空间光通信的发展和前景

郑皓文

通信在人们的社会生活中扮演者十分重要的角色。随着社会变迁、人类文明程度的提髙以及各项技术的进步，信息传递的方式也有着巨大的变化。 古人传递信息主要使用飞鸽、烽火、快马、暗号、手语、书信、旗帜等。近年来信息技术的飞速发展给人类的生产生活带来了翻天覆地的变化。其中，自由空间光通信（Free-Space Optical Columniation，简称FSO）又称大气光通信，自20世纪90年代以来已经成为光通信领域的一个研究热点。与传统的光纤通信相比，FSO的优势在于使信号脱离了光纤的束缚，具有工作频率高、方向性强、传输码率高、天线尺寸小、保密性强等优点，在一些特定的环境下有很高的应用价值。

从20世纪60年代至今，对于空间光通信的研究已经有了几十年的历史，取得了许多成果。本文整体回顾了FSO的发展历史和现状，并对其未来的发展趋势进行了简单分析。

一、空间光通信发展和应用

（一）发展历史

20世纪60年代，激光器的发明标志着激光通信技术的开端。然而在之后的若干年间，由于各方面原因，激光技术的研究和应用集中在地面光纤通信领域，而空间光通信技术停滞不前。直到20世纪七八十年代，随着科技的进步和人类对通信技术更高需求的产生，针对空间光通信的研究开始进入高速轨道，各种地面试验以及测试平台的研究得到了广泛的开展。

（二）国内外发展现状

国外在FSO领域已经开始了近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。美国、英国、加拿大等国的十几家厂商正在从事FSO的相关研发工作。目前，国际市场上AirFiber、LightPointe等公司是推广FSO技术的先行者。而Terabeam公司和Airriber公司已将FSO应用于商业服务;尤其是Terabeam公司，在2000年悉尼奥运会上成功地使用FSO设备进行图像传送，在西雅图的四季饭店也成功地利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。

就国内FSO的发展来说，还基本在起步阶段。FSO设备最初来到中国应该在2000年前后，那时国内从事FSO研究的主要是一些具有军方研究项目的研究所。目前还没有一家公司规模性的生产FSO设备。当然这也有FSO设备由于本身的可靠性，在国内暂时不被运营商看好的因素。

（三） 应用领域

FSO以其独特的性质，在很多领域都能有广泛的应用，例如：

1.城域网的扩展。通信服务厂商在骨干网建设上花费大量资金， 以提升网络整体性能，来满足快速发展的市场需求。FSO可以用于扩展已有的城域网，将新的网络与骨干网相连接。

2.企业、校园互连。由于FSO是以小功率的红外激光束为载体，可将收发器装设在楼顶或窗外传输数据。FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校的局域网。以FSO来代替光纤，不但能降低成本，而且具有更高的傳输速度。

3.军事应用。FSO具有高保密性和安装快捷的特性，因而被广泛应用于军事场所。

4.作为光纤的补充。目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全，现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。

5.无线基地台数据的回传。FSO也可用来接入移动电话基地台与交换中心，将基地台接收的信号传至与有线公用电话网相连的交换中心设备。

（四） 性能缺陷

FSO也具有一定的缺点。比如，其光束在传输中极易受大雾等恶劣天气，物理阻隔或建筑物的晃动/地震的影响。在恶劣的天气下，光束传输的距离会下降，从而降低通信的可靠性，严重的甚至会造成通信中断。由于激光的发散角度比较小、方向性较强，FSO系统的实现起来比较困难，难以保证其精度。激光在大气中传播时容易受到天气的影响，大气湍流、大气衰减等效应会对信号造成干扰。点对点的传输特性使组网应用时难以大规模的覆盖。

二、FSO的技术原理

FSO系统是以大气作为传输媒介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路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。

FSO系统主要由光发送机、光接收机、光学天线（透镜组和滤波片）和大气信道以及捕获、跟踪及瞄准（ATP）子系统组成，电信号经过调制器调制到由激光器产生的光载波上，再通过光学发射天线对光束整形将光信号发射到大气空间。光信号经大气信道传输，到达接收端，光学天线将接收到的光信号聚焦至光电探测器转化成电信号，经放大滤波处理，再解调成原信息。

三、FSO的未来发展分析

与其它无线通信相比，FSO具有成本低、安装方便、保密性好、组网灵活、抗电磁干扰等优点，越来越多的电信运营商对FSO技术青睐有加。但是物理障碍和大气状况的影响也成为FSO应用过程中的瓶颈。好在瑕不掩瑜，FSO的自身特点决定了它可以在特定环境下发挥最大优势。光纤技术的瓶颈之一在于其高成本和线路铺设过程复杂，难以在短期内满足用户对宽带接入的需求。而且我国现阶段许多地区都尚未铺设光纤线路，在这一情况下，FSO可以成为有效的解决途径。FSO系统可以实现宽带网络“最后一公里”的接入，完成语音、数据、图像的高速传输，有利于电子商务、远程教育、远程医疗及电子政务等领域的发展。

FSO的使命并非取代已经发展成熟的微波通信和光纤通信，而是发挥自己的特色，成为整个通信网络中的一个环节，与其他通信方式互相配合、互相补充。FSO技术受到越来越多用户的认可，兼有光通信和无线通信优势的FSO技术有广阔的、迷人的前景。相信不久的将来，FSO在通信领域中必将占据重要地位。