光無(wú)線通信系統(tǒng)技術(shù)探悉

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

1、引言

　　20世紀(jì)90年代后期，全球通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始大規(guī)模擴(kuò)容，先是廣域網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，接著是城域網(wǎng)的大量建設(shè)。與此同時(shí)，用戶內(nèi)部的局域網(wǎng)以及吉比特以太網(wǎng)快速增長(zhǎng)。將這些高速的局域網(wǎng)和吉比特以太網(wǎng)連接到運(yùn)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(tǒng)的局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)都無(wú)法滿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(qǐng)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)線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無(wú)線通信結(jié)合的產(chǎn)物，光無(wú)線通信技術(shù)隨著激光器件的工程開(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(hào)通過(guò)大氣空間，而不是通過(guò)光纖傳送信號(hào)。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，這種系統(tǒng)的物理組成也是非常簡(jiǎn)單的，用戶無(wú)需申請(qǐng)無(wú)線頻率，而且起始投資低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，能快速裝設(shè)，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于系統(tǒng)具有傳輸速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活、在跨江跨河等不具備有線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)隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，在許多寬帶的技術(shù)之中，光無(wú)線通信以其容量和價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，也受到越來(lái)越多電信營(yíng)運(yùn)公司的注意，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。已商用的這類系統(tǒng)，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些試驗(yàn)采用波分復(fù)用，達(dá)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(nèi)使用，一般限于2km以下。但在許多場(chǎng)合之下，作為一種獨(dú)特的方式，光無(wú)線接入可以起到很好的作用，成為當(dāng)前已有幾種寬帶接入方式很好的補(bǔ)充手段。

2、光無(wú)線通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)

　　光無(wú)線通信是一種視距傳輸技術(shù)，其基礎(chǔ)是電—光和光—電的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、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(xiàn)后最先研制的是光無(wú)線通信系統(tǒng)。光無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、信道容量大、發(fā)射天線小、保密性好及抗電磁干擾等，除此以外，光無(wú)線通信不需要執(zhí)照許可，不需要鋪設(shè)電纜，不需要挖溝，不需要租用線路，不需要頻譜規(guī)劃，建設(shè)周期短，對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響。寬帶光無(wú)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(wú)線通信因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注。

　　一個(gè)光無(wú)線通信系統(tǒng)如圖1所示，包括三個(gè)部分：發(fā)射機(jī)、信道和接收機(jī)。光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，并通過(guò)作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)經(jīng)過(guò)空間送到接收端的望遠(yuǎn)鏡。高靈敏度的光接收機(jī)，將望遠(yuǎn)鏡收到的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，值得注意的是，發(fā)送端和接收端之間，必須是互相視線可見(jiàn)的，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)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)線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.5斗m紅外波段。0.85μm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。1.5μm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)。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(guī)定允許1.5μm波長(zhǎng)設(shè)備的功率可以比0.85μm的設(shè)備高2個(gè)等級(jí)，1550 nm波長(zhǎng)的光無(wú)線通信具有更廣闊的使用前景。

圖1　光無(wú)線通信系統(tǒng)示意圖 {{分頁(yè)}}

　　光無(wú)線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星形（點(diǎn)到多點(diǎn)）、和格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）三種結(jié)構(gòu)。點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，目前已使用的系統(tǒng)多數(shù)采用此結(jié)構(gòu)，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來(lái)連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點(diǎn)到點(diǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立的鏈路，網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(kuò)展，光鏈路沒(méi)有任何保護(hù)，有一個(gè)點(diǎn)出故障，鏈路就中斷。所以它不適合電信級(jí)系統(tǒng)。星形（點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)）的優(yōu)點(diǎn)是可以把業(yè)務(wù)集中到一點(diǎn)（集線器或中心節(jié)點(diǎn)）再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)是能提供的帶寬較少；每條鏈路仍無(wú)冗余保護(hù)，可靠性較差；為了在視距內(nèi)連接盡可能多的大樓，集線器的位置非常關(guān)鍵，集線器的成本一般較高。但有一種點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，只不過(guò)在中心節(jié)點(diǎn)集中放置了多個(gè)針對(duì)不同方向的終端，因此其好處是有專用的帶寬、可擴(kuò)展、能為單個(gè)用戶提供服務(wù)。格形（網(wǎng)狀網(wǎng)）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(hù)，即具有服務(wù)恢復(fù)或服務(wù)冗余度的特點(diǎn)。網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(jí)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(guī)劃復(fù)雜。

