无线光通信技术的应用

严 婧

(新乡职业技术学院，河南 新乡 453006)

0 引言

自从1960年出现激光以来，由于其良好的单色性、方向性及高亮度性特点，其在多个领域中的应用非常突出，特别是在通信领域。由于其极大地促进了通信领域的发展，因此激光的应用掀开了现代光通信史上崭新的一页，经过多年的创新发展，各项基本技术也有了很大的进步，在当今的信息传递中占有非常重要的地位。

1 无线光通信的概述

光通信主要分为有线光通信和无线光通信两种。有线光通信即光纤通信，是当前广域网、互联网的主要传输介质。

1.1 无线光通信的定义

无线光通信又被称为自由空间光通信(Free Space Optical Communication， FSOC)，由于激光具有明显优势，一般无线光通信大都以激光为载体，所以一般无线光通信指的是无线激光通信(OWC)，又称自由空间激光通信(FSO)。

激光通信指的是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，它和传统的电通信一样，也有两种形式，即有线激光通信和无线激光通信。其中有线激光通信主要以光导纤维作为传输媒质进行信息传递的光纤通信，光纤的应用在近二、三十年得到了非常迅速的发展，截至目前，光纤已经成为远距离、高速信息传输的骨干，成为广域网、互联网传输主要传输媒介，传统的电缆通信正在逐渐被光纤所替代[1]。但是就目前的情况来看，光纤的安装难度和费用是光纤使用的主要问题，特别是在恶劣天气或恶劣地质条件下敷设光缆时其工程施工难度更大，建设周期更长，费用也更高。

无线激光通信不再使用光纤等传播媒介，直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送，不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信，是目前国内外研究的热点项目，并且开始投入大量人力和物力来争夺这一领域的技术优势。

1.2 无线光通信的发展历程

早在1880年发明了电话的贝尔，在发明了电话之后，便有了利用光来通话的想法，于是他利用太阳光作为光源，用硒晶体作为光的接收器，成功完成了213 m的光电话试验。但是由于其稳定性较差，再加上当时无线电技术已经成为当时主流通信技术，因此无线光通信技术的发展受到了严重的制约。后来美国科学家梅曼在1960年发明了红宝石激光器，这种激光器可以作为通信光源，从此激光通信又被提到了研究的日程上。直到20世纪70年代，光纤通信取代大气光通信开始成为人们研究发展的重点，再后来到1998年无线光通信又重新进入了激烈竞争的通信领域，成为非常有竞争力的无线通信工具，无线光通信的系统结构如图1所示，与光纤通信系统的结构基本一致，主要区别在于信道由光纤变成了大气，收发设备上也发生了变化。

图1 FSOC系统结构框架

1.3 无线光通信的优势及劣势

无线光通信与其他无线技术相比无需向无线管委会申请频率执照，其使用的机型也比较小，架设方便，对于解决宽带接入的问题比较方便快捷。其主要的优势体现在以下几个方面：(1)频带宽，速度高。由于无线光通信的传输介质不同于传统的传输介质，以空气为传输介质的特点使得频带比较宽，短距离传输速度比较高；(2)兼容多种通信协议。传统的通信系统中数据的传输对协议的依赖性非常强，无线光通信系统突破了这一限制，比如当前主流的以太网、ATM等都支持无线光通信；(3)搭建方便。无论是在何地，都可以进行空间的架设，并且架设周期短，大大节省了人力方面的成本；(4)安全性能高。无线光通信适合的是非常窄的波束，方向性比较强，在抗干扰或抗窃听方面的比较强[2]。和光纤相比其成本也比较低，大概只有光纤成本的五分之一。其主要劣势表现在以下几个方面：(1)无线光通信对位置的精度要求非常高。因此自然界的风、雨、雷等都可能会对无线光通信发射器或接收器的位置带来偏移的可能性，即使一点微小的位置偏差就会影响光信号的发射和接收；(2)无线光通信对空气的质量也有较高的要求。空气中散射的粒子也会对发射或接收的光信号带来偏差方面的影响；(3)无线光通信主要适用于短距离数据的传输。长距离数据的传输是光纤的优势，但是却是无线光通信的缺点，因此无线光通信的运用范围变得非常窄；(4)安全因素。由于无线光通信一般都采用激光作为光源，所以对人体的安全会带来一定的影响。

2 无线光通信的研究现状

随着无线光通信再次成为无线通信研究的重点，国内外相关研究机构纷纷投入人力、物力和财力，再次重启对无线光通信的深入研究。下面通过对国内外相关学者关于无线光通信文献的查阅，对国内外关于无线光通信的相关文献进行分析和研究。

2.1 国内无线光通信的研究现状

通过在知网上对国内无线光通信相关文献的搜索发现，2001—2021近20年间，关于无线光通信方面的文献，从数量上来看共计1 339篇，其中发表在学术期刊上的有725篇，学位论文525篇，会议36次，报纸8篇，成果31项，其中2014年发表的无线光通信方面的文章最多，到2021年略有下降。这些无线光通信的文章主要发表在《光通信技术》《红外与激光工程》以及《中国激光》等期刊杂志上，而学位论文则主要以北京邮电大学、西安电子科技大学、电子科技大学以及西安理工大学为主。

