摘 要 對自由空間光通信技術(shù)的基本特點作了歸納；簡要介紹了自由空間光通信技術(shù)在國外、國內(nèi)的研究現(xiàn)狀；從應(yīng)用的角度出發(fā)闡述了自由空間光通信技術(shù)研究的幾個方向和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 自由空間光通信 視距 大氣信道 拓撲 帶寬
1 前言
20世紀90年代后期，隨著全光接入網(wǎng)的發(fā)展，人們對傳輸速率的要求越來越高；隨著通信范圍的延伸，人們對快捷通信鏈路建立的興趣進一步提高。自由空間光通信技術(shù)因其具有獨到的優(yōu)勢，在固定無線寬帶技術(shù)中，能為寬帶接入的快速部署提供一種靈活的解決方案，又得到了極大的關(guān)注。其應(yīng)用范圍已從軍用和航天逐漸邁入民用領(lǐng)域，其技術(shù)本身也在不斷的完善中。
自由空間光通信可在以下一些范圍發(fā)揮重要作用。1）可以作為光纖通信和微波通信冗余鏈路的備份；2）可以應(yīng)用于移動通信基站間的互連，無線基站數(shù)據(jù)回傳；3）應(yīng)用于城域網(wǎng)的建設(shè)以及最后一公里接入；4）在技術(shù)上或經(jīng)濟上不宜敷設(shè)光纜的地區(qū)，在不宜采用或限制使用無線電通信的地方；5）在軍事設(shè)施或其他要害部門需要嚴格保密的場合6）在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互連和數(shù)據(jù)傳輸。
2 自由空間光通信的基本原理及其特點
自由空間光通信系統(tǒng)（FSO）是以大氣作為傳輸媒質(zhì)來進行光信號的傳送的。只要在收發(fā)兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發(fā)射功率，通信就可以進行。
系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換。在點對點傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機和光接收機，可以實現(xiàn)全雙工的通信。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(xué)望遠鏡，將光信號經(jīng)過大氣信道傳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。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。光的無線系統(tǒng)通常使用850nm或1550nm的工作波長。同時考慮到1500nm的光波對于霧有更強的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長的FSO系統(tǒng)具有更廣闊的使用前景。
自由空間光通信與微波技術(shù)相比，它具有調(diào)制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特點；與有線和光纖通信相比，它具有機動靈活、對市政建設(shè)影響較小、運行成本低、易于推廣等優(yōu)點。自由空間光通信可以在一定程度彌補光纖和微波的不足。它的容量與光纖相近，但價格卻低得多。它可以直接架設(shè)在屋頂，由空中傳送。既不需申請頻率執(zhí)照，也沒有敷設(shè)管道挖掘馬路的問題。使用點對點的系統(tǒng)，在確定發(fā)收兩點之間視線不受阻擋的通道之后，一般可在數(shù)小時之內(nèi)安裝完畢，投入運行。在考慮到當?shù)貧庀蟮臈l件以后，光無線系統(tǒng)一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系統(tǒng)構(gòu)成主備用，甚至可達到99.999%電信級的可用性要求。
另外自由空間光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，還有如下的優(yōu)點：1）對運行的協(xié)議透明�，F(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)常用的SDH、ATM、IP等都能通過。2）可組成點對點、星形、和網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。3）可靈活拆裝、移裝至其他位置。4）易于擴容升級，只需稍作接口的變動就能改變?nèi)萘俊?
