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，光纖通信因為能傳輸高速率的數(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)摹o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，由于光學器件制造成本較高，無線光通信的研究僅限于星際通信和國防通信領(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、國外研究現(xiàn)狀

        在FSO領(lǐng)域，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。在FSO這個領(lǐng)域里，國外幾個大的FSO廠家，包括LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。

        LightPointe將自由空間光學技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計和制造電信公司等級的光傳輸設(shè)備，向電信服務商提供比傳統(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2.5Gbit/s，產(chǎn)品適應性強，可解決城市地區(qū)的連接問題。
AirFiber位于美國加洲SanDiego，主要服務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)眼狀拓撲結(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。特點是具有自動跟蹤系統(tǒng)，調(diào)整探測器件的位置以檢測激光束的光軸，所以不因建筑物的擺動而使傳輸中斷。同時，鏡頭自動跟蹤特性增加傳輸距離達2km。CanobeamIII：數(shù)據(jù)速率達到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的無光纖點到多點網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收機，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、國內(nèi)研究現(xiàn)狀
        
        目前在中國，無線光纖技術(shù)基本處于起步階段，有幾家公司在實驗室作出了樣機，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FSO技術(shù)存有一定程度的誤解和疑慮；還有一些用戶對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、上海光機所等幾家單位，有比較成熟的樣機。
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：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)具有自動校準功能獲得了專利，其產(chǎn)品還遵循眼睛安全標準。

        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：850nm；通信距離：1~4km；發(fā)射功率：3~30mW。
上海光機所承擔的"無線激光通信系統(tǒng)"具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能。其傳輸速率可以達到622Mbit/s，通信距離可以達到2km。自動跟蹤系統(tǒng)采用雙波長同光路接收鏡筒和高靈敏度位敏探測器，實現(xiàn)靈敏的伺服跟蹤。深圳飛通有限公司開發(fā)出的樣機，其速率有155Mbit/s、622Mbit/s以及1.25Gbit/s幾種，通信距離最遠可達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)來進行光信號的傳遞的。只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的詩句路徑和足夠的光發(fā)射頻率，就可以通信。一個無線光通信系統(tǒng)包括三個基本部分：發(fā)射機、信道和接收機。在點對點傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機和光接收機，可以實現(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)射機的光源受到電信號的調(diào)制，通過作為天線的光學望遠鏡，將光信號通過大氣信道傳送到接收機望遠鏡；在接收機中，望遠鏡收集接收到光信號并將它聚焦在光電檢測器中，光電檢測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。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。對基于FSO的系統(tǒng)來說，最常用的光學波長是近紅外光譜中的850nm；還有一些基于FSO的系統(tǒng)使用1500nm的波長，可以支持更大的系統(tǒng)功率。

        三、無線光通信系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢：

        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在光纖介質(zhì)中傳輸，而FSO的光信號在空氣介質(zhì)中傳輸。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達2.5Gbit/s，最遠可傳送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，有相當豐富的頻譜資源，不需要申請頻率執(zhí)照，也不需要交納頻率占用費，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。現(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行通信，可以完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務，而且無需埋設(shè)光纖，可以在幾小時內(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

        光纖網(wǎng)絡(luò)的成本通常很高，鋪設(shè)過程耗時，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)射機與接收機之間需要嚴格的視線傳播，當通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時，在風力的作用下建筑物會發(fā)生擺動，這樣便會影響激光器的對準。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，有時也會導致發(fā)射機和接收機無法對準。

       惡劣的天氣情況，會對傳播信號產(chǎn)生衰耗。空氣中的散射粒子，會使光線在空間、時間和角度上產(chǎn)生偏差。大氣中粒子還會吸收激光的能量，衰減信號的發(fā)射功率。

        傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會越寬，接收的光信號質(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、無線光通信的應用

        無線光通信的主要應用可歸納為如下幾個方面

        (1) 在不具備有線接入條件或原帶寬不足時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，成功地進行了在相距42km、海拔高度為2133m的兩座山峰之間的傳輸實驗，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時的應急備用鏈路，也可作為大型臨時活動的通信解決方案。

        （5） 快速組建電信網(wǎng)絡(luò)

        對于新興的電信網(wǎng)絡(luò)運營商來說，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、人力和時間完成城域網(wǎng)建設(shè)；對于傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)運營商來講，無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以作為其光纜傳輸系統(tǒng)的補充，用于不便鋪設(shè)光纜的區(qū)域。建設(shè)周期短、所需費用少，無線光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實現(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用。如在1995年美國與日本所進行的聯(lián)合試驗中，實現(xiàn)了日本菊花-6衛(wèi)星與美國大氣觀測衛(wèi)星相距39000km的雙向光通信。這是一種遠距離通信應用，目前仍在研發(fā)之中，但衛(wèi)星間光通信具有容量大、不需進行ITU國際協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，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

        FSO目前存在的問題主要集中在下面幾個方面：針對大樓擺動的瞄準問題；大氣中粒子對光線的散射、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?，所以對這些問題的研究成為FSO的發(fā)展方向。

        1、發(fā)射、接收的瞄準的研究

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

        2、減小大氣對通信的影響

        在不同的環(huán)境中不同波長的光線會有不同的傳播特性，這些不同的特性導致了在不同環(huán)境下，不同波長的光線會有不同的吸收窗口、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，在通信鏈路中找出波長與性能的最優(yōu)組合。

        3、傳輸速率的提高

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

        綜上所述，無線光通信作為一種新興的技術(shù)，在社會的各個領(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)，必會引起通信領(lǐng)域的重大變革。