光空間通信(FSO)技術應用發展

    一、光空間通信技術（FSO） 
    自由空間光通信或稱無線光通信（FSO：Free Space Optical Communication）是一種寬帶接入方式。FSO是光通信和無線通信結合的產物，是用小功率紅外激光束在大氣中傳送光信號的通信系統，也可以理解為是以大氣為介質的激光通信系統。FSO有兩種工作波長：850納米和1550納米。850納米的設備相對便宜，一般應用在傳輸距離不太遠的場合。1550納米的設備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現。1550納米的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網膜，因此，相關安全規定允許1550納米波長設備的功率可以比850納米的設備高2個等級。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的影響。FSO和光纖通信一樣，具有頻帶寬的優勢，能支持155Mbps－10Gbps的傳輸速率，傳輸距離可達2～4公里，但通常在一公里有穩定的傳輸效果。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勢。 
    由于激光具有直線性和窄波束的特點，FSO主要用于點對點視距傳輸。使用時，要求通信兩點間必須無阻礙，任何對光束的遮擋都將對通信造成影響。同時，要求兩端設備對準且固定牢穩，以保證對光信號的直接有效接收。由于采用激光通信，信號方向性強，能量集中，不向空中其它方向產生輻射，因此，FSO系統不會同頻干擾，即使鏈路交叉也不影響通信，因此，同一地點可以裝多套FSO設備。FSO是物理層傳輸設備，以光為傳輸媒介，任何傳輸協議均可容易地疊加上去，對語音、數據、圖像等業務可以實現透明傳送。 
    在基礎網的建設方面，使用光纖技術的高速網絡正在不斷完善。與此同時，光空間通信方式作為高速網絡最后一公里的寬帶通信方式，近來正受到各方面的關注。特別是，在城市寬帶網絡建設中，由于市政建設基本定形，新設光纖的施工需要繁瑣的市政批準。有些地方如跨鐵路、公路的施工非常困難，該通信方式的實用化對城市高速寬帶通信網絡的建設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的有線通信方式和利用光空間通信技術(FSO)的無線通信方式兩種。光空間通信方式是將自由空間作為傳送媒體，主要用半導體振蕩器做光源，以激光束的形式在空間傳送信息。對該領域的開發研究曾經風行一時。最近幾年，由于光空間通信所需要的各種設備的價格下降導致光空間通信裝置本身的價格降低，同時，光空間通信所持有的簡便性、寬帶性、無電磁干擾性、無需申請政府批準等特性，使得這種通信方式重新受到廣泛的關注。 
    二、光空間通信技術應用 
    FSO網絡主要有3種拓撲結構：點到點、點到多點（星形）和網狀，也可以把它們組合起來使用。FSO技術相對是簡單的，相連的二個FSO單位均由一個激光發射器和一個接收器所組成，以提供全雙工能力。FSO一方通過將調制后的激光通過透鏡發送，另一方的透鏡接收后將信號經由光纖連至一個高敏感接收器加以解調。 
    光無線通信系統，特別是寬帶應用，以前只限于國防和企業專用網，因為距離短，而可靠性不需太嚴格。近年來，應用范圍開始擴展到公用電信網；一方面，寬帶接入的需求旺盛。而現場的具體條件，常常令傳統的一些技術遇到難以克服的困難。另一方面，公網所需的可用性，已在一定程度上，得到光無線系統的保證。已經有一些不同的措施，經試驗獲得較好的效果。 
    光空間通信的設置施工簡單，短時間內可實現點對點大容量通信，因此，對于大容量的臨時線路，以及災害后的通信恢復工程是一種有效的選擇。 
    1、FSO與其他接入技術的比較優點如下： 
    1）快速鏈路部署。因為不需要埋設光纖和等待各種手續上的問題，FSO可以在短至幾天內完成連接。FSO的無線接收器大小如同一部保安攝像機，可以輕而易舉地安裝在屋頂、屋內甚至窗外。 
    2）無需頻譜許可證。無線光通訊因設備間沒有信號的相互干擾，故無需像無線電通訊（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。 
    3）帶寬高。如果采取點到點的組網方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點到多點的組網方式中，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。FSO的波束很窄，定向性非常好，非可視光，夜間也無法發現，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。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。 
