淺談無線光通信的發(fā)展前景

柳晶

摘要：隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對于通信的傳輸速率、安全性有了更高的要求，光通信技術(shù)的研究向著更廉價、更方便、更安全的方向發(fā)展，于是無線光通信技術(shù)步入人們視線。本文主要介紹了無線光通信技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)以及不足;從而引發(fā)對無線光通信系統(tǒng)未來發(fā)展方向的思考。

關(guān)鍵詞：無線光通信;LED可見光通信;水下光通信

中圖分類號：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1003-9082（2020）07-0-01

一、無線光通信技術(shù)

無線光通信技術(shù) （OWC，Optical Wireless Communication）不需要光纖作為載體，擺脫了通信線路對傳統(tǒng)通信技術(shù)的束縛。無線光通信的傳輸同樣需要經(jīng)歷發(fā)射、傳輸和接收三個階段，與傳統(tǒng)的光纖通信一樣：電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為光信號，光發(fā)射端經(jīng)過光學(xué)發(fā)送天線發(fā)送光信號至大氣中，經(jīng)大氣的傳播后，被學(xué)接收天線所接收，光接收端再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而完成了一次無線光信號的傳播。2013年，復(fù)旦大學(xué)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院成功將網(wǎng)絡(luò)信號接入到一盞1W的LED燈，燈光照射下的電子設(shè)備即可連接互聯(lián)網(wǎng)，平均上網(wǎng)速率達(dá)到了150M/S，被稱為最快的“上網(wǎng)燈光”。這是非常典型的利用無線光進(jìn)行通信的案例，在當(dāng)時引起了人們的廣泛關(guān)注，可是七年過去了，“燈光上網(wǎng)”仍然沒有走進(jìn)人們的生活，無線光通信的發(fā)展好像是停滯不前，由于無線光本身的特性和技術(shù)難度，日常使用仍有很多沒有解決的問題，但是無線光通信在一些特殊領(lǐng)域有著很深的發(fā)展前景。

二、無線光通信的優(yōu)點(diǎn)

1. 傳輸帶寬較寬、頻譜資源豐富

無線光通信技術(shù)是利用光波進(jìn)行通信傳輸?shù)募夹g(shù)。由于光波本身的特點(diǎn)，無線光通信技術(shù)傳輸帶寬較寬、頻譜資源非常豐富，并且無須像無線電通信那樣申請頻率使用許可，也不需要交納頻率占用費(fèi)，眾所周知頻譜是不可再生的、唯一的資源，隨著科技的發(fā)展，頻率資源的緊缺將是人們無法避免的問題，而無線光通信大大節(jié)省了這部分的成本。

2.抗干擾性強(qiáng)、安全性高;

光無線通信頻譜位于光頻段，具有非常好的方向性和非常窄的波束，不可視。無線電不會對其構(gòu)成干擾，鏈路位置不容易被探測，受到干擾和竊聽的可能性很低，安全性和抗干擾性對比無線電通信都更優(yōu)秀。

3.適用各種環(huán)境

無線光通信系統(tǒng)以光為傳輸媒介，適用于任何環(huán)境，工作在物理層，不依賴某種協(xié)議。現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、異步傳輸模式、光纖分布式數(shù)據(jù)接口、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等都能通過，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。

4.架設(shè)靈活

無線光通信系統(tǒng)對比光纖通信架設(shè)更加靈活，無須埋設(shè)光纖，降低了材料成本和人工成本，并且可以在更短的時間內(nèi)完成地對空、空對空等復(fù)雜的通信任務(wù)，更加適用于應(yīng)急通信。

三、未來發(fā)展

1.可見光通信（VLC，Visible Light Communication）

LED可見光通信是無線光通信的應(yīng)用中最貼近于我們生活的。LED可見光通信利用LED燈作為信號的發(fā)射器，利用肉眼不可見的閃爍來傳遞信息，接收端利用對光很敏感的光電探測器來接收由光的快速閃爍傳遞的信號，并將其轉(zhuǎn)換成為電信號進(jìn)行傳播。目前，LED可見光通信面臨的主要瓶頸是如何將信號送到LED上以及如何低成本的普及接收端對光信號的接收能力。而且當(dāng)LED可見光通信真的普及到家家戶戶后，如何避免相互之間的干擾也是一個迫切需要解決的問題。

