光無線通信系統(tǒng)技術解析

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(nèi)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 100 Mbit/s到2.5 Gbit/s。也有一些試驗采用波分復用技術，達到160 Gbit/s的速率。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 km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(zhì)。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(diào)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1.5 μm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。可組成點對點、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(nèi)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(nèi)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。光無線通信存在的主要問題及解決方案 #e#

　　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(zhì)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1 km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠只能達到4 km。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(zhì)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，5～15 dB/km；雨天，20～50 dB/km；雪天，50-150 dB/km；霧天，50～300 dB/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(zhì)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(nèi)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(diào)整可調(diào)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(nèi)反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調(diào)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(diào)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(diào)整可調(diào)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)，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(zhì)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。