自由空间光通信的现状与发展趋势

张英海 霍泽人 王宏锋 王卫东

北京邮电大学光电子实验室 北京 100876

深圳飞通光电股份有限公司 深圳518057

　　摘 要 对自由空间光通信技术的基本特点作了归纳；简要介绍了自由空间光通信技术在国外、国内的研究现状；从应用的角度出发阐述了自由空间光通信技术研究的几个方向和发展趋势。
关键词 自由空间光通信 视距 大气信道 拓扑 带宽

　　1 前言



　　20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。


　　自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。

　　2 自由空间光通信的基本原理及其特点



　　自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。


　　系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。


　　自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。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，一般可在数小时之内安装完毕，投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系统构成主备用，甚至可达到99.999%电信级的可用性要求。


　　另外自由空间光通信系统与网络的连接，还有如下的优点：1）对运行的协议透明。现在通信网络常用的SDH、ATM、IP等都能通过。2）可组成点对点、星形、和网格形结构的网络。3）可灵活拆装、移装至其他位置。4）易于扩容升级，只需稍作接口的变动就能改变容量。


　　自由空间光通信存在的主要问题有以下几点：


　　（1）FSO是一种视距宽带通信技术，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波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在1km以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4Km。多种因素影响其达不到99.999%（五个9）的稳定性。


　　（2）FSO系统性能对天气非常敏感是FSO的另一个主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨、雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km。国外为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和多光束来解决。


　　（3）城市内，由于建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。


　　（4）激光的安全问题也会影响其使用，超过一定功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。所以产品要符合眼睛安全标准。

　　3 国外研究现状



　　在自由空间光通信（FSO）领域，国外已经开始了将近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。在FSO这个领域里，国外几个大的FSO厂家，包括LightPointe公司，AirFiber 公司，Canon 公司，Terabeam 公司。LightPointe收到Corning和思科系统公司的投资款3千多万美元（现已增值至5千多万美元），而AirFiber则获得大概来自北电网络的5千万美元（现已增值至9千多万美元），朗讯科技则投资了4亿5千万美元的巨款在Terabeam身上（现已增值至5亿8千多万美元）。几个公司的研究现状分别介绍如下：


　　（1）Lucent98年3月开始开发，99年3月发布WaveStar OpticAir system 产品。单波长，传输速率2.5 Gb/s, 四波长10 Gb/s, 距离5Km，99 年12月，Global Crossing Ltd. 现场使用。TeraBeam，Lucent宣布组建 TeraBeam Internet Systems，产品是基于IP 的无光纤点到多点网络，发送和接收机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。Lucent投入资金、研究开发资源，知识产权，价值450百万美元的自由空间光产品。TeraBeam 的产品都用Lucent 的商标，光元件，网络设备和服务优先选用Lucent 的。TeraBeam拥有70%的股份,可以使用技术和销售客户。


　　（2）LightPointe公司将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。LightPointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度最高可达2.5Gb/s，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。公司拥有多项正在申请专利的专有技术，可提供电信公司等级的网络可用性。LightPointe的自由空间光传输（FSO）产品在第一层（物理层）工作，可适应任何协议（SONET、SONET/SDH、ATM、FDDI、以太网、快速以太网）。产品包括各种"飞行自由空间光传输解决方案"，其中有FlightLite、FlightPath、FlightSpectrum。速度最高可达1.25 Gb/s，提供兆位级以太网通讯能力，工作波长为850纳米（nm）。2003年秋季将开始向市场提供2.5 Gb/s Flight Spectrum，其使用半径为1000米，采用1550nm波长。


