通信fso技术规范

通信 fso 技术规范篇一：FSO 基本原理及工程设计链路分析FSO 基本原理及工程设计链路分析 范景祥 摘要：本文介绍了 FSO 设备的基本原理及设备的优缺点，分析了工程设计中对传输链路性能的核算，并用实际例子做了说明，同时列出了工程设计中需注意的其他问题。关键字：自由空间光通信，链路功率，大气衰耗余量，几何衰耗，链路性能 一、 前言 20 世纪 90 年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。 随着应用的增加，工程设计的准确性也显得尤其重要。因此，了解 FSO 的基本原理及探讨工程设计的要点问题是十分有必要的。 二、 FSO 基本原理 的正式称谓叫自由空间光通信。技术是一种基于光传输方式、采用红外激光承载高速信号的无线传输技术，它以激光为载体、以空气为介质，用点对点或点对多点的方式实现连接，由于其设备也以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“虚拟光纤”的美誉。其模型为： 下端设备大气 端设备技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，能以千兆的速度进行全双工通信且具成本上的优势。它的工作原理与光纤通信系统类似，包括光发送、光传输和光接收三个部分，系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情 况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学镜头，将光信号经过大气信道传送到接收端的光学镜头。高灵敏度的光接收机，将镜头收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用微米或微米的红外波段，但是，发送端和接收端之间，互相必须是可视线的，两终端之间不能有阻挡。FSO 网络主要有三种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和网状，也可以把它们组合起来使用。FSO 技术相对是简单的，但结合了光纤通信和无线通信各自的优势，具有频带宽的特点，目前市场上的产品最高支持10的传输速率，最大传输距离为公里。但通常在公里有稳定的传输效果。 FSO 的典型应用为： 三、 FS0 技术的优点 1、无需频谱许可证背景 无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰。FSO 与大多数低频段电磁波不同的是，300GHz 以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-I 标准） 。 2、带宽高 自由空间光通信和光纤通信一样，具有频带高的优势。FSO 支持 155Mbit/s-10Gbit/s 的传输速率，传输距离在 2-4 公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO 同样能支持155Mbit/s-10Gbit/s 的传输速率，但传输距离为 1-2 公里，如果采用格形的组网方式，则可支持 622 Mbit/s 的传输速率，传输距离为 200-400 米。3、协议透明 FSO 以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。 4、成本低廉 由于以大气为传输媒质，免去了昂贵的光纤敷设和维护工作，有资料表明，FSO 系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右。 5、快速链路部署 因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，FSO可以在几天内完成连接。FSO 的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶，屋内甚至窗外。 6、安全保密性能强 FSO 的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性，并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。 7、全天候工作 FSO 全天候工作的可靠率达，远远高于国际规定的通信系统年可靠率 95。 