光通訊的最后一公里路

作者：阿坎波拉 江坤山譯 ∣來(lái)源：科學(xué)人雜志

想象有一座城市，里頭的供水系統(tǒng)因?yàn)楣芫�不夠長(zhǎng)，所以無(wú)法供水給建筑物和住宅。目前美國(guó)的高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，就面臨類似的情況。為了將真正高效能的多媒體服務(wù)傳送到全國(guó)的辦公室和家庭計(jì)算機(jī)，美國(guó)花了數(shù)十億美元建造光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，但后來(lái)卻發(fā)現(xiàn)好像不夠長(zhǎng)。在員工超過(guò)100人的美國(guó)企業(yè)當(dāng)中，十家有九家覺(jué)得光纖骨干有點(diǎn)短，差了不到“一公里路”的距離。盡管用戶的需求遽增，種種愿景卻仍然不見(jiàn)天日，像是不會(huì)延遲的網(wǎng)絡(luò)瀏覽和數(shù)據(jù)庫(kù)存取、電子商務(wù)、影音串流、視頻點(diǎn)播、視頻會(huì)議、實(shí)時(shí)醫(yī)療影像傳輸、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)和分工能力，還有很多的企業(yè)對(duì)企業(yè)（B2B）交易；事實(shí)上，這些愿景都還埋藏在當(dāng)?shù)氐慕值篮腿诵械乐�下�?/P>

先進(jìn)的帶寬密集服務(wù)與應(yīng)用的傳輸速度，必須高達(dá)每秒10億位（1Gb），平常用來(lái)連接建筑物里的電話與有線電視系統(tǒng)的傳統(tǒng)銅線以及同軸電纜，并不足以應(yīng)付這個(gè)需求；但是，要透過(guò)光纖橋接器來(lái)把數(shù)百萬(wàn)個(gè)用戶連接到光纖骨干，安裝的成本又太高了（大概每公里要花上 6~30萬(wàn)美元）。因此，今天美國(guó)人使用到的全國(guó)網(wǎng)絡(luò)，只有2~5%。

雖然各種免用光纖的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，都試著要跨越這道寬帶連接的鴻溝，包括微波無(wú)線電、數(shù)字用戶線和纜線調(diào)制解調(diào)器，不過(guò)很多專家認(rèn)為，無(wú)線光通訊（free-space optics, FSO）最具有成功相。無(wú)線光通訊基本上就是不用光纖的光通訊，發(fā)明于1970年代，近幾年來(lái)又重返江湖，賴以運(yùn)作的低功率紅外線激光收發(fā)機(jī)，能以每秒10億位的高速率雙向傳送數(shù)據(jù)。目前全世界已有幾家廠商開(kāi)始提供小型的無(wú)線光通訊系統(tǒng)。

低功率紅外線激光是在毋需執(zhí)照的電磁頻帶運(yùn)作，而且不會(huì)對(duì)眼睛造成傷害，或者說(shuō)，可以設(shè)計(jì)成對(duì)眼睛不具傷害性。然而，限制激光的功率同時(shí)也限制了它的運(yùn)作距離。視天氣情況的不同，無(wú)線光通訊連接的距離可從幾條街到一公里不等；不過(guò)這已經(jīng)夠遠(yuǎn)了，可以讓寬帶信息從骨干傳輸?shù)胶芏嘟K端用戶，或者是進(jìn)行反方向傳輸。因?yàn)閴奶鞖猓ㄖ饕�是濃霧）會(huì)大幅縮短這些“視線”設(shè)備的傳輸距離，因此每個(gè)光收發(fā)節(jié)點(diǎn)（或稱連接端）的設(shè)立地點(diǎn)，必須可以和網(wǎng)絡(luò)配置里的多個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溝通。這種“網(wǎng)狀拓樸”能確保大量數(shù)據(jù)可以從中央傳播中心，可靠地分段傳送到整個(gè)城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)或地區(qū)。

