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无线激光通信技术

2008-06-02 14:55
安娜PARKER
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    无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术,又称为“自由空间激光通信",“无纤激光通信”或“无线激光网络”。 

    无线激光通信以激光作为信息载体,不使用光纤等有线信道的传输介质,属于新型应用技术,早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展,近年来逐渐应用于商用的地面通信,技术也在逐步完善。  

    一、无线激光通信的优势 

    相比于微波通信等其他几种接入方式,无线激光通信主要优势包括: 

    1.无须授权执照 

    无线激光通信工作频段在365~326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm~920nm),设备间无射频信号干扰,所以无需申请频率使用许可证。 

    2.安全保密 

    激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄,方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度,甚至微弧度量级,因此具有数据传递的保密性,除非其通信链路被截断,否则数据不易外泄。 

    3.实施成本相对低廉 

    无须进行昂贵的管道工程铺设和维护,其造价约为光纤通信工程的五分之一。 

    4.建网快速 

    无线激光通信建网速度快,只须在通信点上进行设备安装,工程建设以小时或天为计量单位,适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。对于重新撤换部署也很方便容易。 

    5.协议的透明性 

    以光为传输机制,任何传输协议均可容易的迭加上去,电路和数据业务都可透明传输。 

    6.设备尺寸小 

    由于光波波长短(约零点几微米到几十微米),在同样功能情况下,光收发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多,具有功耗小、体积小、重量轻等特点。 

    7.信息容量大 

    光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率。Lucent贝尔实验室不久前演示了其“无线激光通信数据链路”,并且创造了在2.4公里的自由空间距离上以2.5Gbit/s的速率无差错传输信息的世界记录。目前已经商用的无线激光设备,最高速率已达622Mbit/s。  

    二、无线激光通信的缺点 

    当然,无线激光通信也有其固有的缺点: 

    1.只能在视线范围内建立链路 

    两个通信点之间视线范围内必须无遮挡,必要的时候需要考虑线路中间将来可能出现的树木,建筑物的遮挡。对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输,可以通过建立一个中继站实现连接。 

    2.通信距离受限 

    目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m,受安全发送功率、数据速率、天气等条件的限制,实际使用的距离要短一些。延长直视的两点之间的传输距离可以通过建立中继站的方法。

    3.天气影响链路的可靠性 

    天气因素尤其是大雾所引起的光的色散影响激光通信的可靠性。据测算,当距离在200~500米之间时,全球大部分地区均可达到99.999%的通信要求。 

    4.安装点的晃动影响激光对准 

    楼顶晃动(受日光,风力的影响)将影响两个点之间的激光对准,使链路质量下降。 

    5.意外因素使通信链路的阻断,可用性受限制 

    点对点及点对多点模式中,如有一条链路被隔断(如飞鸟经过链路空间),通信将受阻。 

    三、无线激光通信的应用 

    1.无线激光主要应用场合 

    无线激光通信综合了光纤通信与微波通信的优点,比较适合在城域网中使用。目前的主要应用场合包括: 

    (1)在不具备接入条件(如:复杂地形)或带宽不足时提供高效的接入方案 

    在通信链路跨越高速公路、河流、拥挤的城区时,由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时,采用无线激光通信可以有效解决。

    (2)解决综合业务接入的“最后一公里” 

    对智能小区的宽带接入,大企业Intranet的互连,大客户的宽带接入提供一种快速灵活的方案,可提供2~622Mbit/s的带宽。 

    (3)提供室内外、临近局域网之间的互连互通 

    当两座楼宇之间的办公室需要建立一条通信链路,其他通信方式不能较好的解决时(带宽、价格、线路资源),采用无线激光通信可快速解决。 

    (4)对于特殊要求的线路进行备份以及应急临时链路和意外恢复 

    在突发的自然或人为意外灾害中,原有通信线路被破坏,难以立即恢复时,或者在一些特殊地方发生突发事件,需要应急通信,采用无线激光通信进行快速的部署。 

    另外对于一些大型的集会(如运动会、庆祝会等)需要快速建立一些临时链路用于现场通信。 

    大部分无线激光通信设备向用户提供的是业务透明的接口,因此,可以适应多种常用的通信协议,可以很灵活的接入数据,话音,视频业务。 

    数据网络的互连,适用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同协议的网络。 

    电路业务网络的互连,适用于交换机,移动基站等设备的连接,主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。 

    闭路监视系统,广播电视信号的单,双工的传输。 

    无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架,部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 

    激光通信终端中的光源(Light source)主要分为LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode),其中LD多采用铝砷化钾二极管(AlGaAs Laser Diode),接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。

    另外,部分设备商的产品中集成了伺服装置,用于安装调试、组网调整以及由于环境因素引起的基座移动的调整。 

    2.采用无线激光技术组网通信时需要考虑一些必要影响因素 

    (1)自由空间损耗(Free-Space Lose obstacle) 

    自由空间损耗是指激光波束在传播过程中的扩散引起的损耗;解决方法:提高发射功率、增加波束数量、波束聚焦。 

    (2)基座的偏移 

    建筑物的偏移:由于日光、风力、季节的变化引起建筑物及固定基座发生偏移,通常最大4 mrad/2层楼。解决方法:自动跟踪、改变波束聚焦。 

    (3)衰减(attenuation) 

    在不同气象条件下,空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰耗。表1是典型天气条件下的数值。 

    (4)闪烁(scintillation) 

    500m之内的闪烁影响不明显,大于500m则影响较大。 

    (5)空气散射(scattering) 

    激光波束在传播路径上由于空气温度的差异而引起介质的折射率不同导致波束的散射产生的损耗。解决方法:缩短路径;传播路径避免经过排风口、烟囱、高温屋顶、管道等。 

    (6)背景噪声 

    在无线激光通信组网过程中,当部分终端的位置需要俯仰或东西朝向时,会遇到日光照射到终端的接收器上,日光形成的背景噪声对正常通信有一定的影响。 

    另外,由于不同设备厂商在不同型号(传输速率)的设备上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天气条件下所能达到的通信距离不尽相同,考虑到天气及环境因素的变化,在保证误码率的前提下,应留出一定的裕量。 

    激光的直线传输和扩散角度很小的特性,使截取信息的方式只可能会在传输的路径中间或在光束的扩散区域中,接受器直接置于传输路径中间可能会导致传输中断,在扩散区域,由于衰耗较大, 需要较高的接收灵敏度。另外,部分厂商采用了特殊的编码,用以保护数据的安全。  激光对人体的危害,尤其是对眼睛的损伤,其损伤程度可以使眼睛视力降低,甚至完全失明,但这种损伤并非所有量级激光能引起,而是有一最低限度——即致伤阈值,只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。激光器的级别分类提供了一个安全的参考值。 

    无线激光通信填补固定无线通信方式(受频率资源许可、价格、带宽等限制)与光纤通信方式(特殊地形、建网时间等限制)之间的空白。可以灵活、快速地建立通信链路。因此,在调查和了解使用过程中不同条件和要求(传输的距离、用户要求的传输速率、误码率、可用时间等,当地的气象条件如降雨、雪、雾、尘的天数及程度,附近鸟群等)的情况下,可以充分考虑采用采用无线激光通信的方式组网,迅速建立一个有效覆盖、能够为用户提供端到端的网络综合接入服务能力的宽带接入网络。

(编辑:文静)

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