光無(wú)線(xiàn)通信系統技術(shù)探悉

　　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)或稱(chēng)自由空間光通信（FSO，Free Space Optical communication）可作為一種寬帶接入方式，是光通信和無(wú)線(xiàn)通信結合的產(chǎn)物，具有容量大、速率高和價(jià)格低的優(yōu)勢，在通信領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。在分析光無(wú)線(xiàn)通信系統的技術(shù)的基礎上，探析光無(wú)線(xiàn)通信的存在的問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)，并展望光無(wú)線(xiàn)通信的應用前景。

1、引言

　　20世紀90年代后期，全球通信網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始大規模擴容，先是廣域網(wǎng)的不斷擴展，接著(zhù)是城域網(wǎng)的大量建設。與此同時(shí)，用戶(hù)內部的局域網(wǎng)以及吉比特以太網(wǎng)快速增長(cháng)。將這些高速的局域網(wǎng)和吉比特以太網(wǎng)連接到運營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò )，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡(luò )。由于傳統的局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)都無(wú)法滿(mǎn)足超大傳輸容量的要求，光纖雖能解決傳輸速率的問(wèn)題，但“最后一英里”的昂貴和耗時(shí)卻限制了它的發(fā)展，事實(shí)上，許多無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)能解決“最后一英里”問(wèn)題，但卻存在頻率通道的擁擠以及申請和電磁輻射的暴露的安全問(wèn)題，如何提供快速、低價(jià)、安全的寬帶接入，成為迫切需要解決的問(wèn)題。光的無(wú)線(xiàn)寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無(wú)線(xiàn)通信結合的產(chǎn)物，光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)隨著(zhù)激光器件的工程開(kāi)發(fā)利用成熟而日趨發(fā)展。利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體，以地面兩點(diǎn)之間的空氣為傳輸介質(zhì)，它利用光束信號通過(guò)大氣空間，而不是通過(guò)光纖傳送信號。這種技術(shù)的接入系統在組成結構上與光纖傳送系統非常相似，這種系統的物理組成也是非常簡(jiǎn)單的，用戶(hù)無(wú)需申請無(wú)線(xiàn)頻率，而且起始投資低，運營(yíng)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(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、在跨江跨河等不具備有線(xiàn)接入和需快速組建通信網(wǎng)絡(luò )的場(chǎng)合有很高的使用價(jià)值，同時(shí)隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)應用的興起，在許多寬帶的技術(shù)之中，光無(wú)線(xiàn)通信以其容量和價(jià)格的優(yōu)勢，也受到越來(lái)越多電信營(yíng)運公司的注意，應用范圍不斷擴大。已商用的這類(lèi)系統，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些試驗采用波分復用，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(chǎng)合之下，作為一種獨特的方式，光無(wú)線(xiàn)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。

2、光無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的基本結構和技術(shù)

　　光無(wú)線(xiàn)通信是一種視距傳輸技術(shù)，其基礎是電—光和光—電的轉換，可以實(shí)現數據、影像和語(yǔ)音等的傳輸，以大氣作為媒質(zhì)。實(shí)際上激光出現后最先研制的是光無(wú)線(xiàn)通信系統。光無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠、信道容量大、發(fā)射天線(xiàn)小、保密性好及抗電磁干擾等，除此以外，光無(wú)線(xiàn)通信不需要執照許可，不需要鋪設電纜，不需要挖溝，不需要租用線(xiàn)路，不需要頻譜規劃，建設周期短，對環(huán)境沒(méi)有影響。寬帶光無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信因為這些優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注。

　　一個(gè)光無(wú)線(xiàn)通信系統如圖1所示，包括三個(gè)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(guò)作為天線(xiàn)的光學(xué)望遠鏡，將光信號經(jīng)過(guò)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(xiàn)可見(jiàn)的，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對不同光波長(cháng)信號的透過(guò)率有較大的差別，可以選用透過(guò)率較好的波段窗口。光的無(wú)線(xiàn)系統通常使用0.85μm或1.5斗m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(chǎng)合。1.5μm的設備價(jià)格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺(jué)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(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規定允許1.5μm波長(cháng)設備的功率可以比0.85μm的設備高2個(gè)等級，1550 nm波長(cháng)的光無(wú)線(xiàn)通信具有更廣闊的使用前景。

