FSO技术
无线激光通信FSO技术和应用
无线激光通信FSO技术与应用自由空间光通信（Free Space Optical，简称FSO）是一种以小功率红外激光承载高速信号，以空气为传输介质，用点对点方式进行语音、数据、图像的宽带传输技术。
FSO是一对虚拟的光纤；是一种透明传输产品，不处置协议，既能够传输IP数据业务，也能够传输TDM业务。
在固定无线宽带接入（Fixed Wireless Broad band Access）技术中，无线激光通信技术具有其独到的优势，为宽带接入的快速部署提供了一种解决方案。
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”（Free Space Optical communication FSO）,“无纤激光通信”或“无线激光网络（Wireless Optical ）”。
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。
卫星光通信简介
空间光通信发展展望
近年来旳商业需求和空间信息公路、信息高速公路旳发展,对卫星间激光链 路技术要求愈加迫切,这些已经作为美国、欧洲、日本等国发展该方面技术 旳动力,并正向商业应用转化。 目前空间光通信系统发展旳趋势主要是: (1) 空间光通信系统旳应用正在向低 轨道小卫星星座星间激光链路发展; (2) 激光星间链路顾客终端向小型化、一 体化方向发展; (3) 低轨道小卫星星座激光链路正进入商业化、实用化发展阶 段。 在空间光通信研究旳前期,主要是以中继星为应用背景。然而,伴随小卫星星 座旳迅猛发展,国外对第二代中继星旳爱好已经下降,对小卫星星座旳爱好大 大增长。空间光通信研究工作,已经开始逐渐从以中继星为主要背景转到以 小卫星星座为应用背景上。能够预见,研究要点将会逐渐转移到小卫星星座 星间激光链路旳研究上。基于此点,对小卫星星座星间激光链路旳研究工作 将在空间光通信旳研究中占有主要地位。
卫 星 光 空间域 通 信
卫星一 地面 卫星一 卫星
工作原理
卫星光通信系统
光源子系统
在卫星光通信中， 通信光源至关主 要。它直接影响 天线旳增益、探 测器件旳选择、 天线直径、通信
距离等参量
发射、接受子系统
光发射机大致可 以为是光源、调 制器和光学天线 旳级联，而光接 受机则可看成是 光学接受天线和 探测器、解调器
光通信是人们经过数年探索并于近几年取得突破性进展旳新技术。 而卫星光通信更是一种崭新旳空间通信手段。利用人造地球卫星 作为中继站转发激光信号，能够实目前多种航天器之间以及航天 器与地球站之间旳通信。
什么是光通信？
光通信是一种以光波作为传播媒质旳 通信方式。光波和无线电波同都属于 电磁波，但光波旳频率比无线电波旳 频率高，波长比无线电波旳波长短。
华为自由空间光通信(FSO)简述分解
10Leabharlann 固定系统损耗123 dB
几何损耗
（光束发散、 渐晕、视差等）
-5
随距离变化
-10
-15
-20 dBm
-20
衰减 边际极限
是影响系统性能 的关键因素
25 dB
衰减边际极限
（用于克服雾、薄雾等 影响的额外功率）
-25 -30
随能见度变化
（气候，随时间变化）
-35
-40
-45 dBm
-45
接收器下限
-50 -55 -60
接收器 动态范围
34 dB
-35
-40 1x10-4
-45 dBm
-45
接收器下限
-50 -55
1x10-5
BER = 1 x 10- 10 BER衰减
-45 dBm
固定损耗
-60
1x10-6
动态范围
dBm
mW
系统变量和功率损耗
+15 31.6
发送器输出
+7 dBm +3 dBm
4 dB
+10
+5 0
In Out RJ45
可选信号变换器
In Out RJ45
交换器、网络集线器或路由器
特点
传输保密性高 高带宽和超高带宽(目前为1.5 Mbps – 2.5 Gbps) 网络管理能力
协议透明：
以太网、令牌环、FDDI、快速以太网、千兆位以太网；
ATM/ SDH 网络连接； T1/E1连接 (单路/多路T1/E1)
网络管理
Flight2000
SpaceLink连接头
