無線光通信技術(shù)-課件

無線光通信技術(shù)楊奮華無線光通信也稱為自由空間光通信（FreeSpaceOptics），簡稱為FSO。FSO技術(shù)具有高帶寬、部署迅速、費用合理等優(yōu)勢。FSO技術(shù)以激光為載體，用點對點或點對多點方式實現(xiàn)連接。雖然FSO通信不需要光纖而是以空氣為介質(zhì)，但由于其設(shè)備以發(fā)光二極管或激光二極管為光源，因此又有“無線光纖”之稱。前言FSO的提出：“最后一公里”的新方案隨著通信網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，局域網(wǎng)以及千兆以太網(wǎng)開始快速增長，將這些高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運營商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供選擇，比如光纖、微波、XDSL等，但光纖敷設(shè)時間長及高額投入限制了普及；微波技術(shù)日漸成熟，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許證），對業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入方式不很經(jīng)濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒質(zhì)，但XDSL帶寬太低。而自由空間光通信FSO（FreeSpaceOptics），作為一種新興的寬帶無線接入方式浮出水面，是解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的傳輸瓶頸的有效途徑，F(xiàn)SO的出現(xiàn)引起了業(yè)界廣泛地關(guān)注。4ppt課件什么是光通信？

光通信是一種以光波作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光波和無線電波同都屬于電磁波，但光波的頻率比無線電波的頻率高，波長比無線電波的波長短（如圖）。55ppt課件6通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介頻率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外線可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質(zhì)6ppt課件光通信按傳輸介質(zhì)不同可分為光纖通信和大氣激光通信。光纖通信：是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信。光纖通信已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的主要傳輸方式之一。大氣激光通信：是利用大氣作為傳輸介質(zhì)的激光通信。光通信的分類7光通信有線光通信：光纖通信無線光通信：大氣、海水、外層空間7ppt課件FSO系統(tǒng)組成無線光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進(jìn)行光信號的傳送的。只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，就可以進(jìn)行通信。

一個無線光通信系統(tǒng)包括三個基本部分：發(fā)射機、信道和接收機8ppt課件FSO的物理模型FEC（ForwardErrorCorrection）-前向糾錯APC（AutomaticPowerControl）-自動功率控制ATC（AutomaticTemperatureControl）-自動溫度控制LD（LaserDiode）-半導(dǎo)體激光器AGC（AutomaticGainControl）-自動增益控制9ppt課件驅(qū)動電路半導(dǎo)體激光器（LD）是高速調(diào)制的理想光源。但是，半導(dǎo)體激光器對溫度的變化很敏感。因此穩(wěn)定的激光器的輸出信號是必須考慮的問題。控制電路的作用，就是消除溫度變化和器件老化的影響，輸出穩(wěn)定光信號。因此除了一些特殊的發(fā)光器外，一般的半導(dǎo)體激光器發(fā)送機中都含有自動溫度控制（ATC）與自動功率控制（APC）電路。10ppt課件光源進(jìn)行通信時，由于受到大氣性能的影響，應(yīng)考慮激光的功率和傳輸頻率等特性。目前主要是有半導(dǎo)體激光器、固體激光器等。半導(dǎo)體激光器可以工作在1.06um左右，這是大氣低損耗窗口，可以減小衰減。并且半導(dǎo)體激光器具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、低成本可直接調(diào)制等特點。實際的FSO系統(tǒng)多采用半導(dǎo)體激光器為光源。11ppt課件光發(fā)送機光發(fā)送機的性能----輸出光功率及穩(wěn)定性。發(fā)送機的輸出光功率，實際上是發(fā)射端的端點測得的光的功率，因此也稱為出端光功率。工程上光功率用相對值表示。1mW光功率定義為0db。發(fā)送機的輸出功率大小直接影響系統(tǒng)的中繼距離。如何得到高功率的輸出功率？12ppt課件光接收機在無線光通信系統(tǒng)中，光接收機的任務(wù)是以最小的附加噪聲與失真，恢復(fù)出經(jīng)信道傳輸后光載波所攜帶的信息，因此光接收機的輸出特性反映了整個光通信系統(tǒng)的性能。接收機由光檢測器、濾波器及其他處理電路組成。13ppt課件光接收機性能數(shù)字接收機的誤碼率（BER）----指的是數(shù)字信號中碼元在傳輸過程出現(xiàn)差錯的概率。靈敏度----對數(shù)字接收機來說，靈敏度是指保證一定的誤碼率條件下，光接收機所能接收的最小光功率，一般用dBm作單位。動態(tài)范圍-----在滿足一定誤碼率的指標(biāo)下因為接收到的光信號已經(jīng)很微弱，因此如何提高光接收機的靈敏度是研究接收機的主要問題。14ppt課件FSO的關(guān)鍵技術(shù)高功率激光光源技術(shù)光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù)大氣信道的研究高靈敏度的信號探測和處理技術(shù)高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)技術(shù)15ppt課件