圖1　光無(wú)線(xiàn)通信系統示意圖 {{分頁(yè)}}

　　光無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結構來(lái)說(shuō)，可組成點(diǎn)對點(diǎn)、星形（點(diǎn)到多點(diǎn)）、和格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）三種結構。點(diǎn)到點(diǎn)結構是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )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(lái)連接企業(yè)內部的各幢大樓，作為高帶寬的專(zhuān)線(xiàn)連接。點(diǎn)到點(diǎn)結構的優(yōu)點(diǎn)是獨立的鏈路，網(wǎng)絡(luò )規劃簡(jiǎn)單；其缺點(diǎn)也很多，例如不能低成本有效地進(jìn)行擴展，光鏈路沒(méi)有任何保護，有一個(gè)點(diǎn)出故障，鏈路就中斷。所以它不適合電信級系統。星形（點(diǎn)到多點(diǎn)結構）的優(yōu)點(diǎn)是可以把業(yè)務(wù)集中到一點(diǎn)（集線(xiàn)器或中心節點(diǎn)）再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟。缺點(diǎn)是能提供的帶寬較少；每條鏈路仍無(wú)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(xiàn)器的位置非常關(guān)鍵，集線(xiàn)器的成本一般較高。但有一種點(diǎn)到多點(diǎn)結構實(shí)際上是點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，只不過(guò)在中心節點(diǎn)集中放置了多個(gè)針對不同方向的終端，因此其好處是有專(zhuān)用的帶寬、可擴展、能為單個(gè)用戶(hù)提供服務(wù)。格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）結構的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以提供幾乎實(shí)時(shí)的迂回鏈路，使服務(wù)得到保護，即具有服務(wù)恢復或服務(wù)冗余度的特點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)結構還可以把業(yè)務(wù)集中到某些特定點(diǎn)，再有效地接入網(wǎng)絡(luò )，比較符合電信級的要求。其缺點(diǎn)是傳輸距離短、成本高（每大樓多條鏈路），網(wǎng)絡(luò )規劃復雜。

3、光無(wú)線(xiàn)通信的存在的主要問(wèn)題及解決方案

　　盡管光無(wú)線(xiàn)通信有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下幾點(diǎn)主要問(wèn)題。

　　FSO（自由空間光通信）是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過(guò)一定距離時(shí)波束就會(huì )變寬導致難以被接收點(diǎn)正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)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(gè)難題，一般會(huì )采用更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(lái)解決。

　　FSO系統性能最大的問(wèn)題是大氣介質(zhì)對光信號的衰減，對天氣非常敏感是FSO的另一個(gè)主要問(wèn)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。據測試，FSO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5～15dB/km、雨，20～50dB/km、雪，50～150dB/km、霧，50-300dB/km?？梢?jiàn)影響最大是霧，這是因為他們中的散射粒子的半徑與激光的波長(cháng)在同一數量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線(xiàn)的傳播方向發(fā)生偏轉，造成空間、角度和時(shí)間上的擴展，如圖2所示。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度。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(cháng)期的氣象統計資料，能夠知道不同等級（能見(jiàn)度）的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)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(wú)線(xiàn)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。而傳送的距離為：

圖2　光子大氣傳播示意 {{分頁(yè)}}

　　顯而易見(jiàn)，在經(jīng)常出現濃霧的地區，同樣的光無(wú)線(xiàn)系統，可能傳送的距離，要比無(wú)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(fā)射機和接收機之間需要嚴格的視線(xiàn)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(huì )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(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對準，實(shí)際測量中發(fā)現，大樓頂部的水平移動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國內外普遍采用擴束法、多束法和動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)的克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束，如圖3所示，當發(fā)射角為2θm。時(shí)，在1km處可以得到直徑為2θm。光斑，θ越大或傳輸距離越遠光斑就越大。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，于是國內外又提出了多束法，利用多個(gè)激光器和發(fā)射鏡同時(shí)發(fā)射激光束，每個(gè)光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收端就得到一個(gè)大而相互重疊的激光光斑，從而提高了接收端的能量密度，也擴大可接受面積。

