無線光通信技術 課件ppt

無線光通信技術楊奮華

無線光通信也稱為自由空間光通信（FreeSpaceOptics），簡稱為FSO。

FSO技術具有高帶寬、部署迅速、費用合理等優(yōu)勢。FSO技術以激光為載體，用點對點或點對多點方式實現連接。雖然FSO通信不需要光纖而是以空氣為介質，但由于其設備以發(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

隨著通信網建設的發(fā)展，局域網以及千兆以太網開始快速增長，將這些高速的局域網和千兆以太網連接到運營商的通信網絡，必須依靠容量巨大的接入網絡。當前有很多接入技術可供選擇，比如光纖、微波、XDSL等，但光纖敷設時間長及高額投入限制了普及；微波技術日漸成熟，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許證），對業(yè)務提供商而言，這種接入方式不很經濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒質，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，是解決寬帶網絡“最后一公里”的傳輸瓶頸的有效途徑，FSO的出現引起了業(yè)界廣泛地關注。4什么是光通信？

光通信是一種以光波作為傳輸媒質的通信方式。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）。556通信波段劃分及相應傳輸媒介頻率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6光通信按傳輸介質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的一種通信。光纖通信已成為廣域網、城域網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7FSO系統組成無線光通信系統是以大氣作為傳輸媒質來進行光信號的傳送的。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，就可以進行通信。一個無線光通信系統包括三個基本部分：發(fā)射機、信道和接收機8FSO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）-半導體激光器AGC（AutomaticGainControl）-自動增益控制9驅動電路半導體激光器（LD）是高速調制的理想光源。但是，半導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。10光源進行通信時，由于受到大氣性能的影響，應考慮激光的功率和傳輸頻率等特性。目前主要是有半導體激光器、固體激光器等。半導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。并且半導體激光器具有體積小、轉換效率高、低成本可直接調制等特點。實際的FSO系統多采用半導體激光器為光源。11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的中繼距離。如何得到高功率的輸出功率？12光接收機在無線光通信系統中，光接收機的任務是以最小的附加噪聲與失真，恢復出經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的性能。接收機由光檢測器、濾波器及其他處理電路組成。13光接收機性能數字接收機的誤碼率（BER）----指的是數字信號中碼元在傳輸過程出現差錯的概率。靈敏度----對數字接收機來說，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下因為接收到的光信號已經很微弱，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。14FSO的關鍵技術高功率激光光源技術光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術大氣信道的研究高靈敏度的信號探測和處理技術高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)技術15

高功率激光光源技術在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,調制速率又要盡可能高。同時,光源的調制需要采用糾錯技術,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）能將光學信號轉化為數字信號，實現光電轉換。CCD與800nm、1550nm波長光源均兼容，CCD相關參數如表所示。16選取1550nm的光源

采用1550nm的優(yōu)點是光源調制速率高,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系統具有更廣闊的使用前景。17光收發(fā)天線和精密可靠的光束控制技術(1)發(fā)射端的光束要進行準直,先將發(fā)射光束壓縮到mrad級,再通過發(fā)射鏡將光束進一步準直為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接收光功率的能力有重要影響。目前,該系統的天線直徑為幾厘米到25cm。18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,光信號將受到嚴重干擾,甚至脫靶。1919大氣中的粒子引起的散射20天氣對通信的影響21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波長設備,運營商需要根據當地的氣候特點確定合適的通信距離。針對設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,特別是在網狀結構的重要地點,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。22高靈敏度的信號探測和處理技術FSO系統中,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。23解決方法24高精度的捕獲、跟蹤和瞄準(ATP)技術

ATP主要解決收發(fā)雙方光束彼此對準的問題,并且在整個通信過程中保持穩(wěn)定,即在數據傳輸前發(fā)射器發(fā)送的光束對準接收機所在的方向,先探測對方發(fā)出的信標,依據接收的信標進行捕獲和跟蹤,然后回傳信標給對方,系統便逐漸實現瞄準,最終雙方建立光傳輸信道,實現雙向通信。

