滤波器等相关设备。

5）PHY层，MAC层等通信协议研究：主要研究设计适用于无线通信系统特性的PHY层，MAC层等通信协议。结合通信信道，调制编码技术，信号同步检测技术的研究结果设计制订通信设备间通信逻辑链路建立，码速率控制，通信帧结构，单双工通信，冲突检测，与光纤射频等通信设备的接口等PHY层，MAC层等通信协议标准。

6）网络拓扑及组网应用技术研究：主要研究多个通信设备间的网络拓扑结构，组网技术，与光纤射频等通信系统的组网交互技术。包括多个用户间的通信组网技术，高速光纤“最后一公里”无线接入技术，楼宇间街道间网络拓扑技术，楼宇内定位导航系统等应用技术。

3 总结

本文介绍了一种新型的基于激光和LED光的高数据传输率，高稳定安全保密的大气和室内无线通信系统，具有通信速率高，抗干扰性强，保密性好，无电磁干扰，无需频率许可等众多优点。在对比分析了以美国、日本、欧洲为代表的国外研究现状和国内研究进展基础上，分析说明了无线光通信包括信道建模技术、调制编码技术、同步检测技术、器件设计等多项关键技术，及其研究方向。

参考文献：

[1] Rust I C， Asada H H.A dual-use visible light approach to integrated communication and localization of underwater robots with application to non-destructive nuclear reactor inspection[J].in Proc. Robotics and Automation （ICRA）， 2012 IEEE International Conference on 2012：2445-2450.

[2] Perez-Jimenez R， Rufo J， Quintana C， et al.Visible light communication systems for passenger in-flight data networking[J].in Proc. Consumer Electronics （ICCE）， 2011 IEEE International Conference on 2011：445-446.

[3] Borogovac T， Rahaim M B， Tuganbayeva M， et al.visible light communications[J].in Proc. GLOBECOM Workshops （GC Wkshps）， 2011 IEEE 2011：797-801.

[4] Komiyama T， Kobayashi K， Watanabe K， et al.Study of visible light communication system using RGB LED lights，" in Proc. SICE Annual Conference （SICE）， 2011 Proceedings of 2011：1926-1928.

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【关键词】无线光通信 语音传输 激光内调制 幅频特性

无线激光通信是利用激光作为载波在空间直接进行语音、数据、图像等信息的双向传送的一种通信技术，它不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，是目前通信领域研究的热点之一。本文基于光通信基本原理，设计出一套无线激光语音通信系统，以激光内调制为工作模式，进行音频信号的传输。该系统体积小，易于携带、调节，使用更直观、方便。

1 基本理论

无线激光通信系统由发射系统、接收系统以及自由空间传输三部分组成。发射系统的核心部分包括：放大器、激光器、 A/D转换。接收系统的核心部分包括：光电探测器、低噪声前置放大器、D/A转换。探测器将接收到的微弱信号进行光电转换，由光信号转换为电信号进行输出，再经低噪声前置放大器进行放大、解码，还原为原来信号进行输出。

2 硬件设计

2.1 发射系统的硬件设计

发射端采用的电路板电压为5V，半导体激光器波长为650nm，其余器件的参数如图1所示。音频信号通过电容器C4送到三极管Q1的基极，使三极管的基极电流随着音频信号的变化而变化。这样使接在三极管集电极上的激光发射二极管中的电流受到音频信号的调制，把待传输的信号放大至激光管的线性工作区，加载到半导体激光器两端。

2.2 接收系统的硬件设计

接收发射端采用LM386芯片作为放大电路的核心部分，电路板电压为5V，光敏电阻选择硫化镉光敏电阻MG45，其余器件的参数如图2所示。其中电阻R7从输出端连接到V2的发射极，形成反馈通路，并且与R5和R6构成反馈网络。引脚7端接一个电解电容到地，起滤除噪的作用。

3 通信光路设计

由于实验是在实验室进行的，传输距离较短，故激光的发射角较小，只需在接收端的光电探测器前放置一个焦距为75mm，直径为25.4mm的双凸透镜作为接收天线，将光会聚到探测器的光敏面上。

