前景诱人的无线光学技术

赛迪翻译
　　新的激光和高频微波技术虽然为电信运营商而开发，但如今在专用网络谋得了一席之地。

　　物理定律表明，点对点无线电链路很容易建立：只要让两个收发器互相对准；并且确保两者之间有一条瞄准线。但人类定律却不同：由于干扰问题，高带宽无线系统通常需要成本高昂、难以获得的许可证，从而使其无法进入大多数专用网络。

　　一种选择办法就是使用光。无需许可证就可以装配好两只闪光灯或激光枪，而一束光线提供的带宽就超过整个无线电频谱。数十年来，远程主干网提供商就晓得了这个道理，因而从铜线（实际上只是无线电波的一种管道）改用光纤。无线光学网络有望快速如光纤网络、方便如无线电网络，比任何一种更容易组建。

　　对企业网络而言，无线光学技术具有更大的一个优点。"它避免了租用线路的经常性费用，"Cognitek管理系统公司的顾问布赖恩·古林说。他的客户：Mail-Well把总部扩大到街对面的另一幢大楼时，他和该公司的IT人员采用了Plaintree公司的WaveBridge系统连接两个地方的办公室，并未牵涉服务提供商。

　　古林说："当时Mail-Well在考虑购置另一条T1线路，甚至在考虑拉一条线到街对面。"结果相反，WaveBridge负责承载两幢大楼间的千兆位以太网LAN流量，从而使新办公室可以共享现有的T1线路。古林估计，这每月可以为这家从事信封打印的联合大企业节省约1万美元。

　　其他人士同意该观点。"万一服务中断无须管理另一条数据电路或者去叫ISP，这极为方便，"达利尔·奥斯说，他是美国劳工部下属退休金和福利救济金管理署的高级网络工程师。他利用Canon公司的OC-12(622Mbps)Canobeam设备把华盛顿特区的两个地方连接起来，同样节省了数千美元。他说："我们不是为横跨城市街道的短程通讯租用为期多年的数据电路，而是支付了Canobeam的一次性费用，它所提供的服务非常好。"

　　在服务提供商接管IT部门许多职能的一个时代，无线技术却反其道而行之，使专用网络可以延伸到广泛地区。光学无线技术具有同样功能，但速度更快、不大容易受干扰的影响，而且偷听者更难偷听。

　　出乎意料的是，这样的速度、可靠性和安全性却不是用于企业。大多数光学无线供应商原先是为运营商市场而开发技术的，竭力宣传这是宽带服务提供商用来覆盖到光纤尚未以合理成本铺设的地区的一种方法。该技术仍具有这种潜力，但鉴于电信行业的现状，光学无线供应商只好向其它市场寻求顾客。

　　这意味着网络管理人员会受益于电信级技术的创新，而又往往无需支付电信级技术的费用。一些供应商抛弃激光改用更廉价、更安全的发光二极管（LED）。其它厂商在结合自由空间激光器和传统的光纤或微波网络，包括无许可证的点对点无线电网络，这种网络传输的数据几乎与激光束一样多，但穿透雾或云的能力更强。不过更多的供应商借用存储、生物测量术及天文学等不同领域的技术，提出了可以保证在更远距离获得99.999%的正常工作时间的其它方法。

光线蓄势待发

　　利用光传送信息并非新概念。19世纪80年代，即早在发明激光、光缆甚至无线电之前，亚历山大·格雷厄姆·贝尔就取得了基于光的移动电话的专利权。一个世纪后，基于激光的第一批网络系统问世，但从未流行起来。因为光束需要极为精确的瞄准线，以至只要高楼在风中稍有摇动或者重型卡车轻晃光束的地基，光束就会偏离方向。

　　20世纪90年代，供应商解决了这类问题，办法是使用先进的自动跟踪系统让收发器保持对齐，或者把光束角度扩大一两度以适应少许移动。为了使这种可以工作的新的激光（或有时是LED）系统有别于以前几种系统，该技术改名为自由空间光学（FSO）。很少有顾客受骗上当，而激光已为更多人所接受，这归功于CD播放器和光纤网络的普及。

　　虽然较老式的激光系统瞄准企业，但较新的FSO起初是作为本地环路技术而被大肆宣传的――换句话说，这是无须申请频谱许可证或挖开街道就可以获得高数据速率的一种方式。当前的FSO速率从T3(45Mbps)一直高达OC-48(2.5Gbps)，速度更快的系统在实验室当中。分析家预测该技术会迅猛发展，并认为与日俱增的企业会要求真正的宽带连接。由于建立光纤网络需要很长时间，而大多数种类的DSL、线缆或无线电系统的最高速率较低，FSO似乎就顺理成章。

　　宽带热潮从未出现过，但FSO供应商并没遭遇电信业其它制造商那样的遭遇。的确，这部门在不断发展。调研公司Strategis集团的分析家估计，2001年它在光学无线研究与开发方面总共投资了10亿美元――比2000年增长60%。该技术还找到了其它用武之地，包括企业和第三代蜂窝网络边缘：该技术把如今立在小山和摩天楼顶上的基站发射塔连接起来。

