光无线通信技术综述

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       光无线通信技术或称自由空间光通信(FSO,FreeSpaceOpticalCommunication)是一种宽带接入方式,是光通信和无线通信结合的产物,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。

  已商用的光无线通信系统,容量从100Mb/s到2.5Gb/s,也有一些试验采用波分复用,达到更高速率。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2公里以下。但在许多场合,作为一种独特的方式,光无线接入可起到很好的作用,成为当前几种宽带接入方式很好的补充手段。

  光无线通信有两种工作波长:850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对便宜,一般应用在传输距离不太远的场合。1550纳米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。1550纳米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1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。

  当然光无线通信技术并不是凭空突然出现的,早在四十多年之前,激光器件发明之后,这种技术就被工程开发中了。人们希望利用高度集中的光束,穿透大气空间,从而开始了在国防及民用中短距离通信的应用,主要是窄带的通信。到20世纪90年代之后,随着器件的成熟,特别是光纤通信规模应用后,器件价格的进一步下降,性能不断优化,宽带的光无线接入成为新的应用方向。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,受到越来越多电信营运公司的注意,应用范围不断扩大。

  一、光无线通信网的拓扑结构

  光无线通信网按照组网的结构来说,可以有点到点、点到多点(星形)和网状网三种结构,这三种结构可以组合起来使用。

  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。

  点到多点(星形)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。

  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。

  二、光无线通信技术的优点

  光无线通信技术与其他接入技术相比具有如下优点:

  1.部署快速

  因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题,光无线通信可以在几小时,或者几天内完成连接。光无线通信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。

  2.无需频谱许可证

  光无线通信因设备间没有信号的相互干扰,故无需像无线电通信(如微波、LMDS)那样申请频率许可证。

  3.带宽很宽

  如果采取点到点的组网方式,光无线通信能支持155Mb/s~10Gb/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,光无线通信能支持155Mb/s~10Gb/s的传输速率,但传输距离为1~2公里。如果采用网状网的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率,传输距离为200~400米。

  4.抗干扰性强

  光无线通信接入方式是一种新的宽带数据接入业务,在移动用户和数据网络之间提供一种连接,给移动用户提供高速无线宽带接入服务。由于这种技术的频谱位于光频段,微波等对其不会构成干扰。而且这种技术的频谱与大多数中低频段电磁波不同的是,已经达到300GHz以上的数值,这样的电磁波频段的应用在全球都不受管制,可以免费使用,惟一的要求是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限。

  5.不容易出现传输堵塞

  由于光无线通信系统使用点对点的系统,在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后,光无线通信系统到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式,中间没有电转换的介入。这样,光无线通信系统内光信号的流动就没有光电转换的障碍,所以信息在传输时就不会出现信息堵塞现象。

  6.安全保密性强

  光无线通信的波束很窄,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.协议透明

  光无线通信以光为传输媒介,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。

  8.成本低光

  光无线通信的成本是光纤到楼的1/10~1/3。

  9.便携性

  无线通信装置可灵活拆装,移装至其他位置,适于临时、应急的通信。

  三、光无线通信技术的不足

  由于光无线通信系统是利用光束信号通过大气空间来传送的,而信号在大气传递中是不够稳定的,受外在条件影响难以保证可用性。另外,对人身安全性及传送的保密性,也存在疑虑。实际上,经过多年的探索,问题逐渐明朗,而且也找到了办法。

  1.大气介质对光信号的衰减

  波长为850纳米和1550纳米的光信号,主要的衰减来自雾。雾对红外光的作用,类似于雨引起微波的衰落。由于雾中水气微粒对光线的散射作用,使得传送的光线逐渐变弱。雾的浓度变化,对光线衰减的数值有很大的关系。轻雾只有每公里50分贝的损耗,浓雾时可高达每公里300分贝。

  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。

  2.大气引起的漂移

  实用的光无线通信系统还需要保证收发两点之间,光信号良好的准直稳定。使发送的光信号在接收端,光瓣能够覆盖接收机望远镜,不会因为大气折射率的起伏而漂离目标。

  克服这缺陷的常用方式,是有意使发射光束展宽。还有一些产品,采用动态调节的跟踪技术,不仅能应付由大气引起的漂移,当端机所在的建筑物轻微摆动时,还可以保持信号的稳定。

  3.传输距离短

  光无线通信是一种视距技术,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(一般为几公里)波束就会变宽以致难以被接收机正确接收。所以光无线通信一般只限于城市内使用。目前,大部分测试表明,在1公里以下才能获得最佳的效率和质量。

  4.建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准

  对光无线通信来说,为了保证光传输链路的性能,光链路两端的对准(捕获)和保持(跟踪)至关重要。但在对准以后,在风力和其他因素的作用下,建筑物会有些晃动,这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。

  5.激光信号对人体安全的威胁

  激光信号对人体安全的威胁也一直受到关注。其中,主要是操作人员或偶尔受到光信号照射的其他人员,是否会受到伤害。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。

  国际电工委员会IEC有相关的分类推荐建议,针对激光对肉眼的安全,规定了一种定为1M类的激光光源指标。这类光源,即使肉眼直接观察,也可保证安全。多数国家都参照这个指标,确立本国标准。厂商的产品,只要符合国防标准,是不会对人体构成损伤的。

  四、光无线通信技术的应用

  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。据悉,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。其具体应用如下:

