城域網(wǎng)接入新技術(shù)（上）

——自由空間光通信(FSO)


南京郵電學(xué)院設(shè)備處 王峰

浙江省電信公司杭州分公司 高瞻



　　摘 要:光無(wú)線通信是伴隨著半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器件的日益完善以及光通信技術(shù)的發(fā)展而重新興起的一種無(wú)線通信方式。本文主要針對(duì)用于光無(wú)線接入的通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，探討了FSO系統(tǒng)與其他接入方式的比較，系統(tǒng)的組成，影響系統(tǒng)性能的因素和解決辦法，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及它的市場(chǎng)前景。



　　關(guān)鍵詞 城域網(wǎng) 自由空間光通信（FSO） 寬帶接入 DSL LMDS



引言



　　作為提供城域?qū)拵Ы尤氲拿浇�，除了大家熟知的DSL、電纜調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線接入之外，現(xiàn)在又出現(xiàn)一種新的接入手段，即利用大氣激光傳輸原理的自由空間光通信（FSO－Free Space Optics）系統(tǒng)，也稱(chēng)無(wú)線光網(wǎng)（WON）系統(tǒng)。FSO用激光或光脈沖在太赫茲（THz）光譜范圍內(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)，傳輸媒介是空氣，而不是光纖。人們?cè)?0世紀(jì)60年代曾掀起過(guò)大氣激光通信研究的熱潮，但自從70年代光纖通信的迅速發(fā)展以及大氣光通信受到天氣的嚴(yán)重影響，使得一度輝煌的大氣光通信研究陷入低谷。80年代后期，一些廠商開(kāi)始從事光無(wú)線通信商用化的開(kāi)發(fā)工作，當(dāng)時(shí)由于傳輸距離和性能的問(wèn)題而告失敗。到了世紀(jì)之交，光無(wú)線通信又出現(xiàn)了卷土重來(lái)的趨勢(shì)，并在2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)上首見(jiàn)使用[1]。



　　它卷土重來(lái)的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自三個(gè)方面。首先是市場(chǎng)上有不斷增長(zhǎng)并永遠(yuǎn)不能滿足的帶寬需求，不僅包括企業(yè)用戶產(chǎn)生的日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，還包括基于因特網(wǎng)的ASP(Application Service Provider)、多媒體、會(huì)議電視和虛擬現(xiàn)實(shí)游戲等其它潛在的帶寬需求。更重要的是，將來(lái)的市場(chǎng)主要由服務(wù)和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，而應(yīng)用是沒(méi)有止境的，應(yīng)用越多、越升級(jí)，需要的帶寬就越寬。據(jù)預(yù)測(cè)，美國(guó)今后的帶寬需求每年將以指數(shù)遞增。因此，新、老通信公司都面臨著迅速安裝高帶寬、低成本連接的壓力，解決寬帶接入問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力是尋找真正能提供高帶寬、低成本的接入技術(shù)。在過(guò)去5年中，核心網(wǎng)的帶寬容量急劇增長(zhǎng)，從622Mb/s增加到10Gb/s，再到太比特級(jí)的密集波分復(fù)用（DWDM）。同樣，用戶駐地網(wǎng)的帶寬也從10Mb/s增加到100Mb/s，再到千兆比以太網(wǎng)，只剩下網(wǎng)絡(luò)接入部分仍是帶寬成本與容量的瓶頸，得不到經(jīng)濟(jì)有效的解決方法。無(wú)線通信更是寬帶接入的瓶頸，LMDS（Local Multipoint Distribution Service）雖可提供高于155Mb/s的接入速率，但成本較高、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃較難。要打破無(wú)線接入的瓶頸，只有開(kāi)發(fā)更有容量潛力的光譜。第三個(gè)原因是由于電信管制的放松引出了越來(lái)越多的新興通信公司，它們的主要目的是提供寬帶業(yè)務(wù)，需要使用可擴(kuò)展的、經(jīng)濟(jì)上承受得起的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)接入，把寬帶業(yè)務(wù)帶給用戶。尤其對(duì)于城市里需要高速數(shù)據(jù)和因特網(wǎng)接入的企業(yè)而言，F(xiàn)SO不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的選擇。



FSO與其他接入技術(shù)的比較



　　接入網(wǎng)被譽(yù)為信息高速公路的“最后一英里”，也是電信網(wǎng)中最困難最昂貴的投資部分，由于其存在容量和成本的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)的寬帶化一直是電信工作者研究的重點(diǎn)[2]。調(diào)查表明大約95%的辦公大樓在距電信或Internet服務(wù)商的光纖設(shè)施1.5km的范圍內(nèi)，但是只有少數(shù)的公司擁有寬帶接入方式。大部分企業(yè)內(nèi)部擁有高速數(shù)據(jù)網(wǎng)，如快速以太網(wǎng)（100Mb/s）或吉比特以太網(wǎng)（1.0Gb/s）。然而，它們的接入部分卻是采用帶寬低得多的現(xiàn)有銅線設(shè)施，如T-1(1.5Mb/s)，cable modem(共享5Mb/s帶寬)，DSL（每路6Mb/s），HFC（Hybrid Fiber Coaxial， 50Mb/s）[8]，因此存在嚴(yán)重的瓶頸問(wèn)題。解決瓶頸問(wèn)題的辦法有3種，一是采用光纖，二是采用射頻技術(shù)如LMDS，三是光無(wú)線。光纖無(wú)疑是最好的辦法，但其成本很高，而且需要在現(xiàn)有街道、草坪或建筑物上進(jìn)行施工，敷設(shè)時(shí)間很長(zhǎng)，此外，還需要進(jìn)行繁重的日常維護(hù)，常需花費(fèi)大量資金。LMDS有最少155Mb/s帶寬，但需要頻率許可證，而且將來(lái)隨著通信容量的擴(kuò)大，還是會(huì)出現(xiàn)瓶頸問(wèn)題。



