無線光纖

1　基本信息

　　什么是無線光纖技術(shù)(FSO)?

　　FSO技術(shù)利用小功率的紅外激光束為載體在位于樓頂或窗外的收發(fā)器間傳輸數(shù)據(jù)，紅外波段比微波波段更小，更加靈活和方便。FSO系統(tǒng)的工作頻段在300GHz以上，該頻段的應(yīng)用在全球不受管制，而且可以免費(fèi)使用。FSO產(chǎn)品目前最高速率可達(dá)2.5G，最遠(yuǎn)可傳送4km。

　　FSO（FreeSpaceOptical自由空間光通信系統(tǒng)，簡稱“無線光通信”，又稱無線光纖或者是虛擬光纖）系統(tǒng)，

　　是利用激光作為載體傳輸數(shù)據(jù)，提供無線高速點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)通信的一種方式，其傳播介質(zhì)不是光纖而是空氣，因此FSO也稱之為“虛擬光纖”通信。FSO系統(tǒng)可傳輸數(shù)據(jù)、視頻、語音等的信息，具有抗干擾能力強(qiáng)、極高的帶寬、安裝簡便快捷、安全及成本低的特點(diǎn)。它同光纖通信一樣可以構(gòu)建高質(zhì)量的通信系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于軍事保密通信、城域網(wǎng)路由保護(hù)和接入、基站連接等。

　　無線光纖---FSO系統(tǒng)特點(diǎn)

　　性能卓越：

　　頻帶寬，速率高，容量大。

　　快速部署：

　　FSO可以遠(yuǎn)設(shè)郊外、翻山越嶺、在江河湖海上進(jìn)行通信，可完成地對空、空對空等多種光纖通信無法完成的通信任務(wù)。系統(tǒng)架設(shè)方便，施工簡便。

　　低成本應(yīng)用：

　　激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件成本降低，在不損失性能的情況下降低了FSO設(shè)備的造價(jià)，為用戶帶來實(shí)惠。

　　支持任何一種協(xié)議傳輸：通信協(xié)議透明，任意傳輸協(xié)議均易疊加上去，對語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可透明傳送，適用于任何一種通信協(xié)議。

　　無需頻譜許可證：不受頻譜管制的束縛，因?yàn)闊o線光通信其設(shè)備間無信號的相互干擾，故無需像無線電通信（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。

　　保密性好：

　　FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，形成通信鏈路后很難發(fā)現(xiàn)，安全保密性較強(qiáng)。適用于軍隊(duì)保密通信系統(tǒng)及商業(yè)商務(wù)保密通信系統(tǒng)。

　　體積較小：

　　機(jī)載、艦載、衛(wèi)星承載均十分理想。若使FSO與定位系統(tǒng)和激光跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)“動中通”。

　　滿足短距離和長距離應(yīng)用符合眼部安全標(biāo)準(zhǔn)

　　應(yīng)用領(lǐng)域:

　　軍事通信的部署：符合軍事戰(zhàn)爭對通信設(shè)備的要求，設(shè)備輕巧、靈活、便攜，架設(shè)與使用方便。

　　局域網(wǎng)的擴(kuò)展：可用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)或連到新網(wǎng)絡(luò)，這些鏈路通常不到達(dá)最終用戶，而是為網(wǎng)絡(luò)核心服務(wù)。

　　企業(yè)應(yīng)用：FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。

　　作為光纖的補(bǔ)充：目前大多數(shù)電信運(yùn)營商都采用兩條光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全。現(xiàn)在，運(yùn)營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。

　　接入應(yīng)用：FSO也可用在接入網(wǎng)中，例如吉比特以太網(wǎng)接入。業(yè)務(wù)提供商可以使用FSO去旁路本地環(huán)路系統(tǒng)，或當(dāng)作LMDS或蜂窩網(wǎng)的回程鏈路。

　　DWDM業(yè)務(wù)：想要構(gòu)建屬于自己的光纖網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)營商，可以結(jié)合使用WDM與FSO來完成部分鏈路的傳輸，以節(jié)省光纖租賃費(fèi)用。

　　軍用、民用，陸地、海洋、太空，均十分便利。

　　FSO與RF無線電系統(tǒng)備份

　　FSO與RF無線電有著不同的系統(tǒng)特點(diǎn)，高頻無線電雨衰較為嚴(yán)重而穿透濃霧的能力較強(qiáng)，F(xiàn)SO系統(tǒng)與RF系統(tǒng)正相反。因此，將兩種設(shè)備互為備份，可以很好地解決由惡劣氣候?qū)o線通信系統(tǒng)帶來的影響。

　　無線光纖的質(zhì)疑

　　◆FSO的可用性和網(wǎng)絡(luò)在線時(shí)間比較差;

　　◆FSO技術(shù)對于天氣比較依賴，如大氣的分子吸收、折射率會造成射束偏轉(zhuǎn);

　　◆因?yàn)榇髿夥肿雍蛻腋☆w粒會發(fā)生散射(不適用于霧、雨、雪天氣);

　　◆飛鳥、吊塔或者其他高空障礙物會造成射束中斷

2　無線光纖的可靠性

　　介紹

　　事實(shí)上，近年來FSO在技術(shù)方面已經(jīng)有了較大的突破。對于大氣衰減、穩(wěn)定性等問題，目前業(yè)界可通過以下幾種方式進(jìn)行解決:

