無線光通信—現(xiàn)代通信技術(shù)的新寵兒

        無線光通信技術(shù)高速率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成光通信分為有線光通信和無線光通信兩種。其中，有線光通信即光纖通信，在過去的幾年中，由于人們對(duì)傳輸速率的要求越來越高，使用高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩魯?shù)量每年都在遞增，光纖通信因?yàn)槟軅鬏敻咚俾实臄?shù)據(jù)，已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò)之一，如今在廣域通信網(wǎng)中更有80%以上的信息是通過光纖傳輸?shù)?。無線光通信又稱自由空間光通信(FSO，F(xiàn)ree Space Optical communication)。其作為一種光通信技術(shù)，具有三十多年的研究歷史。最初，由于光學(xué)器件制造成本較高，無線光通信的研究?jī)H限于星際通信和國(guó)防通信領(lǐng)域。近年來，由于光通信器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致無線光通信設(shè)備的制造成本大幅下降，尤其是其解決了從光纖骨干網(wǎng)到用戶之間的"最后一英里"的問題，人們才又逐漸開始了無線光通信的民用研究。

        一、 無線光通信技術(shù)的現(xiàn)狀：

        1、國(guó)外研究現(xiàn)狀

        在FSO領(lǐng)域，國(guó)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。在FSO這個(gè)領(lǐng)域里，國(guó)外幾個(gè)大的FSO廠家，包括LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。

        LightPointe將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計(jì)和制造電信公司等級(jí)的光傳輸設(shè)備，向電信服務(wù)商提供比傳統(tǒng)光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通訊解決方案。LightPointe的系統(tǒng)以超快的帶寬速度提供安全可靠的無線傳輸，速度最高可達(dá)2.5Gbit/s，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，可解決城市地區(qū)的連接問題。
AirFiber位于美國(guó)加洲SanDiego，主要服務(wù)于大城市大樓寬帶接入。它的產(chǎn)品稱為OptiMesh，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)眼狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，冗余備份短距離622Mbit/s無線光傳輸系統(tǒng)。

        Canon主要產(chǎn)品有：CanobeamDT-50，速率從25Mbit/s到622Mbit/s，可連接FastEthernnet、FDDI、ATM。特點(diǎn)是具有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，調(diào)整探測(cè)器件的位置以檢測(cè)激光束的光軸，所以不因建筑物的擺動(dòng)而使傳輸中斷。同時(shí)，鏡頭自動(dòng)跟蹤特性增加傳輸距離達(dá)2km。CanobeamIII：數(shù)據(jù)速率達(dá)到622Mbit/s，有不同的網(wǎng)絡(luò)接口，如ATM、FDDI、FastEthernet，并可選擇SNMP的TCP/IP。

        TeraBeamInternetSystems產(chǎn)品是基于IP的無光纖點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收機(jī)，固定在辦公室窗戶上小衛(wèi)星碟。這些衛(wèi)星碟型天線的波束與安裝在樓內(nèi)的基站相連。

        2、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
        
        目前在中國(guó)，無線光纖技術(shù)基本處于起步階段，有幾家公司在實(shí)驗(yàn)室作出了樣機(jī)，但是沒有規(guī)模性的生產(chǎn)，主要原因有FSO本身的可靠性問題，一些人對(duì)FSO技術(shù)存有一定程度的誤解和疑慮；還有一些用戶對(duì)FSO技術(shù)了解不多。

        桂林三十四所、清華同方有限公司、中科院成都光電技術(shù)研究所、深圳飛通有限公司、上海光機(jī)所等幾家單位，有比較成熟的樣機(jī)。
桂林三十四所產(chǎn)品的主要性能參數(shù)有以下一些，傳輸速率：8Mbit/s，34Mbit/s，155Mbit/s；工作波長(zhǎng)：850nm；通信距離：1~4km；光發(fā)射功率：小于40mW。

        清華同方推出了面向未來的無線光鏈路的自由空間通信產(chǎn)品OWLinkE100。清華同方在快速追蹤系統(tǒng)具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能獲得了專利，其產(chǎn)品還遵循眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。