　　LMDS- Local Multipoint Distribution Services區(qū)域多點(diǎn)傳輸服務(wù);MMDS- MultiChannel Multipoint Distribution System微波多路電視分配系統(tǒng);DSL- Digital Subscriber Line數(shù)字用戶線路



　　光無(wú)線通信技術(shù)既能提供類(lèi)似光纖的速率，又不需要在頻譜這樣稀有資源方面有很大的初始投資。另外，激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得非常便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價(jià)。而且FSO設(shè)備的架設(shè)非常方便，通常只需幾個(gè)小時(shí)就能安裝完畢。相反，如用光纖連接的話，通常需要幾個(gè)月的時(shí)間才能連通。圖1所示為目前水平下各種接入技術(shù)的市場(chǎng)定位。



　　FSO技術(shù)既能提供類(lèi)似光纖的速率，又不需在頻譜這樣的稀有資源方面有很大的初始投資，這是FSO技術(shù)最吸引人之處。FSO是一種視距技術(shù)，無(wú)疑其最大用武之地在于接入層面。當(dāng)前有很多種接入技術(shù)可供選擇，比如FSO、光纖、DSL、微波以及LMDS等。其中光纖傳輸無(wú)疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設(shè)的較長(zhǎng)周期及高額投資限制了其普及，并且一旦用戶離開(kāi)，業(yè)務(wù)提供商想要收回投資就變得十分困難；LMDS技術(shù)日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許可證），對(duì)業(yè)務(wù)提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠(yuǎn)多于光纖，但由于DSL的帶寬太低，使得這種基于銅纜的接入方式并不是解決"最后一公里"瓶頸問(wèn)題的最可行的解決方案；FSO相對(duì)而言是一種比較好的方案，帶寬可擴(kuò)展，建設(shè)速度快，并且十分經(jīng)濟(jì)。




FSO系統(tǒng)組成



　　光無(wú)線通信系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)與光纖通信系統(tǒng)基本相同，區(qū)別只在于信息傳輸媒體由光纖信道變成大氣空間，并增加了光學(xué)系統(tǒng)。因此，光無(wú)線通信系統(tǒng)中可以采用許多光纖通信中的成熟技術(shù)，但并不是簡(jiǎn)單的照搬。



　　典型的FSO系統(tǒng)主要由光學(xué)收、發(fā)天線和終端設(shè)備組成，長(zhǎng)距離傳送時(shí)增加相應(yīng)的中繼設(shè)備�？晒〧SO系統(tǒng)選擇的激光器主要有三種類(lèi)型：(1) CO2氣體激光器，工作波長(zhǎng)10.6um；(2) Nd:YAG固體激光器，工作波長(zhǎng)1.064um，且可以倍頻；(3) 半導(dǎo)體激光器，工作波長(zhǎng)0.78～1.55um。其中半導(dǎo)體激光器可靠性好、效率高、體積小、重量輕，是FSO系統(tǒng)理想的選擇，此外采用半導(dǎo)體激光器還能更有效兼容現(xiàn)有的光纖通信系統(tǒng)。隨著各類(lèi)器件技術(shù)和工藝技術(shù)的不斷完善成熟，國(guó)外用于FSO系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光和接收器件已商品化，目前，就發(fā)射功率和探測(cè)靈敏度而言，完全能滿足15km以內(nèi)的大氣通信系統(tǒng)需求。FSO組織規(guī)定的半導(dǎo)體激光器常用波長(zhǎng)為850nm和1550nm波長(zhǎng)。850納米的設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)很便宜（從30美元到1000多美元不等），一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠(yuǎn)的場(chǎng)合。工作在1550納米波長(zhǎng)的FSO設(shè)備的價(jià)格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺(jué)安全方面有更好的表現(xiàn)。1550納米的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規(guī)定允許1550納米波長(zhǎng)設(shè)備的功率可以比850納米的設(shè)備高2個(gè)等級(jí)。功率增大，不但可以增加傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，還有利于消除惡劣氣候條件（如大霧天氣）給傳輸帶來(lái)的不良影響�？梢钥紤]的有砷鎵銦激光器（波長(zhǎng)λ=0.87~1.7um），磷砷鎵銦激光器（λ=0.92~1.7nm）。最近發(fā)射波長(zhǎng)為1.3um至1.5um的垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）的研究已取得很大的進(jìn)展，已有實(shí)現(xiàn)在接近室溫（14°C）下連續(xù)工作的報(bào)道。在實(shí)際中，一般在以GaInAs/InP為材料（波長(zhǎng)為1.3～1.55微米）和 GaAlInAs/InP為材料（波長(zhǎng)為1.3～1.55微米）的兩種VCESL中進(jìn)行選擇。接收端光電探測(cè)器件需要量子效率高而且噪聲小的器件，一般采用PIN光電二極管(Positive Intrinsic Negative Diode) 和雪崩光電二極管APD(Avalanche photodiode)。[6~10]



　　在FSO通信系統(tǒng)中發(fā)射端調(diào)制器一般采用幅度或相位外調(diào)制方式，并采用光功率放大器增強(qiáng)光發(fā)射機(jī)的功率。接收端低噪聲前置放大器的作用是對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大；通過(guò)光窄帶濾波器濾除帶外噪聲，但應(yīng)避免引入更多的碼間干擾；光AGC放大器的作用是提供可變的增益，當(dāng)接收機(jī)的輸入平均光功率變化時(shí)，控制放大器的輸出電平保持恒定不變。




摘自　通信市場(chǎng)