光無線通信系統(tǒng)技術

20世紀90年代后期，全球通信網(wǎng)絡開始大規(guī)模擴容，先是廣域網(wǎng)的不斷擴展，接著是城域網(wǎng)的大量建設。與此同時，用戶內部的局域網(wǎng)快速增長。將這些高速的局域網(wǎng)連接到運營商的通信網(wǎng)絡，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡。光纖雖能解決傳輸速率的問題，但鋪設的昂貴和耗時卻限制了它的發(fā)展。許多無線通信技術也能解決“最后一公里”問題，但存在頻率通道的擁擠以及申請困難和電磁輻射的安全問題，如何提供快速、低價、安全的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題。

光的無線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無線通信結合的產(chǎn)物，光無線通信技術隨著激光器件的工程開發(fā)利用而日趨成熟。它利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體，而不是通過光纖傳送信號。這種技術的接入系統(tǒng)在組成結構上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，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，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于系統(tǒng)具有傳輸速率快、結構簡單、組網(wǎng)靈活等特點，在跨江跨河等不具備有線接入條件和需快速組建通信網(wǎng)絡的場合有很高的使用價值，也受到越來越多電信運營商的關注，應用范圍不斷擴大。已商用的這類系統(tǒng)，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些試驗采用波分復用技術，達到160Gbit /s的速率。盡管受到氣象條件的限制，只能在較短的距離內使用，一般限于2km以下。但在許多場合下，作為一種獨特的方式，光無線接入可以起到很好的作用，成為當前已有幾種寬帶接入方式很好的補充手段。

1 光無線通信網(wǎng)的基本結構和技術

光無線通信是一種視距傳輸技術，其基礎是電-光和光-電的轉換，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、影像和等的傳輸，以大氣作為媒質。實際上激光出現(xiàn)后最先研制的就是光無線通信系統(tǒng)。光無線通信的優(yōu)點是傳輸距離遠、信道容量大、發(fā)射天線小、保密性好以及抗電磁干擾等。除此以外，光無線通信不需要許可執(zhí)照，不需要鋪設電纜，不需要挖溝，不需要租用線路，不需要頻譜規(guī)劃，建設周期短，對環(huán)境沒有影響。寬帶光無線通信的電子頻譜位于極高的光頻段，不存在微波等電磁干擾。光無線通信因為這些優(yōu)點，越來越受到關注。

一個光無線通信系統(tǒng)構成如圖1所示，包括三個部分：發(fā)射機、信道和接收機。光發(fā)射機的光源受到電信號的調制，并通過作為天線的光學望遠鏡，將光信號經(jīng)過空間送到接收端的望遠鏡。高靈敏度的光接收機，將望遠鏡收到的光信號再轉換成電信號，值得注意的是，發(fā)送端和接收端之間，必須是互相視線可見的，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，可以選用透過率較好的波段窗口。光無線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.5μm紅外波段。0.85μm的設備相對便宜，一般應用在傳輸距離不太遠的場合。1.5μm的設備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。 1.5μm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關安全規(guī)定允許1.5μm波長設備的功率可以比0.85μm的設備高2個等級，1.5μm波長的光無線通信具有更廣闊的使用前景。

圖1 光無線通信系統(tǒng)示意

光無線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結構來說?？山M成點對點、星形(點到多點)和格形(網(wǎng)狀網(wǎng))三種結構。點到點結構是最簡單的網(wǎng)絡拓撲，目前已使用的系統(tǒng)多數(shù)采用此結構，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來連接企業(yè)內部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點到點結構的優(yōu)點是獨立的鏈路，網(wǎng)絡規(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。它不適合電信級系統(tǒng)。

星形(點到多點)結構的優(yōu)點是可以把業(yè)務集中到一點(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；其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。為了在視距內連接盡可能多的大樓，集線器的位置非常關鍵。

格形(網(wǎng)狀網(wǎng))結構的主要優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡節(jié)點可以提供幾乎實時的迂回鏈路，使服務得到保護，即具有服務恢復或服務冗余度的特點。網(wǎng)狀網(wǎng)結構還可以把業(yè)務集中到某些特定點：再有效地接入網(wǎng)絡，比較符合電信級的要求。其缺點是傳輸距離短、成本高(每幢大樓有多條鏈路)，網(wǎng)絡規(guī)劃復雜。

2 光無線通信存在的主要問題及解決方案

盡管光無線通信有許多優(yōu)點，但也存在以下幾個問題。

FSO(自由空間光通信) 是一種視距寬帶通信技術，傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導致難以被接收點正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質量，最遠只能達到4km。多種因素影響其達不到99.999%的穩(wěn)定性。為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進的光學器件和多光束來解決。

對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質量的影響最小，而雨、雪和霧的影響較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO 受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5～15dB/km；雨天，20～50dB/km；雪天，50-150dB/km；霧天，50～300dB/km。可見影響最大的是霧天，這是因為霧中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一數(shù)量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉，造成空間、角度和時間上的擴展，如圖2。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?，為光信號的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余量，以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下，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出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標出現(xiàn)的概率，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(比如99.9%)，需要容納多大的大氣損耗。而傳輸距離的計算公式如式(1)所示。