无线光通信FSO技术简介
无线光通信FSO 技术简介FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。
FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。
850纳米的设备相对便宜，一般应用于传输距离不太远的场合。
1550纳米波长的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。
1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高两个等级。
功率的增大，有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。
FSO和光纤通信一样，具有频带宽的优势，能支持155Mbps〜10Gbps的传输速率，传输距离可达2〜4公里，但通常在1 公里有稳定的传输效果。
在基础网的建设方面，使用光纤技术的高速网络正在不断完善。
与此同时，光空间通信方式作为高速网络最后一公里的宽带通信方式，近来正受到各方面的关注。
特别是，在城市宽带网络建设中，由于市政建设基本定形，新设光纤的施工需要繁琐的市政批准。
有些地方如跨铁路、公路的施工非常困难，该通信方式的实用化对城市高速宽带通信网络的建设不失为一种极其有效的方法。
光通信方式分为利用光纤技术的有线通信方式和利用光空间通信技术(Free - Space Optics : FSO)的无线通信方式两种。
光空间通信方式是将自由空间作为传送媒体，主要用半导体振荡器做光源，以激光束的形式在空间传送信息。
对该领域的开发研究曾经风行一时。
FSO技术的历史可追溯到20世纪60年代。
1960年，梅曼发明了自然界不存在的红宝石振荡器，作为相干性光源使用。
第二年，HE-Ne 振荡器在贝尔实验室开发成功。
以后，1962 年，又成功的开发了GaAIAs 半导体振荡器。
1970年，GaAIAs 振荡器在日本、美国以及前苏联实现了连续振荡。
小型、高速且可调制半导体振荡器的出现成为光传送研究得以大幅度发展的契机。
大气激光通信原理
大气激光通信原理
大气激光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是一种利用激光光束在大气中传输信息的通信技术。
其原理如下：
1.激光发射器：通信系统中的发射端使用激光发射器产生一束高
功率、窄束宽的激光光束。
常用的激光器包括半导体激光器和
固体激光器。
2.光束传输：激光光束通过大气传输。
由于大气中存在各种大气
湍流和光散射现象，会对激光光束造成衰减和扩散，从而影响
传输质量。
3.接收器接收：接收端使用光学接收器接收传输过来的激光光束。
接收器通常包括一个光学透镜和光电探测器。
4.探测和解调：光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
随
后，对电信号进行探测和解调，以恢复出原始的信息。
需要注意的是，大气激光通信受到大气湍流、大气吸收和大气散射等因素的影响，可能会导致传输质量的下降。
因此，为了提高大气激光通信的可靠性和性能，通常会采取以下措施：
•自适应光学系统：利用自适应光学技术对激光光束进行实时调整，以适应大气湍流和传输条件的变化。
•前向纠错编码：采用前向纠错编码技术，使数据能够在传输过程中进行纠错，以增强传输的可靠性。
•光束整形：通过光学系统对激光光束进行整形，使其更加集中和稳定，减少大气散射的影响。
大气激光通信具有高带宽、免许可、抗干扰等优点，适用于需要高速、远距离、抗干扰的通信场景，例如军事通信、卫星通信、无线回传等领域。
然而，由于大气的不稳定性，大气激光通信在实际应用中仍面临一些挑战，需要通过技术手段进行优化和改进。
自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述
自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述一、概括自由空间光通信技术，作为现代通信领域的一项前沿技术，以其高带宽、低成本、抗电磁干扰等独特优势，在军事、航天、城域网等多个领域展现出广阔的应用前景。
