光無線通信技術(shù)綜述

    光無線通信技術(shù)或稱自由空間光通信(FSO，F(xiàn)reeSpaceOpticalCommunication)是一種寬帶接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，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。

    已商用的光無線通信系統(tǒng)，容量從100Mb/s到2.5Gb/s，也有一些試驗采用波分復用，達到更高速率。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2公里以下。但在許多場合，作為一種獨特的方式，光無線接入可起到很好的作用，成為當前幾種寬帶接入方式很好的補充手段。

    光無線通信有兩種工作波長：850納米和1550納米。850納米的設(shè)備相對便宜，一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠的場合。1550納米的設(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)。1550納米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1550納米波長設(shè)備的功率可以比850納米的設(shè)備高2個等級。

    當然光無線通信技術(shù)并不是憑空突然出現(xiàn)的，早在四十多年之前，激光器件發(fā)明之后，這種技術(shù)就被工程開發(fā)中了。人們希望利用高度集中的光束，穿透大氣空間，從而開始了在國防及民用中短距離通信的應(yīng)用，主要是窄帶的通信。到20世紀90年代之后，隨著器件的成熟，特別是光纖通信規(guī)模應(yīng)用后，器件價格的進一步下降，性能不斷優(yōu)化，寬帶的光無線接入成為新的應(yīng)用方向。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，受到越來越多電信營運公司的注意，應(yīng)用范圍不斷擴大。

    一、光無線通信網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

    光無線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來說，可以有點到點、點到多點(星形)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)可以組合起來使用。

    點到點結(jié)構(gòu)是最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲。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行擴展；光鏈路沒有任何保護，有一個點出故障，鏈路就中斷。所以它不適合電信級系統(tǒng)。

    點到多點(星形)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，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)。

    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，即具有服務(wù)恢復或服務(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)劃復雜。

    二、光無線通信技術(shù)的優(yōu)點

    光無線通信技術(shù)與其他接入技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：

    1.部署快速

    因為不需要埋設(shè)光纖和等待各種手續(xù)上的問題，光無線通信可以在幾小時，或者幾天內(nèi)完成連接。光無線通信的無線接收器大小如同一部保安攝像機，可以輕而易舉地安裝在屋頂、屋內(nèi)甚至窗外。

    2.無需頻譜許可證

    光無線通信因設(shè)備間沒有信號的相互干擾，故無需像無線電通信(如微波、LMDS)那樣申請頻率許可證。

    3.帶寬很寬

    如果采取點到點的組網(wǎng)方式，光無線通信能支持155Mb/s～10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點到多點的組網(wǎng)方式中，光無線通信能支持155Mb/s～10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1～2公里。如果采用網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200～400米。

    4.抗干擾性強

    光無線通信接入方式是一種新的寬帶數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線寬帶接入服務(wù)。由于這種技術(shù)的頻譜位于光頻段，微波等對其不會構(gòu)成干擾。而且這種技術(shù)的頻譜與大多數(shù)中低頻段電磁波不同的是，已經(jīng)達到300GHz以上的數(shù)值，這樣的電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受管制，可以免費使用，惟一的要求是設(shè)備功率不能超過國際電子技術(shù)委員會規(guī)定的功率上限。

    5.不容易出現(xiàn)傳輸堵塞

    由于光無線通信系統(tǒng)使用點對點的系統(tǒng)，在確定發(fā)收兩點之間視線不受阻擋的通道之后，光無線通信系統(tǒng)到端用戶節(jié)點之間的信號通道仍然保持著光的形式，中間沒有電轉(zhuǎn)換的介入。這樣，光無線通信系統(tǒng)內(nèi)光信號的流動就沒有光電轉(zhuǎn)換的障礙，所以信息在傳輸時就不會出現(xiàn)信息堵塞現(xiàn)象。

    6.安全保密性強

    光無線通信的波束很窄，定向性非常好，非可視光，夜間也無法發(fā)現(xiàn)，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強。

    7.協(xié)議透明

    光無線通信以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。

    8.成本低光

    光無線通信的成本是光纖到樓的1/10～1/3。

    9.便攜性

    無線通信裝置可靈活拆裝，移裝至其他位置，適于臨時、應(yīng)急的通信。

    三、光無線通信技術(shù)的不足

    由于光無線通信系統(tǒng)是利用光束信號通過大氣空間來傳送的，而信號在大氣傳遞中是不夠穩(wěn)定的，受外在條件影響難以保證可用性。另外，對人身安全性及傳送的保密性，也存在疑慮。實際上，經(jīng)過多年的探索，問題逐漸明朗，而且也找到了辦法。

    1.大氣介質(zhì)對光信號的衰減

    波長為850納米和1550納米的光信號，主要的衰減來自霧。霧對紅外光的作用，類似于雨引起微波的衰落。由于霧中水氣微粒對光線的散射作用，使得傳送的光線逐漸變?nèi)�。霧的濃度變化，對光線衰減的數(shù)值有很大的關(guān)系。輕霧只有每公里50分貝的損耗，濃霧時可高達每公里300分貝。

