光無線通信系統(tǒng)技術(shù)探悉

摘要　光無線通信技術(shù)或稱自由空間光通信（FSO，F(xiàn)ree Space Optical communication）可作為一種寬帶接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，具有容量大、速率高和價格低的優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域占有越來越重要的地位。在分析光無線通信系統(tǒng)的技術(shù)的基礎(chǔ)上，探析光無線通信的存在的問題及關(guān)鍵技術(shù)，并展望光無線通信的應(yīng)用前景。

1、引言

20世紀(jì)90年代后期，全球通信網(wǎng)絡(luò)開始大規(guī)模擴容，先是廣域網(wǎng)的不斷擴展，接著是城域網(wǎng)的大量建設(shè)。與此同時，用戶內(nèi)部的局域網(wǎng)以及吉比特以太網(wǎng)快速增長。將這些高速的局域網(wǎng)和吉比特以太網(wǎng)連接到運營商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡(luò)。由于傳統(tǒng)的局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)都無法滿足超大傳輸容量的要求，光纖雖能解決傳輸速率的問題，但“最后一英里”的昂貴和耗時卻限制了它的發(fā)展，事實上，許多無線通信技術(shù)能解決“最后一英里”問題，但卻存在頻率通道的擁擠以及申請和電磁輻射的暴露的安全問題，如何提供快速、低價、安全的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題。光的無線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，光無線通信技術(shù)隨著激光器件的工程開發(fā)利用成熟而日趨發(fā)展。利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體，以地面兩點之間的空氣為傳輸介質(zhì)，它利用光束信號通過大氣空間，而不是通過光纖傳送信號。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，這種系統(tǒng)的物理組成也是非常簡單的，用戶無需申請無線頻率，而且起始投資低，運營費用低，能快速裝設(shè)，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于系統(tǒng)具有傳輸速率快、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活、在跨江跨河等不具備有線接入和需快速組建通信網(wǎng)絡(luò)的場合有很高的使用價值，同時隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，在許多寬帶的技術(shù)之中，光無線通信以其容量和價格的優(yōu)勢，也受到越來越多電信營運公司的注意，應(yīng)用范圍不斷擴大。已商用的這類系統(tǒng)，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些試驗采用波分復(fù)用，達(dá)到160Gbit/s的速率。盡管受到氣象條件的限制，只能在較短的距離內(nèi)使用，一般限于2km以下。但在許多場合之下，作為一種獨特的方式，光無線接入可以起到很好的作用，成為當(dāng)前已有幾種寬帶接入方式很好的補充手段。

2、光無線通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)

光無線通信是一種視距傳輸技術(shù)，其基礎(chǔ)是電—光和光—電的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、影像和語音等的傳輸，以大氣作為媒質(zhì)。實際上激光出現(xiàn)后最先研制的是光無線通信系統(tǒng)。光無線通信的優(yōu)點是傳輸距離遠(yuǎn)、信道容量大、發(fā)射天線小、保密性好及抗電磁干擾等，除此以外，光無線通信不需要執(zhí)照許可，不需要鋪設(shè)電纜，不需要挖溝，不需要租用線路，不需要頻譜規(guī)劃，建設(shè)周期短，對環(huán)境沒有影響。寬帶光無線通信的電子頻譜位于極高的光頻段，不存在微波等電磁干擾。光無線通信因為這些優(yōu)點，越來越受到關(guān)注。

一個光無線通信系統(tǒng)如圖1所示，包括三個部分：發(fā)射機、信道和接收機。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，并通過作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號經(jīng)過空間送到接收端的望遠(yuǎn)鏡。高靈敏度的光接收機，將望遠(yuǎn)鏡收到的光信號再轉(zhuǎn)換成電信號，值得注意的是，發(fā)送端和接收端之間，必須是互相視線可見的，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，可以選用透過率較好的波段窗口。光的無線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.5斗m紅外波段。0.85μm的設(shè)備相對便宜，一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠(yuǎn)的場合。1.5μm的設(shè)備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。1.5μm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規(guī)定允許1.5μm波長設(shè)備的功率可以比0.85μm的設(shè)備高2個等級，1550 nm波長的光無線通信具有更廣闊的使用前景。

