太赫兹技术在FSO系统中的应用

1、目录第一章太赫兹技术1.1太赫兹波的定义及波段位置 1.2太赫兹波的独特性质1.3太赫兹技术介绍1.3.1太赫兹技术的应用研究 131.1太赫兹技术用于安检和防恐131.2太赫兹技术用于通信技术 1.3.1.3太赫兹技术用于空间遥感 1.3.1.4太赫兹技术在医学上的应用1.3.2太赫兹技术的展望第二章 关于太赫兹装备及太赫兹辐射源的产生第三章 太赫兹技术在 FSO 系统中的应用 3.1 FSO技术定义3.2 FSO网络3.2.1 FSO技术原理3.2.2 FSO网络拓扑结构3.3 FSO技术的特点3.3.1 FSO技术的优点3.3.2 FSO技术的不足3.4 FSO技术的应用3.4.1 星际

2、光通信3.4.2地面无线光通信3.4.3 FSO技术在局域网连接中的应用3.4.4 FSO技术在城域、边缘网建设中的应用3.4.5 FSO技术在移动通信中的应用3.4.6 FSO技术在 最后一公里”中的应用3.4.7 FSO技术在军事方面的研究与应用3.5 FSO技术的现状和展望3.5.1 FSO技术的现状3.5.2 FSO技术的展望3.6 FSO采用太赫兹通信的优点及性能分析第四章 结束语4.1 太赫兹通信的发展前景4.2 太赫兹通信有待解决的问题 参考文献 致谢第一章太赫兹技术1.1太赫兹波的定义及波段位置太赫兹波是指频率在0.1 - 1 0太赫兹（波长为3000-30微米）范围内的电 磁

3、波，1THz=102Hz。现在研究较多的中心区通常在 0.3-3太赫兹范围内。太是兆 兆（Tera）的英文音译，所以太赫兹波也被称作 T射线，属于远红外线和亚毫米 波范围。如图1.1所示，它在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段 与红外线相重合，可见，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，由于这一特殊位置，丰富的科学内容和广阔的应用前景。yottaFreque ncy(HZ)图1.1太赫兹波在电磁波谱中的位置1.2太赫兹波的独特性质1. 凝聚态体系的声子吸收很多位于太赫兹波段，自由电子对太赫兹波也有很 强的吸收和散射能力，因此太赫兹光谱分析无疑是研究凝聚态材料中物理过程中 一个很好的

4、工具，特别对许多有机分子在太赫兹电磁波段呈现出的强烈的吸收和 散射特性，这些特性是有机分子的转动和振动能级相联系的偶极跃迁造成的。利 用t射线有可能通过特有的光谱特征识别有机分子， 就像用指纹识别不同的人一2. T射线的光子能量较低，频率恰好是 1THZ寸，光子能量只有大约四毫电 子伏特，因此不能对生物组织产生有害的光电离和破坏， 适合于对生物组织进行 活体检查。3. 通过测量脉冲相干太赫兹电磁波信号的时域波形， 可以得到包括振幅和相 位的光谱数据，直接给出吸收谱和色散谱 , 或者复介电常数、复电导。4. 利用已发展的电光测量或偶极天线测量技术， 可以得到具有很高的信噪比 的太赫兹电磁波时域谱

5、，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点。由于以上独特的性质，使得它应用在医学，生物，物理等各个方面，也由于 其独特的性质使其在通信等方面更具有潜力 , 人们对太赫兹的研究兴趣与日俱 增。现在世界范围内从事太赫兹科学与技术研究的课题组已经超过一百个， 其中 美国、欧洲、日本和中国台湾等国家和地区均投入了大量的人力和物力资源， 所 发表的论文达上百篇，所研究的问题主要涉及物理、材料、信息、生物、医学等 多个领域。1.3 太赫兹技术介绍相干的太赫兹脉冲具有很宽的频谱带宽，通过对样品太赫兹波的测量和研 究，可以获得材料中的许多信息， 因此太赫兹波具有广阔的应用前景。 跨科学的 合作研究已经成为一个

6、技术领域，常常称之为太赫兹技术。近年来， 由于固态振荡器量子级联激光器、自由电子激光器和超快激光技 术的迅速发展， 为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、 可靠的激发光源， 使太赫兹 辐射机制、检测技术和应用技术研究得到全面发展， 随着新的材料技术提供了 更高功率的发射源， 太赫兹技术已经被证明在更加深入的物理研究。1.3.1 太赫兹技术的应用研究由于太赫兹波段的特殊位置， 再加上太赫兹波段中包含了大多数分子的转动 或振动能阶，因此不仅在科学上有重要意义，而且在安全、反恐、空间遥感、通 信和医学成像等方面也具有重要的应用价值。1.3.1.1太赫兹技术用于安检和防恐THz（T射线）成像技术已经引起了安检