2.2 国外无线光通信的研究现状

通过在知网上对国外无线光通信相关文献的搜索发现，2001—2021近20年间，关于无线光通信方面的文献，从数量上来看共计1 755篇，其中学术期刊1 534篇，会议203次，图书16本，相关标准2篇。其中2019年发表的数量最多，2021年略有下降。这些无线光通信方面的文献主要发表在OpticsExpress,JournalofLightwaveTechnology:aJointIEEE/OSAPublication,PhysicaA:StatisticalMechanicsanditsApplications,AppliedOptics等国外的期刊上。

3 无线光通信的应用

3.1 无线光通信的应用场景

3.1.1 车载可见光通信

越来越多的车辆制造商开始用白光LED装备新车辆。交通管制和市政建设单位也将交通信号灯和路灯用白光LED阵列取代。基于LED可高速调制的特性，车辆之间、车辆与交通信号灯或路灯间可实现通信。像交通信号灯的状态和周边交通路况均可及时发送至驾驶员，及早做好刹车或道路选择准备。同时车载传感器会将车辆的实时信息通过交通信号灯传送至远程信息中心，增强车联网的无线通信功能。类似的概念可用于机场飞机与地面航行控制器、飞机与飞机的无线光通信，以求得高安全性。

3.1.2 光学摄像头通信

传统的水下通信依赖于声波技术，但通信速率受限很大。最近半导体光器件的飞速发展为水下高速光通信带来了曙光。不同的海水对不同光波波长的吸收有显著差别，海水组分对光的散射也很强。侧重于对浅水至深水无线光通信系统构架和技术作深入研究，用于海洋生物种群和海底石油勘探传感系统。

3.1.3 室内可见光定位

在大型复杂场所、建筑物内、大楼内，LED灯将遍布各地。白光LED光源可像GPS系统中的诸多卫星一样作为提供定位信息的泛在位置传感器[3]。在大型购物场所，每个LED灯具有一个电标识码来代表它的位置，货架及商品的摆放位置可预先由商家录入图库。LED灯会连续广播它们的位置信息和商业广告信息。当手持终端一旦进入服务区后，它可与LED灯实时通信以获得这些信息。购物者通过键入商品类别或名称快速搜索商品位置，并借助一系列LED灯的导向来快速找到商品。

3.1.4 室内可见光通信

LED照明系统一个重要的附加应用就是室内移动终端(如手机、笔记本电脑等)嵌入的高速无线光接入和联网。由于微波信号穿透建筑物时深度衰减，在许多场所由远方基站发射的信号其到达强度达不到通信性能的要求，致使话音断续或数据链中断。同时电磁波间相互干扰以及有限的频谱资源导致系统容量的瓶颈[4]。无线光网具有上网速度快、链路性能高、大容量等优点，已成为无线电系统的补充或替代，预期单链路可实现近于1 Gbps的通信速度，同一空间区域如有若干个终端同时介入，整个网络可望达到几十Gbps的容量，并可融合现有有线网络和无线网络。

3.2 无线光通信应用面临的挑战

3.2.1 速度问题

尽管无线光通信的设备和组件虽然光谱比整个射频光谱大3个数量级，但目前存在一些基本的限制，特别是在使用LED作为发射器时，使我们无法充分利用这一巨大的无线传输资源。为了克服这一限制，可以使用具有相似带宽但发射光谱不同的多个设备，这被称为波分复用(WDM)。从一些关于无线光通信的文献了解到，采用这种波分利用技术，尽管发射光谱部分会重叠，但4个标准LED的聚合数据速率仍然可以达到15.7 Gbps。

3.2.2 带宽问题

从上述要发射光谱为0.45 nm的红光光源需要超过350 GHz的设备带宽来看，显然当前的LED实现不了如此窄的带宽发射光谱，而且用当前无线通信技术要想实现350 GHz的发射设备带宽也很难做到。这种设备的局限性目前也正是当下一个非常活跃的研究领域。与点对点通信(如FSO)不同，无线网络系统必须在室内环境中为潜在的大量终端用户提供同步无线连接[5]。因此，还有一个额外的挑战(除了设备带宽)，这与链路和接收机灵敏度有关，这一方面是由于探测器尺寸小，另一方面是由于光功率分布广泛。

3.2.3 精度要求问题

无线光信号的波粒特性所引起的收发取向性和传输信道的脆弱性对光信号的可靠传输与有效检测提出了严峻的挑战。首先，新型发散光源有别于传统的点对点红外激光通信，降低了收发对准要求，使得系统更容易快速铺设，但高性能的光学天线更具挑战性。其次，光信号易受遮挡干扰和空间流体介质的影响，需有效补偿信道的脆弱性从而保证通信的可靠链接。最后，通过设计调制编码、系统均衡、弱信号最优检测技术，揭示通信系统传输速率、距离、误码率、功率等多种因素的错综复杂的交织机理及系统所达到的通信性能极限。

4 结语

综上所述，无线光通信技术的研究所面临的挑战本质上是多学科的，不仅涉及设备物理、通信系统建模、信号处理、通信理论和算法，还涉及计算机科学等相关领域。因此关于无线光通信的研究之路还很长，还需要从多方面入手，认真学习相关的专业知识，争取能够进行更深层次的研究和应用。