        中科院成都光電技術(shù)研究所，開發(fā)的產(chǎn)品主要性能參數(shù)有傳輸速率:10Mbit/s；工作波長(zhǎng)：850nm；通信距離：1~4km；發(fā)射功率：3~30mW。
上海光機(jī)所承擔(dān)的"無線激光通信系統(tǒng)"具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能。其傳輸速率可以達(dá)到622Mbit/s，通信距離可以達(dá)到2km。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采用雙波長(zhǎng)同光路接收鏡筒和高靈敏度位敏探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)靈敏的伺服跟蹤。深圳飛通有限公司開發(fā)出的樣機(jī)，其速率有155Mbit/s、622Mbit/s以及1.25Gbit/s幾種，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)4km。

        二、無線光通信系統(tǒng)的構(gòu)成

        無線光通信系統(tǒng)是以大氣作為傳播媒質(zhì)來進(jìn)行光信號(hào)的傳遞的。只要在收發(fā)兩個(gè)端機(jī)之間存在無遮擋的詩(shī)句路徑和足夠的光發(fā)射頻率，就可以通信。一個(gè)無線光通信系統(tǒng)包括三個(gè)基本部分：發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信。系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，通過作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)通過大氣信道傳送到接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡；在接收機(jī)中，望遠(yuǎn)鏡收集接收到光信號(hào)并將它聚焦在光電檢測(cè)器中，光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)的透過率有較大的差別，可以選用透過率較好的波段窗口。對(duì)基于FSO的系統(tǒng)來說，最常用的光學(xué)波長(zhǎng)是近紅外光譜中的850nm；還有一些基于FSO的系統(tǒng)使用1500nm的波長(zhǎng)，可以支持更大的系統(tǒng)功率。

        三、無線光通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

        1、頻帶寬，速率高

        從理論上講，F(xiàn)SO的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同，只是光纖通信中的光信號(hào)在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號(hào)在空氣介質(zhì)中傳輸。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達(dá)2.5Gbit/s，最遠(yuǎn)可傳送4km。

       2、頻譜資源豐富

        與微波技術(shù)相比，F(xiàn)SO設(shè)備多采用紅外光傳輸，有相當(dāng)豐富的頻譜資源，不需要申請(qǐng)頻率執(zhí)照，也不需要交納頻率占用費(fèi)，這是一般微波通信和無線通信無法比擬的。

       3、適用任何通信協(xié)議

        適用于任何環(huán)境，不依賴某種協(xié)議?，F(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、ATM、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)等都能通過，并可支持2.5Gbit/s的傳輸速率，用于傳輸數(shù)據(jù)、聲音和影像等各種信息。

        4、架設(shè)靈活便捷

        FSO可以直接架設(shè)在屋頂，以及在江河湖海上進(jìn)行通信，可以完成地對(duì)空、空對(duì)空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)，而且無需埋設(shè)光纖，可以在幾小時(shí)內(nèi)建立起通信鏈路，方便快捷，大大縮短了施工周期。

        5、安全可靠

        無線光通信的安全性是非常顯著的，由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此竊聽和人為干擾幾乎是不可能的。

        6、經(jīng)濟(jì)

        光纖網(wǎng)絡(luò)的成本通常很高，鋪設(shè)過程耗時(shí)，而且投資不可撤回，而無線光通信技術(shù)可以在城域光網(wǎng)之外提供高帶寬連接，而成本只有在地下埋設(shè)光纜的五分之一

        四、無線光通信系統(tǒng)存在的問題

        FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視線傳播，當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時(shí)，在風(fēng)力的作用下建筑物會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，這樣便會(huì)影響激光器的對(duì)準(zhǔn)。由于大樓結(jié)構(gòu)中某些部分的熱脹或輕微的地震等原因，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)和接收機(jī)無法對(duì)準(zhǔn)。

       惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)傳播信號(hào)產(chǎn)生衰耗?？諝庵械纳⑸淞Ｗ?，會(huì)使光線在空間、時(shí)間和角度上產(chǎn)生偏差。大氣中粒子還會(huì)吸收激光的能量，衰減信號(hào)的發(fā)射功率。

        傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收的光信號(hào)質(zhì)量越差。

激光的安全問題必須考慮。發(fā)射功率必須限制在保證眼睛安全的功率范圍內(nèi)。

        五、無線光通信的應(yīng)用

        無線光通信的主要應(yīng)用可歸納為如下幾個(gè)方面

        (1) 在不具備有線接入條件或原帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案

        無線光通信可以不必在城市內(nèi)破路埋線而快速地在樓宇間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字通信，也可在不便鋪設(shè)光纜地區(qū)、沒有橋梁的大河兩岸之間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸。在1994年，加里福尼亞的ThermoTrex公司，成功地進(jìn)行了在相距42km、海拔高度為2133m的兩座山峰之間的傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸數(shù)速率為1.2Gbit/s。