7、扫描界的广泛兴趣，它具有隔着衣 物揭露金属物品、具有潜在的检验爆炸物和生化武器的能力。用 X 射线系统只 能扫描出包裹中物品的形状，而 T 射线检测装置不仅可以显示隐藏物的外形， 而且还能确定物品的化学成分。 由于这种射线善于穿透很多常见的物质， 不仅使 隐匿的物体原形毕露，就连其成分也一目了然。因此，机场、车站和其它场所 的安全状况都可因此而改观。T 射线在安检方面的应用可分为主动和被动两类。 主动应用是对标的物体 发射 T 射线并分析反射回来的幅射线。而被动应用则是探测并分析标的物体本 身放射的低量 T 射线，因为在正常温度下所有标的物体都经常放射相对低量的 T 射线，可用敏感的探测器侦测

8、出来， 其差异可能是在明亮的光线照射在一物体上 和使用自然的灯光之间 。现在已经有多种新的成相技术出现和正在进行深入研究，这些成像技术包 括：1. 使用光电导偶极子的 T 射线成像技术；2. 使用CCD摄像机的电光T射线成像技术；3. 利用单周期脉冲T射线通过时间反演进行物体重构的成像技术；4. 利用基尔霍夫移动的T射线反射成像技术；5. 动态孔径和暗场 T 射线成像技术；6. T射线计算机层析成像技术，即T射线CT ；7. T射线衍射层析成像技术，简称T射线DT ；8. T 射线显微镜成像技术，利用近场技术等手段，分辨率可以达到微米； 9.50m-200m的T射线成像技术。1.3.1.2 太

9、赫兹技术用于通信技术1、宽带通信和高速信息网络THz 用于通信可以获得 100Gb/s 的无线传输速度，这比当前的超宽带技 术快几百至 1000 多倍，而且与可见光和红外线相比它同时具有极高的方向性以 及较强的云雾穿透能力。这就使得 THz 通信可以以极高的带宽进行高保密卫星 通信。THz 频率位于红外线和高频无线电（主要用在移动电话和其它无线通信系 统中）之间，由于该频率是目前手机通信频率的 1000倍左右，是很好的宽带信 息载体，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。因此利用 THz 电磁波进行无线电通信， 则可以极大地增宽无线电通信网络的频带， 可望使无线 移动高速信息网络成为

10、现实。工作在 THz频段的FSO设备可以将无线电波和可 见光的优点结合起来， 在浓雾天气中也可以高速传输数据。 目前，该频段的光通信设备还在研制阶段2、高速短距离无线通信德国的研究员首次发现通过 THz 光波可以传播音频信号。 这将引导新型 高速短距离无线通信网络的发展。 T 射线很容易被大气吸收， 因此适合于短距离 通信。 有专家预言，无线 THz 网络将会取代无线局域网或蓝牙技术成为短距离 无线通信的主流技术。 布伦瑞克工业大学已建立了新型半导体 THz 调制器温室， 专家们在调制器中结合了可调 THz 时域光谱仪，将音频信号调制到宽带 THz 脉 冲上，CD播放的音乐可在这个系统中转化，

11、音质在类似电话机扩音器的喇叭中 还原。1.3.1.3 太赫兹技术用于空间遥感THz雷达分辨率高，可成为未来的高精度雷达发展方向；THz是射电天文学 极重要的频段。在空间遥感方面的应用方面， THz 望远镜亦可开辟新的窗口， 为天文学家提供观察标的物体距离远近的另一个光谱的领域。 天文学家也很需要 THz 摄像机，这种摄像机可以对银河在最初时刻是如何形成的和恒星是如何诞生 的这类问题提供答案。生态学家可以利用 THz 摄像机来查明地球臭氧层为什么 会遭到破坏，并研究对流层与同温层的相互作用， 从而阐明全球气候改变的原因。 同时利用这个特性可以容易利用卫星遥感获得作物收成、森林火灾等方面的信 息。