高功率激光光源技術(shù)在FSO通信中,背景光的干擾很強,所以在通信過程中需要大功率、低損耗光源,調(diào)制速率又要盡可能高。同時,光源的調(diào)制需要采用糾錯技術(shù),盡可能減少誤碼和突發(fā)誤碼。目前,主要采用800～860nm波段和1550nm波段的光源。800nm波段光源研究時間較早,器件比較成熟，被廣泛采用。CCD（電荷耦合器件）能將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。CCD與800nm、1550nm波長光源均兼容，CCD相關(guān)參數(shù)如表所示。16ppt課件選取1550nm的光源采用1550nm的優(yōu)點是光源調(diào)制速率高,并且波長穩(wěn)定。同時考慮到1500nm的光波對于霧有更強的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長的FSO系統(tǒng)具有更廣闊的使用前景。17ppt課件光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(shù)(1)發(fā)射端的光束要進(jìn)行準(zhǔn)直,先將發(fā)射光束壓縮到mrad級,再通過發(fā)射鏡將光束進(jìn)一步準(zhǔn)直為μrad級光束。

(2)接收端的接收天線將空間傳播的光場收集并匯聚到探測器表面,接收天線的效率和尺寸對系統(tǒng)接收光功率的能力有重要影響。目前,該系統(tǒng)的天線直徑為幾厘米到25cm。18ppt課件大氣信道的研究

在FSO通信中,大氣中的氣體分子、水霧、雪、氣溶膠等粒子,其幾何尺寸與半導(dǎo)體激光的波長相近甚至更小,這會引起光的吸收、散射、折射,特別是在強急流的情況下,還可能發(fā)生波前畸變、強度抖動、多徑衰減、云層遮斷,光信號將受到嚴(yán)重干擾,甚至脫靶。1919ppt課件大氣中的粒子引起的散射20ppt課件天氣對通信的影響21ppt課件解決方法在有霧的天氣一般采用增大發(fā)射功率的辦法,因此多選用1550nm波長設(shè)備,運營商需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c確定合適的通信距離。針對設(shè)備可靠性的解決方案,采用不需許可證的微波作為備份節(jié)點,特別是在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重要地點,因為微波對霧的抗擾能力強,不過實際中只有很少的時間需要倒換到微波上。22ppt課件高靈敏度的信號探測和處理技術(shù)FSO系統(tǒng)中,激光束的強度是與距離的平方成反比,所以光接收機接收到的信號十分微弱,在高背景噪聲場(如太陽光、月光、星光等)的干擾下,會導(dǎo)致接收端信噪比小于1,即信號淹沒在噪聲中。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號,采取了表3所示的提高接收靈敏度和信噪比的措施。23ppt課件解決方法24ppt課件高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)技術(shù)

ATP主要解決收發(fā)雙方光束彼此對準(zhǔn)的問題,并且在整個通信過程中保持穩(wěn)定,即在數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)射器發(fā)送的光束對準(zhǔn)接收機所在的方向,先探測對方發(fā)出的信標(biāo),依據(jù)接收的信標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤,然后回傳信標(biāo)給對方,系統(tǒng)便逐漸實現(xiàn)瞄準(zhǔn),最終雙方建立光傳輸信道,實現(xiàn)雙向通信。要求：ATP的跟蹤精度優(yōu)于2μrad,瞄準(zhǔn)精度優(yōu)于1μrad。25ppt課件

但經(jīng)過空間信道的傳輸,光束會受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生折射、反射和散射等現(xiàn)象,從而造成光信號衰減和失真,接收機必須準(zhǔn)確捕獲發(fā)射過來的光束,在整個通信過程中維持信號跟蹤。26ppt課件解決方法

