自由空间光通信技术及应用研究

［陈福文 张婧婧 杨燕玲］

1 引言

自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO）技术是一种以激光为载体在自由空间中进行数据传输的无线通信技术，又称为“无线激光通信”、“大气激光通信”等。FSO 同时具备了微波通信和光纤通信的优点，比如容量大、建网快、无需授权、保密性好等，可以应用于保密通信、城域网扩频、宽带网零公里接入、无线基站数据回传、局域网互联、应急通信等一系列领域[1～3]。尽管FSO 有如此多的优点，但是FSO 通信链路容易受到复杂大气的影响，由于受到大气中各种气体分子、气溶胶粒子的影响，激光的一部分能量会被吸收并转化为热能等其他形式的能量，一部分能量则会被散射而偏离原来的传输方向，最终使得激光光束的强度产生衰减。而且，在近地激光通信链路中还会受到湍流的影响，而导致光强的起伏[4,5]。因此，分析自由空间光通信系统的影响因素和应用领域对通信链路余量估算、FSO 通信系统的设计、FSO系统方案、通信网的连接等方面有着重大的现实意义。本文将梳理自由空间光通信技术的理论知识，并详细分析了自由空间光通信系统在传输过程中的影响因素，最后简要阐述了自由空间光通信技术在不同典型场景下的应用。

2 自由空间光通信技术简介

自由空间光通信，这种通信方式采用光作为传输载体，使用大气作为传输媒介，对应的通信系统组成框图如图1所示。自由空间光通信系统由发射端和接收端的信号处理单元、半导体激光收发器、光学发射（接收）天线、自动跟踪瞄准系统、光放大器、光检测器等部分组成[6]。信源携带的数据信息经过信源编码后，调制到光载波上，再通过以大气作为媒介的信道发送出去，光学接收天线将光信号收集起来，将光信号转换为便于处理的电信号，之后再进行相应的解调与译码操作，恢复发送端传输的原始信息。

图1 自由空间光通信系统组成示意图

自由空间光通信技术相比于光纤通信，空间光通信系统无需进行长距离光纤线路的前期铺设及后期维护，部署成本更低，组网机动灵活，更能够适应河流、山峰、海陆等复杂地理条件下的通信，同时还能够满足灾后应急通信、卫星通信、军事通信的需求；其相比于无线微波通信方式，优势主要体现在以下几点[7]：

（1）通信容量大。自由空间光通信频率主要分布在1012-1017Hz，其可利用带宽约为无线微波通信的十万倍，可传输码率大于10 Gbit/s；

（2）抗干扰性强，保密性好。激光通信频段位于可见光、红外以及远红外波段，波长约为无线射频波长的千分之一，降低了光衍射影响，而且激光光束发射角通常在毫弧级，具有更好的方向性，在削弱波束间干扰的同时使得自由空间光通信具有良好的保密性；

（3）无需频谱认证。自由空间光通信技术所采用的频率在300 GHz 以上，世界范围内300 GHz 以上的电磁波频段均被开放使用，也就意味着自由空间光通信技术无需再次进行频段申请，这能有效降低系统运营成本，同时也能减少通信系统的开发时间；

（4）功耗小，成本低。激光信号的能量高度集中，接收端信号功率密度大，能大大降低发射端功率，节约能源，同时接收天线口径尺寸得以减小，使用更方便灵活；

（5）快速链路部署。由于不需要埋设光纤和等待手续办理方面的问题，FSO 能够在几天内完成连接，FSO 的无线接收器的大小如同一部保安摄像机，可以轻松的安装在室内或者室外。

3 影响因素

在自由空间光通信系统中，当光波通过大气信道进行传输时，容易受到大气分子和大气中其他分子的影响。图2 展示了光通过大气传输时受到大气分子和大气中其他分子影响及相关效应造成的影响；吸收效应会引起光功率衰减；散射效应会产生多径效应，从而导致功率衰减、脉冲展宽；湍流效应会引起光强起伏、光束漂移、到达角起伏和光束扩展等，进而导致平均信噪比降低或探测信号随机起伏，最后对信号产生严重的干扰，对整个系统的稳定性以及可靠性产生严重影响[8,9]。