4 性能测试

用信号发生器给一个通道输入正弦波，改变输入正弦波信号频率，同时在接收机的音箱处用示波器监测输出信号的幅度，用MATLAB软件作图得到图3所示的幅频特性，可以看出在频率f=2kHz时的幅度最大，大约为515mV。由于选取的半导体激光器和光探测器具有一定的响应时间和延时作用，因此此系统一定存在一个极限传输频率。我们测得该系统在信号频率大于20kHz时，出现了较为严重的失真现象。当输入正弦波信号频率f=1kHz时，改变输入正弦波信号幅度，测量输出信号幅度随之变化情况如图4所示，当输入信号大于6V时，输出信号基本保持不变，大约为700mV。

6 结论

自制了一套无线激光通信语音传输系统装置，传输的音质良好，测量并分析了该系统的频率极限、幅频特性和动态特性，用MATLAB绘制出了系统的传函曲线和动态特性曲线，截止频率大约为20kHz，传函曲线表明当信号频率f=2kHz时的幅度最大，动态特性曲线表明当输入信号大于6V时，输出信号基本保持不变，大约为700mV。

参考文献

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光通信分为有限光通信和无线光通信两种，有线光通信即光纤通信，已经成为广域网，城域网的主要传输方式之一。无线光通信又称为自由空间光通信。（FSOfreespaceopticalcommunication）。FSO技术以激光为载体，用点对点或者点对多点的方式来实现连接。

一、无线光通信的简介。

光通信的出现其实比无线电通信还要早一些。波波夫发送与接收第一封无线电报是在1896年。但是已发明电话而著名的，家喻户晓的贝尔，在1876年发明电话之后，就想到了利用光来通电话的问题。1880年，他利用太阳光作为光源，用硒晶体（为一种链状自然金属单质矿物、三方晶系，空间群为93.21，晶体沿Z轴延长呈针状、柱状、灰色、条痕红色，解理平行三组完全，晶体易弯曲，具挠性。莫氏硬度2.25～3。密度4.8克/立方厘米，为硒化物的风化产物，由硒铅矿变来，常与褐铁矿共生。）作为光的接收器件，成功的完成了光电话的试验。而通话的最长距离已经达到了213米。在笔者看来，在贝尔毕生的发明中，光电话应该当之无愧为最伟大的发明。

无线光通信的系统组成可如图所示

如图可以看出，一个无线光通信系统包括三个基本的组成部分，发射机，信道和接收机。FSO系统的传播介质是大气，它是凭借大气进行光的信号传播。所以，只要在发射机和接收机之间存在足够的光发射功率，并且存在无遮挡的视距路径，就可以完成FSO的通信了。

对于一个无线光通信的系统来说，最经常使用的光学波长为近红外光谱―850nm，如若要支持更大的系统功率的话，也可以使用红外光谱―1500nm的波长。在FSO点对点的传输过程中，发射机和接收机的设置都是双向的，即每一端都可发射光信号和接受光信号。以便于实现双边通信。而FSO所采用基本技术则是光电的转换（photovoltaicconversion），光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。这一过程有两种解决途径，最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置，另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。染料分子吸收光子能量后将使半导体中的带负电的电子和带正电的空穴分离。

二、FSO系统的一些关键技术。

FSO的关键技术主要包括：高功率激光光源技术，光收发天线和精密可靠的光束控制技术，大气信道的研究，高灵敏度的信号探测和处理技术，高精度的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术等。

高功率激光器的选择是FSO技术中十分重要的一环，激光器是用来产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直对通信质量及通信距离有着十分重要的影响，对系统整体性能影响更大，因而对它的选择是一个重点。空间光通信的传输距离长，空间损耗大，因此激光器输出功率大，调制速率高是对光发射器的一个重要要求。

一般用于空间通信的激光器有三类，其中的.二氧化碳激光器。，输出功率最大（>10kw），输出波长有10.6m、9.6m，但缺点是体积较大，寿命较短，因为它只适合于卫星与地面间的通信而不适合FSO系统的运用。

快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术，是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。该系统的组成包括两个部分：捕获（粗跟踪）系统。“它比较适合在较为宽广的范围内捕获目标，捕获范围约达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并常与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。捕获的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad；”跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在最终完成目标捕获后，对相应目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百ad，跟踪精度为几rad，跟踪灵敏度大约为几nW。