　　"蜂窝互连挽救了行业，"FSO新兴公司Holoplex的创办人莫辉博士说。与其它运营商不同，3G蜂窝运营商不得不投资于速率更高的新网络――如果不这样的话，它会就会失去许可证，于是供应商认为它们是合适但要求苛刻的客户。

　　因为激光束要在核心网络之间来回转播蜂窝电话的所有信号，激光就需要全天候工作。人们期望蜂窝电话能够一直工作，包括在刮风和起雾的时候。维护工作很难，所以每个发射塔上的激光收发器也要能够照管自己，自动调整以补偿山崩和轻微地震。
为了应对这种挑战，已有三十多家公司加入了FSO联盟（FSO Alliance）。这些公司大多数是供应商，声称拥有的独特系统可以改善带宽、正常工作时间、距离或同时改善三者。

　　但顾客需小心。FSO技术仍不成熟，也许是因为过去与科幻的那种关系，一些供应商也承认FSO存在不足。

　　不可逾越的界限

　　"现在故弄玄虚的言辞很多，"迈克尔·萨博坦言，他是领先的FSO供应商之一：Air Fiber公司的营销副总裁。"这项技术面临困境。"

　　问题在于，尽管FSO有着这样的名字，其实无法通过自由空间。一些人说，FSO也不是光学技术，因为它利用红外线而不是可见光。但照这么说来，没有一种网络是真正的光学网络。光纤也使用红外线，因为其稍低的频率穿透玻璃的能力甚过可见光。FSO选择了红外线，以便可以重新使用为光纤开发的部件，这样看到激光束在大楼之间反射也不会使人惊慌。

　　激光束能够通过实际空间传输很远距离：NASA通常向月球来回发射激光脉冲，利用"阿波罗"宇航员留下的反射镜进行反射，但在地球上用处不是很大。两幢建筑物之间传送数据的激光束必须穿过大气，但即使在理想情形下，大气也会减少部分功率。雨水、热量及最糟糕的大雾还会进一步减弱光束的强度。

　　正如任何无线技术一样，距离和性能有着一种平衡。奇怪的是，这种平衡并不影响数据速率。10Gbps链路的运行几乎与10Mbps链路一样良好，一些供应商正致力于高达10Tbps的速率。它们达到这类高速率的途径通常是放大光纤发出的光，而不是生成新信号，从而使其能够利用普通光学网络行业的密集波分复用（DWDM）及其它技术。

　　然而，这种平衡的确会影响停机时间。萨博说："你不可能穿过相当大的雾。虽然会听到商家声称距离多少多少，但根本听不到声称可靠性如何如何。"

　　为了弄懂故弄玄虚的言辞，只要看一下考虑系统的链路余量（link margin），即链路预算（link budget）。链路余量用分贝（dB）表示，测量一条链路在停止工作前允许损失多少功率。举例说，典型的FSO系统其链路余量约为20dB。在理想的大气条件下，大气降低系统功率的水平约为1dB/km，所以绝对最大距离为20公里。

　　大气条件很少是理想的，所以20公里的链路往往无法正常工作。各种气候都需要额外功率（见表）。浓雾会导致减损水平达到400dB/km，从而使得在仅为50米的距离也会使同样的20dB设备毫无用处――这距离还不如无线LAN（WLAN）。

　　即使没有下雨或起雾，其它大气影响也会降低信号的功率。最重要的就是大气温度和密度的差异导致的闪烁。不同密度的区域起到了透镜的作用，使光发生散射，从而偏离预定路线。猛烈光照下闪烁现象最明显，这时可以看得到大气在闪光，但闪烁始终存在，这就是星星会在夜空下闪烁的道理。

　　链路余量不是影响可靠性的唯一衡量标准。链路余量很高的设备都依赖紧密聚焦的激光，这就需要复杂的跟踪系统以抵消建筑物摇摆的影响。使用LED而不是激光的FSO系统能扩大光束的角度。Plaintree和IR LAN是生产这类系统的主要供应商。这项技术会降低链路余量，但这样一来也减小了光束被鸟或树叶挡住的可能性。激光系统避免这类问题的唯一办法就采用几个冗余光束，fSona和Holopex都采用这做法。

　　增强激光的传输功率可以提高链路余量，但这办法很快就变得不合实际。因为分贝是种对数刻度，链路预算每增加10dB就要求功率增强十倍，而成本、尺寸和能耗也会出现同样幅度的增长。穿过浓雾远距离传输所需的功率还会危及碰巧挡住光束的人。

　　烟雾和反射镜

　　一些供应商正在另辟蹊径以减小闪烁现象及其它障碍如窗户的影响，而不是增强功率。AOptix采用的名为主动光学（active optics）这一项技术原先为天文学而开发，AOptix称自己至少可以把有效链路余量增加到40dB。

　　观察天体者为消除闪烁现象努力了几个世纪，他们面临着自己的最后一英里问题。正如光纤能够不远千里越洋传送数据，却覆盖不到通向大多数家庭和办公室的最后几米，遥远星系的图像也能够穿过多个光年的距离，最后却被地球大气层折射出去。