    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)挠嬎阒校瑸楣庑盘柕乃�減，留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在出現(xiàn)濃霧的情況下，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。

    2.大氣引起的漂移

    實用的光無線通信系統(tǒng)還需要保證收發(fā)兩點之間，光信號良好的準直穩(wěn)定。使發(fā)送的光信號在接收端，光瓣能夠覆蓋接收機望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標。

    克服這缺陷的常用方式，是有意使發(fā)射光束展寬。還有一些產(chǎn)品，采用動態(tài)調(diào)節(jié)的跟蹤技術(shù)，不僅能應(yīng)付由大氣引起的漂移，當端機所在的建筑物輕微擺動時，還可以保持信號的穩(wěn)定。

    3.傳輸距離短

    光無線通信是一種視距技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時(一般為幾公里)波束就會變寬以致難以被接收機正確接收。所以光無線通信一般只限于城市內(nèi)使用。目前，大部分測試表明，在1公里以下才能獲得最佳的效率和質(zhì)量。

    4.建筑物晃動將影響兩個點之間的激光對準

    對光無線通信來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準(捕獲)和保持(跟蹤)至關(guān)重要。但在對準以后，在風力和其他因素的作用下，建筑物會有些晃動，這就要求鏈路兩端設(shè)備都必須具備自動跟蹤的能力。

    5.激光信號對人體安全的威脅

    激光信號對人體安全的威脅也一直受到關(guān)注。其中，主要是操作人員或偶爾受到光信號照射的其他人員，是否會受到傷害。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。

    國際電工委員會IEC有相關(guān)的分類推薦建議，針對激光對肉眼的安全，規(guī)定了一種定為1M類的激光光源指標。這類光源，即使肉眼直接觀察，也可保證安全。多數(shù)國家都參照這個指標，確立本國標準。廠商的產(chǎn)品，只要符合國防標準，是不會對人體構(gòu)成損傷的。

    四、光無線通信技術(shù)的應(yīng)用

    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)的進步所抵消。據(jù)悉，由于技術(shù)的進步，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)。其具體應(yīng)用如下：

    1.骨干網(wǎng)的擴展

    電信運營商在骨干網(wǎng)建設(shè)上花費大量資金，以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能與快速發(fā)展的市場需求。但是，在最后一公里的建設(shè)上，卻著力不多，而其實很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的瓶頸不在骨干網(wǎng)上而是在最后一公里。為了在現(xiàn)有的骨干網(wǎng)上快速進行擴展和向外延伸，光無線通信實為一種不錯的選擇。

    2.光纖網(wǎng)絡(luò)的備份

    目前大多數(shù)電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全�，F(xiàn)在，電信運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇光無線通信系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。

    3.寬頻接入

    目前主干網(wǎng)的容量急劇增加，從622Mb/s到10Gb/s，再到更高的40Gb/sDWDM。同樣，客戶端網(wǎng)絡(luò)的頻寬也從10Mb/s增加到100Mb/s，再到吉比特的以太網(wǎng)絡(luò)。僅網(wǎng)絡(luò)接入部分仍未有可突破頻寬成本與容量瓶頸的有效解決方法。無線通信的寬頻網(wǎng)絡(luò)接入瓶頸更為嚴重，因此，在此部分光無線通信有很大的發(fā)展空間。

    4.企業(yè)應(yīng)用

    由于光無線通信是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發(fā)器裝設(shè)在樓頂或窗外傳輸數(shù)據(jù)。光無線通信的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。以光無線通信來代替光纖接入各局端，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速率。

    5.無線基地臺數(shù)據(jù)的回傳

    光無線通信也可用來接入移動電話基地臺與交換中心，將基地臺接收的信號傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的交換中心設(shè)備。

    6.其他需要高速接入的終端

    由于光無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時成本低、操作簡單，因此可以用在其他高速連接的終端應(yīng)用。例如：樓與樓之間、橫跨諸如公路與河流之類復雜地形、災(zāi)難恢復及臨時解決方案的網(wǎng)絡(luò)快速部署方案。

    五、光無線通信技術(shù)目前發(fā)展概況

    2001年2月由美國的一些光無線設(shè)備制造商聯(lián)合電信運營商，成立了空間光通信聯(lián)盟(FSOAlliance)。該組織的宗旨是推動光無線技術(shù)的應(yīng)用，特別是對用戶和電信界宣傳這種技術(shù)的發(fā)展前景，消除較普遍存在的誤解。該組織已舉行了多次會議，對促進光無線通信系統(tǒng)的大規(guī)模推廣起到了積極的應(yīng)用。

    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，受到越來越多運營公司的注意，應(yīng)用的范圍不斷擴大�，F(xiàn)在，一些大型的電信設(shè)備公司對光無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，如美國的QWEST，英國BT，加拿大NT等公司已開始試用這種系統(tǒng)。比較典型的有Terabeam公司和Airriber公司已將光無線通信應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)。