大气信道：对于大气对激光通信信号的干扰的分析比比较有局限性，目前仅存在于大气的吸收和散射等，很少涉及到大气湍流所引起的一系列问题比如闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等。其实这些因素都直接影响着接收端信号的信噪比，进而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。因此，笔者认为有必要在这方面进行更加深入的探讨，并合理提出以上问题的解决方案。例如，采用自适应光学技术就是一个非常不错的研究方向。

三、FSO系统的优点与不足。

FSO系统是不需要向无线管理委员会申请频率执照的，所有比其他的技术都要便捷很多，而且该系统所使用的机型小巧，容易架设。能够很便捷的解决宽带接入的问题，不失为一种省钱省时省力的好方法。

1.FSO系统的频带很宽，速率很高。这是由于FSO系统的传输介质与其他的不同，它是以空气为传输介质的，所以所产生的阻碍会相对于光纤传输会更小，在相同的带宽之下，有着更大的优势。

2.FSO系统适合多种通信协议，在之前的通信系统中，一个普遍的比较麻烦的问题就是依赖与某种协议，但是FSO系统完全突破了这一限制，在现今通用的通信网络中，比如以太网，ATM等，都支持FSO的传输速率。

因此又节约了一大批的资源成本。

3.FSO系统的搭建相当方便，不论是在江河海滩上，还是办公大楼，屋顶上均能方便的架设，除了能实行地面架设以外，更不可思议的是可以直接进行空间架设。并且架设时间相当短，一般几个小时之内便可以完成，大大节约了人力资源成本。

4.FSO系统的安全性能高，由于该系统具有非常窄的波束以及良好的方向性，因此很难以扰或者窃听。同时，相对于价格昂贵的光纤网络来说，FSO系统的成本很低，大概只有光纤系统的百分之二十的成本。

此外，FSO系统在很多方面都可以得到合理的运用，比如可以用于军事设施或者国家保密部门的内部系统，用于施工难度高，技术难度大的省市或者边远地区，还可以作为防止光纤通信服务以外中断的后备计划，以及用于公司内部，家庭内部的局域网的连接。

当然，任何的网络通信系统都是有自身的缺点和不足的，FSO作为一种通信技术，自然界对其影响还是很大的。因为激光对位置的精准度要求很高，如果由于大自然的风，雨，雷等原因而造成了激光发射器或者接收器位置的稍微偏离，便会影响光信号的对准与接收。除了恶劣的天气，空气质量也是影响其工作的因素之一，空气中的散射粒子同样的会使发出的光信号产生偏差，所以FSO系统对于空气质量也是有一定的要求的。

由于FSO系统多半是用于短距离的传输，因此长距离传输也就成为了它的弱点。这使得该系统的运用范围变得很窄。同时，由于是采用激光技术，对人体的安全也是不容忽视的因素之一。

中国的FSO技术引进时间比较晚，所以无线光技术到目前为止仍然处于研究起步的阶段，尚未投入到大规模的使用和生产。少数的几家公司率先实验制制作出了成品，但是也还没有投入到生产。究其主要的原因，还是对该技术存在着技术拿捏上的不足以及对其可靠性有所怀疑，因而不敢进行大规模的使用。但是，在笔者看来，无线光通信在国外已经有了良好的发展，说明其大规模的使用已经成为了必然的趋势。它的便捷性，快速性以及对成本的要求较低，使得其成为了不可代替的一种通信技术手段。笔者相信，经过广泛的研究和对突出问题的解决，FSO技术将在国内有着非常大的发展前景。（作者单位：华中科技大学文华学院）

参考文献：

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新技术的发展推动了社会文明的进步，当前的激光通信技术已在诸多的领域得到了应用，激光通信技术主要就是以大气或者是自由空间作为媒介，然后通过载波激光在大气中传输有效的信息。也就是先将声音信号调制到激光束上，再将信号的激光发送出去。根据不同的应用范围能够将激光通信分为无线和光纤两种类型的激光通信[1]。

1.2激光通信技术的主要特征分析

激光通信技术自身有限鲜明的特点，激光通信技术在安装方面较为简单，在地形地貌等应用上的适应性比较强。能够对各种临时性的通信以及迅速抢险通信等条件得到满足。和微波通信相比较而言激光通信在空间上的占有资源也相对比较小。并且在抗电磁干扰以及保密性方面都比较强，这些优点使其在实际的应用上比较广泛，在未来的发展过程中这也是一个必然的趋势。

