城域網(wǎng)接入新技術（上）

——自由空間光通信(FSO)


南京郵電學院設備處 王峰

浙江省電信公司杭州分公司 高瞻



　　摘 要:光無線通信是伴隨著半導體激光器和光電探測器件的日益完善以及光通信技術的發(fā)展而重新興起的一種無線通信方式。本文主要針對用于光無線接入的通信系統(tǒng)進行了研究，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)絡結(jié)構(gòu)以及它的市場前景。



　　關鍵詞 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)，也稱無線光網(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。人們在20世紀60年代曾掀起過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，一些廠商開始從事光無線通信商用化的開發(fā)工作，當時由于傳輸距離和性能的問題而告失敗。到了世紀之交，光無線通信又出現(xiàn)了卷土重來的趨勢，并在2000年悉尼奧運會上首見使用[1]。



　　它卷土重來的主要驅(qū)動力來自三個方面。首先是市場上有不斷增長并永遠不能滿足的帶寬需求，不僅包括企業(yè)用戶產(chǎn)生的日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求，還包括基于因特網(wǎng)的ASP(Application Service Provider)、多媒體、會議電視和虛擬現(xiàn)實游戲等其它潛在的帶寬需求。更重要的是，將來的市場主要由服務和應用驅(qū)動，而應用是沒有止境的，應用越多、越升級，需要的帶寬就越寬。據(jù)預測，美國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，解決寬帶接入問題現(xiàn)在已經(jīng)成為當務之急。第二個驅(qū)動力是尋找真正能提供高帶寬、低成本的接入技術。在過去5年中，核心網(wǎng)的帶寬容量急劇增長，從622Mb/s增加到10Gb/s，再到太比特級的密集波分復用（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)絡接入部分仍是帶寬成本與容量的瓶頸，得不到經(jīng)濟有效的解決方法。無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)絡規(guī)劃較難。要打破無線接入的瓶頸，只有開發(fā)更有容量潛力的光譜。第三個原因是由于電信管制的放松引出了越來越多的新興通信公司，它們的主要目的是提供寬帶業(yè)務，需要使用可擴展的、經(jīng)濟上承受得起的基礎設施來提供可靠的網(wǎng)絡接入，把寬帶業(yè)務帶給用戶。尤其對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)濟有效的選擇。



FSO與其他接入技術的比較



　　接入網(wǎng)被譽為信息高速公路的“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題，實現(xiàn)接入網(wǎng)的寬帶化一直是電信工作者研究的重點[2]。調(diào)查表明大約95%的辦公大樓在距電信或Internet服務商的光纖設施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]，因此存在嚴重的瓶頸問題。解決瓶頸問題的辦法有3種，一是采用光纖，二是采用射頻技術如LMDS，三是光無線。光纖無疑是最好的辦法，但其成本很高，而且需要在現(xiàn)有街道、草坪或建筑物上進行施工，敷設時間很長，此外，還需要進行繁重的日常維護，常需花費大量資金。LMDS有最少155Mb/s帶寬，但需要頻率許可證，而且將來隨著通信容量的擴大，還是會出現(xiàn)瓶頸問題。



　　LMDS- Local Multipoint Distribution Services區(qū)域多點傳輸服務;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



　　光無線通信技術既能提供類似光纖的速率，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，激光技術的進步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得非常便宜，大大降低了FSO設備的造價。而且FSO設備的架設非常方便，通常只需幾個小時就能安裝完畢。相反，如用光纖連接的話，通常需要幾個月的時間才能連通。圖1所示為目前水平下各種接入技術的市場定位。



　　FSO技術既能提供類似光纖的速率，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技術最吸引人之處。FSO是一種視距技術，無疑其最大用武之地在于接入層面。當前有很多種接入技術可供選擇，比如FSO、光纖、DSL、微波以及LMDS等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設的較長周期及高額投資限制了其普及，并且一旦用戶離開，業(yè)務提供商想要收回投資就變得十分困難；LMDS技術日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許可證），對業(yè)務提供商而言，這種接入技術不如FSO經(jīng)濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠多于光纖，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"瓶頸問題的最可行的解決方案；FSO相對而言是一種比較好的方案，帶寬可擴展，建設速度快，并且十分經(jīng)濟。




FSO系統(tǒng)組成



　　光無線通信系統(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，并增加了光學系統(tǒng)。因此，光無線通信系統(tǒng)中可以采用許多光纖通信中的成熟技術，但并不是簡單的照搬。



　　典型的FSO系統(tǒng)主要由光學收、發(fā)天線和終端設備組成，長距離傳送時增加相應的中繼設備�？晒〧SO系統(tǒng)選擇的激光器主要有三種類型：(1) CO2氣體激光器，工作波長10.6um；(2) Nd:YAG固體激光器，工作波長1.064um，且可以倍頻；(3) 半導體激光器，工作波長0.78～1.55um。其中半導體激光器可靠性好、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)。隨著各類器件技術和工藝技術的不斷完善成熟，國外用于FSO系統(tǒng)的半導體激光和接收器件已商品化，目前，就發(fā)射功率和探測靈敏度而言，完全能滿足15km以內(nèi)的大氣通信系統(tǒng)需求。FSO組織規(guī)定的半導體激光器常用波長為850nm和1550nm波長。850納米的設備相對來說很便宜（從30美元到1000多美元不等），一般應用在傳輸距離不太遠的場合。工作在1550納米波長的FSO設備的價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺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，相關安全規(guī)定允許1550納米波長設備的功率可以比850納米的設備高2個等級。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）給傳輸帶來的不良影響�？梢钥紤]的有砷鎵銦激光器（波長λ=0.87~1.7um），磷砷鎵銦激光器（λ=0.92~1.7nm）。最近發(fā)射波長為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展，已有實現(xiàn)在接近室溫（14°C）下連續(xù)工作的報道。在實際中，一般在以GaInAs/InP為材料（波長為1.3～1.55微米）和 GaAlInAs/InP為材料（波長為1.3～1.55微米）的兩種VCESL中進行選擇。接收端光電探測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光發(fā)射機的功率。接收端低噪聲前置放大器的作用是對微弱光信號進行預放大；通過光窄帶濾波器濾除帶外噪聲，但應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，當接收機的輸入平均光功率變化時，控制放大器的輸出電平保持恒定不變。




摘自　通信市場