商業(yè)化的無(wú)線光通訊設(shè)備，比起數(shù)字用戶線或是同軸電纜，能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，大約每秒10Mb~1.25Gb，對(duì)大部分的高速寬帶服務(wù)與應(yīng)用來(lái)說(shuō)，已經(jīng)綽綽有余。除此之外，市面上已出現(xiàn)更先進(jìn)的激光二極管，開(kāi)關(guān)的速度更快，能以更高的速率傳輸信息——每秒高達(dá)9.6Gb。這種設(shè)備還未運(yùn)用在無(wú)線光通訊上，一旦采用，這類系統(tǒng)所產(chǎn)生的光脈沖將僅僅100微微秒（百億分之一秒）。

無(wú)線光通訊系統(tǒng)的費(fèi)用是傳統(tǒng)地下光纖設(shè)施的1/10~1/3。除此之外，傳統(tǒng)纜線的埋設(shè)得花上6~12個(gè)月不等的時(shí)間，但是無(wú)線光通訊連接只需要幾天的架設(shè)時(shí)間就可運(yùn)作。也難怪，已經(jīng)有10幾家公司在發(fā)展無(wú)線光通訊的技術(shù)了。根據(jù)美國(guó)華府的電信研究公司“策略集團(tuán)”所做的一項(xiàng)研究，如果事情真的如擁護(hù)者所預(yù)測(cè)的那般順利，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將會(huì)從2000年的1億2000萬(wàn)美元左右，成長(zhǎng)到2006年的超過(guò)20億美元。

跨越最后一公里

無(wú)線光通訊使用的設(shè)備和技術(shù)原本就是為了光纖線纜系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，而光纖纜纜系統(tǒng)正是無(wú)線光通訊想要補(bǔ)強(qiáng)的技術(shù)。無(wú)線光通訊是將數(shù)字信息以電子信號(hào)的形式（也就是二進(jìn)制計(jì)算機(jī)碼里的1和0），透過(guò)裝設(shè)在屋頂或窗戶的紅外線激光二極管發(fā)送機(jī)，將每個(gè)邏輯上的1轉(zhuǎn)換成光能量的窄脈沖，然后傳送出去。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，沒(méi)有發(fā)送這樣的不可見(jiàn)脈沖則代表邏輯上的0。將信息調(diào)制成數(shù)字光信號(hào)的過(guò)程，就是所謂的「開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)送」（on/off signaling），或稱為「鍵控」（keying）。傳輸效率的加強(qiáng)則是靠數(shù)據(jù)封包化，也就是將信息量分成獨(dú)立的封包，在個(gè)別編址之后進(jìn)行傳送。除此之外，無(wú)線光通訊可支持「波長(zhǎng)分割多任務(wù)處理」（WDM），這種技術(shù)能讓單一個(gè)光路徑傳送數(shù)十個(gè)不同的信號(hào)頻道，只要每個(gè)頻道都以稍微不同的波長(zhǎng)進(jìn)行編碼。

由850或1550nm的激光二極管所發(fā)射出來(lái)的光脈沖，經(jīng)由鏡頭聚焦之后，以平行光束傳送出去，就像手電筒產(chǎn)生的光束一樣。盡管透過(guò)鏡頭聚焦，光束的功率仍會(huì)因距離而散失。當(dāng)一部分發(fā)射出來(lái)的光到達(dá)接收機(jī)（位在屋頂或窗戶上）的孔徑鏡頭時(shí)，光束會(huì)被聚焦到光傳感器上，光傳感器再將光脈沖轉(zhuǎn)成微弱的電信號(hào)。高感度的電子接收器接著將這些微弱的信號(hào)放大與再生，整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸連接就完成了。

剛發(fā)射的紅外線光束雖然很集中，但之后卻會(huì)發(fā)散，等抵達(dá)接收連接端時(shí)，就會(huì)像圓錐一樣具有相當(dāng)大的底部。光束發(fā)散的程度由發(fā)射鏡頭的大小來(lái)決定，與鏡頭直徑成反比。由于光束會(huì)發(fā)散，實(shí)際抵達(dá)接收鏡頭的總能量會(huì)因?yàn)榫嚯x而快速衰減（接收到的能量與距離的平方成反比）。如果已經(jīng)知道數(shù)據(jù)的傳輸速率、發(fā)射的光功率、光接收器的靈敏度，以及接收鏡頭的大小，那么根據(jù)光束的發(fā)散度就能決定光連接能夠運(yùn)作的最遠(yuǎn)距離。

