O que significa comunicação óptica sem fio e quais são suas aplicações?

A comunicação óptica é dividida em comunicação óptica com fio e comunicação óptica sem fio. Entre eles, a comunicação óptica com fio, ou seja, a comunicação por fibra óptica, tornou-se um dos principais métodos de transmissão de rede de área ampla e rede de área metropolitana; a comunicação óptica sem fio também é chamada de comunicação óptica de espaço livre (FSO, Free Space Optical communication).

Nos últimos anos, com a demanda urgente por alta largura de banda e tecnologia de acesso de baixo custo na "última milha", a FSO tem novas oportunidades de desenvolvimento em transmissão de linha de visada e acesso em banda larga. desenvolvimento da tecnologia de fabricação de dispositivos de comunicação óptica, o custo de fabricação de equipamentos de comunicação óptica sem fio caiu significativamente e o FSO tem sido usado cada vez mais. Embora o uso do FSO não exija licença de frequência do governo (a frequência de rádio atual é alocada para 300 GHz e as ondas de luz excedem em muito essa frequência), é importante que o departamento de gerenciamento de rádio entenda as características e tendências de desenvolvimento dessa nova comunicação tecnologia. útil.

1 Composição do sistema de comunicação óptica sem fio

O sistema de comunicação óptica sem fio usa a atmosfera como meio de transmissão para transmitir sinais ópticos. A comunicação óptica sem fio pode ser realizada desde que haja um caminho de linha de visão desobstruído e potência de transmissão óptica suficiente entre dois transceptores a uma distância apropriada.

O princípio geral do sistema de comunicação óptica sem fio é mostrado na Figura 1. Consiste em uma fonte de laser, um amplificador de fibra dopada com érbio, um sistema óptico transmissor, um sistema óptico receptor e um receptor. Os instrumentos específicos incluem uma objetiva telescópica especial lente, um transceptor óptico padrão e amplificadores ópticos Er/Yb de alta potência, etc., nos quais a lente objetiva telescópica e o transceptor óptico são combinados. Suas principais tecnologias são a emissão multipercurso e o uso de amplificadores para compensar a perda do canal óptico.

No caso da transmissão ponto a ponto, cada extremidade é equipada com um transmissor óptico e um receptor óptico, que podem realizar comunicação full-duplex. A tecnologia básica utilizada no sistema é a conversão fotoelétrica. A fonte de luz do transmissor óptico é modulada pelo sinal elétrico e, através do sistema óptico transmissor como a antena, o sinal óptico é transmitido ao telescópio receptor através do canal atmosférico; o telescópio receptor coleta o sinal óptico recebido e o concentra em o detector fotoelétrico, o detector fotoelétrico O detector converte o sinal óptico em um sinal elétrico.

Devido à grande diferença na transmitância de diferentes sinais de comprimento de onda ópticos no espaço atmosférico, o sistema FSO geralmente seleciona a janela de banda com melhor transmitância. O comprimento de onda óptico mais comumente usado é 850nm no espectro do infravermelho próximo; alguns sistemas FSO usam o A banda de comprimento de onda de 1500 nm pode suportar maior potência do sistema.

2 Vantagens do sistema de comunicação óptica sem fio

Atualmente, embora a tecnologia de comunicação óptica sem fio ainda esteja madura, ela tem um enorme potencial de mercado de forma única e vantagens significativas.

(1) Largura de banda, alta velocidade

Teoricamente, a largura de banda de transmissão da comunicação óptica sem fio é a mesma da comunicação por fibra óptica. O sinal óptico na comunicação por fibra óptica é transmitido no meio da fibra óptica, enquanto o sinal óptico do FSO é transmitido no meio aéreo. Atualmente, os sistemas de comunicação óptica sem fio estrangeiros geralmente usam a banda de frequência de comprimento de onda de 1550 nm (a frequência é de cerca de 1,935 × 105 GHz), a taxa de transmissão pode atingir 10 Gbit/s (4 × 2,5 Gbit/s) e 120.000 canais de voz podem ser concluídos e a distância de transmissão pode chegar a 5 km. Os sistemas domésticos de comunicação óptica sem fio geralmente usam tecnologia de comprimento de onda de 850nm (a frequência é de cerca de 3,529 × 105GHz), a taxa é de 10Mbit/s～155Mbit/s e a distância de transmissão pode chegar a 4 km.