3、光無(wú)線通信的存在的主要問(wèn)題及解決方案

　　盡管光無(wú)線通信有許多優(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(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過(guò)一定距離時(shí)波束就會(huì)變寬導(dǎo)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(yuǎn)只能達(dá)到4km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%的穩(wěn)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(tǒng)性能最大的問(wèn)題是大氣介質(zhì)對(duì)光信號(hào)的衰減，對(duì)天氣非常敏感是FSO的另一個(gè)主要問(wèn)題。晴天對(duì)FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧的影響較大。據(jù)測(cè)試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5～15dB/km、雨，20～50dB/km、雪，50～150dB/km、霧，50-300dB/km。可見(jiàn)影響最大是霧，這是因?yàn)樗麄冎械纳⑸淞Ｗ拥陌霃脚c激光的波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成空間、角度和時(shí)間上的擴(kuò)展，如圖2所示。對(duì)于這種大氣現(xiàn)象處理的方式，與微波通信中對(duì)待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠?jì)算中，為光信號(hào)的衰減，留有足夠的系統(tǒng)功率余度。以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下，仍能接收到所需的光信號(hào)功率。重要的是要獲得所在地長(zhǎng)期的氣象統(tǒng)計(jì)資料，能夠知道不同等級(jí)（能見(jiàn)度）的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標(biāo)出現(xiàn)的概率，就能確定光無(wú)線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(biāo)（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(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無(wú)線系統(tǒng)，可能傳送的距離，要比無(wú)霧或少霧的地區(qū)短得多。所以，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一定要考慮地區(qū)的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視線傳播，使發(fā)送的光信號(hào)在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠(yuǎn)鏡，不會(huì)因?yàn)榇髿庹凵渎实钠鸱x目標(biāo)。此外，建筑物結(jié)構(gòu)的熱膨或晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動(dòng)可達(dá)樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對(duì)準(zhǔn)和跟蹤是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國(guó)內(nèi)外普遍采用擴(kuò)束法、多束法和動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)的克服這些缺陷。擴(kuò)束法是展寬激光的發(fā)射光束，如圖3所示，當(dāng)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(yuǎn)光斑就越大。但擴(kuò)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(guó)內(nèi)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(kuò)大可接受面積。

圖3　擴(kuò)束法示意圖

　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)FSO系統(tǒng)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(biāo)，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機(jī)的靈敏度，但擴(kuò)束法和多束法對(duì)性能指標(biāo)的改善有限，于是動(dòng)態(tài)跟蹤法就應(yīng)運(yùn)而生，是利用伺服系統(tǒng)通過(guò)反饋裝置獲得光束偏差信息，調(diào)整可調(diào)微鏡，使光束時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)接收器。采用動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，一般采用雙反饋方式，外反饋是位置探測(cè)器輸出的入射激光束的位置誤差信號(hào)，內(nèi)反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調(diào)微鏡的位置信號(hào)，入射激光束通過(guò)接受光學(xué)系統(tǒng)后，聚集到位置探測(cè)器上，位置探測(cè)器將激光束的位置誤差信號(hào)輸出到主處理器，同時(shí)可調(diào)微鏡位置探測(cè)器將探測(cè)到的微鏡位置信號(hào)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(jì)算，輸出的角度控制信號(hào)控制伺服系統(tǒng)調(diào)整可調(diào)微鏡，使接收光學(xué)系統(tǒng)始終對(duì)準(zhǔn)入射激光束。

圖4　動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu) {{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(duì)人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。由于這類系統(tǒng)采用的是毫瓦量級(jí)的小功率光源，其主要的危險(xiǎn)是激光對(duì)肉眼造成的，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)。

4、光無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用

　　國(guó)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(shè)備最初來(lái)到中國(guó)應(yīng)該在2000年前后，那時(shí)國(guó)內(nèi)從事FSO研究的主要是一些具有軍方研究項(xiàng)目的研究所。目前國(guó)內(nèi)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(zhǔn)要求、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)步，光無(wú)線通信盡管仍存在不少問(wèn)題，但其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。目前，光無(wú)線通信的優(yōu)勢(shì)正在逐漸吸引電信運(yùn)營(yíng)商，而其劣勢(shì)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)線通信在大氣中的可視距離范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全天候“最后一公里”無(wú)線光通信已經(jīng)沒(méi)有技術(shù)障礙。光無(wú)線通信系統(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)。任何技術(shù)要想取得真正的成功，必須經(jīng)受住市場(chǎng)與用戶的考驗(yàn)。由于光纖成本過(guò)高，用戶無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來(lái)的便利，于是，F(xiàn)SO成了他們實(shí)現(xiàn)“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(shè)成本要高、建設(shè)周期要長(zhǎng)、所提供的帶寬更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及FSO。FSO的另一個(gè)主要應(yīng)用是作為光纖通信系統(tǒng)的備份，即對(duì)光纖通信設(shè)施進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)時(shí)，選用FSO作為備份鏈路，以節(jié)省投資。FSO還可以用于城域網(wǎng)的擴(kuò)展，即在現(xiàn)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(xiàn)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)?？梢?jiàn)，自由空間光通信技術(shù)有著廣闊的市場(chǎng)需求。Strategis Group曾預(yù)測(cè)FSO設(shè)備的全球銷售額將在2005年達(dá)到20億美元。這也表明了業(yè)界對(duì)FSO技術(shù)的看好。

　　到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，在悉尼奧運(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100Mbit/s的數(shù)據(jù)連接。Air-fiber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)。2003年5月，佳能美國(guó)公司宣布他們的多套自由空間光通信FSO系統(tǒng)成功應(yīng)用到美國(guó)紐約州地方法院系統(tǒng)，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(guó)內(nèi)，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購(gòu)至少50套無(wú)線光通信設(shè)備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng)。上海鐵通表示采用Terabeam的設(shè)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。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中國(guó)長(zhǎng)城寬帶公司將選擇他們的設(shè)備建設(shè)15個(gè)城市的寬帶網(wǎng)絡(luò)，Terabeam的設(shè)備已經(jīng)在上海和重慶作為跨江的通信設(shè)備投入應(yīng)用。

5、結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)前，用戶對(duì)高速數(shù)據(jù)服務(wù)日益高漲的需求與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金相對(duì)短缺的矛盾，是困擾服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)現(xiàn)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(fèi)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。在本質(zhì)上FSO是一種連接方式，而非覆蓋方式。所以，F(xiàn)SO通信是以一種補(bǔ)充的角色出現(xiàn)的，但FSO有自己的獨(dú)特的市場(chǎng)定位：在其他接入方式鞭長(zhǎng)莫及或力不從心的一些特殊場(chǎng)合下發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。