光空間通信(FSO)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

    一、光空間通信技術(shù)（FSO） 
    自由空間光通信或稱無(wú)線光通信（FSO：Free Space Optical Communication）是一種寬帶接入方式。FSO是光通信和無(wú)線通信結(jié)合的產(chǎn)物，是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號(hào)的通信系統(tǒng)，也可以理解為是以大氣為介質(zhì)的激光通信系統(tǒng)。FSO有兩種工作波長(zhǎng)：850納米和1550納米。850納米的設(shè)備相對(duì)便宜，一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠(yuǎn)的場(chǎng)合。1550納米的設(shè)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(xiàn)。1550納米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(guī)定允許1550納米波長(zhǎng)設(shè)備的功率可以比850納米的設(shè)備高2個(gè)等級(jí)。功率的增大，有利于增大傳輸距離和在一定程度上抵消惡劣氣候給傳輸帶來(lái)的影響。FSO和光纖通信一樣，具有頻帶寬的優(yōu)勢(shì)，能支持155Mbps－10Gbps的傳輸速率，傳輸距離可達(dá)2～4公里，但通常在一公里有穩(wěn)定的傳輸效果。FSO在傳輸帶寬方面比除光纖外的其它寬帶接入方式有著明顯的優(yōu)勢(shì)。 
    由于激光具有直線性和窄波束的特點(diǎn)，FSO主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距傳輸。使用時(shí)，要求通信兩點(diǎn)間必須無(wú)阻礙，任何對(duì)光束的遮擋都將對(duì)通信造成影響。同時(shí)，要求兩端設(shè)備對(duì)準(zhǔn)且固定牢穩(wěn)，以保證對(duì)光信號(hào)的直接有效接收。由于采用激光通信，信號(hào)方向性強(qiáng)，能量集中，不向空中其它方向產(chǎn)生輻射，因此，FSO系統(tǒng)不會(huì)同頻干擾，即使鏈路交叉也不影響通信，因此，同一地點(diǎn)可以裝多套FSO設(shè)備。FSO是物理層傳輸設(shè)備，以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)透明傳送。 
    在基礎(chǔ)網(wǎng)的建設(shè)方面，使用光纖技術(shù)的高速網(wǎng)絡(luò)正在不斷完善。與此同時(shí)，光空間通信方式作為高速網(wǎng)絡(luò)最后一公里的寬帶通信方式，近來(lái)正受到各方面的關(guān)注。特別是，在城市寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，由于市政建設(shè)基本定形，新設(shè)光纖的施工需要繁瑣的市政批準(zhǔn)。有些地方如跨鐵路、公路的施工非常困難，該通信方式的實(shí)用化對(duì)城市高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)不失為一種極其有效的方法。 
    光通信方式分為利用光纖技術(shù)的有線通信方式和利用光空間通信技術(shù)(FSO)的無(wú)線通信方式兩種。光空間通信方式是將自由空間作為傳送媒體，主要用半導(dǎo)體振蕩器做光源，以激光束的形式在空間傳送信息。對(duì)該領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)研究曾經(jīng)風(fēng)行一時(shí)。最近幾年，由于光空間通信所需要的各種設(shè)備的價(jià)格下降導(dǎo)致光空間通信裝置本身的價(jià)格降低，同時(shí)，光空間通信所持有的簡(jiǎn)便性、寬帶性、無(wú)電磁干擾性、無(wú)需申請(qǐng)政府批準(zhǔn)等特性，使得這種通信方式重新受到廣泛的關(guān)注。 
    二、光空間通信技術(shù)應(yīng)用 
    FSO網(wǎng)絡(luò)主要有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)（星形）和網(wǎng)狀，也可以把它們組合起來(lái)使用。FSO技術(shù)相對(duì)是簡(jiǎn)單的，相連的二個(gè)FSO單位均由一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)接收器所組成，以提供全雙工能力。FSO一方通過(guò)將調(diào)制后的激光通過(guò)透鏡發(fā)送，另一方的透鏡接收后將信號(hào)經(jīng)由光纖連至一個(gè)高敏感接收器加以解調(diào)。 
    光無(wú)線通信系統(tǒng)，特別是寬帶應(yīng)用，以前只限于國(guó)防和企業(yè)專用網(wǎng)，因?yàn)榫嚯x短，而可靠性不需太嚴(yán)格。近年來(lái)，應(yīng)用范圍開(kāi)始擴(kuò)展到公用電信網(wǎng)；一方面，寬帶接入的需求旺盛。而現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，常常令傳統(tǒng)的一些技術(shù)遇到難以克服的困難。另一方面，公網(wǎng)所需的可用性，已在一定程度上，得到光無(wú)線系統(tǒng)的保證。已經(jīng)有一些不同的措施，經(jīng)試驗(yàn)獲得較好的效果。 
    光空間通信的設(shè)置施工簡(jiǎn)單，短時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大容量通信，因此，對(duì)于大容量的臨時(shí)線路，以及災(zāi)害后的通信恢復(fù)工程是一種有效的選擇。 
