自由空間光通信技術(shù)及應(yīng)用研究

［陳福文 張婧婧 楊燕玲］

1 引言

自由空間光通信（Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO）技術(shù)是一種以激光為載體在自由空間中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，又稱為“無線激光通信”、“大氣激光通信”等。FSO 同時具備了微波通信和光纖通信的優(yōu)點(diǎn)，比如容量大、建網(wǎng)快、無需授權(quán)、保密性好等，可以應(yīng)用于保密通信、城域網(wǎng)擴(kuò)頻、寬帶網(wǎng)零公里接入、無線基站數(shù)據(jù)回傳、局域網(wǎng)互聯(lián)、應(yīng)急通信等一系列領(lǐng)域[1～3]。盡管FSO 有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但是FSO 通信鏈路容易受到復(fù)雜大氣的影響，由于受到大氣中各種氣體分子、氣溶膠粒子的影響，激光的一部分能量會被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量，一部分能量則會被散射而偏離原來的傳輸方向，最終使得激光光束的強(qiáng)度產(chǎn)生衰減。而且，在近地激光通信鏈路中還會受到湍流的影響，而導(dǎo)致光強(qiáng)的起伏[4,5]。因此，分析自由空間光通信系統(tǒng)的影響因素和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)νㄐ沛溌酚嗔抗浪?、FSO 通信系統(tǒng)的設(shè)計、FSO系統(tǒng)方案、通信網(wǎng)的連接等方面有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文將梳理自由空間光通信技術(shù)的理論知識，并詳細(xì)分析了自由空間光通信系統(tǒng)在傳輸過程中的影響因素，最后簡要闡述了自由空間光通信技術(shù)在不同典型場景下的應(yīng)用。

2 自由空間光通信技術(shù)簡介

自由空間光通信，這種通信方式采用光作為傳輸載體，使用大氣作為傳輸媒介，對應(yīng)的通信系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。自由空間光通信系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端的信號處理單元、半導(dǎo)體激光收發(fā)器、光學(xué)發(fā)射（接收）天線、自動跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、光放大器、光檢測器等部分組成[6]。信源攜帶的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信源編碼后，調(diào)制到光載波上，再通過以大氣作為媒介的信道發(fā)送出去，光學(xué)接收天線將光信號收集起來，將光信號轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號，之后再進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)與譯碼操作，恢復(fù)發(fā)送端傳輸?shù)脑夹畔ⅰ?/p>

圖1 自由空間光通信系統(tǒng)組成示意圖

自由空間光通信技術(shù)相比于光纖通信，空間光通信系統(tǒng)無需進(jìn)行長距離光纖線路的前期鋪設(shè)及后期維護(hù)，部署成本更低，組網(wǎng)機(jī)動靈活，更能夠適應(yīng)河流、山峰、海陸等復(fù)雜地理條件下的通信，同時還能夠滿足災(zāi)后應(yīng)急通信、衛(wèi)星通信、軍事通信的需求；其相比于無線微波通信方式，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[7]：

（1）通信容量大。自由空間光通信頻率主要分布在1012-1017Hz，其可利用帶寬約為無線微波通信的十萬倍，可傳輸碼率大于10 Gbit/s；

（2）抗干擾性強(qiáng)，保密性好。激光通信頻段位于可見光、紅外以及遠(yuǎn)紅外波段，波長約為無線射頻波長的千分之一，降低了光衍射影響，而且激光光束發(fā)射角通常在毫弧級，具有更好的方向性，在削弱波束間干擾的同時使得自由空間光通信具有良好的保密性；

（3）無需頻譜認(rèn)證。自由空間光通信技術(shù)所采用的頻率在300 GHz 以上，世界范圍內(nèi)300 GHz 以上的電磁波頻段均被開放使用，也就意味著自由空間光通信技術(shù)無需再次進(jìn)行頻段申請，這能有效降低系統(tǒng)運(yùn)營成本，同時也能減少通信系統(tǒng)的開發(fā)時間；

（4）功耗小，成本低。激光信號的能量高度集中，接收端信號功率密度大，能大大降低發(fā)射端功率，節(jié)約能源，同時接收天線口徑尺寸得以減小，使用更方便靈活；