2.自由空間光通信（Free Space Optical Communication）

可分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地光通信。在大氣間進(jìn)行光通信，大氣會對光進(jìn)行吸收和散射，光信號會受到強(qiáng)烈干擾，而且由于大氣介質(zhì)的隨機(jī)性、不確定性，雨、雪、霧等天氣對無線光通信系統(tǒng)的衰減值均不相同，我們目前尚且無法得出完美的解決方法。所以目前我們的研究方向主要還是面對“最后一公里”的使用。目前的研究甚至連大氣湍流引起的光線漂移、色散等問題都沒有包含在內(nèi)，而這些因素會對信號的傳遞產(chǎn)生很大的干擾，因而影響無線光通信系統(tǒng)的誤碼率、傳輸距離和通信帶寬。而自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可能作為以上問題的一個重要解決辦法成為今后科學(xué)家研究的方向。對于星際通信目前主要使用的是微波，可是由于微波的頻率低、易受干擾，而太空環(huán)境復(fù)雜、噪聲大，微波通信通常無法滿足我們的需要。而無線光通信相較于微波具有頻率高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，可以使星際間通信可以更加迅速、穩(wěn)定。科學(xué)家對衛(wèi)星間激光通信技術(shù)進(jìn)行了深入研究。目前在發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準(zhǔn)要求、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到了突破性的進(jìn)展，相信在不久的將來可以代替微波成為星星間傳播的重要途徑。

3.水下光無線通信（UOWC，Underwater Optical Wireless Communication）

眾所周知水聲通信已經(jīng)非常成熟、應(yīng)用廣泛，在軍事領(lǐng)域與科研領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。那么為什么仍然需要去對水下光通信進(jìn)行研究？這要從水聲通信的特點(diǎn)開始說起：1.由于聲波頻率低，帶寬窄，所以傳輸數(shù)據(jù)速率比較低，通常為kbps的量級。2.由于聲波在水中傳播速度慢，所以傳播存在嚴(yán)重的通信延遲，通常長到以秒為單位。3.聲音收發(fā)器通常體積大，成本高，能耗高。并且會對水下依賴聲波生存的生物產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。而水下光無線通信相較于水下聲通信，由于光的特點(diǎn)，水下光無線通信傳輸速率更快，傳播延遲更小，成本也更低。可激光在水下的傳播也是一個等待解決的難題，利用藍(lán)綠激光可穿透云層和海水，與電磁波相比，方向性強(qiáng)，信息隱蔽性好，信息傳輸率高的特點(diǎn)，海水透射窗—藍(lán)綠激光作為載波將成為遠(yuǎn)程水下通信的一個重要研究方向。

4.軍事領(lǐng)域通信

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對抗手段的不斷進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的無線電通信已經(jīng)不能滿足戰(zhàn)場的需求。無線電通信系統(tǒng)會由于敵軍使用的強(qiáng)電磁輻射干擾導(dǎo)致完全癱瘓。 光纖通信系統(tǒng)無法在短時間內(nèi)建立起來，也更容易被破壞，對于機(jī)動性強(qiáng)的戰(zhàn)場無法投入使用。激光通信能在更短的時間內(nèi)建立，具有抗干擾性、保密性，在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)語

無線光通信近幾年在民用領(lǐng)域進(jìn)展緩慢，并不是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景不夠，傳統(tǒng)的無線電通信傳輸速率受限，頻率資源緊張，而無線光通信頻譜資源豐富、傳輸速率更快、抗干擾性強(qiáng)、安全性高、適用各種環(huán)境、架設(shè)靈活、成本低。當(dāng)無線電頻譜資源面臨枯竭的時候，無線光通信技術(shù)將會重新煥發(fā)生機(jī)。在未來，無線光通信在許多領(lǐng)域有望取代無線電通信，成為很多“最后一公里”通信的解決方案。而且，發(fā)展無線光通信與發(fā)展無線電通信之間并不是矛盾沖突的關(guān)系，頻譜非再生，無線光通信不會取締無線電通信，而是與之共同發(fā)展。面對5G之后的通信時代，物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模連接，人們對于通信速率的要求越來越高。無線光通信技術(shù)終會走入我們的生活，家中的“Wi-fi”會變成“Li-fi”，讓我們共同期待。