随着光电器件性能的不断提升以及光通信理论的深入发展，自由空间光通信技术取得了显著的研究进展。
本文旨在综述自由空间光通信技术的研究现状，分析其关键技术问题，并探讨未来的发展方向。
在研究现状方面，自由空间光通信技术已经实现了从理论探索到实际应用的重要跨越。
光发射与接收技术、光束控制技术、信道编码与调制技术等关键技术不断取得突破，使得自由空间光通信系统的性能得到了显著提升。
随着光网络的不断发展，自由空间光通信技术在组网技术、协议设计等方面也取得了重要进展。
自由空间光通信技术仍面临一些挑战和问题。
大气衰减、散射、湍流等环境因素对光信号传输的影响；光束对准、跟踪与捕获技术的实现难度；以及光通信系统的安全性、可靠性等问题。
这些问题的解决需要进一步深入研究相关技术，并推动技术创新和产业升级。
自由空间光通信技术将继续向高速度、大容量、智能化等方向发展。
通过研发更高效的光电器件、优化光通信算法，提升系统的传输速度和容量；另一方面，借助人工智能、大数据等技术手段，实现光通信系统的智能化管理和运维。
随着5G、物联网等新一代信息技术的快速发展，自由空间光通信技术将与这些技术深度融合，共同推动通信领域的创新发展。
1. 自由空间光通信技术的定义与特点自由空间光通信（Free Space Optical Communications），又称自由空间光学通讯，是一种利用光波作为信息载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。
其核心技术在于以激光光波作为载波，通过空气这一传输介质，实现设备间的宽带数据、语音和视频传输。
自由空间光通信技术不仅继承了光纤通信与微波通信的优势，如大容量、高速传输等特性，更在铺设成本、机动灵活性以及环境适应性方面表现出显著优势。
通信电子中的自由空间光通信技术
通信电子中的自由空间光通信技术自由空间光通信技术（Free Space Optics，FSO）是指直接使用光在空气中进行传输的通信技术。
和传统的光纤通信技术不同，FSO可以通过自由空间直接进行传输，避免了光纤维护、铺设等问题。
目前，FSO技术已经在点对点、点对多点、多点对多点等场景中应用，为人们的生活和工作带来了巨大便利。
下面将从技术原理、情况应用、发展前景等方面，介绍FSO技术。
一、技术原理FSO技术主要基于激光光源的工作原理，通过激光光源产生的可见或近红外光，在空气中进行传输，达到光通信的目的。
一般情况下，FSO使用的光源为红外激光二极管，其波长一般为850nm-1550nm。
激光光源将光信号转化为激光光束，经过空气传输，最终被接收器接收并译码成数字信号。
此过程需要光器件、控制电路、数字信号处理单元等组成。
但是，空气对光的传输有很多干扰，比如大气折射、散射等，因此FSO技术在使用过程中，会出现丢包、抖动等问题，需要通过技术手段进行解决。
二、FSO在实际应用中的情况目前，FSO技术已经在军事、民用、商业等多个领域中应用。
其中，FSO在军事领域的应用最为广泛，主要用于战地通信、前沿侦察、卫星与地面设备连接、飞机激光导航等场景。
FSO技术可以在战场等危险环境中，用极高的速度传输大量数据，具有网络防护、对抗干扰、保密性强等特点。
在民用领域，FSO技术主要用于高速数据传输、节能环保、无线电波死角覆盖等应用场景。
由于FSO技术不需要线缆和光纤，所以具有节能环保、易安装、用户体验好、接入速度快等特点。
目前，FSO技术已经在广播、电视、互联网等领域中应用。
在商业领域，FSO技术主要用于高速宽带、移动通信、数据中心等场景。
在高速宽带方面，FSO技术能够满足企业对大量数据传输的需求，具有带宽大、稳定性高等特点。
在数据中心方面，FSO技术可用于数据中心间的互通、异地备份等场景，有效提高数据的传输速度和备份速度。
此外，FSO技术还可以用于移动通信方面，这一领域的应用潜力巨大。
浅议超宽带业务自由空间光通信FSO
浅议超宽带业务自由空间光通信FSO摘要：自由空间光通信（FSO）是下一代网络技术，是代替光纤、射频、微波在大气中传输光信号的光通信技术，可以为多用户提供超宽带业务。