（5）快速鏈路部署。由于不需要埋設(shè)光纖和等待手續(xù)辦理方面的問題，F(xiàn)SO 能夠在幾天內(nèi)完成連接，F(xiàn)SO 的無線接收器的大小如同一部保安攝像機(jī)，可以輕松的安裝在室內(nèi)或者室外。

3 影響因素

在自由空間光通信系統(tǒng)中，當(dāng)光波通過大氣信道進(jìn)行傳輸時，容易受到大氣分子和大氣中其他分子的影響。圖2 展示了光通過大氣傳輸時受到大氣分子和大氣中其他分子影響及相關(guān)效應(yīng)造成的影響；吸收效應(yīng)會引起光功率衰減；散射效應(yīng)會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，從而導(dǎo)致功率衰減、脈沖展寬；湍流效應(yīng)會引起光強(qiáng)起伏、光束漂移、到達(dá)角起伏和光束擴(kuò)展等，進(jìn)而導(dǎo)致平均信噪比降低或探測信號隨機(jī)起伏，最后對信號產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[8,9]。

圖2 大氣分子和大氣中其他分子對光的影響

3.1 大氣分子的影響

大氣分子對光在傳輸過程中的影響主要是吸收、散射、湍流等效應(yīng)[10,11]，具體內(nèi)容如下：

（1）大氣分子的吸收作用是指光信號在大氣信道的傳輸過程中會發(fā)生極化效應(yīng)，其產(chǎn)生的電場會使得大氣中的微粒做極化運(yùn)動，引起大氣中其他粒子之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，進(jìn)而造成能量傳遞，光信號的能量逐漸轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量。大氣中存在多種不同的氣體分子，由于結(jié)構(gòu)不同，它們的吸收特性也存在差異。不同分子的吸收特性主要與光信號的頻率相關(guān)。避開氧氣、二氧化碳、水主要吸收的波長。

（2）大氣散射作用是指光信號在大氣分子以及氣溶膠的作用下，向四周輻射頻率大致相同的子波這一現(xiàn)象被稱為大氣散射效應(yīng)。光信號發(fā)生散射后，光束的傳播方向會發(fā)生偏離，光強(qiáng)的空間分布也會隨之改變，進(jìn)而導(dǎo)致了系統(tǒng)的接收功率降低。根據(jù)入射波長和散射粒子半徑的大小關(guān)系，通常將大氣中發(fā)生的散射現(xiàn)象劃分為三種叫瑞利散射、米氏散射以及非選擇性散射。

（3）大氣湍流作用是指由于地表輻射、太陽輻射、大氣動等等因素的影響，造成大氣溫度場的隨機(jī)改變。而溫度的隨機(jī)變化形成時空溫差，在動力風(fēng)的作用下，溫度的波動使得大氣密度和壓力產(chǎn)生隨機(jī)變化，這將導(dǎo)致產(chǎn)生具有不同折射率的渦流，受風(fēng)速的影響，這些具有微小差異且處于運(yùn)動狀態(tài)的渦旋不斷的產(chǎn)生和消亡，各個渦旋在變化之中相互疊加、交聯(lián)，形成了隨機(jī)的湍流運(yùn)動，將這種現(xiàn)象稱為大氣湍流。當(dāng)光波通過它們時，振幅和相位都會波動。其中強(qiáng)度較為劇烈的波動，便被稱為閃爍，這是制約FSO 通信鏈接充分發(fā)揮性能的重要因素，包括晴朗的天氣下。在幾何光學(xué)當(dāng)中，這些渦旋氣流可以被看作透鏡，能夠?qū)獠ㄔ斐呻S機(jī)折射，造成相位和幅度的變化，或?qū)е鹿馐S機(jī)漂移。