為了增加連接的距離，必須使用更大直徑的發(fā)射鏡頭，才能降低光束的發(fā)散，讓更高的光功率抵達(dá)接收鏡頭。光束變窄了，然而，接收端的位置卻會(huì)因?yàn)榻ㄖ�物搖擺與建材熱脹冷縮而發(fā)生細(xì)微的改變，因此有必要在發(fā)射與接收兩端加裝自動(dòng)同步調(diào)校功能。這項(xiàng)需求同時(shí)增加了復(fù)雜度與費(fèi)用。自動(dòng)同步調(diào)校系統(tǒng)使用移動(dòng)式的機(jī)械平臺(tái)或是反射鏡，好讓筆直的光束指向接收鏡頭，并讓接收孔徑指向發(fā)射機(jī)。反饋控制提供定期調(diào)校，讓發(fā)送機(jī)和接收機(jī)都能對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

迷失在霧中
無(wú)線光通訊系統(tǒng)容易受到霧的影響，因此拖慢了商業(yè)化的腳步。霧（以及影響程度較輕的雨和雪）相當(dāng)程度限制了無(wú)線光通訊連接的最大范圍，因?yàn)榈诌_(dá)接收端的光功率會(huì)因?yàn)殪F而大量流失。這個(gè)光衰減因子和距離成指數(shù)遞減。舉例來(lái)說(shuō)，在普通濃霧的情況下，光信號(hào)每50公尺會(huì)損失90%的能量。這代表100公尺的距離會(huì)耗盡99%的能量，而在150公尺則會(huì)有99.9%的能量消失于無(wú)形。因此，為了達(dá)到實(shí)用目的，無(wú)線光通訊連接在設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)定一些“連接余�！�，也就是多余的光功率，以便必要時(shí)可用來(lái)克服多霧的情況。

有了固定的連接余裕，這時(shí)談另一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)才有意義，那就是“連接有效性”�？鄣粢�?yàn)殪F或其它物理干擾而連接無(wú)效的時(shí)間不計(jì)，把正常運(yùn)作時(shí)間除以所有運(yùn)作時(shí)間，得到的數(shù)值即為連接有效性。連接有效性的目標(biāo)隨應(yīng)用而定。如果無(wú)線光通訊技術(shù)是運(yùn)用在私人企業(yè)網(wǎng)絡(luò)（像是連接同公司在不同建筑物的兩間辦公室），99.9%的正常運(yùn)作時(shí)間是可接受的。這個(gè)值相當(dāng)于一年中約九小時(shí)的停工時(shí)間。

相較之下，公共電信等級(jí)的服務(wù)是提供給電信運(yùn)營(yíng)商的主要商業(yè)用戶，這就需要99.999%的連接有效性（就是電信業(yè)界里所謂「五個(gè)9」水平），相當(dāng)于一年只允許五分鐘的停工。光纖通訊系統(tǒng)通常都能夠以「五個(gè)9」的服務(wù)水平運(yùn)作。值得注意的是，無(wú)線光通訊的主要潛在應(yīng)用，也就是“蜂巢式回程傳輸”，所要求的運(yùn)作有效性大約在99.99%左右。所謂的蜂巢式回程傳輸是一種傳輸系統(tǒng)，能將蜂巢式無(wú)線電基站和移動(dòng)交換機(jī)連接起來(lái)，而移動(dòng)交換機(jī)則會(huì)連接到公共交換電信網(wǎng)絡(luò)。

要達(dá)到這樣高水平的表現(xiàn)，對(duì)無(wú)線光通訊來(lái)說(shuō)是項(xiàng)挑戰(zhàn)。霧愈濃，衰減愈厲害，有效性愈差，可允許的距離愈短。在濃霧不常發(fā)生的地區(qū)，系統(tǒng)可以有良好的連接有效性，距離可達(dá)到最大的允許范圍，大約是一公里。不過(guò)，在不佳的氣候下，距離將會(huì)近得多。