要求：ATP的跟蹤精度優(yōu)于2μrad,瞄準精度優(yōu)于1μrad。25

但經過空間信道的傳輸,光束會受到外界環(huán)境的影響而發(fā)生折射、反射和散射等現象,從而造成光信號衰減和失真,接收機必須準確捕獲發(fā)射過來的光束,在整個通信過程中維持信號跟蹤。26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,因此引入自適應反饋控制系統對抖動引起的誤差進行補償,用該補償信號來控制發(fā)射振鏡系統。27空間分集技術傳統的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，但是經過幾公里，會在接受機平面產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，通信距離以及瞄準偏差有關。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來改善信噪比，降低誤碼率。28不分集光斑面積單位面積的光功率密度（OPD）29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進行光傳輸（如圖）。30A采用小發(fā)射角，B采用大發(fā)射角，L為最遠傳輸距離，發(fā)射機移動的距離為x。當L變大時，由于兩束光功率疊加避免遠距離傳輸時接受光功率過小而難以探測；當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知震動而失去鏈路。31FSO六大特點頻帶寬，速率高頻譜資源豐富適用任何通信協議架設靈活便捷安全可靠成本低32FSO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中傳輸，而FSO的光信號在空氣介質中傳輸。FSO產品目前最高速率可達2.5Gbit/s，最遠可傳送4km。點到點：155Mb/s～10Gb/s2-4公里點到多點：155Mb/s～10Gb/s1～2公里網狀網：622Mb/s200～400米

3333FSO的特點和優(yōu)勢二頻譜資源豐富（無需頻譜許可證）

無線光通訊因設備間沒有信號的相互干擾。FSO與大多數低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應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。唯一的要求設備功率不能超過國際電子技術委員會規(guī)定的功率上限（IEC60825-I標準）34FSO的特點和優(yōu)勢三適用任何通信協議

適用于任何環(huán)境，不依賴某種協議?，F在通信網絡常用的SDH、ATM、以太網、快速以太網等都能通過，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數據、聲音和影像等各種信息。35FSO的特點和優(yōu)勢四架設靈活便捷

FSO可以直接架設在屋頂，以及在江河湖海上進行通信，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，而且無需埋設光纖，可以在幾小時內建立起通信鏈路，方便快捷，大大縮短了施工周期。

36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，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)勢五37成本低

光纖網絡的成本通常很高，鋪設過程耗時，而且投資不可撤回，而無線光通信技術可以在城域光網之外提供高帶寬連接，而成本只有在地下埋設光纜的五分之一。FSO的特點和優(yōu)勢六38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復雜一般簡便39無線光通信的應用無線光通信可在以下一些范圍發(fā)揮重要作用：1、可以作為預防服務中斷的光纖通信和微波通信的備份2、可以應用于移動通信基站間的互連，無線基站數據回傳3、用于近距離高速網的建設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、經市政部門審批困難的地方5、在軍事設施或其他要害部門需要嚴格保密的場合6、用于企業(yè)內部網互連和數據傳輸404041軍事應用：藍綠光通信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無線光通信。通過星載激光系統、機載激光系統、陸基反射鏡系統還可以實現潛艇與衛(wèi)星、潛艇與飛機、潛艇與地面指揮所的實時保密通信。美國當前正在研制的深潛航母就計劃采用先進的藍綠光通信與中微子通信相結合的通信方式。42藍綠光通信它是一種使用波長介于藍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行通信波長459nm的藍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90％－95％。43藍綠激光水下通信44基于無線光通信的高清晰數字傳輸系統45無線光通信系統存在的問題視距問題

FSO是一種視距寬帶通信技術，發(fā)射機與接收機之間需要嚴格的視線傳播，當通信設備安裝在高樓的頂部時，在風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。由于大樓結構中某些部分的熱脹或輕微的地震等原因，有時也會導致發(fā)射機和接收機無法對準。

4646天氣影響

惡劣的天氣情況，會對傳播信號產生衰耗?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會使光線在空間、時間和角度上產生偏差。大氣中粒子還會吸收激光的能量，衰減信號的發(fā)射功率。無線光通信系統存在的問題47因此晴天對傳輸質量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質量的影響則較大。據測試FSO受天氣影響的衰減經驗值分別為：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，更先進的光學器件和多光束來解決。

