自由空間光通信技術(shù)范圍研究

Molex 企業(yè)布線網(wǎng)絡(luò)部

使用高帶寬干線把商用大樓和住宅大樓、大學(xué)校園和政府大樓連接起來至關(guān)重要，同時也極具挑戰(zhàn)性。有多種連接方案可供選擇，包括安裝光纖電纜、租賃黑光纖或服務(wù)供應(yīng)商用戶服務(wù)、安裝橋接式無線系統(tǒng)。高速公路、街道、停車場、航道、鐵路沿線、密集的管道和管線都可能會導(dǎo)致驚人的成本障礙，而不能在大樓之間實現(xiàn)物理有線連接。高帶寬租賃服務(wù)盡管可靠性高、實現(xiàn)簡便，但成本也比較高。橋接式無線技術(shù)由于實現(xiàn)簡便，可靠性接近有線網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)得到廣泛接受。必須認(rèn)識到，并沒哪種最優(yōu)秀的技術(shù)適用于所有方案，每種連接方案都有自己的優(yōu)勢。本文將重點介紹自由空間光通信技術(shù)(FSO)，這是一種雙向點到點光束無線技術(shù)，為真正寬帶園區(qū)連接提供了極具吸引力的、耐用的、經(jīng)濟的高帶寬選項。本文還在各種應(yīng)用和環(huán)境中比較了光學(xué)無線系統(tǒng)與基于RF的知名無線系統(tǒng)。

什么是自由空間光學(xué)器件？

FSO采用視線激光器生成的光束，通過空氣從一臺設(shè)備到另一臺設(shè)備發(fā)送寬帶數(shù)據(jù)、語音和視頻。這一技術(shù)可以視為與通過光纖電纜實現(xiàn)的光通信有線傳輸同等的光通信無線傳輸技術(shù)。FSO設(shè)備通過TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)銅纜或光纖結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)上。通過IP業(yè)務(wù)發(fā)送的任何應(yīng)用都可以通過FSO傳送，包括語音、數(shù)據(jù)、視頻和安全應(yīng)用。

FSO系統(tǒng)在兩個不同的波長傳輸窗口中提供：780-850 nm和1520-1600 nm。780–850 nm系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟、適合大多數(shù)應(yīng)用，包括1 Gb/s以太網(wǎng)；1520-1600 nm系統(tǒng)則可以以更高的功率發(fā)送數(shù)據(jù)，在晴朗的天氣中傳輸更遠(yuǎn)的距離。業(yè)內(nèi)已經(jīng)大量對比780-850 nm FSO系統(tǒng)與1520-1600 nm系統(tǒng)在大氣事件中(特別是在霧天中)的性能。在設(shè)備之間的距離小于500米時(典型的園區(qū)鏈路)，如果不考慮到霧的密度，這兩種技術(shù)之間沒有什么性能差異。如果考慮到成本影響，采用1520 – 1600 nm波長的系統(tǒng)成本可能要比780-850 nm系統(tǒng)高出10倍。

從實現(xiàn)角度評估無線系統(tǒng)

在評估任何無線系統(tǒng)時，必須考慮帶寬能力、傳輸吞吐量、可靠性、安全功能以及實現(xiàn)成本。這些因素相結(jié)合，可以幫助確定哪類系統(tǒng)為用戶環(huán)境提供了最高性能和價值。

帶寬能力和傳輸吞吐量

為園區(qū)應(yīng)用提供的常見FSO產(chǎn)品的帶寬范圍可以運行10 Mb/s系統(tǒng)直到1.25 Gb/s系統(tǒng)。對園區(qū)應(yīng)用，F(xiàn)SO在高速網(wǎng)絡(luò)中擁有帶寬優(yōu)勢。