8、便携性 由于发射机和接收端设备小巧轻便，便于携带。当公司或临时驻点时，无需重新安装光纤从而节约成本。 四、 FS0 存在的主要问题 自由空间光通信系统（FSO）是一种新型的无线宽带接入方式，它是在空气中用激光或光脉冲在 THz 光谱范围内传送分组数据的通信系统，激光的定向性虽然很好，但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。目前测试表明，FSO 系统在 1 公里以下才能获得最佳的效率和质量。另外，由于波束的传输不能受到阻挡，飞鸟也会对 FS0 产生影响。 另一个主要问题是 FSO 的传输质量对天气非常敏感。因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多，光波易被水气吸收，因此晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试 FSO 受天气影响的衰减经验值分别为：晴天 5-15dB/Km，雨天 20-50dB/Km，雪天为 50-150dB/Km，雾天为 50-300 dB/Km。国外为解决这个问题，一般会采用高功率的激光器二极管，更先进的光学器件和多光束来解决。影响 FSO 性能指标的另外两个因素是大风和地震。风力和大气温度的梯度变化会产生气穴，气穴密度的变化将带来光折射率的变化，这会造成光束强度的瞬时突变，即所谓的“闪光” ，严重影响 FSO 的通信传输质量。同时，由于 FSO 系统的收发设备一般都安装在高楼之上，因此，大风引起的建筑物的晃动或地震也会造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段可以解决这一问题。 激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。 五、 工程设计中对链路功率的核算及传输链路分析 在实际的工程设计中，一般来说，在需求确定的情况下，FSO 设备的安装地点及距离也基本确定，故此，安装位置不是我们主要考虑的问题，而我们最关注的是这固定长度链路的性能能否克服当地天气的变化，达到电信级的指标要求。 由于激光束在大气中传输会造成衰耗，而 FSO 的接收器也有其探测灵敏度。此外，结合 FSO 设备发射器的发射功率、收发器数目、几何位置和尺寸、以及器件本身的光学固有衰耗，我们可以对不同厂家、不同型号 FSO 设备在空间链路上的功率进行核算。在这里，我们所关心的几个参数为：FSO 设备的系统衰耗余量（单位 dB） 、几何衰耗（单位 dB） 、大气衰耗余量（单位 dB） 。他们的计算公式如下： 1）系统衰耗余量（dB）发射器功率（dBm）接收器灵敏度（dBm）FSO 设备的固有衰耗 2）大气衰耗余量系统衰耗余量几何衰耗 1、对设备的固有衰耗及几何衰耗的分析 （1）设备的固有衰耗（光学衰减）自由空间光学系统中的第一衰减是由于不完善的透镜和其他的一些光学因素(比如连接者)。例如, 一个透镜能够传输 96%的光，而反射或者被吸收的 4%就是不可用的。为了把这个因素考虑进来，在链接预算中我们要放入光学衰减这一项。衰减的数值取决于设备的特性和透镜的质量。这个数值需要被测量或者从光学元件的制造商那里获得。 （2）几何衰减 几何衰减这一项涉及的衰减是由激光束的发散角引起的。典型的，自由空间光学系统是受工程加固的以至于在发射机和接收机之间的路径上会有一定程度的发散角。在一些使用主动跟踪的系统中，发散角很小。在没有应用主动跟踪的系统或者是跟踪系统是在几赫兹的范围内，激光束的发散角是受工程加固的，以至于当激光束摆动时，激光束的一部分可以击中接收机，所以链路可以保持连接。 发散角导致的结果是很多或者说大部分的光没有被接收机接收，这种衰减等于接收机接收光的总的区域与接收机光到达的区域的比值。对于单束激光，接收机处激光到达的区域可以用几何公式计算，假设激光束一离开发射机就以一定的发散角传播。下图给出了对于 2mrad 的激光束在 600 米，1000 米，以及 XX 米的激光束投影直径。在这些投影距离，激光束的光斑从米到米最后到 4 米不断的增加。光斑直径： 激光束光斑随距离的变化 在工程应用中，通常我们会先计算出激光束在 1km 的距离处光斑的直径，用 D 光斑1km 表示（单位 m） ，假设发散角为 （单位弧度） ，该计算公式根据 数学三角函数计算可得： 篇二：自由空间光通信 FSO自由空间光通信（FSO） 摘要：无线光通信又称自由空间光通信（FSO） ，是一种以激光为载波（MHz）, 在真空或大气中传递信息的通信技术。