無線光通信系統存在的問題48影響FSO性能指標的另外兩個因素是大風和地震。風力和大氣溫度的梯度變化會產生氣穴，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”，嚴重影響FSO的通信傳輸質量。同時，由于FSO系統的收發(fā)設備一般都安裝在高樓之上，因此，大風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。無線光通信系統存在的問題49無線光通信系統存在的問題空中障礙物

小鳥或冰雹、雨雪可以阻斷鏈路產生毫秒級的中斷。城市內，由于建筑物的阻隔、晃動也會影響兩個點之間的激光對準。50無線光通信系統存在的問題傳輸距離傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，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。51FSO發(fā)展趨勢

FSO技術原理比較簡單，關鍵的問題是如何提高傳輸的可靠性，使其盡量達到電信運營商的要求。所以現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、接收的瞄準的研究減小大氣對通信的影響傳輸速率的提高52研究發(fā)展趨勢一發(fā)射、接收的瞄準的研究在大風中或因地震引起大樓的擺動，發(fā)射機發(fā)送的光信號對不準接收機，產生的誤差大，甚至通信無法實現。目前的研究方向在于提高激光的瞄準，怎樣利用非機械裝置來實現精確的對準和快速瞄準；在接收機方面，散射光線也帶有信息，接收散射光線越多，接收的信號能量越大，但同時接收的噪聲也越大，所以盡量提高接收機接收信號總功率，又不能降低信噪比成為研究目標。5353減小大氣對通信的影響在不同的環(huán)境中不同波長的光線會有不同的傳播特性，這些不同的特性導致了在不同環(huán)境下，不同波長的光線會有不同的吸收窗口、不同的散射函數以及不同的折射率，需要尋求一種最優(yōu)波長，在通信鏈路中找出波長與性能的最優(yōu)組合。54研究發(fā)展趨勢二54傳輸速率的提高FSO相對于其他接入設備最大的優(yōu)勢之一就是帶寬?，F在FSO產品的速率從2Mbit/s開始，形成多個系列，比較典型的有10Mbit/s、100Mbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s。有的公司采用波分復用技術，速率可以達到2.5Gbit/s、10Gbit/s。55研究發(fā)展趨勢三55綜上所述，FSO的發(fā)展方向是解決大樓的抖動引起的對不準問題、大氣微粒的散射問題、大氣湍流影響通信問題，提高系統可靠性，在此基礎上提高傳輸速率，使FSO發(fā)揮最大優(yōu)勢。56總結

自由空間光通信技術自身的特點決定了在一定的環(huán)境下，它可以最大發(fā)揮自身優(yōu)勢，比如不便鋪設光纖的地方和不適宜使用微波的地方。同時在最后一公里接入等領域也有著相當的競爭優(yōu)勢。自由空間光通信的任務不是取代已經發(fā)展成熟的光纖通信和微波通信，而是發(fā)揮自己特色，成為整個通信網絡中的一個環(huán)節(jié)，與其他通信方式互相補充、互相配合，發(fā)揮重要作用。在未來幾年里，它將作為一個主要的手段進入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業(yè)。

5758Theend,thankyou!

MerryChristmas59謝謝觀看/歡迎下載BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH最易遭老板“炒”的15種員工廣東韋邦集團李雙華有人在工作中出了問題，于是首先想到的是換一家企業(yè)去工作，考慮的只是換一個環(huán)境而已，根本沒有反思自身的問題?？墒?，換了工作環(huán)境問題卻依然存在??！老板雖然換了，但他們考慮“炒魷魚”的因素是一致的。那么，老板眼中什么樣的人會被炒掉呢？這類對象一般是剛剛參加工作不久的職場新鮮人，對突發(fā)事件往往措手不及，結果行動常過分急躁，更甚者每次遇事每次如此，給老板留下不可調教的印象。01：不夠穩(wěn)重沉著