  1.骨干网的扩展

  电信运营商在骨干网建设上花费大量资金,以提升网络整体性能与快速发展的市场需求。但是,在最后一公里的建设上,却着力不多,而其实很多网络应用的瓶颈不在骨干网上而是在最后一公里。为了在现有的骨干网上快速进行扩展和向外延伸,光无线通信实为一种不错的选择。

  2.光纤网络的备份

  目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。现在,电信运营商无需部署两条光纤链路,可以选择光无线通信系统作为备份光纤的冗余链路,以节省投资。

  3.宽频接入

  目前主干网的容量急剧增加,从622Mb/s到10Gb/s,再到更高的40Gb/sDWDM。同样,客户端网络的频宽也从10Mb/s增加到100Mb/s,再到吉比特的以太网络。仅网络接入部分仍未有可突破频宽成本与容量瓶颈的有效解决方法。无线通信的宽频网络接入瓶颈更为严重,因此,在此部分光无线通信有很大的发展空间。

  4.企业应用

  由于光无线通信是以小功率的红外激光束为载体,可将收发器装设在楼顶或窗外传输数据。光无线通信的灵活性使它可以应用于许多企业和学校,例如企业LAN到LAN的连接及校园网的连接。以光无线通信来代替光纤接入各局端,不但能降低成本,而且具有更高的传输速率。

  5.无线基地台数据的回传

  光无线通信也可用来接入移动电话基地台与交换中心,将基地台接收的信号传至与有线公用电话网相连的交换中心设备。

  6.其他需要高速接入的终端

  由于光无线通信网络建设时成本低、操作简单,因此可以用在其他高速连接的终端应用。例如:楼与楼之间、横跨诸如公路与河流之类复杂地形、灾难恢复及临时解决方案的网络快速部署方案。

  五、光无线通信技术目前发展概况

  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,对促进光无线通信系统的大规模推广起到了积极的应用。

  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,受到越来越多运营公司的注意,应用的范围不断扩大。现在,一些大型的电信设备公司对光无线通信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公司已将光无线通信应用于商业服务。

  2000年悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用光无线通信设备向客户提供100Mb/s的数据连接。该公司计划在全美建设100个光无线通信城市网络。而Airriber公司则在美国波士顿地区将光无线通信网与光纤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2004年CCBN展会上,英国的科飞公司(Cablefree)展示了多款光无线通信(FSO)产品。科飞展示的产品包括ACCESS系列,CF622系列以及GIGABIT系列。其中ACCESS系列是解决“最后一公里”无线宽带接入产品,提供高速数据传输能力和电信部门的各种标准数据接口,包括光缆、双绞线、G.703E1/E2/E3及STM-1等。产品系列包括A200,A500,A1000,A2000,A4000,支持距离分别是200.500.1000,2000,4000米。支持速率从2Mb/s~155Mb/s不等。英国科飞的FSO产品可作为固定、移动、宽带运营商和专业数据通信运营商的无线、微波、光缆网络的补充传输手段。为了顺应中国宽带接入网的蓬勃发展,英国科飞无线光通信有限公司北京办事处已经建立,目的在于发展中国的合作伙伴,更好地为运营商服务。

  2004年9月,英国若干大学,企业合作计划投资72万英镑发展FSO产品。该计划名为ALFONSO,主要利用了格拉斯哥(Strathclyde)大学光子学院的中红外VCSEL激光器技术,Durham大学的自适应光学技术,科飞公司,SiraFerranti光子公司以及Starpoint自适应光学公司等提供了工程服务和市场开发的支持。该项研究计划的目标是发展出10G/s速率,几公里距离内传输的FSO系统。新的VCSEL激光器可以使用2200纳米的波长,具有更好的天气适应性。

  在国内,清华同方研究发展中心一直致力于“最后一公里”解决方案的探索,并于2001年12月成立FSO技术跟踪研究小组,推出了光无线通信产品TFOW100-1,完成了1000米点对点通信样机的检测。TFOW100-1能提供100Mb/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)选用Terabeam的光无线通信产品来拓展其在中国的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。

  2004年7月,华为公司和LightPointe公司宣布扩大双方的联合战略伙伴协定。LightPointe公司是基于光无线通信技术的光纤光线产品的设计者和制造商。华为公司是全球领先的光纤网络解决方案提供商。这项交易将加快为世界各地的电信服务提供商和企业客户提供安全、可靠和高速光纤无线解决方案。根据扩大的OEM协定,华为将在欧洲、东南亚、中东、非洲、俄罗斯和拉美等地区销售和推销LightPointeFlightTM光纤无线产品,这是华为的OptiXTM产品家族的一部分。由于2003年9月签署的一项类似协定,华为已经通过在中国的所有一级服务提供商成功地安装LightPointe产品而获得了市场份额。光无线通信技术是对华为的光纤网络解决方案的有利补充。通过与LightPointe的伙伴关系,华为将向运营商客户和公司客户提供另一种方便、灵活的解决方案,同时满足他们的紧迫网络需求。

  当前有很多种接入技术可供选择,如FSO、光纤、DSL以及LMDS等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式,但光纤敷设的周期较长、投资很大,LMDS技术日渐成熟,它比FSO的传输距离远,但这种接入方式需要高额的初始投资和频谱许可证,对业务提供商而言,这种接入技术不如FSO经济;尽管铜缆是一种易得的传输媒介,用铜缆相连的大楼也远多于光纤,但由于DSL的带宽太低,使得这种基于铜缆的接入方式并不是解决“最后一公里”瓶颈问题的最可行的解决方案;FSO相对而言是一种比较好的方案,带宽可扩展,建设速度快,并且十分经济,其应用前景将非常广阔。
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