自由空間光通信存在的主要問題有以下幾點：
�。�1）FSO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%（五個9）的穩(wěn)定性。
（2）FSO系統(tǒng)性能對天氣非常敏感是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、雪和霧對傳輸質(zhì)量的影響則較大。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，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國外為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進的光學(xué)器件和多光束來解決。
�。�3）城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動將影響兩個點之間的激光對準。
�。�4）激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標準。
3 國外研究現(xiàn)狀
在自由空間光通信（FSO）領(lǐng)域，國外已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是FSO產(chǎn)品真正投入使用也就是最近幾年的事情。在FSO這個領(lǐng)域里，國外幾個大的FSO廠家，包括LightPointe公司，AirFiber 公司，Canon 公司，Terabeam 公司。LightPointe收到Corning和思科系統(tǒng)公司的投資款3千多萬美元（現(xiàn)已增值至5千多萬美元），而AirFiber則獲得大概來自北電網(wǎng)絡(luò)的5千萬美元（現(xiàn)已增值至9千多萬美元），朗訊科技則投資了4億5千萬美元的巨款在Terabeam身上（現(xiàn)已增值至5億8千多萬美元）。幾個公司的研究現(xiàn)狀分別介紹如下：
（1）Lucent98年3月開始開發(fā)，99年3月發(fā)布WaveStar OpticAir system 產(chǎn)品。單波長，傳輸速率2.5 Gb/s, 四波長10 Gb/s, 距離5Km，99 年12月，Global Crossing Ltd. 現(xiàn)場使用。TeraBeam，Lucent宣布組建 TeraBeam Internet Systems，產(chǎn)品是基于IP 的無光纖點到多點網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收機，固定在辦公室窗戶上小衛(wèi)星碟。這些衛(wèi)星碟型天線的波束與安裝在樓內(nèi)的基站相連。Lucent投入資金、研究開發(fā)資源，知識產(chǎn)權(quán)，價值450百萬美元的自由空間光產(chǎn)品。TeraBeam 的產(chǎn)品都用Lucent 的商標，光元件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)優(yōu)先選用Lucent 的。TeraBeam擁有70%的股份,可以使用技術(shù)和銷售客戶。
�。�2）LightPointe公司將自由空間光學(xué)技術(shù)用于創(chuàng)造、設(shè)計和制造電信公司等級的光傳輸設(shè)備，向電信服務(wù)商提供比傳統(tǒng)光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通訊解決方案。LightPointe的系統(tǒng)以超快的帶寬速度提供安全可靠的無線傳輸，速度最高可達2.5Gb/s，產(chǎn)品適應(yīng)性強，可解決城市地區(qū)的連接問題。公司擁有多項正在申請專利的專有技術(shù)，可提供電信公司等級的網(wǎng)絡(luò)可用性。LightPointe的自由空間光傳輸（FSO）產(chǎn)品在第一層（物理層）工作，可適應(yīng)任何協(xié)議（SONET、SONET/SDH、ATM、FDDI、以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)）。產(chǎn)品包括各種"飛行自由空間光傳輸解決方案"，其中有FlightLite、FlightPath、FlightSpectrum。速度最高可達1.25 Gb/s，提供兆位級以太網(wǎng)通訊能力，工作波長為850納米（nm）。2003年秋季將開始向市場提供2.5 Gb/s Flight Spectrum，其使用半徑為1000米，采用1550nm波長。
產(chǎn)品LightStation 的特點有以下一些：
a. 數(shù)據(jù)率從1 Mbps到1.25 Gb/s ；傳輸距離達2.5Km
b. 分布SNMP監(jiān)視采用光接口
c. 信號高度安全
d. 協(xié)議透明（IP, ETHERNET, ATM, SONET, FDDI）；容易集成到現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)
e. 內(nèi)置望遠鏡和信號強度表
f. 微調(diào)控制；內(nèi)部裝有加熱器，具有鏡頭防霜功能
g. 采用自動微波備份交換技術(shù)，可使用率達99.999%，采用LightPointe Patent Pending FORCE? 技術(shù)（Free-space Optical Radio Communication Equipment）可補償純光通信帶來的限制。使用無須許可證的擴展頻譜ISM頻帶的LBS 100/10微波備份交換產(chǎn)品，可克服有霧天氣的限制。
