光无线通信系统技术及其应用探悉

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无线通信技术或称自由空间光通信（FSO，Free Space Optical communication）可作为一种宽带接入方式，是光通信和无线通信结合的产物，具有容量大、速率高和价格低的优势，在通信领域占有越来越重要的地位。在分析光无线通信系统的技术的基础上，探析光无线通信的存在的问题及关键技术，并展望光无线通信的应用前景。
1、引言
20世纪90年代后期，全球通信网络开始大规模扩容，先是广域网的不断扩展，接着是城域网的大量建设。与此同时，用户内部的局域网以及吉比特以太网快速增长。将这些高速的局域网和吉比特以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。由于传统的局域网、互联网、企业网都无法满足超大传输容量的要求，光纤虽能解决传输速率的问题，但“最后一英里”的昂贵和耗时却限制了它的发展，事实上，许多无线通信技术能解决“最后一英里”问题，但却存在频率通道的拥挤以及申请和电磁辐射的暴露的安全问题，如何提供快速、低价、安全的宽带接入，成为迫切需要解决的问题。光的无线宽带传输是新近发展的接入方式，是光通信和无线通信结合的产物，光无线通信技术随着激光器件的工程开发利用成熟而日趋发展。利用高度集中的光束穿透大气空间作为信息的传输载体，以地面两点之间的空气为传输介质，它利用光束信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号。这种技术的接入系统在组成结构上与光纤传送系统非常相似，这种系统的物理组成也是非常简单的，用户无需申请无线频率，而且起始投资低，运营费用低，能快速装设，可提供与光纤系统相似的传送带宽。由于系统具有传输速率快、结构简单、组网灵活、在跨江跨河等不具备有线接入和需快速组建通信网络的场合有很高的使用价值，同时随着互联网应用的兴起，在许多宽带的技术之中，光无线通信以其容量和价格的优势，也受到越来越多电信营运公司的注意，应用范围不断扩大。已商用的这类系统，容量从100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些试验采用波分复用，达到160Gbit/s的速率。尽管受到气象条件的限制，只能在较短的距离内使用，一般限于2km以下。但在许多场合之下，作为一种独特的方式，光无线接入可以起到很好的作用，成为当前已有几种宽带接入方式很好的补充手段。
2、光无线通信网的基本结构和技术
光无线通信是一种视距传输技术，其基础是电—光和光—电的转换，可以实现数据、影像和语音等的传输，以大气作为媒质。实际上激光出现后最先研制的是光无线通信系统。光无线通信的优点是传输距离远、信道容量大、发射天线小、保密性好及抗电磁干扰等，除此以外，光无线通信不需要执照许可，不需要铺设电缆，不需要挖沟，不需要租用线路，不需要频谱规划，建设周期短，对环境没有影响。宽带光无线通信的电子频谱位于极高的光频段，不存在微波等电磁干扰。光无线通信因为这些优点，越来越受到关注。
一个光无线通信系统如图1所示，包括三个部分：发射机、信道和接收机。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过空间送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号，值得注意的是，发送端和接收端之间，必须是互相视线可见的，两终端之间不能有阻挡。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用0.85μm或1.5斗m红外波段。0.85μm的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。1.5μm的设备价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1.5μm的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1.5μm波长设备的功率可以比0.85μm的设备高2个等级，1550 nm波长的光无线通信具有更广阔的使用前景。

图1 光无线通信系统示意图

光无线通信网按照组网的结构来说，可组成点对点、星形（点到多点）、和格形（网状网）三种结构。点到点结构是最简单的网络拓扑，目前已使用的系统多数采用此结构，其原因是大多数系统只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为高带宽的专线连接。点到点结构的优点是独立的链路，网络规划简单；其缺点也很多，例如不能低成本有效地进行扩展，光链路没有任何保护，有一个点出故障，链路就中断。所以它不适合电信级系统。星形（点到多点结构）的优点是可以把业务集中到一点（集线器或中心节点）再接入核心网，效率较高、比较经济。缺点是能提供的带宽较少；每条链路仍无冗余保护，可靠性较差；为了在视距内连接尽可能多的大楼，集线器的位置非常关键，集线器的成本一般较高。但有一种点到多点结构实际上是点到点传输，只不过在中心节点集中放置了多个针对不同方向的终端，因此其好处是有专用的带宽、可扩展、能为单个用户提供服务。格形（网状网）结构的主要优点是通过多个网络节点可以提供几乎实时的迂回链路，使服务得到保护，即具有服务恢复或服务冗余度的特点。网状网结构还可以把业务集中到某些特定点，再有效地接入网络，比较符合电信级的要求。其缺点是传输距离短、成本高（每大楼多条链路），网络规划复杂。

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3、光无线通信的存在的主要问题及解决方案
尽管光无线通信有许多优点，但也存在以下几点主要问题。
FSO（自由空间光通信）是一种视距宽带通信技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4km。多种因素影响其达不到99.999%的稳定性。为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。
FSO系统性能最大的问题是大气介质对光信号的衰减，对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾的影响较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5～15dB/km、雨，20～50dB/km、雪，50～150dB/km、雾，50-300dB/km。可见影响最大是雾，这是因为他们中的散射粒子的半径与激光的波长在同一数量级上，而且散射粒子非常集中，从而使光线的传播方向发生偏转，造成空间、角度和时间上的扩展，如图2所示。对于这种大气现象处理的方式，与微波通信中对待雨衰相似。要在系统传输的计算中，为光信号的衰减，留有足够的系统功率余度。以便在出现浓雾最大衰减的情况下，仍能接收到所需的光信号功率。重要的是要获得所在地长期的气象统计资料，能够知道不同等级（能见度）的雾，即不同衰减的大气介质出现的统计规律。如果了解到衰减值大于某一指标出现的概率，就能确定光无线系统为了保证可用性的指标（比如，99.9%），需要容纳多大的大气损耗。而传送的距离为：