12、1.3.1.4 太赫兹技术在医学上的应用医学专家指出，不久 T 射线将成为研究人体的新一代方法，它将取代医学 上最常用的X射线。X射线利用了电磁频谱远红外光谱中持续时间仅为几皮秒 的短脉冲。由于 T 射线脉冲时间短的特性，它能迅速获得非常高质量的图像。取代牙科 X 射线、检查皮肤癌、查找其他癌变、用于外科手术、用作医疗 诊断和生物医学工程等。1.3.2 太赫兹技术的展望目前美国和欧洲在太赫兹技术领域具有领先优势， 约有一百个研究小组对太 赫兹的基础理论和各种应用研究开展了广泛的讨论和实验。 在亚洲地区， 日本理 化研究所（RJKEN）已成为世界太赫兹技术的重要交流中心之一；韩国和中国台湾地区也

13、相继开展了太赫兹相关光电子材料、 THz 激光器、 太赫兹光谱学和太 赫兹生物学成像等研究。 在国内， 太赫兹研究也已受到了极大的重视。 中国科学 院的物理所和上海微系统与信息技术研究所、 上海应用物理研究所、 首都师范大 学物理系等研究机构在太赫兹相关领域开展了工作， 并初步建成了太赫兹试验装进入 21 世纪以来，太赫兹波的产生和探测技术取得了突破性进展，太赫兹 技术进入了加速发展时期。 作为一个具有广泛应用前景的新兴学科， 在可以预见 的将来，太赫兹技术将和电磁波谱的其他波段一样， 给人类的社会生活带来深远 的影响。第二章 关于太赫兹装备及太赫兹源的产生太赫兹技术应用的关键是要发展高效、

14、便利、经济的太赫兹辐射源和高灵敏 度的太赫兹探测器。太赫兹技术发展至今才有 20 多年的历史，过程中涌现了各 种原理各异的太赫兹辐射源和新型器件， 经典的如超短脉冲强激光产生太赫兹脉 冲，半导体连续波太赫兹辐射源； 其他新型的太赫兹辐射源如利用电子和波互作 用作为基础的太赫兹辐射源，以及在法国的Fabrey-Perot光学谐振腔基础上提出 的适用于太赫兹电子回旋脉塞的准光谐振系统。 各有各的特点， 研究者们正在探 索一种比较有效的太赫兹辐射源。下面对目前主要的辐射源的产生方式及原理做一些简介： 1、半导体太赫兹辐射源 半导体太赫兹辐射源通常体积小、可调谐、使用方便，目前主要有 Impatt 、

15、 GunS荡器及THz量子级联激光器（QCL）。其中，太赫兹量子级联激光器（QCL）是当 前的发展重点之一，它是以异结构半导体（GaAs/AIGaAs）的导带中的次能级间的 跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转的一种激光器2002年，意大利和英国的研究小组研制出了频率为 4.4 THz，功率约为2 mW（温度8 K） 的量子级联激光器， 它是只有电子参与的单极型激光器。 此后， 很多国家采用不 同的材料开展了 QC的工作，到2004年，美国MIT得到的结果是：频率2.1 THz， 连续波功率1 mW温度93 K），脉冲功率20 mW/最近，MIT的结果显示为脉冲功率 达200 mV

16、，温度为137 K，并以用于太赫兹成像。2 、基于光学和光子学的太赫兹辐射源 基于光学和光子学的太赫兹源目前主要包括： （a） 利用超短激光脉冲产生的 THZ辐射；（b）利用红外光泵浦产生的THZ辐射；（c）利用非线性差频及参量过程产 生太赫兹波。其中，利用超短激光脉冲产生的 THZ辐射是当前常用技术，具体包 括：（a）利用瞬时光电导产生太赫兹脉冲，它是在光电导半导体材料（如GaAs）的表面淀积金属， 制成偶极天线电极结构， 利用飞秒激光照射电极之间的光电导半 导体材料， 就会在其表面瞬时地产生大量自由的电子空穴对， 这些光生载流子 在外加电场半导体材料（如GaAs）的表面淀积金属，制成偶极天

17、线电极结构，禾U用 飞秒激光照射电极之间的光电导半导体材料， 就会在其表面瞬时地产生大量自由 的电子空穴对， 这些光生载流子在外加电场与内建电场作用下被加速，并由于光生载流子的复合， 在光电导半导体材料表面会形成变化极快的光电流，从而产生向外的THZ电磁辐射脉冲，如图2.1所示，如果增大外电场，还可以得到更强的 THz波/ （b）利用光整流产生THZffi射，它是利用电光晶体作为非线性介质，使超 快激光脉冲进行二阶非线性光学过程 （差频产生 ）或者高阶非线性光学过程来产 生THz电磁脉冲，如图2.2所示。如在电场垂直方向加上磁场，还可大大提高太赫 兹辐射输出功率。图 2.1 光电导发射器原理图

