自由空间光学器件的使用范畴研究

1、自由空间光学器件的使用范畴研究    Molex公司使用高带宽中继线把商用大楼和住宅楼、大学园区及市政大楼连接起来至关重要，同时也极具挑战性。目前有多种连接选项，包括安装光纤电缆、租用黑光纤或使用服务提供商用户业务、安装桥接式无线系统。高速公路、街道、停车场、水路、铁轨、密密麻麻的管道和导线管通常会形成许多障碍，使得在大楼之间实现物理有线连接的成本高不可攀。高带宽租赁业务尽管可靠性高、实现简便，但其成本也非常高。由于实现简便，可靠性接近有Molex公司使用高带宽中继线把商用大楼和住宅楼、大学园区及市政大楼连接起来至关重要，同时也极具挑战性。目前有多种连接

2、选项，包括安装光纤电缆、租用黑光纤或使用服务提供商用户业务、安装桥接式无线系统。高速公路、街道、停车场、水路、铁轨、密密麻麻的管道和导线管通常会形成许多障碍，使得在大楼之间实现物理有线连接的成本高不可攀。高带宽租赁业务尽管可靠性高、实现简便，但其成本也非常高。由于实现简便，可靠性接近有线网络，桥接式无线技术已经得到广泛接受。必须指出的是，并没有一种适合所有方案的最佳技术，每种连接方案都有各自的优势。本文将重点介绍自由空间光学器件 (FSO)，这是一种双向点到点光束无线技术，为真正的宽带园区连接提供了极具吸引力的、强健、经济的高带宽方案。本文还在各种应用和环境中比较了光学无线系统与知名的基于RF

3、的无线系统。什么是自由空间光学器件?FSO采用视线激光器生成的光束，通过空气从一台设备向另一台设备传送宽带数据、语音和视频。这种技术可以视为通过光纤电缆实现的光学有线传输的同等光学无线技术。FSO设备通过TIA/EIA标准铜缆或光纤结构化布线系统连接到网络上，可以通过IP业务传送的任何应用，包括语音、数据、视频和安全应用，都可以通过FSO传送。FSO系统采用两种不同的波长传输窗口提供：780-850 nm和1520-1600 nm。780850 nm系统可靠性和经济性高，适合大多数应用，包括1 Gb/s以太网，1520-1600 nm系统则能够以更高的功率传送信号，从而在晴朗的天气中传送更远的

4、距离。业内已经发表了大量的文章，比较了780-850 nm FSO系统与1520-1600 nm系统在不同天气条件下的性能，特别是在下雾时。如果设备之间的距离小于500米(典型的园区链路)，那么不管雾有多大，这两种技术之间的性能都没有太大的差异。如果考虑到成本影响，那么采用1520 1600 nm波长的系统成本要比780-850 nm系统高出10倍。评估无线系统实现技术在评估任何无线系统时，必须考察带宽能力、传输吞吐量、可靠性、安全功能和实现成本。通过综合考虑这些因素，有助于确定哪类系统为用户环境提供最好的性能和价值。带宽能力和传输吞吐量为园区应用提供的常用FSO产品的带宽范围从10 Mb/s

5、系统直到1.25 Gb/s系统。对园区应用，FSO在高速网络中具有带宽优势。在大多数FSO系统中，数据吞吐量受到其支持的实际网络的性能限制。FSO吞吐量不象RF系统那取决于传输频率，而是取决于发送和接收传送的光学信号的能力。只要保持足够的波束强度，FSO系统中的传输数据吞吐量会保持不变。再与光纤比较一下。如果光纤链路中的衰减太高，那么光纤将不能实现有效传输。接收的数据在光纤网络中不会由于信号衰减而衰落，它要么不传输数据，要么整个传输都是误码。相比之下，在RF系统中，在信号强度被衰减时，系统将切换到较低的数据速率，以保持链路。在晴朗的天气中以24Mb/s吞吐量运行的RF链路，在暴风雨中性能可能会