在大多數(shù)FSO系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)吞吐量受到其支持的網(wǎng)絡(luò)性能的限制。FSO吞吐量并不象RF系統(tǒng)那樣由傳輸頻率確定，而是取決于發(fā)送和接收發(fā)射的光學(xué)信號的能力。只要保持足夠的光束強度，F(xiàn)SO系統(tǒng)中的傳輸數(shù)據(jù)吞吐量將保持不變。我們再與光纖比較一下。如果光纖鏈路中的衰減太高，那么將不能實現(xiàn)有效傳輸。收到的數(shù)據(jù)不會由于衰減信號而在光纖網(wǎng)絡(luò)中衰落，它要么不傳輸任何數(shù)據(jù)，要么傳輸完全錯誤。而在RF系統(tǒng)中，在信號強度衰減時，系統(tǒng)會切換到較低的數(shù)據(jù)速率，以保持鏈路。在晴朗的天氣中吞吐量為24 Mb/s的RF鏈路在暴風(fēng)雨中可能會下降到18 Mb/s, 12 Mb/s, 6 Mb/s。

可靠性

無線系統(tǒng)可能會由于大氣因素、環(huán)境因素和障礙物而中斷或性能下降。FSO系統(tǒng)對雨水的容忍度要高于RF系統(tǒng)，在沒有檢測的情況下更不容易劣化，并可以內(nèi)置追蹤系統(tǒng)降低移動的影響。

天氣的影響

在發(fā)送光時，大氣事件可能會導(dǎo)致散射，衰減在兩臺設(shè)備之間傳送的激光數(shù)量，導(dǎo)致信號丟失，在最壞的情況下會導(dǎo)致傳輸錯誤。影響最大的大氣事件是霧。由于霧是可變事件，因此系統(tǒng)性能寬泛地取決于能見距離。紅外光線在霧天中傳送的能見距離大約可以提高一倍。因此，如果在惡劣天氣條件下能夠看到對面的大約一半距離，那么FSO系統(tǒng)仍能保持鏈路。雨、雪和污染物也會影響信號衰減，但一般來說，在園區(qū)距離限制范圍內(nèi)，其對性能的限制要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于霧。應(yīng)對天氣事件的有效措施是采用對焦波束，并輔以自動對準(zhǔn)功能，以減緩對發(fā)送信號的影響。

波束對準(zhǔn)和障礙物的影響

保持波束對準(zhǔn)是影響FSO系統(tǒng)性能的一個重要因素。即使安裝正確，F(xiàn)SO接收機仍會受到安裝所在的大樓運動的影響。運動可以是由明顯因素引起的，如大風(fēng)，也可以是由比較小的條件引起的，如溫度變化�？梢允褂脙煞N基本方法，處理對準(zhǔn)變化：窄的具有自動追蹤功能的對焦波束，或沒有追蹤功能的寬波束。具有自動追蹤功能的系統(tǒng)可以在引起傳輸中斷前補償運動。在確定自動追蹤需求時，距離和傳輸速度是兩個主要考慮因素。短的(小于200米)環(huán)境穩(wěn)定的10 Mb/s鏈路要比安裝在40層大樓上的500米1.25 Gb/s鏈路更可靠。寬波束有效擴大了目標(biāo)接收面積，問題在于，波束越寬，越容易發(fā)生衰減，也就越容易受到天氣影響。

視線障礙也會降低性能，但經(jīng)過正確培訓(xùn)的安裝人員會考慮當(dāng)前和未來的永久障礙物，以最大限度地降低傳輸中斷的可能。臨時障礙物，如小鳥，一般不會導(dǎo)致傳輸中斷。如果小鳥飛過激光路徑，那么接收的光的數(shù)量會下降，但仍足可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。如果大型物體完全擋住波束，那么數(shù)據(jù)會瞬時中斷。如果網(wǎng)絡(luò)正在使用TCP/IP，那么通過重傳數(shù)據(jù)可以解決這個問題。