18、 2.2 光整流发射器原理3、基于真空电子学的太赫兹辐射源真空电子学的太赫兹辐射源主要包括：（a）相对论电子器件，如自由电子激 光器、等离子体尾场契伦科夫辐射和储存环 THz辐射。其中，自由电子激光器虽 然体积庞大、使用不便，但它的频谱连续可调，且范围广、峰值功率及平均功率 都较大、相干性好储存环THz辐射，美国及欧洲已开始使用，据估算，这种装 置可产生0.0330 THz的辐射，其亮度可超过现有THz辐射源的9个数量级。（b） 纳米速调管，由JPL、SLAC与Brown大学合作进行研制的纳米速调管，频率可达 0.33.0 THz，当工作电压为500 V，其连续波输出功率可以高达50 mW。（

19、c）THz 回旋管，他的最大优点就是发射功率高。目前，日本Fukui大学已经研制出频率达0.889 THz，输出功率达数万瓦的回旋管。俄国科学研究院应用物理研究所正 在研制1 THz的回旋管，脉冲磁场40 T,脉宽100心电压30 kV，电流5 A，输出 功率有望达 10 kW。另外，还有一些基于电子学震荡的太赫兹辐射源， 包括狄氏振荡器、 布洛 赫振荡器、 Schottky 二级管以及冷等离子体等等，这一类发射体积小结构紧凑、 造价较低，但受微细加工技术的限制。第三章 太赫兹技术在 FSO 系统中的应用3.1 FSO 技术3.1.1 FSO技术定义提起无线接入 , 人们就会想到蓝牙、微波这些

20、被炒得很热的技术。不过 , 还 有一种无线技术（FSQ却鲜为人知，它就是自由空间光通信技术。作为一种新的 “ 宽带” 选择 , 在国外它己经开始得到日益广泛的应用。具有“虚拟光纤”美誉的自由空间光通信系统技术FSQ以激光为载体，用 点对点或点对多点的方式在空中实现连接 , 是光纤通信与无线通信相结合的产 物。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” 之 称。FSQ1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 以大气为介质的檄光通信系统。它以大气为媒质 ,通过激光或光脉冲来传送数据 信号。FSQ技术既能提供类似光纤的速率,又不需在频谱这样的稀有

21、资源方面有很 大的初始投资。与大多数中低频段电磁波不同的是 ,FSQF需频率许可证。300GB 以上的电磁波频段的应用在全球都不受管制 ,可以免费使用 ,惟一的要求是设备 功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限 （ IEC6.825-1 标）准。工作在 不需管制的光谱 （THz）, 这一光谱目前没有开设业务 , 不会与其它传输发生干扰 , 故不需要发放许可证 , 当然今后经营的业主多了 , 也会对它进行管制。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

22、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。FSO作为一种宽带接入方式，可以传输数据、语音和影像等内容。目前市场上 的产品最高支持2.5GB/S的传输速率,最大传输距离为4000m但FSQ技术在理论上 没有带宽上限,160GB/s的设备正在研制当中。FSQ具有高带宽、低误码率、安装 快速、使用方便、伸缩性好、安全性高等特点 , 但是也受诸如恶劣天气 （ 雾、散 射和风雪等 ） 的影响。3.2 FSO网络321 FSO技术原理FSO与LMDS的链路机构类似，

23、是由置于建筑物顶端或高层单元窗后的光 链路接头（光收发两用机）进行两点定向、使用双工的传输和转发。相连的两个 FSO单位均由一个激光发射器和一个接受器所组成，以提供全双工能力，如3.1所示。FSO1FSO2图3.1 FSO原理示意图无线光通信系统包括发射、接受和ATP （捕获跟踪和瞄准）三种功能的光学系统。 发射部分的主要组成有：信号输入和处理电路导体激光器发射光源及其驱动电 源、发射光学系统。接受部分的主要组成有：接收光学系统、光电检测器、信号 处理和输出电路。发送方通过将调制后的激光通过透镜发送，光束经空间传送至 接收端,接受方接收端利用大面积的透镜接收后将信号经由光纤连至一个高敏感 接收

24、器加以解调，转变成电信号。ATP伺服控制系统中包括：信号模/数转换与处 理、控制计算机与接口、信号数/模转换处理、控制校正网络、伺服驱动单元、 反馈控制机构和伺服电机组等部分。3.2.2 FSO网络拓扑结构FSO网络主要有3种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和网状网，也可 以把它们组合起来使用。结构图如图 3.2所示（a）点到点（b）星形(c)网状网图3.2 FSO网络的3种拓扑结构点到点网络结构是最简单的网络拓扑。目前已使用的FSO系统多数采用此结 构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为宽带的专线连 接。点到点的网络拓扑结构的优点是链路独立，网络规划简单，但是其光链路没