2激光通信技术在实际生活中的应用及前景展望

2.1激光通信技术在实际生活中的应用分析

在激光通信技术的实际应用是多方面的，无线激光通信主要是综合了光纤通信以及微波通信的优点，所以在城域网当中的应用就比较适合。在企事业当中的内部网的连接当中能够得到有效应用，校园网以及大型的企业等内部网的建设过程中，有时会存在着急需连接使用通信的情况，在一定的程度上激光通信技术是光纤技术的一种补充，在城市化的发展速度不断加快过程中，楼寓间的通信和移动间的通信倘若是利用光纤就比较的麻烦，并且还会影响城市外观环境，在通信盲区情况下通常是采用光纤直放站加以应对，这样就能够将光纤和激光通信技术两者得到补充应用，从而形成两个基站间的链路。另外，将激光通信技术在移动通信当中进行应用也能够起到很好的效果。在现阶段我国的通信领域当中，最为活跃以及发展最为快速的就是移动通信。在移动电话使用量不断上升的情况下，这给无线网络的容量和带宽提出了更高的要求，怎样能够将有限的资源得到充分利用，这也是当前的移动运营商所面临的重大课题。

激光通信技术作为一种新型的接入技术，其自身有着显著的优点，这也为移动通信领域对其的应用提供了良好的条件。在具体的应用过程中，主要就是将主干网在最近距离的天线间采取光纤进行对其连接，然后通过协议转换器通过相应的设备和天线得到有效连接，这样在一定距离内就能够形成一个有效的基站，进而就能够在这一技术的作用下实现应用。再者就是在高压电工作过区当中的应用，在这一应用当中的作用主要就是采集以及传输信息，在实际工程应用过程中将供电站的变压器工作数据传输到低压区加以检测，倘若是通过光纤进行实施就会造成环境的污染以及表面聚集尘土而发生导电情况发生。所以在这一情况下，通过激光通信技术就比较优越，能够通过空气隔离的方法绝缘，这样就能够实现安全可靠对数据进行传输[3]。在具体的应用步骤上主要就是把光发射天线安装在高压区，接收天线安装在低压区，这样就可以通过高压发射天线在空气的媒介下传递给低压的接收天线，这样就实现了信息数据的传输。

2.2激光通信技术的发展前景展望

随着我国的科学技术不断的发展，激光通信技术在应用的空间上也会逐渐的扩大，不管是在应用的领域还是研究的领域都将会取得更加优异的成果。在将来的激光通信技术的发展前景方面，激光通信技术的应用将更加广泛，这也是通过这一技术自身的优势决定的。其中对远距离的无线传输问题得到了解决，并实现了卫星技术和激光通信技术的共相发展，这些对位激光通信技术的进一步发展打下了坚实基础。在激光通信技术的不断完善过程中，这一技术将会成为城市网络通信的一个重要手段。以往的光纤技术的应用过程中，为人们的生活提供了很大的方便，但社会的进步不能停留于这一层面，尤其是当前的城镇化建设的速率加快，光纤技术在实际的应用上已经显得愈来愈存在着不足。而激光通信技术避免了影响交通、建筑等弊端，并对环境没有危害，在安全性能上相对较高，所以在将来的技术不断完善下，激光通信技术将会取代光纤技术，为城市的网络化建设提供技术上的重要支持。与此同时，激光通信技术的不断发展完善，将会在通信的领域范围内带来一场技术上的变革。在通信的领域当中，一些新技术的涌现，将会对通信产业的发展产生很大的影响，从而推动其变革，使得技术上的革新成为是通信领域发展的一个主流。最终，愈来愈多的通信技术的涌现，将会对通信领域的发展在技术上得到强有力的保障。

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中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）21-0365-01

1 前言

随着信息化社会的到来，通信技术也得到了日新月异的发展。在过去的几年中，人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，成为广域通信网的骨干网络，如今在广域通信网中80%以上的信息是通过光纤传输的。但是从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"，如果铺设光缆，不仅花费大而且耗时；许多无线通信技术可以解决"最后一英里"的问题，但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照，不仅要使用户支付大量的频率占用费，而且申请也要花费数月的时间。