本文主要介绍了空间光通信的概念，与传统无线电通信相比有哪些特点和应用，并对实现超宽带业务空间光通信的瓶颈问题进行了讨论。
关键词：空间光通信一、空间光通信（FSO）概念提到光通信，大家可能首先会想到光纤、光缆、光端机等等这些词汇，其实，光通信有着几千年的悠久历史。
早在西周时期，我们就有了用于军事用途的光通信系统---烽火台。
也有了周幽王“烽火戏诸侯”的典故。
公元前800年，古希腊和罗马人也采用了烽火传递信号，18世纪90年代，旗语开始应用于航海。
不论烽火、旗语，都是采用人的眼睛来接收信息，这些可以理解为目视空间光通信。
第一个真正意义上的空间光通信是1880年亚历山大.格拉汉姆.贝尔的光电话实验。
在发明了电话的4年之后，贝尔用太阳光作为光源，并通过透镜将光聚焦在话筒的振动片上，当人对着话筒讲话时，振动片在声波的激励下振动，进而使反射光的强弱随着话音的强弱产生相应变化，从而完成了将声音信息调制到光波上。
载有声音信息的光波经空气传送到接收端，在接收端利用抛物面镜将光波聚焦到光敏电池上，光敏电池将光能转换成电流并送到听筒，就可以听到从发送端传过来的声音了。
就这样，贝尔用光波“背着”声音信息，并且传送了213米。
无线通信其实是电磁波通信，光具有波粒二象性，光也是电磁波的一种。
空间光通信是以光波为信号载体，不需要使用光纤等波导介质，在大气、真空或水下等自由信道进行信息传输的一种无线通信技术。
空间光通信系统通常包括光学天线、发射光端机、信道和接收光端机组成。
光学天线是用于通信激光的发射和接收的光学系统，如果要实现对飞机、卫星等移动平台间的光通信，还要求光学天线具备对移动平台上的通信激光进行捕获、瞄准和跟踪的功能。
发射光端机用于将电信号转换成光信号，完成E-O转换。
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美国当前正在研制的深潜航母就计划采用先进的 蓝绿光通信与中微子通信相结合的通信方式。
在卫星通信中的应用
卫星微波通信的缺点： 微波的数据传输速率很难突破50Mbps。 微波的发射天线往往很长，并且微波设备也比较笨重。 微波的频段越发的拥挤，容易造成同频干扰。
使用无线的激光通信：带宽大，没有大气的 影响。
不受频率管制 工作在300GHz以上的频段在全球是不受管制的，唯一的要求是设 备功率不能超过国际电子委员会规定的上限（IEC60825-1标准）。
抗干扰性强，保密性好 免受无线电波的干扰 波束窄不易截取
特有的加密技术
其它特点 对协议透明
可以灵活拆移 组网灵活
接入方式各种性能 带 保 传 成 输 密 距 宽 性 离 本
系统组成：
电发 送机
光发 送机
光学 天线
光学 天线
光接 收机
电接 收机
空间光学信道
二、应用
在接入网中的应用
长途干线网络不断扩展，接着是城域网的大量建设；另外通 信用户内部的局域网以及千兆以太网快速增长，将这些高速 的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠 容量巨大的接入网络。 目前多数商业用户只仅限于电缆的T1专线（1.5Mbps ） 当前的高速接入系统： 光纤接入、 LMDS FSO 兼有两者的优点，成为未来接入网的趋势
1995年，美国和日本两颗相距3.9公里的卫星实现了8分钟的 无线激光互联，成功解决了卫星与卫星之间的无线光通信。
光通信的发展将为中 国地质大学信息学科 的建设提供无限带宽
5、公众安全
光功率过大会危及人体的健康，尤其是对眼睛的伤害。
IEC 60825规定了眼睛安全标准，限制了激光器的上限功率。
采用1550nm窗口的FSO系统
在军事通信中的应用
未来高密集技术条件下的军事通信的要求：
更高频率 更大容量 快速架设 隐蔽性更好
FSO技术由于其容量大、方向性强、抗干扰强、保密性 好、安装机动灵活等优点，引起各国军事家的关注。
波长459 nm的蓝绿光在大气中的透过率是65%， 在2000米深度的海水中，其透光程度平均可 达90％－95％。