    2000年悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用光無線通信設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司計劃在全美建設(shè)100個光無線通信城市網(wǎng)絡(luò)。而Airriber公司則在美國波士頓地區(qū)將光無線通信網(wǎng)與光纖SONET網(wǎng)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)。

    在2004年CCBN展會上，英國的科飛公司(Cablefree)展示了多款光無線通信(FSO)產(chǎn)品�？骑w展示的產(chǎn)品包括ACCESS系列，CF622系列以及GIGABIT系列。其中ACCESS系列是解決“最后一公里”無線寬帶接入產(chǎn)品，提供高速數(shù)據(jù)傳輸能力和電信部門的各種標準數(shù)據(jù)接口，包括光纜、雙絞線、G.703E1/E2/E3及STM-1等。產(chǎn)品系列包括A200，A500，A1000，A2000，A4000，支持距離分別是200.500.1000，2000，4000米。支持速率從2Mb/s～155Mb/s不等。英國科飛的FSO產(chǎn)品可作為固定、移動、寬帶運營商和專業(yè)數(shù)據(jù)通信運營商的無線、微波、光纜網(wǎng)絡(luò)的補充傳輸手段。為了順應(yīng)中國寬帶接入網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，英國科飛無線光通信有限公司北京辦事處已經(jīng)建立，目的在于發(fā)展中國的合作伙伴，更好地為運營商服務(wù)。

    2004年9月，英國若干大學，企業(yè)合作計劃投資72萬英鎊發(fā)展FSO產(chǎn)品。該計劃名為ALFONSO，主要利用了格拉斯哥(Strathclyde)大學光子學院的中紅外VCSEL激光器技術(shù)，Durham大學的自適應(yīng)光學技術(shù)，科飛公司，SiraFerranti光子公司以及Starpoint自適應(yīng)光學公司等提供了工程服務(wù)和市場開發(fā)的支持。該項研究計劃的目標是發(fā)展出10G/s速率，幾公里距離內(nèi)傳輸?shù)腇SO系統(tǒng)。新的VCSEL激光器可以使用2200納米的波長，具有更好的天氣適應(yīng)性。

    在國內(nèi)，清華同方研究發(fā)展中心一直致力于“最后一公里”解決方案的探索，并于2001年12月成立FSO技術(shù)跟蹤研究小組，推出了光無線通信產(chǎn)品TFOW100-1，完成了1000米點對點通信樣機的檢測。TFOW100-1能提供100Mb/s的帶寬，同國外同類產(chǎn)品相比，該產(chǎn)品采用了小功率激光器，大幅降低了成本，價格只有國外同類產(chǎn)品的幾分之一。

    中國寬帶服務(wù)供應(yīng)商長城寬帶網(wǎng)絡(luò)公司(GWBN)選用Terabeam的光無線通信產(chǎn)品來拓展其在中國的15個城市的寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過Terabeam的系統(tǒng)，GWBN將為大中型商業(yè)用戶和大型住宅社區(qū)提供可靠的寬帶服務(wù)，尤其是光纖和光纜很難到達或者敷設(shè)起來成本昂貴的地方。

    2004年7月，華為公司和LightPointe公司宣布擴大雙方的聯(lián)合戰(zhàn)略伙伴協(xié)定。LightPointe公司是基于光無線通信技術(shù)的光纖光線產(chǎn)品的設(shè)計者和制造商。華為公司是全球領(lǐng)先的光纖網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商。這項交易將加快為世界各地的電信服務(wù)提供商和企業(yè)客戶提供安全、可靠和高速光纖無線解決方案。根據(jù)擴大的OEM協(xié)定，華為將在歐洲、東南亞、中東、非洲、俄羅斯和拉美等地區(qū)銷售和推銷LightPointeFlightTM光纖無線產(chǎn)品，這是華為的OptiXTM產(chǎn)品家族的一部分。由于2003年9月簽署的一項類似協(xié)定，華為已經(jīng)通過在中國的所有一級服務(wù)提供商成功地安裝LightPointe產(chǎn)品而獲得了市場份額。光無線通信技術(shù)是對華為的光纖網(wǎng)絡(luò)解決方案的有利補充。通過與LightPointe的伙伴關(guān)系，華為將向運營商客戶和公司客戶提供另一種方便、靈活的解決方案，同時滿足他們的緊迫網(wǎng)絡(luò)需求。

    當前有很多種接入技術(shù)可供選擇，如FSO、光纖、DSL以及LMDS等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設(shè)的周期較長、投資很大，LMDS技術(shù)日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資和頻譜許可證，對業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠多于光纖，但由于DSL的帶寬太低，使得這種基于銅纜的接入方式并不是解決“最后一公里”瓶頸問題的最可行的解決方案；FSO相對而言是一種比較好的方案，帶寬可擴展，建設(shè)速度快，并且十分經(jīng)濟，其應(yīng)用前景將非常廣闊。