　　产品LightStation 的特点有以下一些：


　　a. 数据率从1 Mbps到1.25 Gb/s ；传输距离达2.5Km


　　b. 分布SNMP监视采用光接口


　　c. 信号高度安全


　　d. 协议透明（IP, ETHERNET, ATM, SONET, FDDI）；容易集成到现存的网络


　　e. 内置望远镜和信号强度表


　　f. 微调控制；内部装有加热器，具有镜头防霜功能


　　 g. 采用自动微波备份交换技术，可使用率达99.999%，采用LightPointe Patent Pending FORCE? 技术（Free-space Optical Radio Communication Equipment）可补偿纯光通信带来的限制。使用无须许可证的扩展频谱ISM频带的LBS 100/10微波备份交换产品，可克服有雾天气的限制。


　　（3）AirFiber公司位于美国加洲San Diego，98年5月成立，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为OptiMesh，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离622Mb/s无线光传输系统。产品特点有：


　　a. 运行中心由交换，路由，服务平台，NMCs，网关到载体ISRs


　　b. 主干传输由光纤环，ADMs, 光纤/铜线分布，微波链路等


　　c. 从核心网到初级用户网包括AirFiber 节点，楼房POP，初级NTU或服务平台


　　d. 基础服务提供用户LAN, PBX,布线，终端设备，电话，计算机


　　（4）Canon是世界著名生产光学仪器的公司，利用在光学系统方面的优势，也踏足自由空间光通信系统的领域。主要产品有：Canobeam DT-50，速率从25Mb/s到622Mb/s. 可连接 FastEthernnet,FDDI, ATM。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动和震动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。Canobeam III：数据率达到622Mb/s，有不同的网络接口，如ATM, FDDI, Fast Ethernet，并可选择SNMP 的TCP/IP。


　　4 国内研究现状



　　就国内FSO的发展来说，还基本在起步阶段。有几家研究所与公司由于跟踪这项技术比较早，所以现在在实验室作出了自己的样机，但是还没有一家公司规模性的来生产FSO设备。当然这也有FSO设备由于本身的可靠性,在国内暂时不被运营商看好的因素。这几家样机比较成熟的单位有：桂林三十四所，清华同方有限公司，中科院成都光电技术研究所，深圳飞通有限公司，上海光机所等。


　　桂林三十四所主要进行军品的研究，就现在推出的大气激光通信机样机也是在军品的基础上进行民用化改造完成的。三十四所早在1997年4月曾派员到俄罗斯，就激光大气通信技术及应用情况进行了实地考察。它的样机在2001年2月由主管部门进行设计定型，现在已经有部分投入试用。它的产品的主要性能参数有以下一些，传输速率:8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波长：850nm；通信距离:1～4Km；光发射功率：小于40mW，在继清华同方在2002年9月推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产品OWLink E100。OWLink E100提供了可以无缝集成到已有以太网的10/100M以太网接口，其独特的快速追踪技术提供了网络的高链接余度，同时还遵循了严格的一级激光眼睛安全标准。并且该产品的自动校准技术和简洁的设计使得安装非常简单，用户可以通过SNMP/HTTP协议和友好的图形界面监控OWLink E100设备。针对由于自然原因导致的楼层扰动，清华同方获得专利的快速追踪系统具有自动校准功能，能减少安装时间和费用，同时提供了在地震等异常情况时的恢复速度，时刻保持点对点之间的高可靠性连接。


　　中科院成都光电技术研究所引进国外公司先进的激光器及其附属电路，利用自己在光学器件上的优势，开发出了工作波长为850nm，可以传输1公里、4公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数是，速率：10Mb/s；工作波长：850nm；通信距离：1～4Km；光发射功率：3～30mW。


　　上海光机所承担的“无线激光通信系统”项目在2003年1月13日通过了验收。该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以达到622Mb/s，通信距离可以达到2Km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2s。自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高灵敏度位敏探测器，实现灵敏的伺服跟踪，并简化通信系统的机械结构，降低成本术上具有自己的特色和创新，已申请一项专利。


　　深圳飞通有限公司利用自身强大的光电器件的优势，开发出了光收发模块加上EDFA系统方式的样机，其速率有155Mb/s，622Mb/s,以及1.25Gb/s几种，通信距离最远可达4KM。