安全

所有無線系統(tǒng)都特別關(guān)注安全。因為RF系統(tǒng)向所有方向放射信號，因此很容易被攔截。所以通常會采用編碼和硬件措施，來改善RF網(wǎng)絡(luò)的安全性能。FSO的單向光波使得很難攔截信號。通過FSO捕獲數(shù)據(jù)廣播需要接入或中斷沒有檢測到的光束。由于FSO系統(tǒng)一般安裝在屋頂上或電梯窗戶中，因此攔截者必須克服這種物理障礙，才能在不中斷傳輸?shù)那闆r捕捉光束。此外，許多制造商采用小型設(shè)計，其與安全攝像機非常象，可以威懾潛在的入侵者。

經(jīng)濟

FSO在其支持的距離范圍內(nèi)是一個經(jīng)濟的選擇。事實上，在同一應(yīng)用中，F(xiàn)SO系統(tǒng)的成本可能要比敷設(shè)傳統(tǒng)光纜節(jié)約80%，而且可以在幾天內(nèi)就投入運行。挖電纜溝不僅成本高，而且可能會導(dǎo)致其它問題，如交通擁堵，破壞自然區(qū)域和歷史名勝。由于這些問題，許多美國城市正在考慮推遲光纖電纜溝的挖掘工作。FSO鏈路還可以作為商業(yè)資產(chǎn)，比從電話公司租賃線路便宜，吸引力更高。與有線方案和租賃線路方案不同，F(xiàn)SO系統(tǒng)是可以根據(jù)用戶要求部署及再部署的硬件設(shè)備。

各個因素評估：FSO與RF比較

鑒于FSO在各種因素中的表現(xiàn)，我們有必要在每種應(yīng)用中比較基于RF的無線系統(tǒng)。表1評估了每種系統(tǒng)的優(yōu)點。
表1

FSO已經(jīng)投入使用

許多需要在大樓之間迅速部署可靠、經(jīng)濟、安全寬帶鏈路的不同機構(gòu)和公司已經(jīng)采用FSO。兩個最新實例演示了FSO無線網(wǎng)絡(luò)在涉及歷史古跡時所有擁有的獨特優(yōu)勢。在其中一個實例中，客戶不能使用手提鉆在人行道上打孔，來建立千兆位以太網(wǎng)連接，以便把局域網(wǎng)擴展到最近修復(fù)的受到保護的歷史名勝中。在鏈路安裝之后不久，該地區(qū)遭遇了大暴雨，在不到兩個小時內(nèi)，這個城市中的降雨量接近6英寸。盡管雨水成災(zāi)，但FSO系統(tǒng)仍能不間斷工作，在大樓之間提供了一條可靠的鏈路。

在另一個實例中，由于不能敷設(shè)硬件布線，把攝像機連接到安全網(wǎng)絡(luò)上，客戶不能實施部署監(jiān)控攝像機的安全方案。障礙物是一處受到保護的歷史名勝。高度安全的FSO鏈路為這一應(yīng)用提供了很好的選擇。

物理障礙物的影響，如高速公路、鐵路、甚至工業(yè)園區(qū)中的其它建筑物，都是促使采用無線系統(tǒng)的主要因素。一家高科技制造商需要在被一條四車道高速公路隔開的大樓之間建立一條寬帶鏈路，它最終采用了FSO系統(tǒng)。但是，F(xiàn)SO并不只是適用于高科技公司。一家紙制品公司也采用了FSO，因為混凝土、其它結(jié)構(gòu)及工廠周圍非常熱的RF環(huán)境導(dǎo)致了許多障礙。

如前所述，F(xiàn)SO采用視線技術(shù)，因此幾乎不可能攔截或盜取其傳送的數(shù)據(jù)。一家大型金融公司最近發(fā)現(xiàn)硬件有線連接的連接被切換，而不得不采用FSO鏈路實現(xiàn)災(zāi)難恢復(fù)。對這家公司來說，安全是其關(guān)鍵考慮因素。他們現(xiàn)在正擴大FSO的使用范圍，作為網(wǎng)絡(luò)冗余的主要備份手段。風(fēng)險管理對主要醫(yī)院和醫(yī)療中心至關(guān)重要，他們必須遵守聯(lián)邦法律，保守患者記錄的秘密。正因如此，一家醫(yī)療機構(gòu)安裝了FSO，在醫(yī)療中心和相距大約0.25英里以外的大樓租用辦公室之間建立一條安全網(wǎng)絡(luò)鏈路。除安全外，這一鏈路還必須迅速建立，同時還要跨過附近的一條公路。FSO滿足了所有這些需求，其高帶寬功能可以輕松地在大樓之間傳輸大型醫(yī)療成像文件。