25、 有任何保护，只要有一个点出故障，链路就中断，因而它并不适合于在电信级系 统中应用。点到多点的网络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，这种组网结构效率较高、较经济。但每条链路仍无冗余保护，可靠 性较差；并且为了在视距内连接尽可能多的大楼，集线器的位置非常关键，集线器的成本也较高。网状网结构通过多个网络节点可以提供几乎实时性的迂回路由，使服务得到保护。网状结构还可以把业务集中到某些特定点，再有效地接入光纤网络。其缺点是传输距离短、成本比点对点、点对多点的网络拓扑高，网络规划也较复杂。 三种网络结构的对比见表3.1。表3.1三种网络结构的比较网络结构传输距离传输带宽点对

26、点2-4公里155Mbit/s-10Gbit/s点对多点1-2里155Mbit/s-10Gbit/s网状200-450 米622Mbit/s3.3 FSO技术的特点3.3.1 FSO技术的优点FSO 技术与传统的铜线或光纤技术不同的是，它在空气中通过激光技术传送 信号，以透镜和反射镜来聚集或控制光束的方向， 从而将数据从一个芯片传送至 另一个芯片处。 FSO 技术与其他技术相比较，主要有以下几个方面的优点：1. 无需频谱认证无线光通讯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、

27、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（ 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-10G bit/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，如果采用网状的组网方式，则可支持 622Mbit/s 的传输速率，传输距离为 200-400m。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

28、。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勺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勺波束很窄，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FSC全天候工作的可靠率达99.999 %,远远高于国际规定的通信系统可靠率 95。8.

29、便携性由于发射机和接收端设备小巧轻便，便于携带 , 当公司或临时驻军时，无需 重新安装光纤从而节约成本FSO技术与其他接入技术比较如表3.2所示表3.2 FSO技术与其他接入技术比较接入方式光纤微波FSO带宽10bps以上较低100Mbps-10Gbps安全性安全不安全安全传输距离120公里60公里4公里成本10-20万美元/公里2-3万美元/每套2-3万美兀/涛建设速度4-12 月2-3天2-3天市政许可有无无频谱许可无有无便携性困难一般方便维护复杂一般简便3.3.2 FSO技术的不足1. FSO是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过 一定距离时（一般为几公里）波束就会

30、变宽，以至难以被接收节点正确接收。所 以FSC一般只限于城市内使用。目前，大部分测试表明，在1km以下才 能获得最 佳的效率和质量。2. 传输质量对天气非常敏感是FSO的另一主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天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，20-50db/km、雪，50-150db/km、 雾，50-300db/km，目前针对这一问题有缩短传输距离、采用备份链路等解决办 法。3. 物体的晃动将影响两个点之间的激光对准。对FSO来说，为了保证光传输 链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关

31、重要。但在对准以 后，在风力和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都 必须具备自动跟踪的能力。4. 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。 目前有关激光的安全标准都建议其 功率电平应允许让裸视和助视（如双筒望远镜）时，眼睛看到不会受到伤害。3.4 FSO 的应用3.4.1 星际光通信 随着国家信息基础设施和全球信息基础设施的提高和社会对通信的要求越 来越高，目前卫星通信所采用的微波通信技术因受到体积、 重量、功耗等方面的 严格限制不能无限制的提高传输速率与容量， 在卫星通信日益拥挤的今天， 太赫 兹光波段通

32、信有着极大的潜力， 是实现高速大容量通信的最佳方案， 甚至可以说 是唯一的方案。目前世界主要技术强国为争夺空间激光通信这一领域的技术优 势，已经投入大量的人力及物力，并取得可可喜的进展。3.4.2 地面无线光通信与传统的粗线相比， 无线光通信综合了光通信与微波通信的优点， 根据其最 大的优势（带宽宽）与最大劣势（距离短），定位在城域接入网、交换机和移动 基站等设备的连接、 闭路监视系统、广播电视信号的单、 双工的传输中使用。 FSO 可以很灵活的接入语音、 视频业务， 其益处在于长期费用的节约和对数据吞吐能 力的增长。目前主要应用场合包括：1. 对于特殊要求的线路进行冗余备份以及应急临时连路以

