自由空间光通信技术及发展

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一、“最后一公里”的新方案
随着通信网建设的发展，局域网以及千兆以太网开始快速增长，将这些高速的局域网和千兆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。当前有很多接入技术可供选择，比如光纤、微波、XDSL等，但光纤敷设时间长及高额投入限制了普及；微波技术日渐成熟，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），对业务提供商而言，这种接入方式不很经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒质，但XDSL带宽太低；而自由空间光通信FSO（FreeSpaceopticalcommunication），作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面，是解决宽带网络“最后一公里”的传输瓶颈的有效途径，PSO的出现引起了业界广泛地关注。
二、浅识FSO
FSO技术基于传输方式，具有高带宽、部署迅速、费用合理等优势。FSO技术以激光为载体，用点对点或点对多点方式实现连接。虽然FSO通信不需要光纤而是以空气为介质，但由于其设备以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“无线光纤”之称。
最初，FSO通信设备是无线设备生产商，为宽带服务运营商开发的一种在不易进行光纤布线的地段代替光纤设备的网络连接方案。以前只用于国防和实验目的，至今已有30多年历史。FSO技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力，使用相似的光学发射器和接收器，甚至还可以在自由空间实现波分复用（WDM）技术。目前FSO技术已开始走向民用，它即可以提供短距离的网桥解决方案，也可以在服务商的全光网络中扮演重要角色。
FSO是一种新型无线宽带接入方式，是继激光器件发明之后，开始在工程上应用的，它是光纤通信与无线通信相结合的产物。FSO不是用光纤作为传输媒介，而是以大气为媒质，通过激光或光脉冲在太赫兹（THE）光谱范围内传送分组数据的通信系统，其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似，但由于用在接入系统，因而组成更为简单。
一个光的无线传输系统，所用的基本技术，也就是光电的转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，具有全双工（双向）的通信能力。光发射机的光源受到电信号的控制，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。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用0.85微米或1.5微米的红外波段，但是，发送端和接收端之间，互相必须是可视线的，两终端之间不能有阻挡。
FSO网络主要有三种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和网状，也可以把它们组合起来使用。FSO技术相对是简单的，相连的二个FSO单位均由一个激光发射器和一个接收器组成，以提供全双工能力。
FSO产品可以传输数据、语音和影像等内容。目前市场上的产品最高支持2.5bit/s的传输速率，最大传输距离为4千米。不过FSO技术在理论上没有带宽上限，目前，国外160Gbit/s的设备正在研制当中。
三、FSO在国内外的发展及应用
随着器件的成熟，特别是光无线通信大规模应用后，器件价格进一步下降，宽带的光无线接入成为新的应用方向。2001年2月由美国的一些光无线设备制造商联合电信运营商，成立了空间光通信联盟（FSOAlliance）。该组织的宗旨是推动光无线技术的应用，特别是对用户和电信界宣传这种技术的发展前景，消除较普遍存在的误解。该组织已举行了多次会议，对促进FSO系统的大规模推广起到了积极的应用。现在，一些大型的电信设备公司对FSO系统产生了极大的兴趣，如美国的QWEST，英国BT，加拿大NT等公司已开始试用这种系统。比较典型的有Terabeam公司和Airriber公司已将PSO应用于商业服务。在2000年悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备向客户提供100Mbit/s的数据连接。该公司述计划四年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airriber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤SONET网通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。
在国内，清华同方研究发展中心一直致力于“LastMile”解决方案的探索，并于2001年12月成立FSO技术跟踪研究小组，推出了自由空间光通讯产品TFOW100-1，完成了1000米点对点通讯样机的检测，TFOW100-1能提供100Mbit/s的带宽。同国外同类产品相比，该产品采用了小功率激光器，大幅降低了成本，价格只有国外同类产品的几分之一。中国宽带服务供应商长城宽带网络公司（GWBN）宣布将选用Terabeam的向自由空域光通讯产品FSO来拓展其在中国的15个城市的宽带网络，通过Terabeam的系统，GWBN将为大中型商业用户和大型住宅社区提供可靠的宽带服务，尤其是光纤和光缆很难到达或者敷设起来成本昂贵的地方。
咨询公司对光无线产品全球市场值的预测，表明FSO系统今后几年内会有较大的发展，其中美林公司宣称FSO去年的产值约1亿美元，2005年将增长到20亿美元，自由空间光通信技术吸引了电信业几家巨头的巨额投资，Lightpointe公司获得了5150万美元的风险投资，其中有3300万美元来自coringInc和riscosnstems。Airriber公司则赢得9250万美元的投资，其中nortel、networks投资了5000万美元，Terabeam公司则筹集到5.86亿美元的巨资，其中LucentTechnologies就投资了4.5亿美元。
四、FSO技术的优点
1.无需频谱许可证
无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰。FSO与大多数低频段电磁波不同的是，300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用，故无需像无线电通讯（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-I标准）。
2.带宽高
自由空间光通信和光纤通信一样，具有频带高的优势。FSO支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速率，但传输距离为1-2公里，如果采用格形的组网方式，则可支持622Mbit/s的传输速率，传输距离为200-400米。
3.协议透明
FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。
4.成本低廉
由于以大气为传输媒质，免去了昂贵的光纤敷设和维护工作，有资料表明，FSO系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右。
5.快速链路部署
因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，FSO可以在几天内完成连接。FSO的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶，屋内甚至窗外。
6.安全保密性能强
FSO的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性，并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。
7.全天候工作
FSO全天候工作的可靠率达99.999％，远远高于国际规定的通信系统年可靠率95％。
8.便携性
由于发射机和接收端设备小巧轻便，便于携带。当公司或临时驻军时，无需重新安装光纤从而节约成本。
五、FSO存在的主要问题
自由空间光通信系统（FSO）是一种新型的无线宽带接入方式，它是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统，激光的定向性虽然很好，但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。目前测试表明，FSO系统在1公里以下才能获得最佳的效率和质量。另外，由于波束的传输不能受到阻挡，飞鸟也会对FS0产生影响。
另一个主要问题是FSO的传输质量对天气非常敏感。因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多，光波易被水气吸收，
因此晴天对传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天为50-150dB/Km，雾天为50-300dB/Km。国外为解决这个问题，一般会采用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。
影响FSO性能指标的另外两个因素是大风和地震。风力和大气温度的梯度变化会产生气穴，气穴密度的变化将带来光折射率的变化，这会造成光束强度的瞬时突变，即所谓的“闪光”，严重影响FSO的通信传输质量。同时，由于FSO系统的收发设备一般都安装在高楼之上，因此，大风引起的建筑物的晃动或地震也会造成光路的偏移，目前已有“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段可以解决这一问题。
激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率电平的激光有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。
六、结束语
光无线接入作为一种宽带技术，主要的特点是能以较灵活的无线方式，在短距离内，获得光纤传送的能量，无需向主管部门申请频率和许可证。在不便于光缆敷设的环境或临时事件需要时，可作为一种新的选择。FSO可以用于城域网的扩展，也适用于企业网、校园网等局域网，实现各局域网网段的互联。今后，随着宽带网络的进一步发展，要求更高带宽应用的流媒体视频等业务的普及，对接入网络的容量和覆盖范围的要求将更为严格。作为光纤的一种补充方式，光无线接入将占有更重要的地位。