        (2) 有效解決“最后一公里”問題

        無線光通信可以解決各種業(yè)務(wù)接入的“最后一公里”問題，提高用戶接入端的傳輸容量和速度，能夠較好地滿足電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和IP網(wǎng)三網(wǎng)合一對(duì)帶寬的要求。

        (3) 力助局域網(wǎng)互聯(lián)

        FSO提供了臨近局域網(wǎng)之間互連互通的選擇方案，不僅可以解決局域網(wǎng)內(nèi)用戶接入的高速傳輸問題，還可方便地實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接，形成更大范圍的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

        (4)應(yīng)急備用方案

無線光通信可以作為有線通信線路故障或緊急搶險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)急備用鏈路，也可作為大型臨時(shí)活動(dòng)的通信解決方案。

        （5） 快速組建電信網(wǎng)絡(luò)

        對(duì)于新興的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來說，無線光通信網(wǎng)絡(luò)可以幫助其快速組建本地網(wǎng)，以較少的資金、人力和時(shí)間完成城域網(wǎng)建設(shè)；對(duì)于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來講，無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補(bǔ)充，用于不便鋪設(shè)光纜的區(qū)域。建設(shè)周期短、所需費(fèi)用少，無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)先組網(wǎng)再銷售的商業(yè)模式。

        此外，F(xiàn)SO在衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站間有著重要的應(yīng)用。如在1995年美國(guó)與日本所進(jìn)行的聯(lián)合試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了日本菊花-6衛(wèi)星與美國(guó)大氣觀測(cè)衛(wèi)星相距39000km的雙向光通信。這是一種遠(yuǎn)距離通信應(yīng)用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大、不需進(jìn)行ITU國(guó)際協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，將成為重要的衛(wèi)星通信手段之一。

        六、FSO研究的發(fā)展趨勢(shì)

        FSO目前存在的問題主要集中在下面幾個(gè)方面：針對(duì)大樓擺動(dòng)的瞄準(zhǔn)問題；大氣中粒子對(duì)光線的散射、吸收問題；提高傳輸速率問題。這些問題影響了傳輸?shù)目煽啃?，所以?duì)這些問題的研究成為FSO的發(fā)展方向。

        1、發(fā)射、接收的瞄準(zhǔn)的研究

        在大風(fēng)中或因地震引起大樓的擺動(dòng)，發(fā)射機(jī)發(fā)送的光信號(hào)對(duì)不準(zhǔn)接收機(jī)，產(chǎn)生的誤差大，甚至通信無法實(shí)現(xiàn)。目前的研究方向在于提高激光的瞄準(zhǔn)，怎樣利用非機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)準(zhǔn)和快速瞄準(zhǔn)；在接收機(jī)方面，散射光線也帶有信息，接收散射光線越多，接收的信號(hào)能量越大，但同時(shí)接收的噪聲也越大，所以盡量提高接收機(jī)接收信號(hào)總功率，又不能降低信噪比成為研究目標(biāo)。

        2、減小大氣對(duì)通信的影響

        在不同的環(huán)境中不同波長(zhǎng)的光線會(huì)有不同的傳播特性，這些不同的特性導(dǎo)致了在不同環(huán)境下，不同波長(zhǎng)的光線會(huì)有不同的吸收窗口、不同的散射函數(shù)以及不同的折射率，需要尋求一種最優(yōu)波長(zhǎng)，在通信鏈路中找出波長(zhǎng)與性能的最優(yōu)組合。

        3、傳輸速率的提高

        FSO相對(duì)于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢(shì)之一就是帶寬?，F(xiàn)在FSO產(chǎn)品的速率從2Mbit/s開始，形成多個(gè)系列，比較典型的有10Mbit/s、100Mbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s。有的公司采用波分復(fù)用技術(shù)，速率可以達(dá)到2.5Gbit/s、10Gbit/s。

        綜上所述，無線光通信作為一種新興的技術(shù)，在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都具有著很大的開發(fā)和發(fā)展?jié)摿?，伴隨著FSO技術(shù)的不斷完善及基礎(chǔ)設(shè)備的不斷革新，其必將正在成為一種熱門技術(shù)，必會(huì)引起通信領(lǐng)域的重大變革。