要解決這個(gè)距離與可靠度的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)無(wú)線光通訊系統(tǒng)時(shí)，可讓其有限的連接距離，成為相互連接的光網(wǎng)狀拓樸的一部分。這種蜘蛛網(wǎng)似的安排，能將寬帶服務(wù)延伸到離光纖骨干太遠(yuǎn)、單靠一個(gè)無(wú)線光通訊連接無(wú)法到達(dá)的許多建筑物。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)里，位置最靠近光纖末端的建筑物，裝設(shè)有無(wú)線光通訊的“根”節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)連接到光纖，并擁有數(shù)部光收發(fā)機(jī)。其它參與服務(wù)的建筑物也會(huì)裝設(shè)配有多部收發(fā)機(jī)的無(wú)線光通訊節(jié)點(diǎn)。這些收發(fā)機(jī)能讓節(jié)點(diǎn)在相互連接的網(wǎng)狀配置里，和鄰近的節(jié)點(diǎn)相互溝通。

要傳送給特定建筑物的信號(hào)，會(huì)從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，沿著一組特定的網(wǎng)狀連接傳送，中間的節(jié)點(diǎn)則作為沿路再生信號(hào)的中繼器。從特定建筑物傳送出來(lái)的信號(hào)，也會(huì)以同樣方式沿著另一條路徑傳送到根節(jié)點(diǎn)。這樣一來(lái)，每個(gè)光連接的長(zhǎng)度就能有效縮短，以免受到霧的影響。如果某個(gè)連接失效了，系統(tǒng)會(huì)利用多余的線路將信號(hào)導(dǎo)向另一路徑，迅速克服設(shè)備的失效而恢復(fù)運(yùn)作。最后，每個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以向外連接到多個(gè)根節(jié)點(diǎn)，為參與服務(wù)的建筑物提供更高的總?cè)萘俊?/P>

每個(gè)網(wǎng)狀系統(tǒng)里的再生中繼站，除了需要一些光收發(fā)機(jī)，還要有電子交換機(jī)，以結(jié)合來(lái)自所在建筑物和其它附近建筑物的信號(hào)流量（多任務(wù)），然后為信號(hào)排定傳送路徑，以便在根節(jié)點(diǎn)和每棟參與服務(wù)的建筑物之間傳送信號(hào)。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還必須具備多任務(wù)、解多任務(wù)（de-multiplexing）及交換功能，也就是說(shuō)，來(lái)自使用者各式各樣計(jì)算機(jī)與通訊設(shè)備的所有信號(hào)，都必須轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式。信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換則靠所謂的“網(wǎng)絡(luò)終端組件”來(lái)完成。雖然數(shù)據(jù)是沿著不同路徑上的許多節(jié)點(diǎn)傳送，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)卻好像每個(gè)信號(hào)都是透過(guò)專用的傳輸線路傳送到光纖骨干。這樣一來(lái)，我們就可以在廣大區(qū)域里提供光纖質(zhì)量的帶寬，要安裝新節(jié)點(diǎn)讓建筑物可以上網(wǎng)，也會(huì)變得更快、更容易。

網(wǎng)絡(luò)管理軟件會(huì)為每棟建筑物所發(fā)射的每個(gè)信號(hào)選定路徑，以便信號(hào)經(jīng)由網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)而抵達(dá)系統(tǒng)的某個(gè)根節(jié)點(diǎn)。軟件可以感測(cè)出無(wú)效的節(jié)點(diǎn)，并立刻引導(dǎo)受影響的信號(hào)避開(kāi)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者只要在每個(gè)光連接上保留一些備用的容量，就可確保在發(fā)生單個(gè)或多個(gè)連接錯(cuò)誤時(shí)，有足夠容量可以重新安排路線，讓系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)作。

