空間光通信的發展和前景

鄭皓文

通信在人們的社會生活中扮演者十分重要的角色。隨著社會變遷、人類文明程度的提髙以及各項技術的進步，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、手語、書信、旗幟等。近年來信息技術的飛速發展給人類的生產生活帶來了翻天覆地的變化。其中，自由空間光通信（Free-Space Optical Columniation，簡稱FSO）又稱大氣光通信，自20世紀90年代以來已經成為光通信領域的一個研究熱點。與傳統的光纖通信相比，FSO的優勢在于使信號脫離了光纖的束縛，具有工作頻率高、方向性強、傳輸碼率高、天線尺寸小、保密性強等優點，在一些特定的環境下有很高的應用價值。

從20世紀60年代至今，對于空間光通信的研究已經有了幾十年的歷史，取得了許多成果。本文整體回顧了FSO的發展歷史和現狀，并對其未來的發展趨勢進行了簡單分析。

一、空間光通信發展和應用

（一）發展歷史

20世紀60年代，激光器的發明標志著激光通信技術的開端。然而在之后的若干年間，由于各方面原因，激光技術的研究和應用集中在地面光纖通信領域，而空間光通信技術停滯不前。直到20世紀七八十年代，隨著科技的進步和人類對通信技術更高需求的產生，針對空間光通信的研究開始進入高速軌道，各種地面試驗以及測試平臺的研究得到了廣泛的開展。

（二）國內外發展現狀

國外在FSO領域已經開始了近10年的研究，但是FSO產品真正投入使用也就是最近幾年的事情。美國、英國、加拿大等國的十幾家廠商正在從事FSO的相關研發工作。目前，國際市場上AirFiber、LightPointe等公司是推廣FSO技術的先行者。而Terabeam公司和Airriber公司已將FSO應用于商業服務;尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奧運會上成功地使用FSO設備進行圖像傳送，在西雅圖的四季飯店也成功地利用FSO設備向客戶提供100Mb/s的數據連接。

就國內FSO的發展來說，還基本在起步階段。FSO設備最初來到中國應該在2000年前后，那時國內從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項目的研究所。目前還沒有一家公司規模性的生產FSO設備。當然這也有FSO設備由于本身的可靠性，在國內暫時不被運營商看好的因素。

（三） 應用領域

FSO以其獨特的性質，在很多領域都能有廣泛的應用，例如：

1.城域網的擴展。通信服務廠商在骨干網建設上花費大量資金， 以提升網絡整體性能，來滿足快速發展的市場需求。FSO可以用于擴展已有的城域網，將新的網絡與骨干網相連接。

2.企業、校園互連。由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發器裝設在樓頂或窗外傳輸數據。FSO的靈活性使它可以應用于許多企業和學校的局域網。以FSO來代替光纖，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速度。

3.軍事應用。FSO具有高保密性和安裝快捷的特性，因而被廣泛應用于軍事場所。

4.作為光纖的補充。目前大多數電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構建的商業應用網的安全，現在，運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統作為備份光纖的冗余鏈路，以節省投資。

5.無線基地臺數據的回傳。FSO也可用來接入移動電話基地臺與交換中心，將基地臺接收的信號傳至與有線公用電話網相連的交換中心設備。

（四） 性能缺陷

FSO也具有一定的缺點。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/地震的影響。在惡劣的天氣下，光束傳輸的距離會下降，從而降低通信的可靠性，嚴重的甚至會造成通信中斷。由于激光的發散角度比較小、方向性較強，FSO系統的實現起來比較困難，難以保證其精度。激光在大氣中傳播時容易受到天氣的影響，大氣湍流、大氣衰減等效應會對信號造成干擾。點對點的傳輸特性使組網應用時難以大規模的覆蓋。

二、FSO的技術原理

FSO系統是以大氣作為傳輸媒介來進行光信號的傳送的。只要在收發兩個端機之間存在無遮擋的路徑和足夠的光發射功率，通信就可以進行。

FSO系統主要由光發送機、光接收機、光學天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及瞄準（ATP）子系統組成，電信號經過調制器調制到由激光器產生的光載波上，再通過光學發射天線對光束整形將光信號發射到大氣空間。光信號經大氣信道傳輸，到達接收端，光學天線將接收到的光信號聚焦至光電探測器轉化成電信號，經放大濾波處理，再解調成原信息。

三、FSO的未來發展分析

與其它無線通信相比，FSO具有成本低、安裝方便、保密性好、組網靈活、抗電磁干擾等優點，越來越多的電信運營商對FSO技術青睞有加。但是物理障礙和大氣狀況的影響也成為FSO應用過程中的瓶頸。好在瑕不掩瑜，FSO的自身特點決定了它可以在特定環境下發揮最大優勢。光纖技術的瓶頸之一在于其高成本和線路鋪設過程復雜，難以在短期內滿足用戶對寬帶接入的需求。而且我國現階段許多地區都尚未鋪設光纖線路，在這一情況下，FSO可以成為有效的解決途徑。FSO系統可以實現寬帶網絡“最后一公里”的接入，完成語音、數據、圖像的高速傳輸，有利于電子商務、遠程教育、遠程醫療及電子政務等領域的發展。

FSO的使命并非取代已經發展成熟的微波通信和光纖通信，而是發揮自己的特色，成為整個通信網絡中的一個環節，與其他通信方式互相配合、互相補充。FSO技術受到越來越多用戶的認可，兼有光通信和無線通信優勢的FSO技術有廣闊的、迷人的前景。相信不久的將來，FSO在通信領域中必將占據重要地位。