　　5 FSO的成功应用范例



　　到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam、Airfiber和Canon公司的产品。在悉尼奥运会上，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100Mb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。2003年5月, 佳能美国公司宣布他们的多套自由空间光通信FSO系统成功应用到美国纽约州地方法院系统，并在911恐怖袭击之后的重建工作中发挥了出色作用。


　　在国内，2003年3月17日上海铁通宣布已经采购至少50套无线光通信设备厂商Terabeam的FSO系统。上海铁通最初的系统安装将从陆家嘴金融区开始，FSO系统将服务陆家嘴的企业网以及为吉通，网通，联通等提供网络租借服务。上海铁通表示采用Terabeam的设备将大大缩短他们提供服务的时间，有利于他们获得新客户。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。长城宽带表示他们将在未来2年选用Terabeam250套设备。目前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 FSO研究的几个方向及发展趋势



　　FSO技术原理比较简单，关键的问题是如何提高传输的可靠性，使其尽量达到电信运营商的要求。所以现在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高传输距离与速率。大致有以下一些方面。


　　（1）大气信道的研究


　　主要研究大气信道的空间损耗，不同气象条件下的传输衰减，大气闪烁，空气散射，背景噪声等。其主要目的是准确掌握某地的气候等通信条件，同时找到气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。


　　（2）传输可靠性的研究


　　这个方面的研究工作主要是在某地区一定通信条件下，采取必要的发射接收技术来正确进行数据的传输。现在几个大的FSO生产厂家都有自己的一些自己的专利技术来解决这个问题。据统计，MRV公司现在拥有最多的FSO专利，达16项之多。现在电路部分的做法一般是采取大功率连续单纵模激光器加高灵敏度Si 光电二极管来克服大气信道带来的衰减，减少误码。


　　还有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四个）发射技术，既可以克服气穴的影响，同时可以克服小鸟等引起的光路的突然割断。还有比较重要的一种技术就是跟踪技术，这方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光强度或者波形来自动定位、调整发射端的位置。同时有的公司也提出了采用微波-FSO互为备份的概念，不过价格过于昂贵。


　　（3）传输速率的提高


　　FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2M开始，形成多个系列，比较典型的有10Mb/s，100Mb/s,155Mb/s,622 Mb/s。有的公司采用波分复用（WDM）技术，速率可以达到2.5Gb/s，10Gb/s。


　　（4）FSO设备网络拓扑的研究


　　FSO网可以有三种拓扑，即点到点、点到多点（星型）和网状网，也可以把他们组合起来使用。目前已使用的系统多采用点到点结构，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。网状结构的优点是可以把业务集中到一点再接入核心网，效率较高、比较经济。但缺点是能提供的带宽较少，可靠性差。网状结构的优点是通过多个网络节点可以提供几乎实时的迂回选路，使服务得到保护。


　　从以上看来，现在FSO的发展方向是：首先提高系统的可靠性，然后在此基础上增加系统的传输速率，传输距离，从而找寻FSO更多的使用领域；同时研究FSO的网络拓扑结构，以使得FSO设备发挥最大得潜能。

　　7 结束语



　　自由空间光通信技术自身的特点决定了在一定的环境下，它可以的最大发挥自身优势，比如不便铺设光纤的地方和不适宜使用微波的地方。同时在最后一公里接入等领域也有着相当的竞争优势。自由空间光通信的任务不是取代已经发展成熟的光纤通信和微波通信，而是发挥自己特色，成为整个通信网络中的一个环节，与其他通信方式互相补充、互相配合，发挥重要作用。在未来几年里，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是没有光纤连接的中小企业。据预测，一两年内，FSO市场会形成一定规模，到2005年可达到20亿美元。我们相信FSO在未来的通信领域中必将占据重要位置。
----《中国数据通信》