(2) recursos de espectro abundantes

Em comparação com a tecnologia de microondas, o equipamento FSO adota principalmente o modo de transmissão de luz infravermelha, possui recursos de espectro muito ricos, não precisa solicitar licença de frequência e pagar taxa de ocupação de frequência ao departamento de gerenciamento de rádio e não interfere nos sistemas de comunicação sem fio, como microondas .

(3) Aplicável a vários protocolos de comunicação

Como um dispositivo de transmissão de camada física, os produtos de comunicação óptica sem fio podem ser usados ​​em redes de comunicação comuns, como SDH, ATM, Ethernet, Fast Ethernet, etc., e podem suportar uma taxa de transmissão de 2,5 G bit/s, adequada para transmissão de dados, informações de áudio e vídeo.

(4) Implantação rápida de links

O equipamento FSO pode ser erguido diretamente no telhado de um edifício, ou mesmo implantado na água, e pode realizar tarefas de comunicação que não podem ser concluídas por várias comunicações de fibra óptica, como terra-ar e ar-ar. é curto e a comunicação pode ser estabelecida dentro de algumas horas.link, e o custo de construção é apenas cerca de um quinto do custo da fibra óptica subterrânea.

(5) Boa confidencialidade de transmissão

A segurança da comunicação óptica sem fio é muito significativa. A comunicação óptica sem fio tem uma diretividade muito boa e um feixe muito estreito, por isso é quase impossível escutar e interferir nela.

3 Aplicações de comunicação óptica sem fio

A principal aplicação da comunicação óptica sem fio pode ser resumida nos seguintes aspectos.

(1) Forneça soluções de acesso eficientes quando as condições de acesso com fio não estiverem disponíveis ou a largura de banda original for insuficiente

A comunicação óptica sem fio pode realizar rapidamente comunicação digital de banda larga entre edifícios sem quebrar estradas e incorporar fios na cidade, e também pode realizar transmissão de comunicação de dados de banda larga em áreas onde é inconveniente colocar cabos ópticos e entre as margens de grandes rios sem pontes. Em 1994, a empresa ThermoTrex na Califórnia realizou com sucesso um experimento de transmissão entre dois picos com uma distância de 42 km e uma altitude de 2133 m, e a taxa de transmissão foi de 1,2 Gbit/s.

(2) Resolva efetivamente o problema da "última milha"

A comunicação óptica sem fio pode resolver o problema de "última milha" de vários acessos comerciais, melhorar a capacidade de transmissão e a velocidade dos terminais de acesso do usuário e atender melhor aos requisitos de largura de banda da rede de telecomunicações, rede de TV a cabo e rede IP.

(3) Auxiliar na interconexão LAN

O FSO fornece uma opção para a interconexão e intercomunicação entre LANs adjacentes. Ele pode não apenas resolver o problema de transmissão de alta velocidade de acesso do usuário na LAN, mas também realizar facilmente a conexão entre LANs para formar uma rede de área metropolitana mais ampla e uma rede de área ampla .

(4) Plano reserva de emergência

A comunicação óptica sem fio pode ser usada como um link de backup de emergência em caso de falha na linha de comunicação por cabo ou resgate de emergência, e também pode ser usada como uma solução de comunicação para atividades temporárias de grande escala.

(5) Construa rapidamente uma rede de telecomunicações

Para operadoras de redes de telecomunicações emergentes, as redes de comunicação óptica sem fio podem ajudá-las a construir rapidamente redes locais e concluir a construção da rede metropolitana com menos capital, mão de obra e tempo; para operadoras de rede de telecomunicações tradicionais, comunicação óptica sem fio O sistema de rede pode ser usado como um complemento para seu sistema de transmissão por cabo óptico para áreas onde a colocação de cabos ópticos é inconveniente. O período de construção é curto e o custo necessário é baixo.O sistema de rede de comunicação óptica sem fio pode realizar o modelo de negócios de rede primeiro e depois vender.