随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，F S O 在视距传输、宽带接入中逐渐得到了的应用。本文简单介绍了自由空间无线光通信技术的发展现状，其基本原理、系统组成和相关的关键技术，简要分析影响自由空间光通信的几个重要因素及可能解决的方法，最后从应用的角度，分析自由空间的发展的方向和趋势。 关键词：自由空间光通信（FSO） ，系统组成，问题，趋势 一、背景 自由空间光通信 FSO( Free space optics)或称无线光通信技术，在 20 世纪 80 年代就开始用于军方,随着掺饵光纤放大器 EDFA、波分复用 WDMA、自适应光学 Adaptive Optics 等技术不断发展, 无线光通信在传输距离、可靠性、传输容量等方面有了较大改善, 适用面也越来越宽。90 年代 FSO 系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品, 因为安装屋顶到屋顶的 FSO 链路比挖掘城市街道、安装光纤线路快捷便宜得多。由于无线通信所赖以生存的射频频谱正在变得十分拥挤, 很难再支撑高速宽带大容量无线通信应用。于是, 人们又将目光转向了无线光通信。 虽然无线光通信技术还有待成熟，但它却有显著的优点： (1) 频带宽，速率高：理论上，无线光通信的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同。目前国外无线光通信系统一般使用 1550n m 波长，传输速率可达 10Gbit/s，可完成12 万个话路，其传输距离可达 5k m。国内一般使用 850n m 波长技术，速率为 10M b i t/s155Mbit/s，传输距离可达 4km。 (2) 频谱资源丰富：FSO 设备多采用红外光传输方式，无需申请频率执照和交纳频率占用费，也不会和微波等无线通信系统产生相互干扰。升级容易，接口开放。 (3) 适用多种通信协议：无线光通信产品作为一种物理层的传输设备，可以用在 S D H、A T M、以太网、快速以太网等常见的通信网络中，并可支持 G bit/s 的传输速率，适用于传输数据、声音和影像等信息。 (4)部署链路快捷：FSO 设备可以直接架设在楼顶，甚至可在水域上部署，能完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，其施工周期较短，可以在数小时内建立起通信链路， 而建设成本只有地下光纤的五分之一左右。并且安装快速简易, 因此可在野外的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接。(5)传输保密性好：无线光通信的安全性高。无线光通信具有很好的方向性和非常窄的波束，因此，对其窃听和人为干扰较困难。 (6)组网灵活：可以构建点地点，点对多点，环状，星状，网状等多种结构。并且网络的扩展容易。 在自由空间光通信(FSO)领域, 国外已经开始了近 10年的研究, 但是 FSO 产品真正投人使用也就是最近几年的事情。Light-Pointe 公司自从 XX 年推出的 FlightLite 一直是最畅销的企业无线产品之一，而 LightPointe 又于 05年五月份推出 FlightStrata100XA, 是第一款集成了快速以太网光无线链路和 技术的 FSO 产品。该产品提供了全天候的工作能力, 同时可以提供与光纤线路一样的带宽。FlightStrata100XA 是基于 LightPointe 的发展历程验证的 LAN- to- LAN 光无线连接解决方案, 同时支持全双工工作, 支持光路和 RF 线路的自动切换, 具有%的网络可靠性。在中国，FSO 最初的使用是一些军方的项目研究所，后来，清华同方公司推出的 FSO 产品 TFOW100-1 能提供100Mbps 的带宽，用于 1km 以内的网络接连，该产品的特点是采用小功率激光器，所以大幅降低成本。根据华为公司与 Light-Pointe 公司 04 年 7 月的 OEM 合作协议，华为将在欧洲，中东等地将 LightPoint 的产品作为自己光网络产品的部分销售。华国已成功将 FSO 产品安装到国内的各大运营网络中，这表示华为是世界一流的供应商。 二、自由空间光通信系统的构成 自由空间光通信的基本原理与光纤通信相同,只不过它是以大气作为传播媒质来进行光信号的传送。