图2 大气分子和大气中其他分子对光的影响

3.1 大气分子的影响

大气分子对光在传输过程中的影响主要是吸收、散射、湍流等效应[10,11]，具体内容如下：

（1）大气分子的吸收作用是指光信号在大气信道的传输过程中会发生极化效应，其产生的电场会使得大气中的微粒做极化运动，引起大气中其他粒子之间产生强烈的碰撞，进而造成能量传递，光信号的能量逐渐转化为热能或其他形式的能量。大气中存在多种不同的气体分子，由于结构不同，它们的吸收特性也存在差异。不同分子的吸收特性主要与光信号的频率相关。避开氧气、二氧化碳、水主要吸收的波长。

（2）大气散射作用是指光信号在大气分子以及气溶胶的作用下，向四周辐射频率大致相同的子波这一现象被称为大气散射效应。光信号发生散射后，光束的传播方向会发生偏离，光强的空间分布也会随之改变，进而导致了系统的接收功率降低。根据入射波长和散射粒子半径的大小关系，通常将大气中发生的散射现象划分为三种叫瑞利散射、米氏散射以及非选择性散射。

（3）大气湍流作用是指由于地表辐射、太阳辐射、大气动等等因素的影响，造成大气温度场的随机改变。而温度的随机变化形成时空温差，在动力风的作用下，温度的波动使得大气密度和压力产生随机变化，这将导致产生具有不同折射率的涡流，受风速的影响，这些具有微小差异且处于运动状态的涡旋不断的产生和消亡，各个涡旋在变化之中相互叠加、交联，形成了随机的湍流运动，将这种现象称为大气湍流。当光波通过它们时，振幅和相位都会波动。其中强度较为剧烈的波动，便被称为闪烁，这是制约FSO 通信链接充分发挥性能的重要因素，包括晴朗的天气下。在几何光学当中，这些涡旋气流可以被看作透镜，能够对光波造成随机折射，造成相位和幅度的变化，或导致光束随机漂移。

3.2 大气中其他粒子的影响

大气信道是一个随机变化过程，信道中的大气粒子会随着时间不断发生改变，光信号在传输的过程中极易受到这些随机分布颗粒（如：雨滴、雾滴、霾以及雪等）的影响，进而发生散射和吸收现象。特别是当天气条件恶劣时，FSO 系统的通信质量会急速下降，甚至导致通信中断[12]。不同天气条件下的大气粒子组成是不同的，其对激光所造成的影响也不同，下面对几种特殊天气的大气衰减效应做了具体的分析。

（1）激光信号对雨滴比较敏感，由于雨滴粒子的半径较大，大于近红外光的波长，所以雨滴引起的是非选择性散射。

（2）空气中漂浮的小型水滴聚集在一起形成了雾滴，其和雨滴一样都会对激光在大气信道中的传输造成较大的影响，使光波发生吸收或散射现象。雾滴粒子的半径大小与近红外光的波长相近，所以激光在雾天里发生的散射可以近似为米氏散射。

（3）雪的特征比较复杂，并且衰减理论还不是很成熟。一般情况下，当含水量相同时，雪对光信号的衰减强度是介于雨和雾之间的。雪天散射粒子的尺寸是远远大于入射波长的，但实验研究发现，雪对光信号的衰减与波长是有一定关系的，由于衍射效应的影响，长波长的雪天衰减效应要强于短波长。

（4）云对激光的衰减非常严重，通常会在几十分贝的衰减以上，甚至会导致FSO 通信链路中断。由于云颗粒密度的不均匀和云类型的多样，在实际环境中很难准确估计云对激光的衰减。

4 应用领域

通过前文对自由空间光通信技术的优势分析，自由光通信技术已经被广泛应用于全世界的多个领域。其主要的应用范围包括民用和军用两个方面。

4.1 民用

在民用范围，FSO 系统的主要应用领域包括短期通信、应急备用方案、搭载网络、移动平台、光纤网络的备份[6][13]。应用于移动通信基站的信号传输，特别是对于没有或缺乏通信基础设施的应急场景，使用FSO 技术可以帮助快速解决大数据量信息的实时传输问题。