（3）AirFiber公司位于美國加洲San Diego，98年5月成立，主要服務(wù)于大城市大樓寬帶接入。它的產(chǎn)品稱為OptiMesh，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為網(wǎng)眼狀拓撲結(jié)構(gòu)，冗余備份短距離622Mb/s無線光傳輸系統(tǒng)。產(chǎn)品特點有：
a. 運行中心由交換，路由，服務(wù)平臺，NMCs，網(wǎng)關(guān)到載體ISRs
b. 主干傳輸由光纖環(huán)，ADMs, 光纖/銅線分布，微波鏈路等
c. 從核心網(wǎng)到初級用戶網(wǎng)包括AirFiber 節(jié)點，樓房POP，初級NTU或服務(wù)平臺
d. 基礎(chǔ)服務(wù)提供用戶LAN, PBX,布線，終端設(shè)備，電話，計算機
�。�4）Canon是世界著名生產(chǎn)光學(xué)儀器的公司，利用在光學(xué)系統(tǒng)方面的優(yōu)勢，也踏足自由空間光通信系統(tǒng)的領(lǐng)域。主要產(chǎn)品有：Canobeam DT-50，速率從25Mb/s到622Mb/s. 可連接 FastEthernnet,FDDI, ATM。特點是具有自動跟蹤系統(tǒng)，調(diào)整探測器件的位置以檢測激光束的光軸，所以不因建筑物的擺動和震動而使傳輸中斷。同時，鏡頭自動跟蹤特性增加傳輸距離達2km。Canobeam III：數(shù)據(jù)率達到622Mb/s，有不同的網(wǎng)絡(luò)接口，如ATM, FDDI, Fast Ethernet，并可選擇SNMP 的TCP/IP。
4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
就國內(nèi)FSO的發(fā)展來說，還基本在起步階段。有幾家研究所與公司由于跟蹤這項技術(shù)比較早，所以現(xiàn)在在實驗室作出了自己的樣機，但是還沒有一家公司規(guī)模性的來生產(chǎn)FSO設(shè)備。當然這也有FSO設(shè)備由于本身的可靠性,在國內(nèi)暫時不被運營商看好的因素。這幾家樣機比較成熟的單位有：桂林三十四所，清華同方有限公司，中科院成都光電技術(shù)研究所，深圳飛通有限公司，上海光機所等。
桂林三十四所主要進行軍品的研究，就現(xiàn)在推出的大氣激光通信機樣機也是在軍品的基礎(chǔ)上進行民用化改造完成的。三十四所早在1997年4月曾派員到俄羅斯，就激光大氣通信技術(shù)及應(yīng)用情況進行了實地考察。它的樣機在2001年2月由主管部門進行設(shè)計定型，現(xiàn)在已經(jīng)有部分投入試用。它的產(chǎn)品的主要性能參數(shù)有以下一些，傳輸速率:8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波長：850nm；通信距離:1～4Km；光發(fā)射功率：小于40mW，在繼清華同方在2002年9月推出了面向未來的無線光鏈路的自由空間通信產(chǎn)品OWLink E100。OWLink E100提供了可以無縫集成到已有以太網(wǎng)的10/100M以太網(wǎng)接口，其獨特的快速追蹤技術(shù)提供了網(wǎng)絡(luò)的高鏈接余度，同時還遵循了嚴格的一級激光眼睛安全標準。并且該產(chǎn)品的自動校準技術(shù)和簡潔的設(shè)計使得安裝非常簡單，用戶可以通過SNMP/HTTP協(xié)議和友好的圖形界面監(jiān)控OWLink E100設(shè)備。針對由于自然原因?qū)е碌臉菍訑_動，清華同方獲得專利的快速追蹤系統(tǒng)具有自動校準功能，能減少安裝時間和費用，同時提供了在地震等異常情況時的恢復(fù)速度，時刻保持點對點之間的高可靠性連接。
中科院成都光電技術(shù)研究所引進國外公司先進的激光器及其附屬電路，利用自己在光學(xué)器件上的優(yōu)勢，開發(fā)出了工作波長為850nm，可以傳輸1公里、4公里兩種距離的兩款產(chǎn)品。產(chǎn)品主要性能參數(shù)是，速率：10Mb/s；工作波長：850nm；通信距離：1～4Km；光發(fā)射功率：3～30mW。
上海光機所承擔的“無線激光通信系統(tǒng)”項目在2003年1月13日通過了驗收。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能。其傳輸速率可以達到622Mb/s，通信距離可以達到2Km，自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為0.1mrad，響應(yīng)時間為0.2s。自動跟蹤系統(tǒng)采用雙波長同光路接收鏡筒和高靈敏度位敏探測器，實現(xiàn)靈敏的伺服跟蹤，并簡化通信系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，降低成本術(shù)上具有自己的特色和創(chuàng)新，已申請一項專利。
深圳飛通有限公司利用自身強大的光電器件的優(yōu)勢，開發(fā)出了光收發(fā)模塊加上EDFA系統(tǒng)方式的樣機，其速率有155Mb/s，622Mb/s,以及1.25Gb/s幾種，通信距離最遠可達4KM。
5 FSO的成功應(yīng)用范例
到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有Terabeam、Airfiber和Canon公司的產(chǎn)品。在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計劃4年內(nèi)在全美建設(shè)100個FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。2003年5月, 佳能美國公司宣布他們的多套自由空間光通信FSO系統(tǒng)成功應(yīng)用到美國紐約州地方法院系統(tǒng)，并在911恐怖襲擊之后的重建工作中發(fā)揮了出色作用。