無(wú)線光通訊的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波無(wú)線電。微波無(wú)線電同樣想打通這“最后一公里”的傳輸瓶頸，它不會(huì)因?yàn)殪F的影響而導(dǎo)致信號(hào)衰減，但是它也有缺點(diǎn)。大多數(shù)微波無(wú)線電頻帶的運(yùn)作都需要執(zhí)照，而且大多數(shù)頻帶里的可用頻譜有限，也就是說(shuō)，容量會(huì)受到限制。同時(shí)，微波無(wú)線電比無(wú)線光通訊系統(tǒng)來(lái)得昂貴，也容易受到傳輸干擾的影響。此外，微波無(wú)線電信號(hào)在大雨中容易產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減，特別是頻率較高時(shí)，但較高的頻率卻有較多的可用頻譜。

然而，微波無(wú)線電如果能夠在60GHz的頻率運(yùn)作，將可補(bǔ)強(qiáng)無(wú)線光通訊的不足。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)已經(jīng)把60GHz中一些毋需執(zhí)照的頻譜，提供給高速應(yīng)用使用了。撥出更多60GHz的頻譜，表示可取得更大的容量，也可使用頻譜效率較低（因此成本也較低）的調(diào)制架構(gòu)，像是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信號(hào)傳送。因?yàn)榇笥辏�可能�?dǎo)致無(wú)線電連接失效）以及濃霧（可能導(dǎo)致無(wú)線光通訊連接失效）不會(huì)同時(shí)發(fā)生，若能結(jié)合60GHz無(wú)線電和無(wú)線光通訊，將可望一舉提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。兩項(xiàng)技術(shù)的連接，意謂著系統(tǒng)將會(huì)更可靠，同時(shí)具有更遠(yuǎn)的傳輸距離。

雖然無(wú)線光通訊要解決剩下的問(wèn)題，還有一段路要走，但是要跨越這最后的一公里，并帶來(lái)期盼已久的寬帶革命，它仍然是最被看好的一項(xiàng)技術(shù)。

延伸閱讀

無(wú)線光通訊的應(yīng)用
■連接最后一公里：提供高速的數(shù)據(jù)鏈路，商業(yè)和消費(fèi)者的終端用戶將能連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供貨商，以及其它都會(huì)區(qū)域和廣域的光纖網(wǎng)絡(luò)。
■蜂巢式回程傳輸：來(lái)自當(dāng)?shù)靥炀�塔的行動(dòng)電話流量將可傳回到電信業(yè)者，再透過(guò)線路傳至公共交換電信網(wǎng)絡(luò)。
■企業(yè)連接：屬于同一企業(yè)但位在不同建筑物的局域網(wǎng)絡(luò)，將因無(wú)線光通訊而能夠輕易地相互連接。
■支持光纖：以較低的成本提供支持光纖的多余連接，如此一來(lái)，便毋需埋設(shè)第二條光纖纜線。
■加速服務(wù)：在消費(fèi)者等待光纖基礎(chǔ)設(shè)施鋪設(shè)時(shí)，可提供暫時(shí)的高速服務(wù)。也可作為緊急通訊用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

無(wú)線光通訊開(kāi)發(fā)商
■AirFiber (San Diego, USA) www.airfiber.com
■Cablefree Solutions (Middlesex, England) www.cablefreesolutions.com/index.htm
■Canon USA (Lake Success, N.Y. , USA)
　　www.usa.canon.com/html/industrial_canobeam/canobeam.html
■fSONA Communications (Richmond, B. C. , Canada) www.fsona.com"target
■LightPointe (San Diego, USA) www.lightpointe.com
■Optical Access (San Diego, USA) www.opticalaccess.com
■Optical Crossing (Pasadena, Calif. , USA) www.opticalcrossing.com
■PAV Data (Warrington, England) www.pavdata.com
■Plaintree Systems (Ottawa, Ontario, Canada) www.plaintree.com
■Terabeam (Kirkland, Wash. , USA) www.terabeam.com

1.UniNet: A Hybrid Approach for Universal Broadband Access Using Small Radio Cells Interconnected by Free-Space Optical Links. A. Acampora, S. Krishnamurthy and S. H. Bloom in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 16, No. 6, pages 973~988; August 1998.

2.A Broadband Wireless Access Network Based on Mesh-Connected Free-Space Optical Links. Anthony Acampora and Srikanth V. Krishnamurthy in IEEE Personal Communications (now called IEEE Wireless Communications), Vol. 6, No. 5; Ocotber 1999.