图2  光子大气传播示意

显而易见，在经常出现浓雾的地区，同样的光无线系统，可能传送的距离，要比无雾或少雾的地区短得多。所以，系统的设计，一定要考虑地区的气象条件，以保证良好的性能。FSO系统在发射机和接收机之间需要严格的视线传播，使发送的光信号在接收端的光瓣能够覆盖接收望远镜，不会因为大气折射率的起伏而漂离目标。此外，建筑物结构的热膨或晃动将影响两个点之间的激光对准，实际测量中发现，大楼顶部的水平移动可达楼高的1/800～1/200。为保证可靠的数据传输，FSO系统的光链路两端的激光束的对准和跟踪是系统的关键技术之一。目前在国内外普遍采用扩束法、多束法和动态跟踪技术的克服这些缺陷。扩束法是展宽激光的发射光束，如图3所示，当发射角为2θm。时，在1km处可以得到直径为2θm。光斑，θ越大或传输距离越远光斑就越大。但扩束法降低了接收端的光斑能量密度，传输距离和速度受到影响和限制，于是国内外又提出了多束法，利用多个激光器和发射镜同时发射激光束，每个光束都以相同的发射角发射，在接收端就得到一个大而相互重叠的激光光斑，从而提高了接收端的能量密度，也扩大可接受面积。

图3  扩束法示意图

随着通信技术的发展，对FSO系统的传输速率和距离均提出了更高的要求，如果要提高这两个技术指标，就必须要增大激光器的发射功率和提高接收机的灵敏度，但扩束法和多束法对性能指标的改善有限，于是动态跟踪法就应运而生，是利用伺服系统通过反馈装置获得光束偏差信息，调整可调微镜，使光束时刻对准接收器。采用动态跟踪技术的FSO系统设备功能结构如图4所示，一般采用双反馈方式，外反馈是位置探测器输出的入射激光束的位置误差信号，内反馈是伺服系统控制的可调微镜的位置信号，入射激光束通过接受光学系统后，聚集到位置探测器上，位置探测器将激光束的位置误差信号输出到主处理器，同时可调微镜位置探测器将探测到的微镜位置信号送到控制处理器中，控制处理器利用优化的跟踪算法进行计算，输出的角度控制信号控制伺服系统调整可调微镜，使接收光学系统始终对准入射激光束。

图4  动态跟踪技术FSO系统设备功能结构

激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。由于这类系统采用的是毫瓦量级的小功率光源，其主要的危险是激光对肉眼造成的，所以产品要符合眼睛安全标准。
4、光无线通信技术的应用
国外已经开始了将近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。FSO设备最初来到中国应该在2000年前后，那时国内从事FSO研究的主要是一些具有军方研究项目的研究所。目前国内FSO的发展还基本在起步阶段，但在发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准要求、热稳定性和机械稳定性等关键技术近几年已取得明显进步，光无线通信尽管仍存在不少问题，但其技术优势更为明显。目前，光无线通信的优势正在逐渐吸引电信运营商，而其劣势正在被技术的进步所抵消，由于技术的进步，光无线通信在大气中的可视距离范围内，实现全天候“最后一公里”无线光通信已经没有技术障碍。光无线通信系统是一种物美价廉，有广泛应用前景和巨大市场潜力的通信系统。任何技术要想取得真正的成功，必须经受住市场与用户的考验。由于光纤成本过高，用户无法在短期内实现光纤接入，而他们却渴望享受宽带接入带来的便利，于是，FSO成了他们实现“最后一公里”宽带接入的替代选择。需要指出的是DSL、LMDS和以太网是目前宽带接入的主流方式，但和FSO相比，它们建设成本要高、建设周期要长、所提供的带宽更是远远不及FSO。FSO的另一个主要应用是作为光纤通信系统的备份，即对光纤通信设施进行冗余备份设计时，选用FSO作为备份链路，以节省投资。FSO还可以用于城域网的扩展，即在现有城域网上向外延伸、连接新的网络；FSO还非常适用于企业网、校园网等局域网，实现各局域网网段的互联。可见，自由空间光通信技术有着广阔的市场需求。Strategis Group曾预测FSO设备的全球销售额将在2005年达到20亿美元。这也表明了业界对FSO技术的看好。

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到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mbit/s的数据连接。Air-fiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。2003年5月，佳能美国公司宣布他们的多套自由空间光通信FSO系统成功应用到美国纽约州地方法院系统，并在911恐怖袭击之后的重建工作中发挥了出色作用。在国内，2003年3月17日上海铁通宣布已经采购至少50套无线光通信设备厂商Terabeam的FSO系统。上海铁通表示采用Terabeam的设备将大大缩短他们提供服务的时间，有利于他们获得新客户。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中国长城宽带公司将选择他们的设备建设15个城市的宽带网络，Terabeam的设备已经在上海和重庆作为跨江的通信设备投入应用。
5、结束语
当前，用户对高速数据服务日益高涨的需求与网络基础设施建设资金相对短缺的矛盾，是困扰服务运营商的一个现实问题。FSO作为一种宽带接入方式，具有高带宽、低误码率、部署迅捷、费用合理、体积小、安全性高等特点，很多企业把FSO网络与光纤网、微波网和高频段无线网结合起来使用，发挥各自的优点，弥补彼此的不足。在本质上FSO是一种连接方式，而非覆盖方式。所以，FSO通信是以一种补充的角色出现的，但FSO有自己的独特的市场定位：在其他接入方式鞭长莫及或力不从心的一些特殊场合下发挥其优势。