Além disso, o FSO tem aplicações importantes entre satélites, entre satélites e estações terrestres. Por exemplo, no teste conjunto realizado pelos Estados Unidos e Japão em 1995, foi realizada a comunicação óptica bidirecional entre o satélite japonês Chrysanthemum-6 e o ​​satélite de observação atmosférica americano a uma distância de 39.000 km. Este é um aplicativo de comunicação de longa distância, que ainda está em pesquisa e desenvolvimento, mas a comunicação óptica inter-satélite tem as vantagens de grande capacidade e não precisa de coordenação internacional da ITU, e se tornará um dos meios importantes de comunicação por satélite.

4 Problemas existentes

Embora o sistema de rede de comunicação óptica sem fio seja excepcionalmente atraente e tenha um grande número de mercados de aplicação em potencial, ainda há muitas áreas a serem melhoradas. Atualmente, seus principais problemas são:

(1) Problema de alinhamento do transceptor

FSO é uma tecnologia de comunicação de banda larga de linha de visão, e condições estritas de transmissão de linha de visão são necessárias entre o transmissor e o receptor para alcançar a comunicação. Quando o equipamento de comunicação é instalado no topo de um prédio alto, o equipamento oscilará sob a ação do vento, o que afetará a precisão do alinhamento do laser. Fatores como a expansão térmica de certas partes da estrutura do edifício ou pequenos terremotos também podem, às vezes, causar o desalinhamento do transmissor e do receptor.

(2) Influência da mídia atmosférica

Condições meteorológicas severas irão atenuar o sinal de propagação do FSO. A dispersão de partículas no ar fará com que a luz tenha diferentes graus de desvio no espaço, tempo e ângulo. Partículas na atmosfera também podem absorver a energia do laser, atenuando a potência do sinal. Um dos indicadores para medir a confiabilidade dos sinais FSO - LINK MARGIN, a unidade é dB, o que significa a perda máxima de energia permitida pela operação normal do equipamento FSO. O valor LINK MARGIN de um sistema FSO típico é de 20dB, ou seja, em condições de bom tempo, a perda de potência por quilômetro do sinal óptico é de cerca de 1dB, ou seja, a distância máxima de trabalho de um sistema geral de comunicação óptica sem fio é 20 quilômetros. A luz infravermelha utilizada pelo FSO é facilmente afetada por diversos fatores climáticos, como chuva, sol forte, etc., quando se propaga no ar. Em tempo nublado, a atenuação do sinal pode chegar a 400dB por quilômetro, o que torna a distância de trabalho efetiva do sistema FSO inferior a 50 metros, ainda mais curta do que a distância de transmissão da LAN sem fio. Portanto, o FSO precisa buscar uma frequência de comprimento de onda ideal e encontrar a combinação ideal de comprimento de onda e desempenho no link de comunicação.

(3) A contradição entre a distância de transmissão e a qualidade do sinal é proeminente

Quanto maior a distância de transmissão do FSO, mais largo será o feixe e pior será a qualidade do sinal óptico recebido na extremidade receptora. Atualmente, não há avanço na pesquisa de comunicação laser atmosférica de longa distância.

(4) Questões de segurança do laser

A segurança do feixe de laser é uma questão que deve ser considerada no sistema FSO. A potência de transmissão do sinal óptico deve ser limitada dentro da faixa de potência para garantir a segurança dos olhos humanos, o que também limita a distância de comunicação do FSO.

5 resumo

A comunicação óptica sem fio, como uma implementação de rede de banda larga rápida, tornou-se gradualmente uma realidade. Este artigo apresenta brevemente o conceito básico, composição do sistema, características e vantagens da comunicação óptica sem fio, bem como sua aplicação e pesquisa na área de comunicação, e também analisa seus problemas técnicos.

Pesquisas futuras sobre sistemas de comunicação óptica sem fio se concentrarão no aumento da capacidade de transmissão, extensão da distância de transmissão, alinhamento automático de direção e redução de custos de equipamentos. Se esses problemas puderem ser efetivamente resolvidos, o FSO terá um enorme potencial e vantagens e se tornará um novo ponto brilhante no campo da comunicação sem fio.