Que signifie la communication optique sans fil et quelles sont ses applications?

La communication optique est divisée en communication optique filaire et communication optique sans fil. Parmi eux, la communication optique filaire, c'est-à-dire la communication par fibre optique, est devenue l'une des principales méthodes de transmission du réseau étendu et du réseau métropolitain ; la communication optique sans fil est également appelée communication optique en espace libre (FSO, Free Space Optical communication).

Ces dernières années, avec la demande urgente de technologie d'accès à haut débit et à faible coût dans le "dernier kilomètre", FSO a de nouvelles opportunités de développement dans la transmission en visibilité directe et l'accès à large bande. développement de la technologie de fabrication d'appareils de communication optique, le coût de fabrication des équipements de communication optique sans fil a considérablement baissé et le FSO est de plus en plus utilisé. Bien que l'utilisation de FSO ne nécessite pas de licence de fréquence du gouvernement (la fréquence radio actuelle est allouée à 300 GHz, et les ondes lumineuses dépassent largement cette fréquence), il est important pour le service de gestion radio de comprendre les caractéristiques et les tendances de développement de cette nouvelle communication technologie utile.

1 Composition du système de communication optique sans fil

Le système de communication optique sans fil utilise l'atmosphère comme support de transmission pour transmettre des signaux optiques. Une communication optique sans fil peut être réalisée tant qu'il existe un trajet en visibilité directe non obstrué et une puissance de transmission optique suffisante entre deux émetteurs-récepteurs à une distance appropriée.

Le principe général du système de communication optique sans fil est illustré à la figure 1. Il se compose d'une source laser, d'un amplificateur à fibre dopée à l'erbium, d'un système optique d'émission, d'un système optique de réception et d'un récepteur. Les instruments spécifiques comprennent un objectif télescopique spécial. objectif, un émetteur-récepteur optique standard et des amplificateurs optiques Er/Yb haute puissance, etc., dans lesquels l'objectif télescopique et l'émetteur-récepteur optique sont combinés ensemble. Ses technologies clés sont l'émission par trajets multiples et l'utilisation d'amplificateurs pour compenser la perte de canal optique.

Dans le cas d'une transmission point à point, chaque extrémité est équipée d'un émetteur optique et d'un récepteur optique, qui peuvent réaliser une communication en duplex intégral. La technologie de base utilisée dans le système est la conversion photoélectrique. La source lumineuse de l'émetteur optique est modulée par le signal électrique, et à travers le système optique de transmission en tant qu'antenne, le signal optique est transmis au télescope récepteur via le canal atmosphérique ; le télescope récepteur collecte le signal optique reçu et le focalise dans le détecteur photoélectrique, le photoélectrique Le détecteur convertit le signal optique en un signal électrique.

En raison de la grande différence de transmission des différents signaux de longueur d'onde optique dans l'espace atmosphérique, le système FSO sélectionne généralement la fenêtre de bande avec une meilleure transmission. La longueur d'onde optique la plus couramment utilisée est de 850 nm dans le spectre proche infrarouge ; certains systèmes FSO utilisent le La bande de longueur d'onde de 1500 nm peut prendre en charge une plus grande puissance du système.

2 Avantages du système de communication optique sans fil

À l'heure actuelle, bien que la technologie de communication optique sans fil n'ait pas encore atteint sa maturité, elle présente un énorme potentiel de marché d'une manière unique et des avantages significatifs.

(1) Bande passante, haut débit

Théoriquement, la bande passante de transmission de la communication optique sans fil est la même que celle de la communication par fibre optique. Le signal optique dans la communication par fibre optique est transmis dans le support de fibre optique, tandis que le signal optique de FSO est transmis dans le support aérien. À l'heure actuelle, les systèmes de communication optique sans fil étrangers utilisent généralement la bande de fréquence de longueur d'onde de 1550 nm (la fréquence est d'environ 1,935 × 105 GHz), le taux de transmission peut atteindre 10 Gbit/s (4 × 2,5 Gbit/s) et 120 000 canaux vocaux peuvent être complétés, et la distance de transmission peut atteindre 5 km. Les systèmes de communication optique sans fil domestiques utilisent généralement la technologie de longueur d'onde de 850 nm (la fréquence est d'environ 3,529 × 105 GHz), le débit est de 10 Mbit/s ~ 155 Mbit/s et la distance de transmission peut atteindre 4 km.