（1）短期（临时）通信。快速安装和无需许可证的特性使得FSO 非常适用于短期部署。包括音乐会、运动赛事、博览会、赛马会、道路建设、建筑施工、视频监控、犯罪侦查、临时交通高峰、国事访问、内乱等场景。

（2）应急备用方案。在通信链路越过高速公路、河流、峡谷或拥挤的城区以及各类自然灾害（洪水、飓风、地震、火山爆发等）发生后的应急指挥和救援场景，由于地理条件的制约无法铺设光纤线路时，采用FSO 技术可以快速解决布网难题。

（3）搭载网络。FSO 的低建设成本，高性能及混合链路的高适用性为其网络搭载应用提供了显著的优势[15]。许多没有铺设光缆的商业写字楼都可以通过FSO 链路与铺设光纤网络的建筑物相连。网络运营商可以根据每座建筑物的情况区别对待，并且无需增加重大成本。运营商还可以使用FSO 在新的、小型房间中部署回程，包括基于4G、5G 等移动蜂窝网络的高速数据包。

（4）移动平台。在舰船、海上钻井平台、热气球、游船码头、海上气象站/设备或高速运动物体与固定点之间的高速信息传输，如陆基固定点与运动的火车间的高速信息传输、海洋中气象站或气象设备的数据传输、游船码头的设备数据传输等。

4.2 军用

由于自由光通信技术具有的数据速率大、无需频谱认证、无人值守传输和抗干扰性好等优点，使其也能满足军事领域的应用需求。特别是由于FSO 技术利用激光通信，电磁兼容性好，抗强电磁干扰能力强，在作战区域的短距离通信范围内已经可以成熟应用[6],[15]。

现阶段FSO 在军事领域的应用主要集中在以下几种情况：

（1）基本通信设施建设。在岛屿、边境哨所，高山边界等区域，有线通信设施建立不便，现有无线通信无法满足稳定性，可以利用FSO 技术结合移动通信网络建立稳定的通信线路。

（2）作战任务快速建网。在作战地区或者执行军事任务等区域，需要快速完成网络建设，FSO 技术可以支持在短时间内快速建网或者通信设施中断时的及时补救，同时也可以保证通信的便捷性和保密性。

（3）军事安全通信。军事行动中，无线电通信易受到地方强电磁干扰，这种状态下，依靠电磁波的无线电通信无法保证正常工作，这种状态下，FSO 能够保证有效的通信连接和保密要求。

（4）敌我识别[15]。现代化信息条件下，作战各方须快速、准确、可靠的识别战场目标，分清敌我是战胜敌人的先决条件。目前敌我识别系统主要分为雷达敌我识别和激光识别系统，雷达敌我识别系统如Mark-XII 系统是敌我识别的主要技术手段，但是其存在固定点频、抗干扰能力差等问题；激光敌我识别通过发送激光询问脉冲，判断对方能否发送对应的激光应答信号来进行敌我识别，其定位精度高、识别时间短、信号传输通道窄、保密性好，是在短距离范围内对雷达敌我识别系统的重要补充。

（5）海上舰载通信[16]。自由空间光通信技术可实现舰载机之间、舰载机与舰艇之间以及舰艇与舰艇之间的信息传输，特别是大容量短距离的信息传输，结合微波等混合通信手段，可以实现动态实时的陆海空天立体无线光通信网络。

（6）实兵交战模拟[17]。实兵作战模拟通过“以光代弹”，通过激光模拟、武器仿真进行实战化模拟，满足实战化训练、装备试验评估等需要。发射端将武器信息、人员信息、定位信息等编码后经激光器发射，通过激光代替实弹，接收端通过单兵装备上配备的传感器和探头接收激光信号并解码用于判断伤势和伤部。FSO 技术可承载信息带宽高，抗干扰能力强，在采用合适的编码和调制方案后可以保证通信交互的有效性和可靠性要求，较好地满足实兵交战系统的技术要求。

5 结语

本文对自由空间光通信系统的组成及其在传输过程中各类影响因素和自由空间光通信技术的优势及其典型应用场景进行了简要介绍，不仅有利于理解自由空间光通信技术的原理，还能了解自由空间光通信系统在传输过程中的影响因素，对FSO 通信系统的设计、FSO 系统方案、FSO技术应用等方面有着重要意义，并能有效促进自由空间光通信技术的发展。