圖3　擴束法示意圖

　　隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)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(gè)技術(shù)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(dòng)態(tài)跟蹤法就應運而生，是利用伺服系統通過(guò)反饋裝置獲得光束偏差信息，調整可調微鏡，使光束時(shí)刻對準接收器。采用動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統設備功能結構如圖4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(guò)接受光學(xué)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(shí)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(jìn)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(xué)系統始終對準入射激光束。

圖4　動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統設備功能結構 {{分頁(yè)}}

　　激光的安全問(wèn)題也會(huì )影響其使用，超過(guò)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釋放的能量傷害。由于這類(lèi)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，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標準。

4、光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應用

　　國外已經(jīng)開(kāi)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設備最初來(lái)到中國應該在2000年前后，那時(shí)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、熱穩定性和機械穩定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)步，光無(wú)線(xiàn)通信盡管仍存在不少問(wèn)題，但其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。目前，光無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)勢正在逐漸吸引電信運營(yíng)商，而其劣勢正在被技術(shù)的進(jìn)步所抵消，由于技術(shù)的進(jìn)步，光無(wú)線(xiàn)通信在大氣中的可視距離范圍內，實(shí)現全天候“最后一公里”無(wú)線(xiàn)光通信已經(jīng)沒(méi)有技術(shù)障礙。光無(wú)線(xiàn)通信系統是一種物美價(jià)廉，有廣泛應用前景和巨大市場(chǎng)潛力的通信系統。任何技術(shù)要想取得真正的成功，必須經(jīng)受住市場(chǎng)與用戶(hù)的考驗。由于光纖成本過(guò)高，用戶(hù)無(wú)法在短期內實(shí)現光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來(lái)的便利，于是，FSO成了他們實(shí)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(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(cháng)、所提供的帶寬更是遠遠不及FSO。FSO的另一個(gè)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(jìn)行冗余備份設計時(shí)，選用FSO作為備份鏈路，以節省投資。FSO還可以用于城域網(wǎng)的擴展，即在現有城域網(wǎng)上向外延伸、連接新的網(wǎng)絡(luò )；FSO還非常適用于企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等局域網(wǎng)，實(shí)現各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)?？梢?jiàn)，自由空間光通信技術(shù)有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)需求。Strategis Group曾預測FSO設備的全球銷(xiāo)售額將在2005年達到20億美元。這也表明了業(yè)界對FSO技術(shù)的看好。

　　到目前為止，FSO已被多家電信運營(yíng)商應用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，在悉尼奧運會(huì )上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實(shí)現了利用FSO設備向客戶(hù)提供100Mbit/s的數據連接。Air-fiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)（SONET）通過(guò)光節點(diǎn)連接在一起，完成了該地區整個(gè)光網(wǎng)絡(luò )的建設。2003年5月，佳能美國公司宣布他們的多套自由空間光通信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(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(wú)線(xiàn)光通信設備廠(chǎng)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(wù)的時(shí)間，有利于他們獲得新客戶(hù)。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中國長(cháng)城寬帶公司將選擇他們的設備建設15個(gè)城市的寬帶網(wǎng)絡(luò )，Terabeam的設備已經(jīng)在上海和重慶作為跨江的通信設備投入應用。

5、結束語(yǔ)

　　當前，用戶(hù)對高速數據服務(wù)日益高漲的需求與網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設資金相對短缺的矛盾，是困擾服務(wù)運營(yíng)商的一個(gè)現實(shí)問(wèn)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(diǎn)，很多企業(yè)把FSO網(wǎng)絡(luò )與光纖網(wǎng)、微波網(wǎng)和高頻段無(wú)線(xiàn)網(wǎng)結合起來(lái)使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，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，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(chǎng)定位：在其他接入方式鞭長(cháng)莫及或力不從心的一些特殊場(chǎng)合下發(fā)揮其優(yōu)勢。