    5）協議透明。FSO以光為傳輸媒介，任何傳輸協議均可容易地疊加上去，對語音、數據、圖像等業務可以做到透明傳送。 
    6）成本低。FSO的成本是光纖到樓的1/10～1/3。 
    7）便攜性。當公司搬遷或臨時駐軍時，無需重新安裝光纖從而節約成本。 
    FSO在本地網和邊緣網等近距離高速網的建設中大有用武之地。具體應用如下： 
    城域網擴展：在現有城域網上向外延伸、連接新的網絡或者在網絡核心建設SONET環路等。 
    企業內部網互聯：企業局域網的各網段往往被大樓或大樓間的道路所分隔，FSO設備安裝的簡易性使它非常適合用來實現企業內各局域網網段的互聯，輕松解決大樓間的復雜地貌帶來的挖溝布線難題。 
    光纖通信系統的備份：在對光纖通信設施進行冗余備份設計時，可用FSO作為備份鏈路。 
    無線基站數據回傳：FSO可用來將移動電話天線塔接收的信號回傳至與有線公用電話網相連的中心交換設備。 
   .最后一公里接入：在最終用戶和服務提供商間建立高速連接，或在本地環網絡中為相關業務提供高速鏈接服務。 
    從上圖中可以看出，在目前許多企業和機構都不具備光纖線路，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”瓶頸問題的有效途徑。 
    2、“最后一公里”的新方案 
    FSO系統是一種物美價廉，有廣泛應用前景和巨大市場潛力的通信系統。由于它的技術特點，在解決寬帶網絡“最后一公里”瓶頸方面有著重要意義和作用： 
    骨干網的擴展：通信服務廠商在骨干網建設上花費大量資金，以提升網絡整體性能與快速發展的市場需求。但是，在最后一公里的建設上，通信服務廠商卻著力不多，而其實很多網絡應用的瓶頸不在骨干網上而是在最后一公里。為了在現有的骨干網上，快速進行擴展和向外延伸，FSO是一種不錯的選擇。 
    光纖網絡的備援：目前大多數電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構建的商業應用網的安全?，F在，運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統作為備份光纖的冗余鏈路，以節省投資。 
    寬頻接入：目前主干網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，客戶端網絡的頻寬也從10 Mbit/s增加到100Mbit/s，再到Gb的以太網絡。僅網絡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。無線通信的寬頻網絡接入瓶頸更為嚴重，因此，在此部分FSO有很大的發展空間。 
    企業應用： 
    由于FSO是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發器裝設在樓頂或窗外傳輸數據。FSO的靈活性使它可以應用于許多企業和學校，例如企業LAN到LAN的連接及校園網的連接。以FSO來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。 
    無線基地臺數據的回傳：FSO亦可用來接取行動電話基地臺與交換中心，將基地臺接收的信號傳至與有線公用電話網相連的交換中心設備。 
    其它需要高速接取的終端：由于FSO網絡建設時成本低、操作簡單，因此可以用在其它高速連接的終端應用。如：樓與樓之間、橫跨諸如公路與河流之類復雜地形、災難恢復及臨時解決方案的網絡快速部署方案。 
    3、代替光纖連接企業網 
    FSO通信設備最初是無線設備生產商為寬帶服務運營商開發的一種在不易進行光纖布線的地段代替光纖設備的網絡連接方案，現在被很多企業用戶看好，紛紛用在了企業內部網的互聯建設上。企業看好FSO的理由有三點：一是綜合成本低，用它可以省去租用專線和鋪設光纖的一大筆費用；二是通信質量好，無線光通信是一種本地環路技術，最低速度為45Mbps（相當于T3線路），最高為2.5Gbps（相當于OC-48線路）；三是運營商級的通信質量足以滿足企業網絡應用的各種要求。目前，很多企業把FSO網絡與光纖網、微波網和高頻段無線網結合起來使用，發揮各自的優點，彌補彼此的不足。 
    4、國內外應用成功案例 
    目前，將FSO應用于商業服務比較典型的公司有Terabeam和Airfiber。在2000年悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現了利用FSO設備向客戶提供100Mb/s的數據連接。該公司還計劃4年內在全美建設100個FSO城市網絡。而Airfiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網與光纖網(SONET)通過光節點連接在一起，完成了該地區整個光網絡的建設。 
