光无线通信技术分析.doc

蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膅薃蚁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈肀膁蚀螇袀莇薆螆羂艿蒂螆肅蒅莈螅膇芈蚆螄袇肁薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁螁芄芀袀羃肇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇袇羀膄蚆羆肂荿薂羅膄膂蒈羅袄莇莄薁肆膀荿薀腿蒆蚈蕿袈艿薄薈羁蒄蒀薈肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅羇肈薇蚄腿芃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膅薃蚁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈肀膁蚀螇袀莇薆螆羂艿蒂螆肅蒅莈螅膇芈蚆螄袇肁薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁螁芄芀袀羃肇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇袇羀膄蚆羆肂荿薂羅膄膂蒈羅袄莇莄薁肆膀荿薀腿蒆蚈蕿袈艿薄薈羁蒄蒀薈肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅羇肈薇蚄腿芃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膅薃蚁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈肀膁蚀螇袀莇薆螆羂艿蒂螆肅蒅莈螅膇芈蚆螄袇肁薂袃罿芆蒈袂肁聿莄袁螁芄芀袀羃肇虿袀肅莃薅衿膈膅蒁袈袇莁莇袇羀膄蚆羆肂荿薂羅膄膂蒈羅袄莇莄薁肆膀荿薀腿蒆蚈蕿袈艿薄薈羁蒄蒀薈肃芇莆蚇膅肀蚅蚆袅芅薁蚅羇肈薇蚄腿芃蒃蚃衿膆荿蚂羁莂蚇蚂肄膅薃蚁膆莀葿螀袆膃莅蝿羈莈芁螈肀膁蚀螇袀莇薆螆羂 光无线通信技术分析 林 刚（南宁铁路局南宁电务段 广西南宁 530003）【摘要光无线通信技术作为其它接入技术的补充，有其优点也有缺陷。本文通过分析其技术特点，提出了改善其性能的解决方案，探讨这种技术的应用前景。【关键词】FSO 特点 解决方案 应用前景【收稿日期】2010-5-5【作者简介】林刚(1972），男，广西桂林人，南宁铁路局电务段段长助理，主要从事通信技术研究.【中图分类号】TN919.5【文章标识码】 AResearch on Free Space Optical Communication TechnologyLin Gang( Nanning Electricity Services Department of Nanning Railway Bureau, Nanning, 530003 ) Abstract: AS an effective and supplementary technology of communication access, Free Space Optical Communication Technology has its advantages and disadvantages. This paper analyzes characters of FSO technologies and proposes the solutions. Finally, the trends of development and the prospect of application are discussed in detail.Key words :FSO; characters; solutions;prospect of application光无线通信技术或称自由空间光通信(FSO，Free Space Optical Communication)是一种采用红外激光承载高速信号的无线传输技术，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，以实现点对点或点对多点的宽带接入。由于其设备也以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“虚拟光纤”之称。1引言随着接入网业务的不断增多，例如视频点播(VOD)、远程教育、交互式图像游戏等业务的兴起，所需的网络带宽将会越来越宽,交互性越来越强，网络接入的方式也将随之改变。网络接入方式的结构,统称为网络的接入技术,其发生在连接网络与用户的最后一段路程,网络的接入部分是目前最有希望大幅提高网络性能的环节。当前有很多种接入技术可供选择，如光纤、FSO、DSL以及LMDS等。尽管铜缆是一种易得的传输媒介，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”路程中的带宽问题的最优方案，对高性能的数据网络和因特网来说的确有些勉为其难；光纤传输因容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等特点无疑是最可靠的通信方式，但光纤到户将是一个漫长的过程,需要投入大量的资金和人力。近年出现的无源光网络PON是很有吸引力的方式，其平均到每户的价格可大为下降。但光纤的容量也为多用户分享，每户的实际带宽也就不能太大了，而且装设的时间与一般光纤传送没有太大的改善；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，传送的总带宽仍受限制，常在622Mbps以下，相对而言每户承担的价格也较高，此方式的另一个问题是容易受到大雨引起的衰落影响。FSO接入作为一种宽带的技术，主要的特点是能以较灵活的无线方式，在短距离内，以比现有系统低得多的投资，较短时间内获得光纤传送的容量，且无需向主管部门申请频率和许可证，作为光纤的一种补充方式，其应用前景将非常广阔。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，这三种结构也可以组合起来使用。2 FSO技术的特点2.1光无线通信技术与其他接入技术相比的优点（1）部署快速。