6、下降到18 Mb/s、12Mb/s、6 Mb/s。可靠性无线系统会由于天气、环境因素和障碍物而发生中断或性能下降。FSO系统对雨天的容忍度要高于RF系统，它固有侦听更加困难的特点，可以内置追踪系统，能够容忍楼体运动。天气的影响在传送光时，天气条件可能会导致光发生散射，使两台设备之间传送的激光数量发生衰减，导致信号丢失，在最坏的情况下会导致传输错误。雾是影响最大的天气条件。由于雾是一种可变的天气条件，因此系统性能松散地取决于能见度。红外线光线在雾天中传送的距离约是能见距离的两倍。因此，如果能够在坏天气条件下看到对面一半的距离，那么FSO系统仍能保持链路。下雨、下雪、污染物质也会影响信号衰减，但一

7、般来说，在园区距离的限制范围内，其对性能的影响要远远小于雾。处理天气条件的有效措施是采用对焦的波束，并辅以自动对准功能，以适当地减少对传送信号的影响。波束对准和障碍物的影响保持波束对准是FSO系统性能的一个重要因素。即使安装正确，FSO接收机仍会受到安装在的建筑的运动影响。运动可能是由明显的因素引起的，如大风，也可能是由于比较细微的条件引起的，如温度变化。可以使用两种基本方法，考虑对准变化：具有自动追踪功能的窄对焦波束，或没有追踪功能的宽波束。具有自动追踪功能的系统能够在引起传输中断前补偿运动。在确定自动追踪需求时，距离和传输速度是主要考虑因素。短的(小于200米)、环境稳定的10 Mb/s链

8、路的脆弱性要低于安装在40层大楼顶部的500米1.25 Gb/s链路。宽波束有效地扩大了目标接收区域。其缺点是，波束越宽，越容易发生衰减，因此越容易受到天气影响。视线障碍可能会使性能下降，但经过正确培训的安装人员会考虑当前和未来的永久障碍，使传输中断的可能性达到最小。临时障碍，如小鸟，一般不会导致传输中断。如果小鸟飞过激光路径，收到的光线数量会下降，但仍足以传输数据。如果大的物理障碍完全挡住波束，那么数据会临时中断。如果网络使用TCP/IP协议，那么通过重传输数据，可以解决问题。安全性安全是所有无线系统都特别关注的问题。由于RF系统在所有方向发射信号，所以很容易被侦听。因此，其通常会采用编码和

9、硬件措施，改善RF网络的安全性能。FSO则采用单一的定向光束，因此侦听起来非常困难。如果想捕获通过FSO传送的数据广播，那么必需拦截或中断检测不到的光束。由于FSO系统一般安装在屋顶或高楼窗户上，因此入侵者必须克服这一物理障碍，才能在不中断传输的情况下捕捉光束。此外，许多制造商采用小型设计，看上去与安全摄像机非常类似，对潜在的入侵者会起到威慑作用。经济性FSO在相应的距离内提供了经济的选择。事实上，对同一应用，FSO系统的成本可能要比敷设传统光纤电缆低达80%，而且在几天内即可投入运行。挖电缆沟不仅成本高，而且可能会导致其它问题，如交通拥堵，破坏自然环境和历史文物。由于这些问题，许多美国城市正

10、在考虑推迟挖电缆沟的施工。与电话公司的租赁线路相比，FSO链路成本低，是一项吸引力更高的商业资产。与有线和租赁线路方案相比，FSO系统是实实在在的设备，可以根据用户要求进行部署和再部署。评估各个要素：FSO与RF比较鉴于FSO在各个要素方面的上述功能，我们有必要针对每个应用，把它与基于RF的无线系统作一下比较。表1评估了每个系统的优势。表1要素 自由空间光学器件 RF 无线系统带宽 10 Mb/s 1.25 Gb/s 11Mb/s 100Mb/s传输吞吐量 取决于网络 取决于频率高衰减=性能恶化天气 在雨天中比较好 

11、;在雾天中比较好障碍物 可以容忍小的障碍物 容忍安全性 信号侦听困难 信号侦听容易成本 (美元) 15,000 35,000 1,000 50,000+FSO实施案例需要在大楼之间迅速部署可靠、经济、安全的宽带链路的许多不同机构和公司都已经采用了FSO。两个最新实例说明了FSO无线网络技术在涉及历史性建筑的应用中的独特优势。在其中一项应用中，一家最近修葺的著名文物保护风景区需要建立千兆位以太网连接，以扩展以太网，显然不能挖开人行道来施工。在链路安装后不久，该地区遭受大暴雨袭击，在不到两个小时内，降雨量接近6英寸。尽管面临这么严峻的条件