1981年5月，美国在圣地亚哥海域上空，采用 530nm的激光束从一架飞行在13000米高度的飞机 与巡航在300米深度的核潜艇成功的实现无线光 通信 。
通过星载激光系统、机载激光系统、陆基反射镜系 统还可以实现潜艇与卫星、潜艇与飞机、潜艇与地 面指挥所的实时保密通信。
2-3天 无 无 方 便 简 便
复
主要问题及对策： 1、视距问题 激光器有发散角导致波束的展宽
采用光学天线压缩光束发散角，对光线进行耦合准直 数据表明：准直后1mrad的发散角经过1km的空间光场传输后， 光斑的直径约为1m。
2、天气的影响 雨、雪、日光、大雾 、空气散射、大气瑞流对光信号的 影响。 浓雾天气下信号的衰减达400dB/km，FSO的有效传输距离不到50米
光纤接入 Gbps以上 好 120公里以上 10-20万美元/公 里 4-12月 有 无 困 难 杂
微波接入 较 较 低 差
F S O 100Mbps-2.5Gbps 好 4公里 2-3万美元/套
60公里 2-3万美元/套
建 设 市 政 频 率 便 维 携
速 许 许
度 可 可 性 护
2-3天 无 有 一 般 一 般
战斗打响前无线电静默期间的短距离通信 战斗打响后的保密通信 战斗结束后的快速抢通
架在高山之间完成边防哨所和森林观察的通信
临时架设解决必要的通信及计算机联网或作为移动通信的转接站 架设在海岸、江河、岛屿或舰船上实现短距离保密通信
蓝绿光通信 ：利用450－570nm的激光束 在深海里进行通信
超长波通信，它穿透海水的能力只有几十 米，并且不能保密，传输速率极低（每分 钟仅一位），还要有数百米长的发射天线， 难以满足长距离，大容量的实时保密通信。
采用FSO与W频段无线技术的复合设备，使系统根据天气情况在 光波段和w波段之间自动切换，可以达到99.999%电信级可靠性。
3、空中障碍物 小鸟或冰雹、雨雪可以阻断链路 产生毫秒级的中断
差错控制、网状自愈环路
4、对准、捕获和跟踪（APT技术） 风力和大地的震动影响光的准确接收
常用的APT技术： 偏光法 动态跟踪技术
【关键词】FSO APT LMDS SDH 蓝绿光通信 关键词】
偏光法 动态跟踪法
一、FSO技术的发展
有线光通信
光通信： 无线光通信
无线光学信道包括大气、海水、外层空间等，因 此我们通常将这种光通信方式叫作自由空间光通 信（FSO）， 也叫无线光通信或无纤光通信。
1965年开始，日本NTT公司就利用He-Ne激光器和LED， 进行了6.3公里的大气光通信传送实验； 美国的麻省理工学院利用He-Ne激光器和CO2激光器 进行了大气激光通信的实验； 90年代初，俄罗斯利用大功率半导体激光器推出了新 型的半导体激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅 什、图拉等城市得以应用。 2000年Terabeam公司在悉尼奥运会上成功地使用FSO 设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实 现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。 国内的中科院光电所的JTWS-I、哈工大的“烽火台”、 以及电子34所的大气激光通信系统问世。
容量大
传统的无线接入技术存在严重的瓶颈限制， LMDS的最高速率只有622Mbps, FSO技术打破 了无线接入的瓶颈效应，具有可以与光纤相 比拟的传输带宽，目前商用的这类系统，提 供的带宽从100Mbps到2.5Gbps.采用了波分复 用的系统理论上可以达到160Gbps的速率。
成本低，安装灵活，投资少，见效快 有资料表明，FSO系统的造价仅为光纤系统的五分之一。 只需在通信点上进行设备的安装，因而只需几天甚至几小时。
FSO技术的发展与应用 FSO技术的发展与应用
中国地质大学信息工程学院 周峰
【摘要】：自由空间光通信技术（FSO）作为一种无线光通信 摘要】
的方式，以其高带宽、低成本、灵活方便等优点具有其它通信方式 不可比拟的优势。本文将介绍FSO技术的发展，然后就FSO技术在接 入网、军事通信、外层空间通信等领域的应用作以展望，并就FSO在 接入网中存在的一些主要问题及对策作以分析。