只要在两个收发端之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率,通信就可以进行。自由空间光通信系统使用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到接收机望远镜；在接收机中，望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。由于大气介质对不同光波长的信号的透过率有很大的差别,所以应该选用透过率较好的波段窗口。自由空间光通信的波长一般有 850nm 和1500nm。850nm 的设备相对便宜，用于传输距离不太远的场合。而 1500nm 的 FSO 设备价格要高一些，不过却有更好的功率、传输距离和视觉安全方面的优点。无线光通信系统的一般原 理如图 1 所示。自由空间光通信系统可以看成是由以下几部分组成： （1）光源部分：进行通信时，由于受到大气性能的影响，应考虑激光的功率和传输频率等特性。目前主要是有半导体激光器、固体激光器等。半导体激光器可以工作在 左右，这是大气低损耗窗口，可以减小衰减。并且半导体激光器具有体积小、转换效率高、低成本可直接调制等特点。实际的 FSO 系统多采用半导体激光器为光源。 （2）发射和接收系统：这是 FSO 系统的重要组成部分，包括调制解调器，光发射接收天线及探测放大等装置。光发射机主要是完成调制，通过天线发射载信息的激光，接收机用来接收激光，进行光电转换，放大，解调等。 （3）对准、捕获、跟踪系统：FSO 要求发送光必须准确地到达接收机探测器上。对准是调整发送激光瞄准一个特定方向的过程。而确定入射光到达目标方向的接收过程为捕获。调整整个通信过程的对准和捕获的动态变化过程称为跟踪。由于自由空间信道具有随机的不稳定性，因此FSO 系统必须具有实时调整的 ATP 来适应不断变化的条件。 自由空间光通信网络的拓扑结构主要有：点到点，点到多点（星形） ，环形或网格状通信。点到点结构是最简单的网络拓扑。目前这种结构大多数只是用来连接企业内部各幢大楼，作为宽带的专线连接。其优点是链路独立，网络规划简单，但是其光链路没有任何保护，只要有一点出故障，链路就中断，因而不适合于电信级系统中的应用。点到多点拓扑结构可以把业务集中到一点（集线器或中心节点） ，再接入核心网，这种结构效率较高，但是每条链路仍无保护，可靠性差。并且集线器的位置选择十分关键，集线器的成本也较高。环状和网格状的结构见下页图 2。由于通过多个网络节点提供实时的迂回路由，使服务得到较好的保护。电信级的系统一般采用这两种结构及其混合结构。其缺点是传输距离短、成本高，网络 规划复杂。三、自由空间光通信的关键技术 1、高功率激光技术 自由空间光通信系统的传输方程经过简化后可表示为：?/L? P)?10?L/10 r?(1?e22 由上式可知 L 处的接收光功率 Pr 与发射功率 Pt、传输距离 L、光束发散角 和大气衰减系数 有关。所以改善发射功率 Pt 显得至关重要。 自由空间光通信对激光器的要求主要 ：（1）波长必须在空间传输的低损耗窗口，如大气通信的 820860nm 和1600nm 波长区。大多数以 LD 泵浦的 Nd:YAG 固体激光器作为信号光的光源。 （2）高功率。由于空间光通信在传输过程中有可能存在严重的损耗，为了建立可靠的低误码通信信道。必须具有足够大的功率。一个解决的方法就是采用光纤放大器。 （3）窄光束。系统一般要求光束 10 u rad，因此高功率的 LD 必须以衍射极限光束输出。通常信标光源要求能提供几瓦量级的连续或脉冲光，以便在大视场和高背景光干扰下快速、精确地捕获和跟踪目标。信标光的调制频率为几十 Hz 到几千 Hz，或几千 Hz 到几十千 Hz，以克服背景光的干扰。信号光源刚选择几十 mW 的半导体激光器，但要求输出光束质量好，调制频率要高。目前国外用于无线光通信的半导体激光器和接收器已经实现商品化。 2、光学天线技术 光学天线的主要方式有：收发结合式、收发分离式和收发合一式。FSO 通信系统中均采用收发合一的天线。由于半导体激光器的光束质量一般较差，因此要求高的天线增益。此外为了适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等）总体结构要紧凑、稳定可靠。国际上现有的 FSO 天线口径一般为几 cm 到 25cm。而在天线的光学设计上，可采用自适应变焦