12、，FSO系统仍持续运行，没有任何中断，在大楼之间提供了可靠的链路。在另一项应用中，由于缺少硬线缆把摄像机连接到安全网络上，而不能实施部署监控摄像机的安全计划。障碍是一处受保护的历史名胜。这家机构调查后发现，高度安全的FSO链路可以有效满足他们的应用。各种物理障碍的影响，如高速公路、铁路、甚至工业园区的其它建筑物，都是实现无线系统的主要推动因素。一家高科技制造商需要在4条车道高速公路隔开的大楼之间建立宽带链路，他们最终选择了FSO系统。但是，FSO并不只是适用于高科技公司。由于混凝土、其它构件和工厂周围非常热闹的RF环境，促使一家纸品包装公司采用了FSO。如前所述，FSO采用视线技术，几乎不可能

13、侦听或窃听其传送的数据。一家大型金融机构最近发现其硬连线系统被切断，而采用了FSO链路实现灾难恢复，而上述原因是其关键考虑因素。现在，这家机构正在扩大FSO的使用范围，作为一级备份系统，实现网络冗余。风险管理对大型医院和医疗中心至关重要，他们必须遵守联邦法律，对患者记录保密。正因如此，一家大型医疗机构安装了FSO，在医疗中心与租赁的相距大约1/4英里的写字楼之间建立了一条安全的网络链路。除安全外，这条链路的建设周期要快，而且要跨过附近的一条公路。FSO满足所有这些需求，其高带宽能力可以轻松地在大楼之间传送大型医疗影像文件。必需认识到，并没有一种适用于所有情况的最佳技术，每种连接选项都有各自的优

14、势。在网络设计人员考虑本地区常见的天气问题影响、无线链路距离、用户带宽要求及潜在补充备份系统时，异常高效的FSO无线网络是一个很好的选择。能够迅速部署无需牌照、安全、高带宽、独立于协议的无线系统，使得FSO正被主要市场所接受。MOLEXCANOBEAM 自由空间光学器件系统Molex目前提供佳能设计的Canobeam自由空间光学器件(FSO)点到点无线系统，具有实时波束自动追踪功能。Molex与佳能独家OEM合作，作为结构化布线系统的自然延伸，提供自由空间光学器件。Canobeam能够桥接最远2公里(1.24英里)的距离，支持从25 Mb/s (兆位/秒)到1.25 Gb/s (千兆位/秒)的

15、范围广泛的数据速率。佳能Canobeam系列FSO传输系统为最后一英里宽带数据网络连接提供了领先的选择。顶级Canobeam型号MFSO-130提供了1.25 Gb/s数据速率的以太网联网能力，支持100 m - 1,000 m (约2/3英里)的距离。Canobeam中的其它型号MFSO-100系列包括MFSO-110，提供了25 Mb/s - 156 Mb/s的范围广泛的数据速率，支持20 m - 500 m的距离。Canobeam MFSO-120提供的数据速率与MFSO-110相同，但支持100 m - 2 km的距离。Canobeam还拥有自动追踪功能，MFSO-100系列三种型号上

16、都标配自动追踪功能。这种功能自动调节FSO光束，“即时”补偿大风、温度变化、大楼内的HVAC系统或其它因素导致的振动。通过内置自动追踪功能，Canobeam的光束轴连续自行校正，在Canobeam系统双向发送站和接收站之间保持精确、连续、可靠的数据传输。佳能是唯一以当前价位标配自动追踪功能的制造商，与没有标配追踪功能的系统相比，其价格极具竞争力。如果要求2公里以上的宽带连接，或者如果没有清楚的视线，那么可以成对安装Canobeam设备，以中继信号。Canobeam MFSO-130的3R功能(再整形、再定时和再生)可以在不损失强度或质量的情况下中继数据信号。Canobeam MFSO-100系列数据收发机可以安装在室内，实现窗户到窗户或窗户到