(2) Ressources spectrales abondantes

Comparé à la technologie micro-ondes, l'équipement FSO adopte principalement le mode de transmission de lumière infrarouge, dispose de ressources spectrales très riches, n'a pas besoin de demander une licence de fréquence et de payer des frais d'occupation de fréquence au service de gestion radio, et n'interférera pas avec les systèmes de communication sans fil tels que les micro-ondes. .

(3) Applicable à divers protocoles de communication

En tant que dispositif de transmission de couche physique, les produits de communication optique sans fil peuvent être utilisés dans des réseaux de communication courants tels que SDH, ATM, Ethernet, Fast Ethernet, etc., et peuvent prendre en charge un débit de transmission de 2,5 G bit/s, adapté à la transmission de données, informations audio et vidéo.

(4) Déploiement rapide des liens

Les équipements FSO peuvent être directement montés sur le toit d'un bâtiment, voire déployés sur l'eau, et peuvent accomplir des tâches de communication qui ne peuvent pas être accomplies par diverses communications par fibre optique telles que sol-air et air-air. est courte et la communication peut être établie en quelques heures., et le coût de construction n'est que d'environ un cinquième de celui de la fibre optique souterraine.

(5) Bonne confidentialité des transmissions

La sécurité des communications optiques sans fil est très importante. La communication optique sans fil a une très bonne directivité et un faisceau très étroit, il est donc presque impossible de l'écouter et de l'interférer.

3 Applications de la communication optique sans fil

L'application principale de la communication optique sans fil peut être résumée dans les aspects suivants.

(1) Fournir des solutions d'accès efficaces lorsque les conditions d'accès filaire ne sont pas disponibles ou que la bande passante d'origine est insuffisante

La communication optique sans fil peut rapidement réaliser une communication numérique à large bande entre les bâtiments sans casser les routes et en encastrant des câbles dans la ville, et peut également réaliser une transmission de communication de données à large bande dans les zones où il est peu pratique de poser des câbles optiques et entre les rives de grands fleuves sans ponts. En 1994, la société ThermoTrex en Californie a réalisé avec succès une expérience de transmission entre deux sommets distants de 42 km et d'altitude de 2133 m, et le débit de transmission était de 1,2 Gbit/s.

(2) Résoudre efficacement le problème du "dernier kilomètre"

La communication optique sans fil peut résoudre le problème du "dernier kilomètre" de divers accès professionnels, améliorer la capacité de transmission et la vitesse des terminaux d'accès des utilisateurs, et peut mieux répondre aux exigences de bande passante du réseau de télécommunications, du réseau de télévision par câble et du réseau IP. .

(3) Aide à l'interconnexion LAN

FSO fournit une option pour l'interconnexion et l'intercommunication entre les réseaux locaux adjacents. Il peut non seulement résoudre le problème de transmission à haut débit de l'accès des utilisateurs dans le réseau local, mais également réaliser facilement la connexion entre les réseaux locaux pour former un réseau métropolitain plus large et un réseau étendu. .

(4) Plan de sauvegarde d'urgence

La communication optique sans fil peut être utilisée comme lien de secours d'urgence en cas de panne de la ligne de communication par câble ou de secours d'urgence, et peut également être utilisée comme solution de communication pour les activités temporaires à grande échelle.

(5) Construire rapidement un réseau de télécommunication

Pour les opérateurs de réseaux de télécommunications émergents, les réseaux de communication optique sans fil peuvent les aider à construire rapidement des réseaux locaux et à achever la construction du réseau métropolitain avec moins de capital, de main-d'œuvre et de temps ; pour les opérateurs de réseaux de télécommunication traditionnels, la communication optique sans fil Le système de réseau peut être utilisé en complément de son système de transmission par câble optique pour les zones où la pose de câbles optiques est incommode. La période de construction est courte et le coût requis est faible.Le système de réseau de communication optique sans fil peut réaliser le modèle commercial de mise en réseau d'abord, puis de vente.