圖1　光無線通信系統(tǒng)示意圖

光無線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來說，可組成點對點、星形（點到多點）、和格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）三種結(jié)構(gòu)。點到點結(jié)構(gòu)是最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌�目前已使用的系統(tǒng)多數(shù)采用此結(jié)構(gòu)，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點到點結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是獨立的鏈路，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡單；其缺點也很多，例如不能低成本有效地進(jìn)行擴展，光鏈路沒有任何保護(hù)，有一個點出故障，鏈路就中斷。所以它不適合電信級系統(tǒng)。星形（點到多點結(jié)構(gòu)）的優(yōu)點是可以把業(yè)務(wù)集中到一點（集線器或中心節(jié)點）再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟。缺點是能提供的帶寬較少；每條鏈路仍無冗余保護(hù)，可靠性較差；為了在視距內(nèi)連接盡可能多的大樓，集線器的位置非常關(guān)鍵，集線器的成本一般較高。但有一種點到多點結(jié)構(gòu)實際上是點到點傳輸，只不過在中心節(jié)點集中放置了多個針對不同方向的終端，因此其好處是有專用的帶寬、可擴展、能為單個用戶提供服務(wù)。格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以提供幾乎實時的迂回鏈路，使服務(wù)得到保護(hù)，即具有服務(wù)恢復(fù)或服務(wù)冗余度的特點。網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)還可以把業(yè)務(wù)集中到某些特定點，再有效地接入網(wǎng)絡(luò)，比較符合電信級的要求。其缺點是傳輸距離短、成本高（每大樓多條鏈路），網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃復(fù)雜。

3、光無線通信的存在的主要問題及解決方案

盡管光無線通信有許多優(yōu)點，但也存在以下幾點主要問題。

FSO（自由空間光通信）是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時波束就會變寬導(dǎo)致難以被接收點正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠(yuǎn)只能達(dá)到4km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%的穩(wěn)定性。為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來解決。

FSO系統(tǒng)性能最大的問題是大氣介質(zhì)對光信號的衰減，對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧的影響較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5～15dB/km、雨，20～50dB/km、雪，50～150dB/km、霧，50-300dB/km。可見影響最大是霧，這是因為他們中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一數(shù)量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成空間、角度和時間上的擴展，如圖2所示。對于這種大氣現(xiàn)象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒�，為光信號的衰減，留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下，仍能接收到所需的光信號功率。重要的是要獲得所在地長期的氣象統(tǒng)計資料，能夠知道不同等級（能見度）的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標(biāo)出現(xiàn)的概率，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(biāo)（比如，99.9%），需要容納多大的大氣損耗。而傳送的距離為：

圖2　光子大氣傳播示意

顯而易見，在經(jīng)常出現(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無線系統(tǒng)，可能傳送的距離，要比無霧或少霧的地區(qū)短得多。所以，系統(tǒng)的設(shè)計，一定要考慮地區(qū)的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系統(tǒng)在發(fā)射機和接收機之間需要嚴(yán)格的視線傳播，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠(yuǎn)鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標(biāo)。此外，建筑物結(jié)構(gòu)的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準(zhǔn)，實際測量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動可達(dá)樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對準(zhǔn)和跟蹤是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國內(nèi)外普遍采用擴束法、多束法和動態(tài)跟蹤技術(shù)的克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束，如圖3所示，當(dāng)發(fā)射角為2θm。時，在1km處可以得到直徑為2θm。光斑，θ越大或傳輸距離越遠(yuǎn)光斑就越大。但擴束法降低了接收端的光斑能量密度，傳輸距離和速度受到影響和限制，于是國內(nèi)外又提出了多束法，利用多個激光器和發(fā)射鏡同時發(fā)射激光束，每個光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收端就得到一個大而相互重疊的激光光斑，從而提高了接收端的能量密度，也擴大可接受面積。

圖3　擴束法示意圖

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對FSO系統(tǒng)的傳輸速率和距離均提出了更高的要求，如果要提高這兩個技術(shù)指標(biāo)，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度，但擴束法和多束法對性能指標(biāo)的改善有限，于是動態(tài)跟蹤法就應(yīng)運而生，是利用伺服系統(tǒng)通過反饋裝置獲得光束偏差信息，調(diào)整可調(diào)微鏡，使光束時刻對準(zhǔn)接收器。采用動態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，一般采用雙反饋方式，外反饋是位置探測器輸出的入射激光束的位置誤差信號，內(nèi)反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調(diào)微鏡的位置信號，入射激光束通過接受光學(xué)系統(tǒng)后，聚集到位置探測器上，位置探測器將激光束的位置誤差信號輸出到主處理器，同時可調(diào)微鏡位置探測器將探測到的微鏡位置信號送到控制處理器中，控制處理器利用優(yōu)化的跟蹤算法進(jìn)行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統(tǒng)調(diào)整可調(diào)微鏡，使接收光學(xué)系統(tǒng)始終對準(zhǔn)入射激光束。