發(fā)送信號時由于外部不可避免的抖動會引起誤差,因此引入自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)對抖動引起的誤差進(jìn)行補償,用該補償信號來控制發(fā)射振鏡系統(tǒng)。27ppt課件空間分集技術(shù)傳統(tǒng)的FSO端對端通信，采用單發(fā)射器和唯一的接受天線，為了使激光發(fā)射器保持瞄準(zhǔn)接收機激光探測器，必須保證激光發(fā)射器的光束發(fā)散角在幾十個微弧度之內(nèi)，但是經(jīng)過幾公里，會在接受機平面產(chǎn)生一個半徑較大的光斑，但接收機的口徑有限，只能接收到光斑的一部分能量，所以就產(chǎn)生了光能量的幾何空間損耗，損耗的大小與發(fā)射光束的發(fā)散角，接受探測器孔徑尺寸，通信距離以及瞄準(zhǔn)偏差有關(guān)。為了增大接受端的光能量，可以采用多發(fā)射端的空間分集技術(shù)來改善信噪比，降低誤碼率。28ppt課件不分集光斑面積單位面積的光功率密度（OPD）29ppt課件分集采用光分路將一束光將兩個不同發(fā)射角的發(fā)射光束A、B進(jìn)行光傳輸（如圖）。30ppt課件A采用小發(fā)射角，B采用大發(fā)射角，L為最遠(yuǎn)傳輸距離，發(fā)射機移動的距離為x。當(dāng)L變大時，由于兩束光功率疊加避免遠(yuǎn)距離傳輸時接受光功率過小而難以探測；當(dāng)L變小時，窄光束A光斑面積隨著變小，寬光束B盡可能取得最大避免光斑過小受不到不可預(yù)知震動而失去鏈路。31ppt課件FSO六大特點頻帶寬，速率高頻譜資源豐富適用任何通信協(xié)議架設(shè)靈活便捷安全可靠成本低32ppt課件FSO的特點和優(yōu)勢一

頻帶寬，速率高

FSO的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同，只是光纖通信中的光信號在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號在空氣介質(zhì)中傳輸。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達(dá)2.5Gbit/s，最遠(yuǎn)可傳送4km。點到點：155Mb/s～10Gb/s

2-4公里點到多點：155Mb/s～10Gb/s

1～2公里網(wǎng)狀網(wǎng)：622Mb/s200～400米

3333ppt課件FSO的特點和優(yōu)勢二頻譜資源豐富

（無需頻譜許可證）

無線光通訊因設(shè)備間沒有信號的相互干擾。FSO與大多數(shù)低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受限制，可以免費使用，故無需像無線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。唯一的要求設(shè)備功率不能超過國際電子技術(shù)委員會規(guī)定的功率上限（IEC60825-I標(biāo)準(zhǔn)）34ppt課件FSO的特點和優(yōu)勢三適用任何通信協(xié)議

適用于任何環(huán)境，不依賴某種協(xié)議?，F(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等都能通過，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等各種信息。35ppt課件FSO的特點和優(yōu)勢四架設(shè)靈活便捷

FSO可以直接架設(shè)在屋頂，以及在江河湖海上進(jìn)行通信，可以完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)，而且無需埋設(shè)光纖，可以在幾小時內(nèi)建立起通信鏈路，方便快捷，大大縮短了施工周期。

36ppt課件安全可靠

無線光通信的安全性是非常顯著的，光無線通信的波束很窄，定向性非常好，不是可視光，夜間也無法發(fā)現(xiàn)，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強。FSO的特點和優(yōu)勢五37ppt課件成本低

光纖網(wǎng)絡(luò)的成本通常很高，鋪設(shè)過程耗時，而且投資不可撤回，而無線光通信技術(shù)可以在城域光網(wǎng)之外提供高帶寬連接，而成本只有在地下埋設(shè)光纜的五分之一。FSO的特點和優(yōu)勢六38ppt課件接入方式各種性能光纖接入微波接入FSO帶寬Gbps以上較低100Mbps-2.5Gbps保密性好較差好傳輸距離120公里以上60公里4公里成本10-20萬美元/公里2-3萬美元/套2-3萬美元/套建設(shè)速度4-12月2-3天2-3天市政許可有無無頻率許可無有無便攜性困難一般方便維護(hù)復(fù)雜一般簡便39ppt課件無線光通信的應(yīng)用無線光通信可在以下一些范圍發(fā)揮重要作用：1、可以作為預(yù)防服務(wù)中斷的光纖通信和微波通信的備份