De plus, FSO a des applications importantes entre satellites, entre satellites et stations au sol. Par exemple, lors du test conjoint mené par les États-Unis et le Japon en 1995, la communication optique bidirectionnelle entre le satellite japonais Chrysanthemum-6 et le satellite américain d'observation atmosphérique à une distance de 39 000 km a été réalisée. Il s'agit d'une application de communication longue distance, qui est encore en cours de recherche et développement, mais la communication optique inter-satellites présente les avantages d'une grande capacité et ne nécessite pas de coordination internationale de l'UIT, et deviendra l'un des moyens importants de communication par satellite.

4 Problèmes existants

Bien que le système de réseau de communication optique sans fil soit particulièrement attractif et possède un grand nombre de marchés d'application potentiels, il reste encore de nombreux domaines à améliorer. Actuellement, ses principaux problèmes sont :

(1) Problème d'alignement de l'émetteur-récepteur

FSO est une technologie de communication à large bande en visibilité directe, et des conditions de transmission en visibilité directe strictes sont requises entre l'émetteur et le récepteur pour établir la communication. Lorsque l'équipement de communication est installé au sommet d'un immeuble de grande hauteur, l'équipement se balancera sous l'action du vent, ce qui affectera la précision d'alignement du laser. Des facteurs tels que la dilatation thermique de certaines parties de la structure du bâtiment ou des tremblements de terre mineurs peuvent également parfois entraîner un désalignement de l'émetteur et du récepteur.

(2) Influence des milieux atmosphériques

Des conditions météorologiques extrêmes atténueront le signal de propagation du FSO. La diffusion de particules dans l'air fera que la lumière aura différents degrés de déviation dans l'espace, le temps et l'angle. Les particules dans l'atmosphère peuvent également absorber l'énergie du laser, atténuant la puissance du signal. L'un des indicateurs pour mesurer la fiabilité des signaux FSO - LINK MARGIN, l'unité est dB, ce qui signifie la perte de puissance maximale autorisée par le fonctionnement normal de l'équipement FSO. La valeur LINK MARGIN d'un système FSO typique est de 20 dB, c'est-à-dire que dans de bonnes conditions météorologiques, la perte de puissance par kilomètre du signal optique est d'environ 1 dB, c'est-à-dire que la distance de travail maximale d'un système général de communication optique sans fil est 20 kilomètres. La lumière infrarouge utilisée par FSO est facilement affectée par divers facteurs climatiques, tels que la pluie, un fort ensoleillement, etc., lorsqu'elle se propage dans l'air. Par temps de brouillard, l'atténuation du signal peut atteindre 400 dB par kilomètre, ce qui rend la distance de travail effective du système FSO inférieure à 50 mètres, encore plus courte que la distance de transmission LAN sans fil. Par conséquent, FSO doit rechercher une fréquence de longueur d'onde optimale et trouver la combinaison optimale de longueur d'onde et de performances dans la liaison de communication.

(3) La contradiction entre la distance de transmission et la qualité du signal est importante

Plus la distance de transmission FSO est grande, plus le faisceau sera large et plus la qualité du signal optique reçu à l'extrémité de réception sera mauvaise. À l'heure actuelle, il n'y a pas de percée dans la recherche de la communication laser atmosphérique à longue distance.

(4) Problèmes de sécurité laser

La sécurité du faisceau laser est un problème qui doit être pris en compte dans le système FSO. La puissance de transmission du signal optique doit être limitée dans la plage de puissance pour assurer la sécurité des yeux humains, ce qui limite également la distance de communication du FSO.

5 résumé

La communication optique sans fil, en tant que mise en œuvre d'un réseau à large bande rapide, est progressivement devenue une réalité. Cet article présente brièvement le concept de base, la composition du système, les caractéristiques et les avantages de la communication optique sans fil, ainsi que son application et ses recherches dans le domaine de la communication, et analyse également ses problèmes techniques.

Les recherches futures sur les systèmes de communication optique sans fil se concentreront sur l'augmentation de la capacité de transmission, l'extension de la distance de transmission, l'alignement automatique de la direction et la réduction des coûts d'équipement. Si ces problèmes peuvent être résolus efficacement, alors FSO jouera un énorme potentiel et des avantages, et deviendra un nouveau point lumineux dans le domaine de la communication sans fil.