圖4　動態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)

激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。由于這類系統(tǒng)采用的是毫瓦量級的小功率光源，其主要的危險是激光對肉眼造成的，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。

4、光無線通信技術(shù)的應(yīng)用

國外已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投入使用也就是最近幾年的事情。FSO設(shè)備最初來到中國應(yīng)該在2000年前后，那時國內(nèi)從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項目的研究所。目前國內(nèi)FSO的發(fā)展還基本在起步階段，但在發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準(zhǔn)要求、熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)步，光無線通信盡管仍存在不少問題，但其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。目前，光無線通信的優(yōu)勢正在逐漸吸引電信運營商，而其劣勢正在被技術(shù)的進(jìn)步所抵消，由于技術(shù)的進(jìn)步，光無線通信在大氣中的可視距離范圍內(nèi)，實現(xiàn)全天候“最后一公里”無線光通信已經(jīng)沒有技術(shù)障礙。光無線通信系統(tǒng)是一種物美價廉，有廣泛應(yīng)用前景和巨大市場潛力的通信系統(tǒng)。任何技術(shù)要想取得真正的成功，必須經(jīng)受住市場與用戶的考驗。由于光纖成本過高，用戶無法在短期內(nèi)實現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利，于是，F(xiàn)SO成了他們實現(xiàn)“最后一公里”寬帶接入的替代選擇。需要指出的是DSL、LMDS和以太網(wǎng)是目前寬帶接入的主流方式，但和FSO相比，它們建設(shè)成本要高、建設(shè)周期要長、所提供的帶寬更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及FSO。FSO的另一個主要應(yīng)用是作為光纖通信系統(tǒng)的備份，即對光纖通信設(shè)施進(jìn)行冗余備份設(shè)計時，選用FSO作為備份鏈路，以節(jié)省投資。FSO還可以用于城域網(wǎng)的擴展，即在現(xiàn)有城域網(wǎng)上向外延伸、連接新的網(wǎng)絡(luò)；FSO還非常適用于企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)，實現(xiàn)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)�？梢姡�自由空間光通信技術(shù)有著廣闊的市場需求。Strategis Group曾預(yù)測FSO設(shè)備的全球銷售額將在2005年達(dá)到20億美元。這也表明了業(yè)界對FSO技術(shù)的看好。

到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mbit/s的數(shù)據(jù)連接。Air-fiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)（SONET）通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。2003年5月，佳能美國公司宣布他們的多套自由空間光通信FSO系統(tǒng)成功應(yīng)用到美國紐約州地方法院系統(tǒng)，并在911恐怖襲擊之后的重建工作中發(fā)揮了出色作用。在國內(nèi)，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少50套無線光通信設(shè)備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng)。上海鐵通表示采用Terabeam的設(shè)備將大大縮短他們提供服務(wù)的時間，有利于他們獲得新客戶。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中國長城寬帶公司將選擇他們的設(shè)備建設(shè)15個城市的寬帶網(wǎng)絡(luò)，Terabeam的設(shè)備已經(jīng)在上海和重慶作為跨江的通信設(shè)備投入應(yīng)用。

5、結(jié)束語

當(dāng)前，用戶對高速數(shù)據(jù)服務(wù)日益高漲的需求與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金相對短缺的矛盾，是困擾服務(wù)運營商的一個現(xiàn)實問題。FSO作為一種寬帶接入方式，具有高帶寬、低誤碼率、部署迅捷、費用合理、體積小、安全性高等特點，很多企業(yè)把FSO網(wǎng)絡(luò)與光纖網(wǎng)、微波網(wǎng)和高頻段無線網(wǎng)結(jié)合起來使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補彼此的不足。在本質(zhì)上FSO是一種連接方式，而非覆蓋方式。所以，F(xiàn)SO通信是以一種補充的角色出現(xiàn)的，但FSO有自己的獨特的市場定位：在其他接入方式鞭長莫及或力不從心的一些特殊場合下發(fā)揮其優(yōu)勢。