33、外恢复。在突发的自然或认意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时 , 或者是在一些特 殊地方发生突发事件，需要应急通信时，采用无线光通信进行快速的部署。2. 提供室内外 =临近局域网之间的互连互通。当分布在两座楼宇之间的办公 室需要建立一条企业内部通信链路， 受价格、 带宽、线路资源等因素的限制其它 通信方式不能较快的解决时采用无线光通信就可以很快的解决。3. 解决综合业务网（FSN）接入的“最后一公里”。对智能小区的宽带接入， 大企业In ternet的互连、校园网的互连、大客户的宽带接入等提供一种快速灵活 的方案，可提供2Mb/s-2.5Gb/s的宽带。4. 在不具备接入条件或者带宽

34、不足时提供高效的接入方案。 在通信链路跨越 高速公路、铁路、河流、峡谷、海湾和拥挤的区域时由于地理条件的限制无法敷 设光纤线路时，采用无线光通信可以有效的解决。5. 用于一些大型集会如运动会、 展览会、庆祝会等需要快速建立一些临时链 路，用于现场通信的场合。3.4.3 FSO 技术在局域网连接中的应用校园网、 小区网或大企业的内部网建设中， 经常会碰到这样一种情况： 马路 对面的新建大楼急需接通 , 可挖路许可权却迟迟不能得到批准或者根本就无法取 到。这时候无线光通信技术便可以大显身手。无线光通信设备配备标准RJ45接口或光接口，且对协议透明， 可以非常方便的完成局域网的连接， 如图 3.3

35、所示。图3.3局域网的延伸3.4.4 FSC技术在城域、边缘网建设中的应用随着社会经济的飞速进步，城市建设的步伐和力度也在不断加大， 城市的覆 盖面积也在不断增加。早在几年前，各大运营商在抢占通信市场的时候， 纷纷着 手建设自己的基础网络设施。目前，城域网的建设可谓日新月异，通信带宽可达 10G,已基本上能够满足数据通信的需求。 随着城市的发展，以往的郊区也逐渐被 纳入到城市中心来，如何高效、低成本的实现城域网的扩展，快速占领新市场， 越来越成为各大电信运营商关注的问题。而采用FSC（自由空间光通信技术）可以 满足城市边缘网通信中对数据通信带宽的需求。 图3.4所示为一种采用自由空间光通信技术

36、的解决方案，它具有建设周期短，投入小的特点，已被欧美一些电信 运营商米用。2.5G连接CC/PCP图3.4 FSO城域网的扩展3.4.5 FSO技术在移动通信中的应用移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将来 对人类生活和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。自从1981年第一代的以FDMA技术为基础的模拟通信系统建立使用以来，移动通信技术组建演变为 以TDMA技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信。目前，随着移动电话用户的 迅猛增长和移动数据业务的推广，无线网络需要具有更高的带宽和容量。现有的 第二代移动通信系统已不能满足这一要求，从而使3G(第三代移动通信技术)成为当今

37、电信业的热点。如何充分地利用现有资源，在最低投入、最快速度的情况 下实现从现有的第二代网络(2G)向第三代网络(3G)平滑过渡，成为移动网络运营 商最为关注的问题。自由空间光通信技术作为一种接入技术，因为其自身的特点和在施工、带宽、 成本等方面的优点，已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。 下面详细介绍自由 空间光通信技术在移动网建设中的应用。图3.5所示一种采用自由空间光通信技术连接的 2G移动网的结构图。主干 到距离最近的天线之间采用光纤连接， 经NE1接口转换器后，由无线光通信设备 再连接到其它天线，所有的天线可以共用一个基站，具有以下优点：1. 省去基站到天线之间的链路铺设，缩短了施工时

38、间和施工费用；2. 可以多个天线共用一个基站，减少了基站数目；3. 大大减少了基站与中心节点之间的光纤铺设费用；4. 无线光通信技术采用红外激光传输，相邻设备之间不会产生干扰。如图3.6所示为目前2G网的微蜂窝结构。按照理想情况，蜂窝小区的天线 应架设在蜂窝小区的中心，这样才能保证对小区内的用户提供最佳服务，也使相邻小区间的发射干扰降为最小，如图3.6（a）所示。但在网络的实际建设过程中，由于建筑或其它地理条件原因， 基站和天线无法架设在小区中心位置， 因为 布线的原因，也无法将基站与天线分开，天线往往与理想位置间有一定的偏差， 如图3.6（b）。2G网中，该偏差相对于微蜂窝直径较小，造成的影

