- 探討光無線通信系統技術
- 光無線通信網的基本結構
- 以FSO作為一種寬帶接入方式
20世紀90年代后期，全球通信網絡開始大規模擴容，先是廣域網的不斷擴展，接著是城域網的大量建設。與此同時，用戶內部的局域網快速增長。將這些高速的局域網連接到運營商的通信網絡，必須依靠容量巨大的接入網絡。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展的接入方式，是光通信和無線通信結合的產物，光無線通信技術隨著激光器件的工程開發利用而日趨成熟。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在組成結構上與光纖傳送系統非常相似，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，可提供與光纖系統相似的傳送帶寬。由于系統具有傳輸速率快、結構簡單、組網靈活等特點，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，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，可以實現數據、影像和等的傳輸，以大氣作為媒質。實際上激光出現后最先研制的就是光無線通信系統。光無線通信的優點是傳輸距離遠、信道容量大、發射天線小、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，不需要頻譜規劃，建設周期短，對環境沒有影響。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點，越來越受到關注。
一個光無線通信系統構成如圖1所示，包括三個部分：發射機、信道和接收機。光發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。 1.5μm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網膜，因此，相關安全規定允許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 光無線通信系統示意
光無線通信網按照組網的結構來說。可組成點對點、星形(點到多點)和格形(網狀網)三種結構。點到點結構是最簡單的網絡拓撲，目前已使用的系統多數采用此結構，其原因是大多數系統只是用來連接企業內部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點到點結構的優點是獨立的鏈路，網絡規劃簡單；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。
星形(點到多點)結構的優點是可以把業務集中到一點(集線器或中心節點)再接入核心網，效率較高、比較經濟；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(網狀網)結構的主要優點是通過多個網絡節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。網狀網結構還可以把業務集中到某些特定點：再有效地接入網絡，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)，網絡規劃復雜。
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。據測試，FSO 受天氣影響的衰減經驗值分別為：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量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發生偏轉，造成空間、角度和時間上的擴展，如圖2。對于這種大氣現象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統傳輸的計算中，為光信號的衰減留有足夠的系統功率余量，以便在出現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的統計規律。如果了解到衰減值大于某一指標出現的概率，就能確定光無線系統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，在經常出現濃霧的地區，同樣的光無線系統，可能傳送的距離要比無霧或少霧的地區短得多。所以，系統的設計一定要考慮地區的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系統在發射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播，使發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，實際測量中發現，大樓頂部的水平移動可達樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數據傳輸，FSO系統的光鏈路兩端的激光束的對準和跟蹤是系統的關鍵技術之一。目前在國內外普遍采用擴束法、多束法和動態跟蹤技術克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發射光束，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，于是業界又提出了多束法，利用多個激光器和發射鏡同時發射激光束，每個光束都以相同的發射角發射，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。
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隨著通信技術的發展，對FSO系統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，于是動態跟蹤法就應運而生，即利用伺服系統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。采用動態跟蹤技術的FSO系統設備功能結構如圖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調整可調微鏡，使接收光學系統始終對準入射激光束。
圖3 動態跟蹤技術FSO系統設備功能結構
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生影響。人體也可能被激光系統釋放的能量傷害。由于這類系統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
國外已經開始了將近10年的研究，但是FSO產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的發展還基本在起步階段，但在發射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準要求、熱穩定性和機械穩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，但其技術優勢更為明顯。目前，光無線通信的優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，實現全天候“最后一公里”無線光通信已經沒有技術障礙。光無線通信系統是一種物美價廉、有廣泛應用前景和巨大市場潛力的通信系統。任何技術要想取得真正的成功，必須經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光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利，于是，FSO成了他們實現“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，以節省投資。FSO還可以用于城域網的擴展，即在現有城域網上向外延伸、連接新的網絡；FSO還非常適用于企業網、校園網等局域網，實現各局域網網段的互聯。可見，自由空間光通信技術有著廣闊的市場需求。
到目前為止，FSO已被多家電信運營商應用于商業服務網絡，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了利用FSO設備向客戶提供100 Mbit/s的數據連接。AiRFiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網與光纖網(SONET)通過光節點連接在一起，完成了該地區整個光網絡的建設。2003年5月，佳能美國公司宣布他們的多套FSO系統成功應用到美國紐約州地方法院系統，并在“911”恐怖襲擊之后的重建工作中發揮了出色作用。在國內，2003年3月17日，上海鐵通宣布已經采購至少50套無線光通信設備廠商Terabeam的FSO系統。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，用戶對高速數據服務日益高漲的需求與網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，很多企業把FSO網絡與光纖網、微波網和高頻段無線網結合起來使用，發揮各自的優點，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，FSO通信是以一種補充的角色出現的，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揮其優勢。