必需認(rèn)識到，并沒有最優(yōu)秀的技術(shù)可以滿足所有方案，每種連接方案都有自己的優(yōu)勢。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員考慮本地區(qū)常見天氣問題的影響、無線鏈路距離、用戶帶寬要求及潛在的補充備份系統(tǒng)時，可以實現(xiàn)高度有效的FSO無線網(wǎng)絡(luò)。由于能夠迅速部署無需執(zhí)照的安全、高帶寬、獨立于協(xié)議的無線系統(tǒng)，F(xiàn)SO很快將被市場廣泛接受。

MOLEX CANOBEAM自由空間光通信系統(tǒng)

Molex現(xiàn)在提供Canon生產(chǎn)的、具有實時波束自動追蹤功能的Canobeam自由空間光通信(FSO)點到點無線系統(tǒng)。Molex與Canon的獨家代工合作關(guān)系，使Molex能夠作為結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的自然延伸，提供自由空間光通信系統(tǒng)。

Canobeam可以橋接最遠(yuǎn)2公里(1.24英里)的距離，支持從25 Mb/s (兆位/秒)到1.25 Gb/s (千兆位/秒)的各種數(shù)據(jù)速率。

Canon的Canobeam系列FSO傳輸系統(tǒng)為最后一英里寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接提供了優(yōu)異的選擇。Canobeam頂級型號MFSO-130在100米到1,000米(約2/3英里)距離內(nèi)提供了1.25 Gb/s的數(shù)據(jù)速率。Canobeam的MFSO-100系列包括MFSO-110，在20米到500米距離內(nèi)提供了25 Mb/s - 156 Mb/s的各種數(shù)據(jù)速率。Canobeam MFSO-120提供的數(shù)據(jù)速率與MFSO-110相同，但支持的距離為100米到2公里。

Canobeam還擁有自動追蹤功能，MFSO-100系列所有三種型號都標(biāo)配這一功能。這一功能自動調(diào)節(jié)FSO光束，“立即”補償大風(fēng)、溫度變化、大樓內(nèi)部的HVAC系統(tǒng)或其它因素可能導(dǎo)致的振動。通過內(nèi)置自動追蹤功能，Canobeam的光束軸連續(xù)自動校正，一直在Canobeam系統(tǒng)的雙向收發(fā)站之間精確、連續(xù)、可靠地傳輸數(shù)據(jù)。Canon是唯一提供標(biāo)配自動追蹤功能的制造商，其價位與沒有標(biāo)配追蹤功能的系統(tǒng)相比極具競爭力。

如果要求超過2公里的寬帶連接，或如果沒有清楚的視線，可以成對連接Canobeam設(shè)備，轉(zhuǎn)發(fā)信號。Canobeam MFSO-130的3R功能(再整形、再定時和再生)可以在不降低信號強度和質(zhì)量的情況下中繼數(shù)據(jù)信號。

Canobeam MFSO-100系列數(shù)據(jù)收發(fā)機可以安裝在室內(nèi)，只要兩臺設(shè)備位于一條直接視線上，就可以實現(xiàn)窗戶對窗戶或窗戶到屋頂傳輸。所有MFSO-100系列Canobeams都標(biāo)配內(nèi)置Canobeam管理面板。通過這一功能，用戶可以通過SNMP或Telnet(用于監(jiān)測和設(shè)置)監(jiān)測Canobeam收發(fā)機的狀態(tài)。此外，可以通過FTP(用來傳輸日志數(shù)據(jù))把診斷日志存儲在PC中。