寬帶接入“最后一公里”不再難纏

李明琪

如何突破城域網(wǎng)的瓶頸，向渴求帶寬的用戶遞送高容量的語音和數(shù)據(jù)？如果直接向要求高帶寬的用戶建筑物敷設(shè)高容量光纖，那么一是成本高，二可能需要花費數(shù)十年的時間。從一個國家的范圍來看，大中型辦公樓中只有5%～10%已經(jīng)安裝了光終端，而這些建筑物中有3/4距離主干光纖在一公里之內(nèi)。這種“帶寬間隙”令網(wǎng)絡(luò)運營商煩惱不已。

　　消滅這種“帶寬間隙”是基于電頻率和光頻率的無線通信技術(shù)的目標。固定寬帶的無線系統(tǒng)的帶寬是有限的，而且為了得到頻譜的授權(quán)和在用戶付費之前建設(shè)網(wǎng)絡(luò)又需要巨額的投資。無線光系統(tǒng)，又稱為無間隔的光（free-space-optics——FSO），由于光頻率傳輸不必經(jīng)過授權(quán)，且使用真正的“付費隨著用量的增長而增加”的點對點的體系結(jié)構(gòu)，既解決了問題，又避免了前期的巨額投資。但是FSO傳輸容易受到大氣環(huán)境的影響而衰減，而適應(yīng)性光（AO——Adaptive Optics）技術(shù)可以把被大氣損壞的光波幾乎全部恢復(fù)。適應(yīng)性光技術(shù)宣稱對FSO通信技術(shù)做出了革命性的改進，完全可以滿足電信公司的新需求。

　　FSO存在由來已久

　　早在1880年6月，Alexander Graham Bell就在他發(fā)明的“光電話”上第一次傳輸了無線電話信息，通過一個儀器把聲音信號投向一個與鏡子相連的聽覺裝置。聲音的顫動在鏡子上產(chǎn)生了類似的顫動，鏡子把日光向前反射和投射到一個接收機上，接收機把日光重新轉(zhuǎn)換成為聲音。由于光電話易于受到外部噪聲的干擾，而且聲音信號在銅線上傳輸更為可靠，所以光電話沒有在商業(yè)上取得成功。

　　80年后，激光被發(fā)明了，使用經(jīng)過調(diào)制的光穿過空氣的通信方式開始實用。20世紀70年代美國開始開發(fā)用于航空器到地面和衛(wèi)星到水下的通信技術(shù)。而商業(yè)FSO系統(tǒng)實用化則是在上個世紀的90年代，主要用于互連建筑物和校園的LAN，以及像現(xiàn)場的電視攝像通信這樣一類的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。這些市場的特點是范圍短、速率適度和在室外安裝。為這類市場建造的系統(tǒng)是用市場上可買到的現(xiàn)成的光部件（如激光器、接收器、透鏡等）制成的。

　　最近一個時期以來，電信公司開始考慮用FSO系統(tǒng)來滿足市場上出現(xiàn)的不斷提高的苛刻需求，包括最后一公里的接入、城市周邊的擴展和無線回程傳輸。在這些市場上的用戶需求包括：

　　● 在所有條件下的長距離和高可靠性傳輸；

　　● 真正的物理層數(shù)據(jù)速率和與協(xié)議的無關(guān)性；

　　● 集成了網(wǎng)絡(luò)管理要素的載波級的產(chǎn)品；

　　● 能夠真正穿過辦公室的窗玻璃在室外和室內(nèi)運行；

　　● 單一信道采用WDM的速率最高可達10Gb/s以上。

　　但是，F(xiàn)SO要投入使用還需要解決漂移、閃爍等問題，但是現(xiàn)在的方案卻難以產(chǎn)生一個可靠的全光的解決方案，因為沒有解決一個根本問題:光的波峰被大氣扭曲了。更為有效的對策是適應(yīng)性光技術(shù)。

適應(yīng)性光技術(shù)的貢獻

　　在空中經(jīng)常飛行的飛行員都知道，帶噪聲控制的耳機比較好用。在飛行期間，這種耳機大大地降低了飛機的噪聲，使旅途更舒適。這種耳機的工作原理就是“抗噪聲”，即建立一個反向的相位信號來削弱機艙的噪聲。適應(yīng)性光技術(shù)就采用了類似的方式。它利用“抗噪聲”信號來削弱光束在穿過湍流大氣和辦公室的窗玻璃時光的噪聲（失常），從而在無線光通信系統(tǒng)中成功應(yīng)用。