在國內(nèi)，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少50套無線光通信設(shè)備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng)。上海鐵通最初的系統(tǒng)安裝將從陸家嘴金融區(qū)開始，F(xiàn)SO系統(tǒng)將服務(wù)陸家嘴的企業(yè)網(wǎng)以及為吉通，網(wǎng)通，聯(lián)通等提供網(wǎng)絡(luò)租借服務(wù)。上海鐵通表示采用Terabeam的設(shè)備將大大縮短他們提供服務(wù)的時間，有利于他們獲得新客戶。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中國長城寬帶公司將選擇他們的設(shè)備建設(shè)15個城市的寬帶網(wǎng)絡(luò)。長城寬帶表示他們將在未來2年選用Terabeam250套設(shè)備。目前Terabeam的設(shè)備已經(jīng)在上海和重慶作為跨江的通信設(shè)備投入應(yīng)用。
6 FSO研究的幾個方向及發(fā)展趨勢
FSO技術(shù)原理比較簡單，關(guān)鍵的問題是如何提高傳輸?shù)目煽啃裕蛊浔M量達到電信運營商的要求。所以現(xiàn)在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率。大致有以下一些方面。
�。�1）大氣信道的研究
主要研究大氣信道的空間損耗，不同氣象條件下的傳輸衰減，大氣閃爍，空氣散射，背景噪聲等。其主要目的是準確掌握某地的氣候等通信條件，同時找到氣象條件影響通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。
�。�2）傳輸可靠性的研究
這個方面的研究工作主要是在某地區(qū)一定通信條件下，采取必要的發(fā)射接收技術(shù)來正確進行數(shù)據(jù)的傳輸�，F(xiàn)在幾個大的FSO生產(chǎn)廠家都有自己的一些自己的專利技術(shù)來解決這個問題。據(jù)統(tǒng)計，MRV公司現(xiàn)在擁有最多的FSO專利，達16項之多。現(xiàn)在電路部分的做法一般是采取大功率連續(xù)單縱模激光器加高靈敏度Si 光電二極管來克服大氣信道帶來的衰減，減少誤碼。
還有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四個）發(fā)射技術(shù)，既可以克服氣穴的影響，同時可以克服小鳥等引起的光路的突然割斷。還有比較重要的一種技術(shù)就是跟蹤技術(shù)，這方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光強度或者波形來自動定位、調(diào)整發(fā)射端的位置。同時有的公司也提出了采用微波-FSO互為備份的概念，不過價格過于昂貴。
�。�3）傳輸速率的提高
FSO相對于其他接入設(shè)備最大的優(yōu)勢之一就是帶寬。現(xiàn)在FSO產(chǎn)品的速率從2M開始，形成多個系列，比較典型的有10Mb/s，100Mb/s,155Mb/s,622 Mb/s。有的公司采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，速率可以達到2.5Gb/s，10Gb/s。
�。�4）FSO設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲的研究
FSO網(wǎng)可以有三種拓撲，即點到點、點到多點（星型）和網(wǎng)狀網(wǎng)，也可以把他們組合起來使用。目前已使用的系統(tǒng)多采用點到點結(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。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把業(yè)務(wù)集中到一點再接入核心網(wǎng)，效率較高、比較經(jīng)濟。但缺點是能提供的帶寬較少，可靠性差。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(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選路，使服務(wù)得到保護。
從以上看來，現(xiàn)在FSO的發(fā)展方向是：首先提高系統(tǒng)的可靠性，然后在此基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)的傳輸速率，傳輸距離，從而找尋FSO更多的使用領(lǐng)域；同時研究FSO的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以使得FSO設(shè)備發(fā)揮最大得潛能。
7 結(jié)束語
自由空間光通信技術(shù)自身的特點決定了在一定的環(huán)境下，它可以的最大發(fā)揮自身優(yōu)勢，比如不便鋪設(shè)光纖的地方和不適宜使用微波的地方。同時在最后一公里接入等領(lǐng)域也有著相當?shù)母偁巸?yōu)勢。自由空間光通信的任務(wù)不是取代已經(jīng)發(fā)展成熟的光纖通信和微波通信，而是發(fā)揮自己特色，成為整個通信網(wǎng)絡(luò)中的一個環(huán)節(jié)，與其他通信方式互相補充、互相配合，發(fā)揮重要作用。在未來幾年里，它將作為一個主要的手段進入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業(yè)。據(jù)預(yù)測，一兩年內(nèi)，F(xiàn)SO市場會形成一定規(guī)模，到2005年可達到20億美元。我們相信FSO在未來的通信領(lǐng)域中必將占據(jù)重要位置。