39、响并不十分明 显。在2G网向3G网过渡的过程中，微蜂窝的设计直径变小，网格结构变细（根 据业务量的多少，微微蜂窝的半径可能会小到 500m。这时天线的偏离便会对通 信质量造成较大的影响。FSO无线光通信）技术的引入为解决这一问题带来了方 便。如图3.6（c）所示，由于基站和天线之间采用无线光通信设备连接，基站 位置可保持不变，而将天线移动到网格中心，运营商只需作很小的投入便可以完成天线的架设图（a）新 天 线 位 置图（b）图（c）图3.6微蜂窝结构的天线架设新建大楼中心接点OC48-OC192运营商大楼运营商大楼新建大楼FSO-OC-48FSO-OC-48工作备份光纤链路图3.7 最后一公里

40、”信息传输3.4.6 FSO技术在“最后一公里”中的应用随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始快速增长， 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。当前有很多接入技术可供选择，比如光纤、微波、XDSL等，但光纤敷设时间长及高额投入限制了普及。微波技术日渐成熟，但这种接入方式需要高额的初 始投资，对业务提供商而言，这种接入方式不是很经济，尽管铜缆是一种易得的传输媒质，但XDSL带宽太低，而自由空间光通信FSO( Free Space optical commu ni cation)，作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面，是解决宽带网 络“最后

41、一公里”的传输瓶颈的有效途径，FSO的出现引起了业界广泛地关注。 如图3.7所示。综合多家电信运营商所建设的FSO网络可以看出，作为“最后一公里”解决 方案之一的FSO技术主要有以下用途：1. 城域网的扩展：FSO可以用于扩展已有的城域网或者连到新的网络。这些 链路通常不到达最终用户，而是为网络核心服务。2. 企业应用：FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业LAN 到 LAN 的连接及校园网的连接。3. 作为光纤的补充： 目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构 建的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择 FSO 系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投

42、资。4. 接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供 商可以使用FSO去旁路本地环路系统，或当作 LMDS或蜂窝网的回程链路。5. DWDM 业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使 用WDM与FSO来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。3.4.7 FSO 技术在军事方面的研究与应用在接近地面的空间，尽管存在着对 FSO 诸多不利的因素，如大气衰减、大 气湍流、烟雾的影响等等， 但考虑到激光通信的特殊优势， 特别是在军事方面有 着不可比拟的优势，该项技术一直受到社会各界，特别是军方的重视。自20 世纪 70 年代以来，国外及台湾地区等对 FSO 技术

43、陆续进行了如下方面的研究和试 验：1. 研制近距离应急 FSO 系统。利用FSO机动灵活的特点，进行了近距离应急 FSO系统的研制和应用，即 通过架设临时性的通信线路应用 FSO 系统。如在战场上，地面上所有的通信枢 纽都遭受了破坏，这时可以将空中光通信中心装在直升机上， 以FSO勺方式与地 面链接， 就可在很短的时间内起到通信枢纽的作用。 近些年来， 由于接收技术的 改进和对光束瞄准跟踪的速度、精度有了较大的提高，使得应急FSO系统的接收效果有了较大的改善，已经接近达到实用化的程度。例如在20世纪 80年代，美国海军学院(U.S Navy Academy)研制出了一种用于海岛与海岸之间进行图

44、像 和数据交换的大气激光传输通信系统，采用的光源为 Art 激光器，接收部分为雪 崩光电二极管和声光调制。这种系统具有 8MHz 的带宽，可以传送 25路数据和 一路视频信号。 1994年，加里福尼亚的 ThermoTrex 公司为显示自由空间激光通 信技术的成熟性，进行了在相距42km，海拔高度为2133m两座山峰之间的传输 实验，传输数据的速率为 1.2Gbit/s。2进行了地面和空中移动目标之间 FSO试验。处于保密和抗电磁干扰性能方面的考虑，进行了地面和空中移动目标之间 FSO的试验，即选用FSO作为野战车辆、舰船或作战收音机之间的通信手段，实 现在运动状态下话音和数据的传递。 显然，

45、这对光束瞄准跟踪技术提出了很高的 要求，尽管这种试验已取得了一定的进展，但距实用化的要求仍有一定的距离。3. 进行了收音机与地面指挥中心之间音频激光通信的试验。20 世纪80年代，美国麦道公司曾经进行过一个收音机与地面指挥中心之间 音频激光通信的试验，试验中使用了 0.53卩m波长的光波，由收音机向地面发 送高速数据，速率达1Gbit/s，用以传送多路彩色电视信号、语音和数据等。而 地面指挥中心也以1.06卩m波长的光向收音机发送低速数字信号。这个试验成 功地展示了实现移动激光通信的可能性和所具有的通信潜力。4. 研究了深意激光通信系统。被广泛研究的深意激光通信链路的构成如图 3.8所示。图3