    1、FSO與其他接入技術(shù)的比較優(yōu)點(diǎn)如下： 
    1）快速鏈路部署。因?yàn)椴恍枰裨O(shè)光纖和等待各種手續(xù)上的問(wèn)題，FSO可以在短至幾天內(nèi)完成連接。FSO的無(wú)線接收器大小如同一部保安攝像機(jī)，可以輕而易舉地安裝在屋頂、屋內(nèi)甚至窗外。 
    2）無(wú)需頻譜許可證。無(wú)線光通訊因設(shè)備間沒(méi)有信號(hào)的相互干擾，故無(wú)需像無(wú)線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請(qǐng)頻率許可證。 
    3）帶寬高。如果采取點(diǎn)到點(diǎn)的組網(wǎng)方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，FSO同樣能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1-2公里。如果采用格形的組網(wǎng)方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200-400米。 
    4）安全保密性強(qiáng)。FSO的波束很窄，定向性非常好，非可視光，夜間也無(wú)法發(fā)現(xiàn)，因此無(wú)法探測(cè)到鏈路的位置，更不存在竊聽(tīng)的可能性。并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強(qiáng)。 
    5）協(xié)議透明。FSO以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。 
    6）成本低。FSO的成本是光纖到樓的1/10～1/3。 
    7）便攜性。當(dāng)公司搬遷或臨時(shí)駐軍時(shí)，無(wú)需重新安裝光纖從而節(jié)約成本。 
    FSO在本地網(wǎng)和邊緣網(wǎng)等近距離高速網(wǎng)的建設(shè)中大有用武之地。具體應(yīng)用如下： 
    城域網(wǎng)擴(kuò)展：在現(xiàn)有城域網(wǎng)上向外延伸、連接新的網(wǎng)絡(luò)或者在網(wǎng)絡(luò)核心建設(shè)SONET環(huán)路等。 
    企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)：企業(yè)局域網(wǎng)的各網(wǎng)段往往被大樓或大樓間的道路所分隔，FSO設(shè)備安裝的簡(jiǎn)易性使它非常適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)，輕松解決大樓間的復(fù)雜地貌帶來(lái)的挖溝布線難題。 
    光纖通信系統(tǒng)的備份：在對(duì)光纖通信設(shè)施進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)時(shí)，可用FSO作為備份鏈路。 
    無(wú)線基站數(shù)據(jù)回傳：FSO可用來(lái)將移動(dòng)電話天線塔接收的信號(hào)回傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的中心交換設(shè)備。 
   .最后一公里接入：在最終用戶和服務(wù)提供商間建立高速連接，或在本地環(huán)網(wǎng)絡(luò)中為相關(guān)業(yè)務(wù)提供高速鏈接服務(wù)。 
    從上圖中可以看出，在目前許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下，FSO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問(wèn)題的有效途徑。 
    2、“最后一公里”的新方案 
    FSO系統(tǒng)是一種物美價(jià)廉，有廣泛應(yīng)用前景和巨大市場(chǎng)潛力的通信系統(tǒng)。由于它的技術(shù)特點(diǎn)，在解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”瓶頸方面有著重要意義和作用： 
    骨干網(wǎng)的擴(kuò)展：通信服務(wù)廠商在骨干網(wǎng)建設(shè)上花費(fèi)大量資金，以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能與快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。但是，在最后一公里的建設(shè)上，通信服務(wù)廠商卻著力不多，而其實(shí)很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的瓶頸不在骨干網(wǎng)上而是在最后一公里。為了在現(xiàn)有的骨干網(wǎng)上，快速進(jìn)行擴(kuò)展和向外延伸，FSO是一種不錯(cuò)的選擇。 
    光纖網(wǎng)絡(luò)的備援：目前大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商都采用兩條光纖連接來(lái)保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全。現(xiàn)在，運(yùn)營(yíng)商無(wú)需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。 
