光無線通信系統(tǒng)技術(shù)淺析

　　光的無線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，光無線通信技術(shù)隨著激光器件的工程開發(fā)利用而日趨成熟。它利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體，而不是通過光纖傳送信號。 　　

　　20世紀90年代后期，全球通信網(wǎng)絡(luò)開始大規(guī)模擴容，先是廣域網(wǎng)的不斷擴展，接著是城域網(wǎng)的大量建設(shè)。與此同時，用戶內(nèi)部的局域網(wǎng)快速增長。將這些高速的局域網(wǎng)連接到運營商的通信網(wǎng)絡(luò)，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡(luò)。光纖雖能解決傳輸速率的問題，但鋪設(shè)的昂貴和耗時卻限制了它的發(fā)展。許多無線通信技術(shù)也能解決“最后一公里”問題，但存在頻率通道的擁擠以及申請困難和電磁輻射的安全問題，如何提供快速、低價、安全的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題。

　　光的無線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，光無線通信技術(shù)隨著激光器件的工程開發(fā)利用而日趨成熟。它利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體，而不是通過光纖傳送信號。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，物理組成也是非常簡單的，用戶無需申請無線頻率，而且起始投資低，運營費用低，能快速裝設(shè)，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于系統(tǒng)具有傳輸速率快、結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活等特點，在跨江跨河等不具備有線接入條件和需快速組建通信網(wǎng)絡(luò)的場合有很高的使用價值，也受到越來越多電信運營商的關(guān)注，應(yīng)用范圍不斷擴大。已商用的這類系統(tǒng)，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s。也有一些試驗采用波分復(fù)用技術(shù)，達到160Gbit /s的速率。盡管受到氣象條件的限制，只能在較短的距離內(nèi)使用，一般限于2km以下。但在許多場合下，作為一種獨特的方式，光無線接入可以起到很好的作用，成為當前已有幾種寬帶接入方式很好的補充手段。

　　1 光無線通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)

　　光無線通信是一種視距傳輸技術(shù)，其基礎(chǔ)是電-光和光-電的轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、影像和等的傳輸，以大氣作為媒質(zhì)。實際上激光出現(xiàn)后最先研制的就是光無線通信系統(tǒng)。光無線通信的優(yōu)點是傳輸距離遠、信道容量大、發(fā)射天線小、保密性好以及抗電磁干擾等。除此以外，光無線通信不需要許可執(zhí)照，不需要鋪設(shè)電纜，不需要挖溝，不需要租用線路，不需要頻譜規(guī)劃，建設(shè)周期短，對環(huán)境沒有影響。寬帶光無線通信的電子頻譜位于極高的光頻段，不存在微波等電磁干擾。光無線通信因為這些優(yōu)點，越來越受到關(guān)注。

　　一個光無線通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括三個部分：發(fā)射機、信道和接收機。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，并通過作為天線的光學望遠鏡，將光信號經(jīng)過空間送到接收端的望遠鏡。高靈敏度的光接收機，將望遠鏡收到的光信號再轉(zhuǎn)換成電信號，值得注意的是，發(fā)送端和接收端之間，必須是互相視線可見的，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別，可以選用透過率較好的波段窗口。光無線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.5μm紅外波段。0.85μm的設(shè)備相對便宜，一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠的場合。1.5μm的設(shè)備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。 1.5μm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1.5μm波長設(shè)備的功率可以比0.85μm的設(shè)備高2個等級，1.5μm波長的光無線通信具有更廣闊的使用前景。

　　圖1 光無線通信系統(tǒng)示意

光無線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來說。可組成點對點、星形(點到多點)和格形(網(wǎng)狀網(wǎng))三種結(jié)構(gòu)。點到點結(jié)構(gòu)是最簡單的網(wǎng)絡(luò)拓撲，目前已使用的系統(tǒng)多數(shù)采用此結(jié)構(gòu)，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點到點結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是獨立的鏈路，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡單；其缺點也很多，例如不能低成本有效地進行擴展；光鏈路沒有任何保護，有一個點出故障，鏈路就中斷。它不適合電信級系統(tǒng)。

　　星形(點到多點)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把業(yè)務(wù)集中到一點(集線器或中心節(jié)點)再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟；其缺點是能提供的帶寬較少，每條鏈路仍無冗余保護，可靠性較差。為了在視距內(nèi)連接盡可能多的大樓，集線器的位置非常關(guān)鍵。

　　格形(網(wǎng)狀網(wǎng))結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以提供幾乎實時的迂回鏈路，使服務(wù)得到保護，即具有服務(wù)恢復(fù)或服務(wù)冗余度的特點。網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)還可以把業(yè)務(wù)集中到某些特定點：再有效地接入網(wǎng)絡(luò)，比較符合電信級的要求。其缺點是傳輸距離短、成本高(每幢大樓有多條鏈路)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃復(fù)雜。

　　2 光無線通信存在的主要問題及解決方案

　　盡管光無線通信有許多優(yōu)點，但也存在以下幾個問題。

　　FSO(自由空間光通信) 是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導(dǎo)致難以被接收點正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠只能達到4km。多種因素影響其達不到99.999%的穩(wěn)定性。為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進的光學器件和多光束來解決。

　　對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧的影響較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO 受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5～15dB/km；雨天，20～50dB/km；雪天，50-150dB/km；霧天，50～300dB/km。可見影響最大的是霧天，這是因為霧中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一數(shù)量級上，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，造成空間、角度和時間上的擴展，如圖2。對于這種大氣現(xiàn)象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒?，為光信號的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余量，以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下，仍能接收到所需的光信號功率。重要的是，要獲得所在地長期的氣象統(tǒng)計資料，能夠知道不同等級(能見度)的霧，即不同衰減的大氣介質(zhì)出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標出現(xiàn)的概率，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(比如99.9%)，需要容納多大的大氣損耗。而傳輸距離的計算公式如式(1)所示。

　　圖2 光子大氣傳播示意

　　顯而易見，在經(jīng)常出現(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無線系統(tǒng)，可能傳送的距離要比無霧或少霧的地區(qū)短得多。所以，系統(tǒng)的設(shè)計一定要考慮地區(qū)的氣象條件，以保證良好的性能。FSO系統(tǒng)在發(fā)射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標。此外，建筑物結(jié)構(gòu)的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準，實際測量中發(fā)現(xiàn)，大樓頂部的水平移動可達樓高的1/800～1/200。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對準和跟蹤是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前在國內(nèi)外普遍采用擴束法、多束法和動態(tài)跟蹤技術(shù)克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束，但擴束法降低了接收端的光斑能量密度，傳輸距離和速度受到影響和限制，于是業(yè)界又提出了多束法，利用多個激光器和發(fā)射鏡同時發(fā)射激光束，每個光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收處就得到一個大而相互重疊的激光光斑。從而提高了接收端的能量密度，也擴大了可接收面積。

　　隨著通信技術(shù)的