46、.8深空激光通信链路可以看出，只要用一颗静止卫星作中继站，地面站的信息不管以光波还是微 波方式发送到中继站上，都可以通过各种光链路传向世界各地， 构成全球高速信 息通信系统。目前，虽然还没有哪一个国家建立了这样的通信系统，但这一关键技术已有了重大突破，正在进入深空试验的阶段。如在1995年美国与日本所进行的联合试验中，就实现了日本菊花-6卫星与美国大气观测卫星相距 39000km 间的双向光通信。5. 国内从20世纪70年代起也进行了相关的研究，但就目前的水平来说， 相距国外还有一段距离，特别是在移动中的FSO技术，还没完成突破。综合国内 外已有的研究情况，近距离固定点间的大气激光通信技术已经

47、比较成熟，也建立了不少这样的应用系统，但对于较远距离和在移动情况下的大气激光通信还没有 完全突破。 其中，大气信道补偿理论的研究， 电信号处理在大气激光传输系统中 应用的研究， 以及电信号领域的通信理论 （如信源编码和信道编码理论） 在大气 激光传输系统中的应用等，还是今后要重点研究的课题。3.5 FSO技术的现状和展望3.5.1 FSO 技术的现状在过去的三年中，FSO备受一些用户的青睐。纽约世贸中心受到袭击的第一时 间，纽约州联合法院系统选择了 FSO双塔倒塌后不到一周的时间内,3个FS係统 迅速恢复了通向曼哈顿法院的业务。FSO被列入“未来10年最有市场发展前景的 大通信技术”。一直对F

48、SO#有独钟的最大的创投公司之一的美国 Terabeam,2003年三月以 与上海铁通的一笔约 50套设备的定单杀入亚洲市场。 7月1 4日,又与国内的长城宽 带签订了一笔多达 250套设备的订单 , 这批设备将在接下来的 2年内将用于国内的 15个城市。其CEODanHesse坦言,这也是该公司迄今为止所取得的最大订单,他 估计这项合同将给Terabean#来至少500万美元的进账。另外，目前该公司还与 一些日本客户保持着良好的合作关系。除 Terabeam外，其它从事FSO勺创投公司 在近期也频频出击 , 或合作发展。面对FSO投公司这般的投资热情，市场分析师的态度却大相径庭。这或许是 因

49、为对FSC曾经过度乐观的预测与严重不符的市场，使得这些分析师们变得更加 的静。其一，FSOP场占有份额有限；其二，FSOT临最大的问题还是价格。FSO 吸引用户的最大优势之一是其相对于光纤接入的成本优势 , 而目前光收发器的价 格大约在 3万到 5万之间 , 这对于有些用户来说还是比较贵的。考虑到价格问题， 一些不需要很高速率的用户更愿意去接受一种新的基于 802.11和802.16的接入 系统；另一个就是众所周知的天气问题 , 特别是雾对激光束传输的影响。不过,也有独特优势。它相对于来说 , 可提供更宽的带宽 , 更远的传输距离， 这些特点对于构建无线回程传输网甚为适宜。目前 3G网络已被各

50、方吵的沸沸扬 扬, 一旦其真正上马 , 便会铺设密集的基站 ,故而需要更多的回程线路 ,这对于 FSOf是一个较好的机遇。3.5.2 FSO 技术的展望永远不能满足的带宽需求是市场不断增长的原因企业用户近期产生的日益 增长的数据业务需求，其它潜在的带宽需求包括基于因特网的 ASP多媒体、会议 电视和虚拟现实游戏等。近段时间 , 我国数据业务在移动通信整个业务收入中所占的比例呈现上升趋势。 更重要的是 ,将来的市场主要由服务和应用驱动 , 并非由 技术驱动 ,而应用是没有止境的 , 应用越多、越升级 , 需要的带宽就越多。因此 , 新、老通信公司都面临着迅速安装高带宽、低成本连接的压力, 解决宽带接入问题现在己经成为当务之急。再就是，寻找真正能提供高带宽、低成本的接入技术也是FSO勺另一市场驱动力。在过去5年中, 用户驻地网的带宽也从 10Mbit/s 增加到 100Mbit/s, 再到千兆 比以太网 , 只剩下网络接入部分仍是带宽成本与容量的瓶颈得不到经济有效的解 决方法。而核心网的带宽容量急剧增长,则从622Mbit/s增加到10Gbit/s,再到太 比DWDM的。无线通信更是宽带接入的瓶颈 丄MDSft高速率只有622Mbit/s,但成 本较高、网络规划较难。 要打破无线接入的瓶颈， 只有