2 无线光通信系统的构成

无线光通信系统是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，就可以进行通信。

一个无线光通信系统包括三个基本部分：发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。对基于FSO的系统来说，最常用的光学波长是近红外光谱中的850nm；还有一些基于FSO的系统使用1500nm的波长，可以支持更大的系统功率。

3 无线光通信系统的特点和优势

3.1 频带宽，速率高

从理论上讲，FSO的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同，只

是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输，而FSO的光信号在空气

介质中传输。FSO产品目前最高速率可达，最远可传送4km。

3.2 频谱资源丰富

与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传输，有相当丰富的

频谱资源，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费，这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。

3.3 适用任何通信协议

适用于任何环境，不依赖某种协议。现在通信网络常用的SDH、

ATM、以太网、快速以太网等都能通过，并可支持的传输速率，用于传输数据、声音和影像等各种信息。

3.4 架设灵活便捷

FSO可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。

3.5 安全可靠

无线光通信的安全性是非常显著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。

3.6 经济

光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。

4 无线光通信系统存在的问题

FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也会导致发射机和接收机无法对准。

恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的发射功率。

传输距离与信号质量的矛盾非常突出，传输距离越大，光束就会越宽，接收的光信号质量越差。

激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。

5 无线光通信发挥的应用范围

可以作为预防服务中断的光纤通信和微波通信的备份；可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；应用于近距离高速网的建设以及最后一英里接入；不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方；在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合；用于企业内部网互连和数据传输。

6 国内外研究现状

Canon主要产品有：CanobeamDT-50，速率从25Mbit/s到

622Mbit/s，可连接FastEthernnet、FDDI、ATM。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。CanobeamIII：数据速率达到622Mbit/s，有不同的网络接口，如ATM、FDDI、FastEthernet，并可选择SNMP的TCP/IP。

桂林三十四所产品的主要性能参数有以下一些，传输速率：8Mbit/s，34Mbit/s，155Mbit/s；工作波长：850nm；通信距离：1～4km；光发射功率：小于40mW。

中科院成都光电技术研究所，开发的产品主要性能参数有传输速率：10Mbit/s；工作波长：850nm；通信距离：1～4km；发射功率：3～30mW。

深圳飞通有限公司开发出的样机，其速率有155Mbit/s、622Mbit/s以及几种，通信距离最远可达4km。

7 FSO研究的发展趋势

FSO目前存在的问题主要集中在下面几个方面：针对大楼摆动的瞄准问题；大气中粒子对光线的散射、吸收问题；提高传输速率问题。这些问题影响了传输的可靠性，所以对这些问题的研究成为FSO的发展方向。

7.1 发射、接收的瞄准的研究

在大风中或因地震引起大楼的摆动，发射机发送的光信号对不准接收机，产生的误差大，甚至通信无法实现。目前的研究方向在于提高激光的瞄准，怎样利用非机械装置来实现精确的对准和快速瞄准；在接收机方面，散射光线也带有信息，接收散射光线越多，接收的信号能量越大，但同时接收的噪声也越大，所以尽量提高接收机接收信号总功率，又不能降低信噪比成为研究目标；

7.2 减小大气对通信的影响

在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸收窗口、不同的散射函数以及不同的折射率，需要寻求一种最优波长，在通信链路中找出波长与性能的最优组合。

7.3 传输速率的提高

FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2Mbit/s开始，形成多个系列，比较典型的有10Mbit/s、100Mbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s。有的公司采用波分复用技术，速率可以达到、10Gbit/s。

综上所述，FSO的发展方向是解决大楼的抖动引起的对不准问题、大气微粒的散射问题、大气湍流影响通信问题，提高系统可靠性，在此基础上提高传输速率，使FSO发挥最大优势。

8 结束语

无线光通信已经成为现实，它是连接宽带网的一种快捷方法。文中详细地介绍了国内外目前对FSO的研究以及研究成果，分析了目前存在的问题，如果这些问题能得到解决，那么必能发挥FSO的最大潜能和优势。随着无线光通信技术的不断完善，它一定可以得到广泛的应用。