自由空间光链路提供了一种可靠、经济高效且快速的方式来连接相距几公里的两个固定通信节点。
当工程师想到“光数据链路”或“光通信”时，他们几乎总是想到光纤中的光（可见或不可见）以高速传输数万甚至数千公里的数据。或者，他们可能会想到一个简单的低性能光链路，例如电视遥控器的红外线链路，或用于在两个电路之间提供电流（欧姆）隔离的光耦合器中几毫米的非常短距离的链路，或者房间中的 Li-Fi 链路支持以兆位或千兆位/秒的速率进行半移动“无线”互联网连接中国机械网okmao.com。
但还有另一种广泛使用的光数据链路：自由空间光 (FSO) 链路，有时也称为自由空间通信。本文将探讨此类高速数据链路背后的原理、影响 FSO 性能的技术问题以及一些正在使用的商用 FSO 单元。许多 FSO 安装是“低调”的，无论是安装者的偏好还是他们的物理设置，您可能已经通过或使用了其中之一，甚至都不知道。
问：什么是 FSO 链接？
答：它是两个节点之间基于激光的固定光链路（图 1）。这种全双工点对点链路以光脉冲的形式在空中传输数据，传输距离可达约 10 公里（但通常更短），并实现约 100 Mbps 到几 Gbps 的数据速率。尽管偶尔会受到鸟、雾、雨和其他可能的路径退化的干扰，但典型的可用性为 99.99% 或更高。
图 1：全双工 FSO 链路在通道的每一端都有一个基于激光的光电发射器和接收器。（图片：IEEE）
Q：节点单元放在哪里？
答：发射器和接收器节点通常连接在一个防风雨外壳中，安装在屋顶、建筑物侧面或可用的塔上（图 2）。这是一种视线布置，因此更高的安装会产生更大的距离，但这种做法主要受激光输出功率和除高度以外的其他因素的限制。然而，更高的高度也意味着由于多年来树木的生长和未来可能出现的其他障碍（例如新建筑物）而导致路径堵塞的可能性更小。
图 2：功能齐全的 FSO 链接单元可以安装在屋顶杆或其他坚固的支架上。（图片：fSONA）
问：每个光发射器/接收器节点连接什么？
答：通常，但并非总是如此，光纤链路用于在光节点之间传输用户数据。用户可能是办公室、校园，甚至住宅。有时使用同轴电缆代替本地光纤连接。FSO 系统非常接近于“即插即用”。
问：此链接仅在两点之间吗？
A：是的，但一个站点可以支持多个单元并链接到多个连接点（图 3）。
图 3：虽然 FSO 单元用于点对点链接，但可以设置多个单元以连接到几个相邻站点的相应独立单元。（图片：佳能）
问：“自由空间”一词是否是 NASA 正在测试的地球和月球、轨道卫星甚至深空探测器之间的 FSO 类型链路，以实现比 RF 链路提供的数据速率更高的数据速率？
答：有也没有。“自由空间”一词确实引起了一些混淆，其基本原理是相同的。然而，由于多种原因，非地面链路的挑战要大得多。仅地球 FSO 链路的一个更好的名称——有时也被使用——是“地面自由空间光链路”。地球与太空中任何事物之间的通信问题，甚至与附近的月球，以及在一切都在移动的情况下，比固定的地面链接要困难几个数量级。
问：这些自由空间链接是否仅限于地面站？
答：不一定。美国海军还希望在高度复杂的稳定平台上使用激光在舰船和低地球轨道卫星 (LEO) 之间进行通信。尽管如此，与将两个相距几公里的站点连接起来并固定到位相比，这是一种非常不同的情况。
问：当您可以获得微波无线电或基于光纤的链接时，为什么还要考虑这样的系统？
答：有很多原因：
与所有射频链路一样，微波链路需要频谱分配和监管许可，而光链路是免许可的，没有频谱监管。
光链路支持比传统微波链路大得多的带宽和数据速率。
光链路不受潜在射频干扰的影响，也不受附近光链路的影响；在这方面，它与屏蔽同轴电缆或光纤一样“受到保护”。
几乎不可能拦截或窃听信号，如果这样做，用户可能会看到信号强度下降。
主要的监管问题是安全性和局部光功率，这与 RF 信号必须应对的复杂频谱和功率问题不同。
问：是否还有其他因素使 FSO 链接具有吸引力？
A：完全没有，还有更多：
当您在自然灾害等临时情况下需要通信时，视距、自由空间光链路是一种有吸引力的选择；绕过破裂或阻塞的路径；或者在体育赛事大会、演示或露天音乐会上将一系列电视摄像机连接回控制车。
设置只需几个小时，您甚至可以按天、按周或按月租用系统。
虽然在其中一些情况下可以使用光纤，但在两个校区之间即使很短的距离内安装光纤也需要特殊许可、挖沟、回填和表面修复，以及许多其他耗时且成本高昂的麻烦。
它甚至可以在拥挤的市区或校园周围的两座建筑物之间建立快速有效的永久连接，或者从本地接收器节点到公寓或办公园区，所有光纤布线困难、昂贵且可能引起不必要注意的情况。
问：在技术上做 FSO 链接容易吗？
答：在距离相应的光电探测器几厘米处设置 LED 或激光二极管并以高速率成功传输数据并不是一项挑战。在处理距离、激光发射器安全问题、建立初始目标、保持目标对准以及在光路问题下仍能正常工作时，要使此设置工作要困难得多。
本文的第 2 部分探讨了与 FSO 链接相关的一些实际实施问题。