自由空间光通信

自由空间光通信

面向互联世界的快速、安全、无线通信>>

使用激光在空中无线传输信息

比基于无线电的无线通信更多的带宽

实现可以到达农村地区或灾难现场的快速、负担得起的互联网

为国防应用提供高度安全的通信

在我们这个日益互联的世界中，快速的全球通信至关重要。 世界银行已宣布，宽带互联网接入是经济和人类发展的基本必需品，而不是奢侈品。它为教育、就业、医疗保健以及政府透明度和问责制提供了机会，否则这些机会将失去。 自由空间光学 (FSO) 通信涉及使用激光将数据从一个位置传输到另一个位置，无论是从卫星到类似望远镜的地面站、从一颗卫星到另一颗卫星，还是在地面不同位置之间传输（图 1） . 根据 Global Market Insights 的数据，FSO 市场在未来五年中的每一年都可能以超过 35% 的速度增长，到 2027 年从 2 亿美元飙升至 20 亿美元。2 除了可以到达没有光纤连接的地区的快速互联网接入 , FSO 为难以拦截的国防应用提供了高度安全的通信手段。

图 1：自由空间光通信的一般过程

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01

高速互联网：现代基本必需品

世界银行估计，发达经济体 80% 的人口拥有宽带高速互联网接入，而发展中国家只有 35% 的人口拥有宽带接入。1 这里的“宽带”定义为比拨号上网速度更快的互联网。FSO 通信为已经拥有宽带互联网接入的群体以及没有宽带互联网接入的群体提供了更好的无线通信潜力。与射频 (RF) 无线通信相比，光通信的带宽增加了 10 – 100 倍，并且需要更少的输入功率。3 与建立地面无线电台以接收 FSO 信号相关的成本也远低于安装新的光纤连接 因为相关的劳动力和挖掘成本。在某些情况下，从地面一个位置到另一个位置使用 FSO 通信也比安装光纤电缆更便宜。

当前商用 FSO 网络的典型数据速率范围为 100 Mbps 至 10 Gbps，而高端原型报告的容量高达 160 Gbps。4 许多不同的公司正在建立卫星网络，以促进支持 FSO 的高速 通信（图 2）。FSO 通信为创建全球宽带无线连接提供了实用的解决方案。5

图 2：已部署卫星网络以促进与地面接收器的高速、自由空间光通信

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02

用于国防的安全 FSO 通信

FSO 通信对于国防应用非常有利，因为与 RF 或其他无线通信相比，它的安全级别更高。FSO 激光传输可以加密，不可见或窄带，无法使用射频仪或频谱分析仪破译，沿难以拦截的视距路径传播，需要匹配的 FSO 接收器来收集信息 .4 用于 FSO 通信的接收器也可以设计成可移动且易于使用，使其能够轻松地部署在现场用于国防应用。这促进了可以挽救生命的快速、高带宽、安全的通信。

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03

FSO 中使用的光学元件的注意事项

设计用于接收 FSO 信号的光学系统必须高度敏感，因为大气吸收、色散、发射器和接收器之间的大距离以及闪烁使得输出和输入信号之间的比率非常大（图 3）。闪烁是指接收到的信号由于光传播的大气结构而发生快速变化。6

图 3：显示 FSO 通信在雾和雨等不同天气条件下衰减的表格7

用于 FSO 的光学系统的指向精度和稳定性也很关键。与传统的射频通信相比，基于激光的通信固有的窄光束发散角（大约比射频信号小 10 倍）使得指向精度对于 FSO 更为重要。8 指向精度要求通常约为数百微弧度，因此需要额外的万向节或 可能需要其他转向机制。9 光机组件设计中的严格机械公差有助于防止内部透镜元件移动，从而提高指向精度。组件内部透镜元件的不必要移动可以通过滚动、偏心以及这些效应从一个元件到另一个元件的耦合来描述（图 4）。更多信息可在我们的可制造镜头和组件设计技巧应用说明中找到。FSO 系统中使用的算法也经过精心设计，以更好地定位和接收微弱、狭窄的信号。

图 4：A. 镜头元件的滚动运动。B. 耦合滚动运动。C. 透镜元件的偏心运动。D. 耦合偏心运动

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04参考

The World Bank. (2019). Connecting for Inclusion: Broadband Access for All. World Bank. https://www.worldbank.org/en/topic/digitaldevelopment/brief/connecting-for-inclusion-broadband-access-for-all .

Global Market Insights. (November 2021). Free      Space Optics (FSO) Communication Market Size By Platform (Terrestrial,      Satellite, Airborne), By Application (Mobile Backhaul, Enterprise      Connectivity, Disaster Recovery, Defense, Satellite), COVID-19 Impact  Analysis, Regional Outlook, Growth Potential, Competitive Market Share & Forecast, 2021 – 2027. Global Market Insights. https://www.gminsights.com/industry-analysis/free-space-optics-fso-communication-market .

NASA. (2021). Laser Communications Relay Demonstration (LCRD). Space Technology Mission Directorate. https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html .

fSONA. (2003). FSO Guide. fSONA Optical  Wireless. http://www.fsona.com/technology.php?sec=fso_guide.

Majumdar, A. (October 2019). Optical Wireless  Communications for Broadband Global Internet Connectivity (1st ed.). Elsevier.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (2022). Satellite      Communications. Space Weather Prediction Center. https://www.swpc.noaa.gov/impacts/satellite-communications.

Raible, D. E. (2011). Free Space Optical Communications with      High Intensity Laser Power Beaming. ETD Archive.. https://engagedscholarship.csuohio.edu/etdarchive/251.

Kaushal, H. and Kaddoum, G. (2015). Free Space Optical      Communication: Challenges and Mitigation Techniques. IEEE      Communications Surveys & Tutorials, 19(1), 57 - 96. DOI: 10.1109/COMST.2016.2603518.

Hall, S. (May 2020). A Survey of Free Space Optical Communications in Satellites. Georgia Institute of Technology. https://www.ssdl.gatech.edu/sites/default/files/ssdl-files/papers/mastersProjects/Hall_Stephen_8900.pdf.

CableFree (2022). Free Space Optics (FSO). CableFree 10+ Gigabit Wireless Networks. https://www.cablefree.net/cablefree-free-space-optics-fso/.

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