　　適應(yīng)性光技術(shù)最初是在20世紀50年代為了校正由于每秒鐘要翹起望遠鏡的輔助鏡幾次而造成的大氣圖像模糊現(xiàn)象而開發(fā)的。它減少了圖像的漂移，使圖像的清晰度提高了兩倍。但是要想完全消除在天文觀測中大氣圖像的模糊現(xiàn)象需要提高10倍的清晰度。

　　美國軍方為了把濃縮的激光發(fā)射到敵方，在20 世紀70年代和80年代對適應(yīng)性光技術(shù)投入了大量的資金。等到后來美國軍方將此技術(shù)解密時，天文學(xué)家迅速行動，采用這項技術(shù)制作望遠鏡來消除由于大氣造成的星球和星系的圖像模糊現(xiàn)象。雖然是手工制作的，且成本很高，但是得到的效果卻是令人吃驚的。在裝備了適應(yīng)性光技術(shù)制作的望遠鏡的地面天文臺觀測的天文圖像完全可與從地球的大氣層之外用哈勃空間望遠鏡觀測到的圖像質(zhì)量相媲美。適應(yīng)性光技術(shù)的應(yīng)用是自1609年伽利略發(fā)明望遠鏡以來在天文學(xué)上取得的最具革命性的發(fā)展。

　　雙向AO的實踐

　　適應(yīng)性光技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合可以去除光信號中的噪聲，光首先穿過一個物鏡，然后由一個特制的適應(yīng)性光部件反射出去。這個特制的適應(yīng)性光部件被稱為可變形鏡，它用于抵抗光束中的噪聲，消除進來的光束中的失常。校正過的那部分波峰被分發(fā)到一個波峰傳感器上，波峰傳感器測量在波峰中的剩余的畸變和誤差。校正的信號經(jīng)過計算發(fā)送給可變形鏡。

　　在剩余的波峰誤差的測量和可變形鏡的位移之間時間延遲（即反應(yīng)時間）必須保持在最小，否則系統(tǒng)校正的就將是過去的而不是當(dāng)時的氣候條件。由于大氣中的灰塵、水蒸氣等對光信號的干擾變化迅速，而從當(dāng)時的條件無法推斷出未來的狀態(tài)，因此在這種情況下，控制系統(tǒng)的運行速度必須比被控制過程的變化速度快至少10倍。由于大氣是以100 Hz的周期變化的，所以控制系統(tǒng)在可變形鏡中必須以1000 Hz以上的速率執(zhí)行校正。

　　以前的軍用和天文的適應(yīng)性光系統(tǒng)都是單向的，或者用來校正通過望遠鏡獲取的星球或星系來的變形的光，或者用來在激光武器中把發(fā)出的光預(yù)先變形。FSO系統(tǒng)第一次在雙向通信系統(tǒng)的兩個方向各自應(yīng)用了一臺適應(yīng)性光設(shè)備。因此，可變形鏡不只是校正進來的光波峰，而且同時也預(yù)先把出去的光波峰變形，以便提前校正在兩臺設(shè)備之間光傳播路徑上已知的失常。對發(fā)射機發(fā)出的光束的預(yù)先整形，校正已知的失常條件，可以消除漂移和閃爍，從而使光束可以鎖定在其目標上。

　　在兩公里距離的線路上進行的全光系統(tǒng)的運行模擬實驗表明，適應(yīng)性光系統(tǒng)的效果良好。

　　觀點

　　采用適應(yīng)性光技術(shù)的FSO系統(tǒng)是光通信系統(tǒng)的一次革命，它向當(dāng)前用越來越高功率的激光器與標準光部件的創(chuàng)造性封裝技術(shù)來改進系統(tǒng)性能的設(shè)計趨勢提出了挑戰(zhàn)。適應(yīng)性光技術(shù)在解決FSO傳輸缺陷方面有許多先天的優(yōu)點。由于在一秒鐘的時間內(nèi)對變形的光波峰校正了數(shù)千次，所以它既能夠傳輸雙向的、高度校準的光束，又克服了閃爍。得到的效果就是：它能夠直接通過用戶的單模光纖穿過窗玻璃和空氣長距離傳輸信號，并能傳輸?shù)浇邮展饫w中，有更可靠的鏈路、更高的帶寬，是真正與速度和協(xié)議無關(guān)的連接技術(shù)。在解決了成本問題后，經(jīng)過試驗驗證的適應(yīng)性光技術(shù)的FSO系統(tǒng)不久將走向市場，成為通信系統(tǒng)發(fā)展的一個“助推器”。

摘自《計算機世界報》2003.04