3.2 大氣中其他粒子的影響

大氣信道是一個隨機(jī)變化過程，信道中的大氣粒子會隨著時間不斷發(fā)生改變，光信號在傳輸?shù)倪^程中極易受到這些隨機(jī)分布顆粒（如：雨滴、霧滴、霾以及雪等）的影響，進(jìn)而發(fā)生散射和吸收現(xiàn)象。特別是當(dāng)天氣條件惡劣時，F(xiàn)SO 系統(tǒng)的通信質(zhì)量會急速下降，甚至導(dǎo)致通信中斷[12]。不同天氣條件下的大氣粒子組成是不同的，其對激光所造成的影響也不同，下面對幾種特殊天氣的大氣衰減效應(yīng)做了具體的分析。

（1）激光信號對雨滴比較敏感，由于雨滴粒子的半徑較大，大于近紅外光的波長，所以雨滴引起的是非選擇性散射。

（2）空氣中漂浮的小型水滴聚集在一起形成了霧滴，其和雨滴一樣都會對激光在大氣信道中的傳輸造成較大的影響，使光波發(fā)生吸收或散射現(xiàn)象。霧滴粒子的半徑大小與近紅外光的波長相近，所以激光在霧天里發(fā)生的散射可以近似為米氏散射。

（3）雪的特征比較復(fù)雜，并且衰減理論還不是很成熟。一般情況下，當(dāng)含水量相同時，雪對光信號的衰減強(qiáng)度是介于雨和霧之間的。雪天散射粒子的尺寸是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射波長的，但實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn)，雪對光信號的衰減與波長是有一定關(guān)系的，由于衍射效應(yīng)的影響，長波長的雪天衰減效應(yīng)要強(qiáng)于短波長。

（4）云對激光的衰減非常嚴(yán)重，通常會在幾十分貝的衰減以上，甚至?xí)?dǎo)致FSO 通信鏈路中斷。由于云顆粒密度的不均勻和云類型的多樣，在實(shí)際環(huán)境中很難準(zhǔn)確估計云對激光的衰減。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

通過前文對自由空間光通信技術(shù)的優(yōu)勢分析，自由光通信技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于全世界的多個領(lǐng)域。其主要的應(yīng)用范圍包括民用和軍用兩個方面。

4.1 民用

在民用范圍，F(xiàn)SO 系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括短期通信、應(yīng)急備用方案、搭載網(wǎng)絡(luò)、移動平臺、光纖網(wǎng)絡(luò)的備份[6][13]。應(yīng)用于移動通信基站的信號傳輸，特別是對于沒有或缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)急場景，使用FSO 技術(shù)可以幫助快速解決大數(shù)據(jù)量信息的實(shí)時傳輸問題。

（1）短期（臨時）通信?？焖侔惭b和無需許可證的特性使得FSO 非常適用于短期部署。包括音樂會、運(yùn)動賽事、博覽會、賽馬會、道路建設(shè)、建筑施工、視頻監(jiān)控、犯罪偵查、臨時交通高峰、國事訪問、內(nèi)亂等場景。

（2）應(yīng)急備用方案。在通信鏈路越過高速公路、河流、峽谷或擁擠的城區(qū)以及各類自然災(zāi)害（洪水、颶風(fēng)、地震、火山爆發(fā)等）發(fā)生后的應(yīng)急指揮和救援場景，由于地理條件的制約無法鋪設(shè)光纖線路時，采用FSO 技術(shù)可以快速解決布網(wǎng)難題。

（3）搭載網(wǎng)絡(luò)。FSO 的低建設(shè)成本，高性能及混合鏈路的高適用性為其網(wǎng)絡(luò)搭載應(yīng)用提供了顯著的優(yōu)勢[15]。許多沒有鋪設(shè)光纜的商業(yè)寫字樓都可以通過FSO 鏈路與鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的建筑物相連。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以根據(jù)每座建筑物的情況區(qū)別對待，并且無需增加重大成本。運(yùn)營商還可以使用FSO 在新的、小型房間中部署回程，包括基于4G、5G 等移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)包。

（4）移動平臺。在艦船、海上鉆井平臺、熱氣球、游船碼頭、海上氣象站/設(shè)備或高速運(yùn)動物體與固定點(diǎn)之間的高速信息傳輸，如陸基固定點(diǎn)與運(yùn)動的火車間的高速信息傳輸、海洋中氣象站或氣象設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、游船碼頭的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