    在國內，清華同方研究發展中心一直致力于“Last Mile”解決方案的探索，于2001年12月成立了“FSO技術跟蹤研究小組”，并推出自由空間光通訊產品TFOW 100-1，完成了1000米點到點通訊樣機的檢測。 
    三、國內外光空間通信技術發展 
    FSO技術出現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候可能無法使用，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。但隨著企業對短距離高速率傳輸的要求越來越多，FSO還是有了自己的發展空間。這是因為，FSO與802.11b/a乃至LMDS等其他無線連網手段相比，還是具有：一是速率高，實驗室中研制的FSO設備甚至能達到160Gbps；二是無需申請頻段使用執照；三是安全性高，它雖是無線，在安全上卻相當于光纖通信的水平等優勢成為被長期關注的一項技術。 
    國外光空間通信產品為了提高通信距離和對準度，往往加大激光管發射功率、采用多光束同步發射和大孔徑光學接收天線。從而使激光管壽命減少、光斑很大，且系統成本增高。清華同方FSO系統采用了有自主產權的自動跟蹤和自動搜索技術，激光管僅在毫瓦級上工作，用很小的光斑即完成相同距離的通信，使系統成本大大降低。國外同類產品難以克服當太陽光直射時的干擾，清華同方FSO系統打破了傳統的濾波手段，而采用自主專利技術的電路設計方案和軟件控制技術，使得系統在太陽光直射時，也能快速精確對準和保持光鏈路的連接。 
    針對光空間通信技術中快速光鏈路兩端的對準和保持這個技術難題，清華同方FSO技術研究小組首次創新的將一種光學器件應用在無線光通信產品中，并加以自主專利技術的控制算法和DSP信息處理技術，大大提高了系統的靈敏度。在無需GPS的幫助下，在短短幾秒內完成初始鏈路連接。無論建筑物晃動還是其他外力因素干擾時，都能自動跟蹤，保持通訊。在任何干擾下重新對準的時間在幾毫秒內。 
    環境干擾也是FSO要克服的難題之一，目前國外也沒有很好的解決方案。人工環境是清華同方擁有自主技術并堅持發展的主要領域，在清華同方FSO系統中，就采用了同方的環境控制技術和封裝技術，使清華同方FSO系統不受環境、氣候、季節的影響，而能全天候工作。 
    為克服惡劣天氣對光傳播的影響，不少公司都提出了各具特色的設想和產品，做得最好的能將LINK MARGIN值提高到40dB。Attochron公司已經做出了對付大霧的產品。但是從技術上說，對付大霧的最佳方案還是無線電波。無線電波的頻率比光低很多，可以輕松穿過濃霧；但在普通的無線頻譜內，不可避免地又會遇到普通無線電技術所無法回避的一系列麻煩。因此，專家們打起了傳統無線頻譜之外的無線頻譜的主意。目前，還未被開發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設備可以將無線電波和可見光的優點結合起來，在濃霧天氣中也可以高速傳輸數據。目前，T-RAY頻段的光通信設備還在研制階段。同時，另一類工作在高頻段的無線通信設備已經面世。 
    W頻段微波設備也有其弱點：大霧奈何不了它，但雨天對它則有很明顯的影響。因此，在部署這類設備前，要分析當地降雨的年平均分布規律。顯而易見，在終年無雨的地區，W頻段設備是最佳選擇，在常年沒有霧的地區，用FSO最合適。除此之外，把二種設備結合起來使用是最現實的選擇。 
    現在，已有廠商推出了結合FSO技術和W頻段無線技術的復合型產品，在極端天氣出現時，設備可自動在FSO和W頻段模式間切換。在一般天氣里，兩類設備同時運行，其中一臺作為冗余備份，這一方面可將可靠性從單臺的99%提高到99.99%，另一方面還可防止意外的光線遮擋。綜合W頻段無線技術和FSO技術的復合型設備現在還比較昂貴，但不久價格會有大幅下降。專家介紹，要把在寬帶建設大潮中鋪設的光纖資源充分利用起來，W頻段無線技術和FSO依然是最佳的選擇。除了企業應用，無線光網還可用來連接3G網絡的基站，這樣，FSO的應用發展前景將更加廣闊。 
     四、結束語 
     光空間通信技術接入作為一種寬帶的技術，主要的特點是能以較靈活的無線方式，在短距離內，以比現有系統低得多的投資，能獲得光纖傳送的容量。由于無需向主管部門申請頻率和許可證，在不便于光纜裝設的環境或臨時事件需要，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、軍事上也有使用價值。今后，隨著寬帶網絡的進一步發展，流媒體視頻等要求更高帶寬應用的普及，對接入網絡的容量和覆蓋范圍的要求更為嚴格。作為光纖的一種補充方式，光空間通信技術接入是可能占有更重要的地位的。