圖2 光子大氣傳播示意

顯而易見，在經(jīng)常出現(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無線系統(tǒng)，可能傳送的距離要比無霧或少霧的地區(qū)短得多。所以，系統(tǒng)的設計一定要考慮地區(qū)的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系統(tǒng)在發(fā)射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標。此外，建筑物結構的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準，實際測量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動可達樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對準和跟蹤是系統(tǒng)的關鍵技術之一。目前在國內外普遍采用擴束法、多束法和動態(tài)跟蹤技術克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束，但擴束法降低了接收端的光斑能量密度，傳輸距離和速度受到影響和限制，于是業(yè)界又提出了多束法，利用多個激光器和發(fā)射鏡同時發(fā)射激光束，每個光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收處就得到一個大而相互重疊的激光光斑。從而提高了接收端的能量密度，也擴大了可接收面積。

隨著通信技術的發(fā)展，對FSO系統(tǒng)的傳輸速率和距離均提出了更高的要求，如果要提高這兩個技術指標，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度，但擴束法和多束法對性能指標的改善有限，于是動態(tài)跟蹤法就應運而生，即利用伺服系統(tǒng)通過反饋裝置獲得光束偏差信息，調整可調微鏡，使光束時刻對準接收器。采用動態(tài)跟蹤技術的FSO系統(tǒng)設備功能結構如圖3所示，一般采用雙反饋方式，外反饋是位置探測器輸出的入射激光束的位置誤差信號，內反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調微鏡的位置信號，入射激光束通過接收光學系統(tǒng)后，聚集到位置探測器上，位置探測器將激光束的位置誤差信號輸出到主處理器。同時可調微鏡位置探測器將探測到的微鏡位置信號送到控制處理器中，控制處理器利用優(yōu)化的跟蹤算法進行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統(tǒng)調整可調微鏡，使接收光學系統(tǒng)始終對準入射激光束。

圖3 動態(tài)跟蹤技術FSO系統(tǒng)設備功能結構

激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響。人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。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傷害，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標準。

3 光無線通信技術的應用

國外已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投入使用也就是最近幾年的事情。FSO設備最初進入中國應該在2000年前后，那時國內從事 FSO研究的主要是一些具有軍方研究項目的研究所。目前，國內FSO的發(fā)展還基本在起步階段，但在發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準要求、熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性等關鍵技術方面已取得明顯進步，光無線通信盡管仍存在不少問題，但其技術優(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的進步抵消。由于技術的進步，在可視距離范圍內，實現(xiàn)全天候“最后一公里”無線光通信已經(jīng)沒有技術障礙。光無線通信系統(tǒng)是一種物美價廉、有廣泛應用前景和巨大市場潛力的通信系統(tǒng)。任何技術要想取得真正的成功，必須經(jīng)受住市場與用戶的考驗。由于光纖成本過高，用戶無法在短期內實現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利，于是，F(xiàn)SO成了他們實現(xiàn)“最后一公里”寬帶接入的替代選擇。需要指出的是，DSL、LMDS和以太網(wǎng)是目前寬帶接入的主流方式，但和FSO相比，它們建設成本要高、建設周期要長，所提供的帶寬更是遠遠不及FSO。FSO的另一個主要應用是作為光纖通信系統(tǒng)的備份，即對光纖通信設施進行冗余備份設計時，選用FSO作為備份鏈路，以節(jié)省投資。FSO還可以用于城域網(wǎng)的擴展，即在現(xiàn)有城域網(wǎng)上向外延伸、連接新的網(wǎng)絡；FSO還非常適用于企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)，實現(xiàn)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)?？梢?，自由空間光通信技術有著廣闊的市場需求。

到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運營商應用于商業(yè)服務網(wǎng)絡，在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設備向客戶提供100 Mbit/s的數(shù)據(jù)連接。AiRFiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡的建設。2003年5月，佳能美國公司宣布他們的多套FSO系統(tǒng)成功應用到美國紐約州地方法院系統(tǒng)，并在“911”恐怖襲擊之后的重建工作中發(fā)揮了出色作用。在國內，2003年3月17日，上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少50套無線光通信設備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng)。上海鐵通表示采用Terabeam的設備將大大縮短他們提供服務的時間，有利于他們獲得新客戶。

4 結束語

當前，用戶對高速數(shù)據(jù)服務日益高漲的需求與網(wǎng)絡基礎設施建設資金相對短缺的矛盾，是困擾運營商的一個現(xiàn)實問題。FSO作為一種寬帶接入方式，具有高帶寬、低誤碼率、部署迅捷、費用合理、體積小、安全性高等特點，很多企業(yè)把FSO網(wǎng)絡與光纖網(wǎng)、微波網(wǎng)和高頻段無線網(wǎng)結合起來使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補彼此的不足。在本質上FSO是一種連接方式，而非覆蓋方式。所以，F(xiàn)SO通信是以一種補充的角色出現(xiàn)的，但FSO有自己的獨特的市場定位，在其他接入方式鞭長莫及或力不從心的一些特殊場合下將發(fā)揮其優(yōu)勢。