2、可以應(yīng)用于移動通信基站間的互連，無線基站數(shù)據(jù)回傳3、用于近距離高速網(wǎng)的建設(shè)以及最后一英里接入4、用于不宜布線或是布線成本高、施工難度大、經(jīng)市政部門審批困難的地方5、在軍事設(shè)施或其他要害部門需要嚴(yán)格保密的場合6、用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互連和數(shù)據(jù)傳輸4040ppt課件41ppt課件軍事應(yīng)用：藍(lán)綠光通信1981年5月，美國在圣地亞哥海域上空，采用530nm的激光束從一架飛行在1.3萬米高度的飛機與巡航在300米深度的核潛艇成功的實現(xiàn)無線光通信。通過星載激光系統(tǒng)、機載激光系統(tǒng)、陸基反射鏡系統(tǒng)還可以實現(xiàn)潛艇與衛(wèi)星、潛艇與飛機、潛艇與地面指揮所的實時保密通信。美國當(dāng)前正在研制的深潛航母就計劃采用先進(jìn)的藍(lán)綠光通信與中微子通信相結(jié)合的通信方式。42ppt課件藍(lán)綠光通信它是一種使用波長介于藍(lán)光與綠光之間的激光，在海水中傳輸信息的通信方式，是目前較好的一種水下通信手段。利用450－570nm的激光束在深海里進(jìn)行通信波長459nm的藍(lán)綠光在大氣中的透過率是65%，在2000米深度的海水中，其透光程度平均可達(dá)90％－95％。43ppt課件藍(lán)綠激光水下通信44ppt課件基于無線光通信的高清晰數(shù)字傳輸系統(tǒng)45ppt課件無線光通信系統(tǒng)存在的問題視距問題

FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機與接收機之間需要嚴(yán)格的視線傳播，當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時，在風(fēng)力的作用下建筑物會發(fā)生擺動，這樣便會影響激光器的對準(zhǔn)。由于大樓結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微的地震等原因，有時也會導(dǎo)致發(fā)射機和接收機無法對準(zhǔn)。

4646ppt課件天氣影響惡劣的天氣情況，會對傳播信號產(chǎn)生衰耗?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會使光線在空間、時間和角度上產(chǎn)生偏差。大氣中粒子還會吸收激光的能量，衰減信號的發(fā)射功率。無線光通信系統(tǒng)存在的問題47ppt課件因此晴天對傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天為50-150dB/Km，霧天為50-300dB/Km。國外為解決這個問題，一般會采用高功率的激光器二極管，更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來解決。

無線光通信系統(tǒng)存在的問題48ppt課件影響FSO性能指標(biāo)的另外兩個因素是大風(fēng)和地震。風(fēng)力和大氣溫度的梯度變化會產(chǎn)生氣穴，氣穴密度的變化將帶來光折射率的變化，這會造成光束強度的瞬時突變，即所謂的“閃光”，嚴(yán)重影響FSO的通信傳輸質(zhì)量。同時，由于FSO系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備一般都安裝在高樓之上，因此，大風(fēng)引起的建筑物的晃動或地震也會造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“動態(tài)跟蹤法”兩種手段可以解決這一問題。無線光通信系統(tǒng)存在的問題49ppt課件無線光通信系統(tǒng)存在的問題空中障礙物小鳥或冰雹、雨雪可以阻斷鏈路產(chǎn)生毫秒級的中斷。城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動也會影響兩個點之間的激光對準(zhǔn)。50ppt課件無線光通信系統(tǒng)存在的問題傳輸距離傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會越寬，接收的光信號質(zhì)量越差。

安全問題激光的安全問題必須考慮。發(fā)射功率必須限制在保證眼睛安全的功率范圍內(nèi)。51ppt課件FSO發(fā)展趨勢FSO技術(shù)原理比較簡單，關(guān)鍵的問題是如何提高傳輸?shù)目煽啃?，使其盡量達(dá)到電信運營商的要求。所以現(xiàn)在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率。大致有以下一些方面。發(fā)射、接收的瞄準(zhǔn)的研究減小大氣對通信的影響傳輸速率的提高52ppt課件研究發(fā)展趨勢一發(fā)射、接收的瞄準(zhǔn)的研究

在大風(fēng)中或因地震引起大樓的擺動，發(fā)射機發(fā)送的光信號對不準(zhǔn)接收機，產(chǎn)生的誤差大，甚至通信無法實現(xiàn)。目前的研究方向在于提高激光的瞄準(zhǔn)，怎樣利用非機械裝置來實