    寬頻接入：目前主干網(wǎng)的頻寬容量急劇增加，從622 Mbit/s到10 Gbit/s，再到更高的40Gbit/sDWDM。同樣，客戶端網(wǎng)絡(luò)的頻寬也從10 Mbit/s增加到100Mbit/s，再到Gb的以太網(wǎng)絡(luò)。僅網(wǎng)絡(luò)接入部分仍未有可突破頻寬成本與容量瓶頸的有效解決方法。無(wú)線通信的寬頻網(wǎng)絡(luò)接入瓶頸更為嚴(yán)重，因此，在此部分FSO有很大的發(fā)展空間。 
    企業(yè)應(yīng)用： 
    由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發(fā)器裝設(shè)在樓頂或窗外傳輸數(shù)據(jù)。FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。以FSO來(lái)代替光纖接取各局端，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速度。 
    無(wú)線基地臺(tái)數(shù)據(jù)的回傳：FSO亦可用來(lái)接取行動(dòng)電話基地臺(tái)與交換中心，將基地臺(tái)接收的信號(hào)傳至與有線公用電話網(wǎng)相連的交換中心設(shè)備。 
    其它需要高速接取的終端：由于FSO網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)成本低、操作簡(jiǎn)單，因此可以用在其它高速連接的終端應(yīng)用。如：樓與樓之間、橫跨諸如公路與河流之類復(fù)雜地形、災(zāi)難恢復(fù)及臨時(shí)解決方案的網(wǎng)絡(luò)快速部署方案。 
    3、代替光纖連接企業(yè)網(wǎng) 
    FSO通信設(shè)備最初是無(wú)線設(shè)備生產(chǎn)商為寬帶服務(wù)運(yùn)營(yíng)商開(kāi)發(fā)的一種在不易進(jìn)行光纖布線的地段代替光纖設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接方案，現(xiàn)在被很多企業(yè)用戶看好，紛紛用在了企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的互聯(lián)建設(shè)上。企業(yè)看好FSO的理由有三點(diǎn)：一是綜合成本低，用它可以省去租用專線和鋪設(shè)光纖的一大筆費(fèi)用；二是通信質(zhì)量好，無(wú)線光通信是一種本地環(huán)路技術(shù)，最低速度為45Mbps（相當(dāng)于T3線路），最高為2.5Gbps（相當(dāng)于OC-48線路）；三是運(yùn)營(yíng)商級(jí)的通信質(zhì)量足以滿足企業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的各種要求。目前，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)線網(wǎng)結(jié)合起來(lái)使用，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)彼此的不足。 
    4、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用成功案例 
    目前，將FSO應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)比較典型的公司有Terabeam和Airfiber。在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上，Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實(shí)現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計(jì)劃4年內(nèi)在全美建設(shè)100個(gè)FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國(guó)波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過(guò)光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。 
    在國(guó)內(nèi)，清華同方研究發(fā)展中心一直致力于“Last Mile”解決方案的探索，于2001年12月成立了“FSO技術(shù)跟蹤研究小組”，并推出自由空間光通訊產(chǎn)品TFOW 100-1，完成了1000米點(diǎn)到點(diǎn)通訊樣機(jī)的檢測(cè)。 
    三、國(guó)內(nèi)外光空間通信技術(shù)發(fā)展 
    FSO技術(shù)出現(xiàn)已久由于在空氣中傳輸衰減大，在大霧天等天氣情況不好的時(shí)候可能無(wú)法使用，它只能在難以布線的地方用于短距離傳輸。而且在這些情形下WLAN分流。但隨著企業(yè)對(duì)短距離高速率傳輸?shù)囊笤絹?lái)越多，FSO還是有了自己的發(fā)展空間。這是因?yàn)椋?A href="http://m.3xchallenge.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=FSO&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">FSO與802.11b/a乃至LMDS等其他無(wú)線連網(wǎng)手段相比，還是具有：一是速率高，實(shí)驗(yàn)室中研制的FSO設(shè)備甚至能達(dá)到160Gbps；二是無(wú)需申請(qǐng)頻段使用執(zhí)照；三是安全性高，它雖是無(wú)線，在安全上卻相當(dāng)于光纖通信的水平等優(yōu)勢(shì)成為被長(zhǎng)期關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)。 