4.2 軍用

由于自由光通信技術(shù)具有的數(shù)據(jù)速率大、無需頻譜認(rèn)證、無人值守傳輸和抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，使其也能滿足軍事領(lǐng)域的應(yīng)用需求。特別是由于FSO 技術(shù)利用激光通信，電磁兼容性好，抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)，在作戰(zhàn)區(qū)域的短距離通信范圍內(nèi)已經(jīng)可以成熟應(yīng)用[6],[15]。

現(xiàn)階段FSO 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在以下幾種情況：

（1）基本通信設(shè)施建設(shè)。在島嶼、邊境哨所，高山邊界等區(qū)域，有線通信設(shè)施建立不便，現(xiàn)有無線通信無法滿足穩(wěn)定性，可以利用FSO 技術(shù)結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)建立穩(wěn)定的通信線路。

（2）作戰(zhàn)任務(wù)快速建網(wǎng)。在作戰(zhàn)地區(qū)或者執(zhí)行軍事任務(wù)等區(qū)域，需要快速完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，F(xiàn)SO 技術(shù)可以支持在短時間內(nèi)快速建網(wǎng)或者通信設(shè)施中斷時的及時補(bǔ)救，同時也可以保證通信的便捷性和保密性。

（3）軍事安全通信。軍事行動中，無線電通信易受到地方強(qiáng)電磁干擾，這種狀態(tài)下，依靠電磁波的無線電通信無法保證正常工作，這種狀態(tài)下，F(xiàn)SO 能夠保證有效的通信連接和保密要求。

（4）敵我識別[15]?，F(xiàn)代化信息條件下，作戰(zhàn)各方須快速、準(zhǔn)確、可靠的識別戰(zhàn)場目標(biāo)，分清敵我是戰(zhàn)勝敵人的先決條件。目前敵我識別系統(tǒng)主要分為雷達(dá)敵我識別和激光識別系統(tǒng)，雷達(dá)敵我識別系統(tǒng)如Mark-XII 系統(tǒng)是敵我識別的主要技術(shù)手段，但是其存在固定點(diǎn)頻、抗干擾能力差等問題；激光敵我識別通過發(fā)送激光詢問脈沖，判斷對方能否發(fā)送對應(yīng)的激光應(yīng)答信號來進(jìn)行敵我識別，其定位精度高、識別時間短、信號傳輸通道窄、保密性好，是在短距離范圍內(nèi)對雷達(dá)敵我識別系統(tǒng)的重要補(bǔ)充。

（5）海上艦載通信[16]。自由空間光通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)之間、艦載機(jī)與艦艇之間以及艦艇與艦艇之間的信息傳輸，特別是大容量短距離的信息傳輸，結(jié)合微波等混合通信手段，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)時的陸海空天立體無線光通信網(wǎng)絡(luò)。

（6）實(shí)兵交戰(zhàn)模擬[17]。實(shí)兵作戰(zhàn)模擬通過“以光代彈”，通過激光模擬、武器仿真進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化模擬，滿足實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練、裝備試驗評估等需要。發(fā)射端將武器信息、人員信息、定位信息等編碼后經(jīng)激光器發(fā)射，通過激光代替實(shí)彈，接收端通過單兵裝備上配備的傳感器和探頭接收激光信號并解碼用于判斷傷勢和傷部。FSO 技術(shù)可承載信息帶寬高，抗干擾能力強(qiáng)，在采用合適的編碼和調(diào)制方案后可以保證通信交互的有效性和可靠性要求，較好地滿足實(shí)兵交戰(zhàn)系統(tǒng)的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文對自由空間光通信系統(tǒng)的組成及其在傳輸過程中各類影響因素和自由空間光通信技術(shù)的優(yōu)勢及其典型應(yīng)用場景進(jìn)行了簡要介紹，不僅有利于理解自由空間光通信技術(shù)的原理，還能了解自由空間光通信系統(tǒng)在傳輸過程中的影響因素，對FSO 通信系統(tǒng)的設(shè)計、FSO 系統(tǒng)方案、FSO技術(shù)應(yīng)用等方面有著重要意義，并能有效促進(jìn)自由空間光通信技術(shù)的發(fā)展。