自由空間光通信技術(shù)及發(fā)展

來源：中國(guó)電信 作者：黃斌 山西無線電監(jiān)測(cè)站

   一、“最后一公里”的新方案

   隨著通信網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，局域網(wǎng)以及千兆以太網(wǎng)開始快速增長(zhǎng)，將這些高速的局域網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)連接到運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨 大的接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供選擇，比如光纖、微波、XDSL等，但光纖敷設(shè)時(shí)間長(zhǎng)及高額投入限制了普及；微波技術(shù)日漸成熟，但這種接入方式需要 高額的初始投資（頻譜許可證），對(duì)業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入方式不很經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒質(zhì)，但XDSL帶寬太低；而自由空間光通信FSO （Free Space optical communication），作為一種新興的寬帶無線接入方式浮出水面，是解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的傳輸瓶頸的有效途徑，PSO的出現(xiàn)引起了業(yè)界廣 泛地關(guān)注。

   二、淺識(shí)FSO

   FSO技術(shù)基于傳輸方式，具有高帶寬、部署迅速、費(fèi)用合理等優(yōu)勢(shì)。FSO技術(shù)以激光為載體，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)連接。雖然FSO通信不需要光纖而是以空氣為介質(zhì)，但由于其設(shè)備以發(fā)光二極管或激光二極管為光源，因此又有“無線光纖”之稱。

   最初，F(xiàn)SO通信設(shè)備是無線設(shè)備生產(chǎn)商，為寬帶服務(wù)運(yùn)營(yíng)商開發(fā)的一種在不易進(jìn)行光纖布線的地段代替光纖設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接方案。以前只用于國(guó)防和實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，至今已�?0多年歷史。FSO技術(shù)具有與光纖技術(shù)相同的帶寬傳輸能力，使用相似的光學(xué)發(fā)射器和接收器， 甚至還可以在自由空間實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用（WDM）技術(shù)。目前FSO技術(shù)已開始走向民用，它即可以提供短距離的網(wǎng)橋解決方案，也可以在服務(wù)商的全光網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。

   FSO是一種新型無線寬帶接入方式，是繼激光器件發(fā)明之后，開始在工程上應(yīng)用的，它是光纖通信與無線通信相結(jié)合的產(chǎn)物。FSO不是用 光纖作為傳輸媒介，而是以大氣為媒質(zhì)，通過激光或光脈沖在太赫茲（THE）光譜范圍內(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，其傳送終端在原理上與光纖傳送終端十分相 似，但由于用在接入系統(tǒng)，因而組成更為簡(jiǎn)單。

   一個(gè)光的無線傳輸系統(tǒng)，所用的基本技術(shù)，也就是光電的轉(zhuǎn)換。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，具有全雙工 （雙向）的通信能力。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的控制，并通過作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)經(jīng)過空間送到接收端的望遠(yuǎn)鏡，高靈敏度的光接收機(jī)將望遠(yuǎn)鏡收 到的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)的透過率有較大差別，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0.85微米或1.5 微米的紅外波段，但是，發(fā)送端和接收端之間，互相必須是可視線的，兩終端之間不能有阻擋。

   FSO網(wǎng)絡(luò)主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)（星形）和網(wǎng)狀，也可以把它們組合起來使用。FSO技術(shù)相對(duì)是簡(jiǎn)單的，相連的二個(gè)FSO單位均由一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)接收器組成，以提供全雙工能力。

   FSO產(chǎn)品可以傳輸數(shù)據(jù)、語音和影像等內(nèi)容。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品最高支持2.5bit/s的傳輸速率，最大傳輸距離為4千米。不過FSO技術(shù)在理論上沒有帶寬上限，目前，國(guó)外160Gbit/s的設(shè)備正在研制當(dāng)中。

   三、FSO在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用

   隨著器件的成熟，特別是光無線通信大規(guī)模應(yīng)用后，器件價(jià)格進(jìn)一步下降，寬帶的光無線接入成為新的應(yīng)用方向。2001年2月由美國(guó)的一 些光無線設(shè)備制造商聯(lián)合電信運(yùn)營(yíng)商，成立了空間光通信聯(lián)盟（FSO Alliance）。該組織的宗旨是推動(dòng)光無線技術(shù)的應(yīng)用，特別是對(duì)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(huì) 議，對(duì)促進(jìn)FSO系統(tǒng)的大規(guī)模推廣起到了積極的應(yīng)用�，F(xiàn)在，一些大型的電信設(shè)備公司對(duì)FSO系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，如美國(guó)的QWEST，英國(guó)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PSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)。在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上， Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備向客戶提供100Mbit/s的數(shù)據(jù)連接。該公司述計(jì)劃四年內(nèi)在全美建設(shè)100個(gè)FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而 Airriber公司則在美國(guó)波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖SONET網(wǎng)通過光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

   在國(guó)內(nèi)，清華同方研究發(fā)展中心一直致力于“Last Mile”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，推出了自由空間光通訊產(chǎn)品TFOW100-1，完成了1000米點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊 樣機(jī)的檢測(cè)，TFOW100-1能提供100Mbit/s的帶寬。同國(guó)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(jià)格只有國(guó)外同類產(chǎn)品 的幾分之一。中國(guó)寬帶服務(wù)供應(yīng)商長(zhǎng)城寬帶網(wǎng)絡(luò)公司（GWBN）宣布將選用Terabeam的向自由空域光通訊產(chǎn)品FSO來拓展其在中國(guó)的15個(gè)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(dá)或者敷設(shè)起來成本昂貴的地 方。