    國(guó)外光空間通信產(chǎn)品為了提高通信距離和對(duì)準(zhǔn)度，往往加大激光管發(fā)射功率、采用多光束同步發(fā)射和大孔徑光學(xué)接收天線。從而使激光管壽命減少、光斑很大，且系統(tǒng)成本增高。清華同方FSO系統(tǒng)采用了有自主產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)搜索技術(shù)，激光管僅在毫瓦級(jí)上工作，用很小的光斑即完成相同距離的通信，使系統(tǒng)成本大大降低。國(guó)外同類產(chǎn)品難以克服當(dāng)太陽(yáng)光直射時(shí)的干擾，清華同方FSO系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的濾波手段，而采用自主專利技術(shù)的電路設(shè)計(jì)方案和軟件控制技術(shù)，使得系統(tǒng)在太陽(yáng)光直射時(shí)，也能快速精確對(duì)準(zhǔn)和保持光鏈路的連接。 
    針對(duì)光空間通信技術(shù)中快速光鏈路兩端的對(duì)準(zhǔn)和保持這個(gè)技術(shù)難題，清華同方FSO技術(shù)研究小組首次創(chuàng)新的將一種光學(xué)器件應(yīng)用在無(wú)線光通信產(chǎn)品中，并加以自主專利技術(shù)的控制算法和DSP信息處理技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的靈敏度。在無(wú)需GPS的幫助下，在短短幾秒內(nèi)完成初始鏈路連接。無(wú)論建筑物晃動(dòng)還是其他外力因素干擾時(shí)，都能自動(dòng)跟蹤，保持通訊。在任何干擾下重新對(duì)準(zhǔn)的時(shí)間在幾毫秒內(nèi)。 
    環(huán)境干擾也是FSO要克服的難題之一，目前國(guó)外也沒(méi)有很好的解決方案。人工環(huán)境是清華同方擁有自主技術(shù)并堅(jiān)持發(fā)展的主要領(lǐng)域，在清華同方FSO系統(tǒng)中，就采用了同方的環(huán)境控制技術(shù)和封裝技術(shù)，使清華同方FSO系統(tǒng)不受環(huán)境、氣候、季節(jié)的影響，而能全天候工作。 
    為克服惡劣天氣對(duì)光傳播的影響，不少公司都提出了各具特色的設(shè)想和產(chǎn)品，做得最好的能將LINK MARGIN值提高到40dB。Attochron公司已經(jīng)做出了對(duì)付大霧的產(chǎn)品。但是從技術(shù)上說(shuō)，對(duì)付大霧的最佳方案還是無(wú)線電波。無(wú)線電波的頻率比光低很多，可以輕松穿過(guò)濃霧；但在普通的無(wú)線頻譜內(nèi)，不可避免地又會(huì)遇到普通無(wú)線電技術(shù)所無(wú)法回避的一系列麻煩。因此，專家們打起了傳統(tǒng)無(wú)線頻譜之外的無(wú)線頻譜的主意。目前，還未被開(kāi)發(fā)利用的頻譜基本集中在T-RAY頻段，這一頻段與紅外光極其接近。工作在這一頻段的FSO設(shè)備可以將無(wú)線電波和可見(jiàn)光的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，在濃霧天氣中也可以高速傳輸數(shù)據(jù)。目前，T-RAY頻段的光通信設(shè)備還在研制階段。同時(shí)，另一類工作在高頻段的無(wú)線通信設(shè)備已經(jīng)面世。 
    W頻段微波設(shè)備也有其弱點(diǎn)：大霧奈何不了它，但雨天對(duì)它則有很明顯的影響。因此，在部署這類設(shè)備前，要分析當(dāng)?shù)亟涤甑哪昶骄植家?guī)律。顯而易見(jiàn)，在終年無(wú)雨的地區(qū)，W頻段設(shè)備是最佳選擇，在常年沒(méi)有霧的地區(qū)，用FSO最合適。除此之外，把二種設(shè)備結(jié)合起來(lái)使用是最現(xiàn)實(shí)的選擇。 
    現(xiàn)在，已有廠商推出了結(jié)合FSO技術(shù)和W頻段無(wú)線技術(shù)的復(fù)合型產(chǎn)品，在極端天氣出現(xiàn)時(shí)，設(shè)備可自動(dòng)在FSO和W頻段模式間切換。在一般天氣里，兩類設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，其中一臺(tái)作為冗余備份，這一方面可將可靠性從單臺(tái)的99%提高到99.99%，另一方面還可防止意外的光線遮擋。綜合W頻段無(wú)線技術(shù)和FSO技術(shù)的復(fù)合型設(shè)備現(xiàn)在還比較昂貴，但不久價(jià)格會(huì)有大幅下降。專家介紹，要把在寬帶建設(shè)大潮中鋪設(shè)的光纖資源充分利用起來(lái)，W頻段無(wú)線技術(shù)和FSO依然是最佳的選擇。除了企業(yè)應(yīng)用，無(wú)線光網(wǎng)還可用來(lái)連接3G網(wǎng)絡(luò)的基站，這樣，FSO的應(yīng)用發(fā)展前景將更加廣闊。 
     四、結(jié)束語(yǔ) 
     光空間通信技術(shù)接入作為一種寬帶的技術(shù)，主要的特點(diǎn)是能以較靈活的無(wú)線方式，在短距離內(nèi)，以比現(xiàn)有系統(tǒng)低得多的投資，能獲得光纖傳送的容量。由于無(wú)需向主管部門(mén)申請(qǐng)頻率和許可證，在不便于光纜裝設(shè)的環(huán)境或臨時(shí)事件需要，可作為一種新的選擇。在氣候條件較好的城市的高層建筑之間、校園內(nèi)、軍事上也有使用價(jià)值。今后，隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，流媒體視頻等要求更高帶寬應(yīng)用的普及，對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍的要求更為嚴(yán)格。作為光纖的一種補(bǔ)充方式，光空間通信技術(shù)接入是可能占有更重要的地位的。