因为不需要埋设光纤和等待各种手续，光无线通信的无线接收器可以安装在屋顶甚至窗外,在几小时或几天内即可完成连接；无需频谱许可证，光无线通信因设备间没有相互干扰，故无需像无线电通信(如微波、LMDS)那样办理频率许可证；（2）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/s10Gb/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/s10Gb/s的传输速率，但传输距离为12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200400米；（3）抗干扰能力强。工作在300GHz以上的光频段，微波等对其不会构成干扰。而且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；（4）不容易出现传输堵塞。由于光无线通信系统收发端之间为视线传输，端到端之间的信号通道是光的形式，中间没有电转换的介入，系统内光信号的流动没有光电转换的障碍，所以信息在传输时不会出现信息堵塞现象；（4）安全保密性强。光无线通信的波束很窄，定向性非常好且非可视光，因此无法探测到链路的位置，用户到集线器之间的链路通常是加密的，不存在窃听的可能性；协议透明，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；（5）成本低。光无线通信的成本是光纤到楼的1/101/3；便携性，无线通信装置可灵活拆装，适于临时、应急的通信。2.2 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。3 FSO技术存在主要问题的解决方案3.1选用合适的波长降低大气衰耗的影响对基于FSO的系统来说，最常用的光学波长是近红外光谱中的850纳米(nm)。在这个频率上，有足够的能量将电流信号高效地转换成光信号。除了具有快速调制能力之外，高能量密度对获得高指向性同样有帮助。接收器负责将高容量的调制光信号高效率地转换成电子信号。除此之外，还有一些基于FSO的系统使用1500纳米的波长，可以支持更大的系统功率，但只有在通信距离超过1000米的情况下，才能显示出优势。最近，人们倾向于开发能在近红外光谱之外工作的FSO系统，例如2.2微米左右的中红外光谱，甚至包括量子级联激光(约10微米)。然而，不管使用的是什么波长，在雨雪等天气中(具有较大的悬浮物颗粒)，所有基于FSO的系统都具有类似的表现。在大雾天气，长波系统更有优势，因为它受大气衰减的影响较小。图3.1-a和图3.1-b展示了FSO在不同波长和能见度下的衰减数值和曲线。不同波长上的大气衰减发射功率（mW）系统A系统A系统B系统B接收器敏感性（dBm）-45-45-45-45使用距离500500500500气候衰减（dB）063078.5系统保留31.50390Reception Level-14-45-5.7-45图3.1-a FSO在不同波长上的大气衰减图3.1-b FSO在不同波长和能见度下的衰减曲线3.2使用自动功率控制和定位跟踪技术提高稳定性为了开发面向未来的基于FSO的系统，使其具有更高的可用性和在线时间，需要采取全新的方式。例如，为无线光纤系统配备自动功率控制(automatic power control，APC)和自动跟踪特性。APC允许产品的发射功率自动调节，使接收器永远不会出现过度调变的情况。其优点在于，用户可以使用功率更高的发射器，保证无线光纤系统能在雾天使用。在附表展示的例子中，2个基于FSO的系统相距500米部署。其中，系统A的发射功率是1 mW，且不具备自动功率控制特性；系统B则集成了自动功率控制特性。在这种情况下，系统B的优势是显而易见的。由于系统A只能在1 mW的功率下工作，所以在天气晴朗的时候可能出现过度调变的情况。相反，系统B能控制功率，一旦因为天气原因造成能见度低，它有超过15dB的附加功率可供利用。3.3采用动态调节的跟踪技术克服大气引起的漂移在无线光纤系统中，发射器和接收器的镜头设计必须在以下几个方面取得平衡：大光圈(接收器大光圈有助于获得较大的光线入射)、较短的焦距(由设备的体积决定)以及更容易的调节功能。相应地，在商业应用中，人们采取各种不同的方式来取得这种平衡。一方面，有些基于FSO的系统使用的是Fresnel(菲涅尔)镜头，它的特点是具有一个较大的接收角和镜面，但缺点在于直射光的高入射会显著影响接收器的敏感性； 另一方面，有些基于FSO的系统采用多镜头设计，它们的累积光学信号能显著增强发射质量，但是，这种系统的低发射和接收角(15 mrad)对调节和系统稳定性提出了更高的要求，尤其是用于超出2000米的远距离通信时。考虑到这个原因，一些FSO产品的领先厂商(如Light Pointe)进行了一项意义深远的技术革新，即“自动跟踪”，采用可以在x和y轴上移动的万向支架，可以主动调整接收器，在任何情况下都能处在一个理想的位置上。对FSO系统进行控制的软件能够补偿1ms10ms内的大气波动，并能在极短的110s内完成补偿。4 FSO技术的应用前景4.1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。4.2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。4.3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。4.4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 FOS的发展概况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(FSO Alliance)。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。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2000年悉尼奥运会上，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。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，Sira Ferranti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。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。6结束语光无线通信尽管仍存在不少问题，但其低成本、无干扰、高带宽、灵活机动、适应性强的优势更为明显，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。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。一般来