   咨詢公司對(duì)光無線產(chǎn)品全球市場(chǎng)值的預(yù)測(cè)，表明FSO系統(tǒng)今后幾年內(nèi)會(huì)有較大的發(fā)展，其中美林公司宣稱FSO去年的產(chǎn)值約1億美元， 2005年將增長(zhǎng)到20億美元，自由空間光通信技術(shù)吸引了電信業(yè)幾家巨頭的巨額投資，Lightpointe公司獲得了5150萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，其中有 3300萬美元來自coring Inc和risco snstems。Airriber公司則贏得9250萬美元的投資，其中nortel、networks投資了5000萬美元，Terabeam公司則籌 集到5.86億美元的巨資，其中Lucent Technologies就投資了4.5億美元。

   四、FSO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

   1.無需頻譜許可證

   無線光通訊因設(shè)備間沒有信號(hào)的相互干擾。FSO與大多數(shù)低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受限 制，可以免費(fèi)使用，故無需像無線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請(qǐng)頻率許可證。唯一的要求設(shè)備功率不能超過國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)規(guī)定的功率上限 （IEC60825-I標(biāo)準(zhǔn)）。

   2.帶寬高

   自由空間光通信和光纖通信一樣，具有頻帶高的優(yōu)勢(shì)。FSO支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公 里之間。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO同樣能支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速率，但傳輸距離為1-2公里，如果采用格形的組網(wǎng)方式， 則可支持622 Mbit/s的傳輸速率，傳輸距離為200-400米。

   3.協(xié)議透明

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

   4.成本低廉

   由于以大氣為傳輸媒質(zhì)，免去了昂貴的光纖敷設(shè)和維護(hù)工作，有資料表明，F(xiàn)SO系統(tǒng)的造價(jià)僅為光纖系統(tǒng)造價(jià)的五分之一左右。

   5.快速鏈路部署

   因?yàn)椴恍枰�埋設(shè)光纖和等待各種手續(xù)上的問題，F(xiàn)SO可以在幾天內(nèi)完成連接。FSO的無線接收器大小如同一部保安攝像機(jī)，可以輕而易舉地安裝在屋頂，屋內(nèi)甚至窗外。

   6.安全保密性能強(qiáng)

   FSO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(cè)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(qiáng)。

   7.全天候工作

   FSO全天候工作的可靠率達(dá)99.999％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)際規(guī)定的通信系統(tǒng)年可靠率95％。

   8.便攜性

   由于發(fā)射機(jī)和接收端設(shè)備小巧輕便，便于攜帶。當(dāng)公司或臨時(shí)駐軍時(shí)，無需重新安裝光纖從而節(jié)約成本。

   五、FSO存在的主要問題

   自由空間光通信系統(tǒng)（FSO）是一種新型的無線寬帶接入方式，它是在空氣中用激光或光脈沖在THz光譜范圍內(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)的通信系 統(tǒng)，激光的定向性雖然很好，但波束還是隨傳輸距離的增加而慢慢變寬，超過一定距離后就難以被正確接收。目前測(cè)試表明，F(xiàn)SO系統(tǒng)在1公里以下才能獲得最佳 的效率和質(zhì)量。另外，由于波束的傳輸不能受到阻擋，飛鳥也會(huì)對(duì)FS0產(chǎn)生影響。

   另一個(gè)主要問題是FSO的傳輸質(zhì)量對(duì)天氣非常敏感。因?yàn)榧す夤獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)與雨雪或霧氣的水微粒的直徑差不多，光波易被水氣吸收，

　 　因此晴天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測(cè)試FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天5-15dB/Km，雨天20- 50dB/Km，雪天為50-150dB/Km，霧天為50-300 dB/Km。國(guó)外為解決這個(gè)問題，一般會(huì)采用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。

   影響FSO性能指標(biāo)的另外兩個(gè)因素是大風(fēng)和地震。風(fēng)力和大氣溫度的梯度變化會(huì)產(chǎn)生氣穴，氣穴密度的變化將帶來光折射率的變化，這會(huì) 造成光束強(qiáng)度的瞬時(shí)突變，即所謂的“閃光”，嚴(yán)重影響FSO的通信傳輸質(zhì)量。同時(shí)，由于FSO系統(tǒng)的收發(fā)設(shè)備一般都安裝在高樓之上，因此，大風(fēng)引起的建筑 物的晃動(dòng)或地震也會(huì)造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“動(dòng)態(tài)跟蹤法”兩種手段可以解決這一問題。

   激光的安全問題也會(huì)影響其使用，超過一定功率電平的激光有可能對(duì)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。

   六、結(jié)束語

   光無線接入作為一種寬帶技術(shù)，主要的特點(diǎn)是能以較靈活的無線方式，在短距離內(nèi)，獲得光纖傳送的能量，無需向主管部門申請(qǐng)頻率和許可 證。在不便于光纜敷設(shè)的環(huán)境或臨時(shí)事件需要時(shí)，可作為一種新的選擇。FSO可以用于城域網(wǎng)的擴(kuò)展，也適用于企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互 聯(lián)。今后，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，要求更高帶寬應(yīng)用的流媒體視頻等業(yè)務(wù)的普及，對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍的要求將更為嚴(yán)格。作為光纖的一種補(bǔ)充方 式，光無線接入將占有更重要的地位。

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