　　選用適合的波長

　　對基于FSO的系統(tǒng)來說，最常用的光學(xué)波長是近紅外光譜中的850納米(nm)。在這個(gè)頻率上，有足夠的能量將電流信號高效地轉(zhuǎn)換成光信號。除了具有快速調(diào)制能力之外，高能量密度對獲得高指向性同樣有幫助。接收器負(fù)責(zé)將高容量的調(diào)制光信號高效率地轉(zhuǎn)換成電子信號。

　　除此之外，還有一些基于FSO的系統(tǒng)使用1500納米的波長，可以支持更大的系統(tǒng)功率，但只有在通信距離超過1000米的情況下，才能顯示出優(yōu)勢。

　　波長[1]

　　最近，人們傾向于開發(fā)能在近紅外光譜之外工作的FSO系統(tǒng)，例如2.2微米左右的中紅外光譜，甚至包括量子級聯(lián)激光(約10微米)。然而，不管使用的是什么波長，在雨雪等天氣中(具有較大的懸浮物顆粒)，所有基于FSO的系統(tǒng)都具有類似的表現(xiàn)。在大霧天氣，長波系統(tǒng)更有優(yōu)勢，因?yàn)樗艽髿馑p的影響較小。圖1展示了FSO在不同波長和能見度下的衰減曲線。

　　使用自動功率控制和定位跟蹤技術(shù)提高穩(wěn)定性

　　為了開發(fā)面向未來的基于FSO的系統(tǒng)，使其具有更高的可用性和在線時(shí)間，需要采取全新的方式。例如，為無線光纖系統(tǒng)配備自動功率控制(automaticpowercontrol，APC)和自動跟蹤特性。APC允許產(chǎn)品的發(fā)射功率自動調(diào)節(jié)，使接收器永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)過度調(diào)變的情況。其優(yōu)點(diǎn)在于，用戶可以使用功率更高的發(fā)射器，保證無線光纖系統(tǒng)能在霧天使用。在附表展示的例子中，2個(gè)基于FSO的系統(tǒng)相距500米部署。其中，系統(tǒng)A的發(fā)射功率是1mW，且不具備自動功率控制特性;系統(tǒng)B則集成了自動功率控制特性。在這種情況下，系統(tǒng)B的優(yōu)勢是顯而易見的。由于系統(tǒng)A只能在1mW的功率下工作，所以在天氣晴朗的時(shí)候可能出現(xiàn)過度調(diào)變的情況。相反，系統(tǒng)B能控制功率，一旦因?yàn)樘鞖庠蛟斐赡芤姸鹊?，它有超過15dB的附加功率可供利用。

　　在無線光纖系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器的鏡頭設(shè)計(jì)必須在以下幾個(gè)方面取得平衡：大光圈(接收器大光圈有助于獲得較大的光線入射)、較短的焦距(由設(shè)備的體積決定)以及更容易的調(diào)節(jié)功能。相應(yīng)地，在商業(yè)應(yīng)用中，人們采取各種不同的方式來取得這種平衡。

　　一方面，有些基于FSO的系統(tǒng)使用的是Fresnel(菲涅爾)鏡頭，它的特點(diǎn)是具有一個(gè)較大的接收角和鏡面，但缺點(diǎn)在于直射光的高入射會顯著影響接收器的敏感性;另一方面，有些基于FSO的系統(tǒng)采用多鏡頭設(shè)計(jì)，它們的累積光學(xué)信號能顯著增強(qiáng)發(fā)射質(zhì)量，但是，這種系統(tǒng)的低發(fā)射和接收角(1～5mrad)對調(diào)節(jié)和系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高的要求，尤其是用于超出2000米的遠(yuǎn)距離通信時(shí)?？紤]到這個(gè)原因，一些FSO產(chǎn)品的領(lǐng)先廠商(如LightPointe)進(jìn)行了一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的技術(shù)革新，即“自動跟蹤”，采用可以在x和y軸上移動的萬向支架，可以主動調(diào)整接收器，在任何情況下都能處在一個(gè)理想的位置上。對FSO系統(tǒng)進(jìn)行控制的軟件能夠補(bǔ)償1ms～10ms內(nèi)的大氣波動，并能在極短的1～10s內(nèi)完成補(bǔ)償。

3　無線光纖的行業(yè)應(yīng)用

　　一般來說，凡是需要高帶寬連接而又無法敷設(shè)光纜/電纜的情況下，均可使用FSO技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　◆低成本——安裝簡便，不需預(yù)先估計(jì)線路成本;

　　行業(yè)應(yīng)用[2]

　　◆不需施工許可證;

　　◆無干擾;

　　◆高帶寬—從100Mbps到2.5Gbps;

　　◆靈活(容易縮放);

　　◆適用于任何環(huán)境(不依賴某種協(xié)議)。

　　只有網(wǎng)絡(luò)連接得到充分的擴(kuò)展，延伸到足夠廣泛的客戶群體時(shí)，信息產(chǎn)業(yè)令人激動的各種可能性才會成為現(xiàn)實(shí)。通過結(jié)合無線光纖與光纖技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)能夠迅速地建立起來，并為渴望高帶寬的最終用戶提供價(jià)格合理、易于擴(kuò)展的連接