　　主动光学技术使用极小的柔性反射镜实时纠正闪烁现象，从而把导致信号减损的影响降低至几乎为零。采用该技术的天文台已经至少发现了一颗外行星，这一功绩迄今只有哈勃太空望远镜才能获得。

　　Holoplex声称能够拥有类似的链路余量，使用为拍摄全息图而开发的精确激光器。它已经把这同一技术（现名为增强型FSO）融入到了指纹扫描器和全息存储卡。

　　克服浓雾问题较为困难。新兴公司Attochron是声称从事这方面工作的唯一供应商，但尚未交付任何产品。起源于非盈利机构：美国电力研究所（ERPI）的Attochron认为，利用为控制天气而开发的一项技术，它能够战胜恶劣天气。

　　尤其是，EPRI曾经在寻找引发雷击的方法，这样雷雨云在到达有人居住的地区之前会安全地放电。Attochron称，它打到了用激光束做到这点的方法：激光束使大气发生电离，开辟出通过雾和云的路线。然后代替电闪的第二个激光束沿着这条路线传输，从而把数据可靠地传输到远至10公里外地方。该公司称，它的系统还能传输功率，这是自特斯拉时代以来无线工程师们孜难以实现的目标（注：特斯拉1856－1943年，生于南斯拉夫的美国电气技师、发明家）。

　　即便这些说法如实，Attochron的技术成为实际产品还需要几年时间。而雾仍是个问题。如果链路只是跨越街道，那不成问题。劳工部的奥斯说："我们遇到过几次非常大的暴风和浓雾，但自开始使用Canobeam以来，服务还没有发生过一次中断。"如果激光束的传输距离更远，而要链接的地点又处在多雾地区，那么就会出现停机的危险。

　　遗憾的是，雾很难测量，所以很难知道你所在地是否处在多雾地区。Air Fiber的萨博说："这完全取决于小气候。"在拉斯维加斯传输距离可达许多英里的系统到了旧金山也许只能传输几米。他说："如今有关雾的可靠数据并不多，除了机场周边地区。"如果不建立激光链路，连确定雾密度的准确方法都没有。

　　降雨因素

　　穿过浓雾不是没可能，但不是使用激光。无线电波的工作频率低于光，所以前者很容易穿过浓雾。无线电波甚至可以穿过一些固体、进行转弯，而光通常做不到这点。

　　频谱有限向来是无线电波的缺点。带宽数量非常有限，又因为有可能受干扰，所以就要认真分配。这使得无线电波成本高昂，而且就算你领到了许可证，数据速率也受到限制。

　　这种情形不会改变，但新技术正在扩大用于通信的一部分频谱。尤其是，T射线(T代表太赫)频率下可以使用许多目前未使用的带宽。在该频率下，无线电波变得模糊而成为红外线。使用这一带宽的系统可以结合FSO和无线电的特性，甚至穿过浓雾获得高数据速率。

　　虽然T射线仍属于将来，但其它高频微波技术如今已摆在面前，它们直接与FSO展开了竞争。2001年，FCC分配了高频W波段的一段无许可证频谱：从59GHz到64GHz。就无线电标准而言，这是个庞大的数量：共计5GHz，是广播、蜂窝和WLAN等技术加在一起的可用带宽的几倍。

　　但这仍没有光学频谱的可用带宽那么多：一个光波长（lambda）的带宽就可能有100GHz。但高效的调制技术使微波工程师们得以弥合差距。Harmonix已经在交付最大数据速率为1.25Gbps的点对点W波段系统，而FCC和Endwave等供应商的科学家们正在研究速率高达100Gbps的更高频率。

　　遗憾的是，W波段也有其不足。虽然处在大约60GHz频率下的微波能够穿过浓雾，但不容易穿过大雨（见表）。虽然W波段不完全像激光易受起雾影响那样易受降雨的影响，但即使在理想情形下，能量也会在空中损耗，所以最终结果是一样的：可靠性和距离之间寻求一种平衡。

　　正如激光和浓雾的关系一样，这种平衡对你的影响如何取决于你想建立链路的地方的降雨。区别在于，与浓雾不同，雨水容易测量。

　　气象学家详述了世界大部分地区降雨情况的统计数字，FCC甚至还把北美划分成不同的降雨区，每个对应于60GHz无线电波不同的距离和可靠性。例如，640米长的W波段链路在气候温和的弗吉尼亚州可以提供99.999%的可用性（每年停机时间5分钟），在多风暴的佛罗里达州只能提供99.99%（每年停机8小时）的可用性。

　　辨别真相

　　如果所在地从不下雨，就用W波段。如果从不起雾，就用FSO。不然，获得远距离和高度可靠的唯一办法就是结合两者。

　　一些FSO和W波段供应商认识到自身技术的局限性后，甚至在开发混合型产品：在极端恶劣的气候下能从一种技术改用另一种技术。

　　原理在于，如果单独每种技独的工作时间为99%，同时使用两项技术则可以把可靠性提高到99.99%。实际性能更好，因为地球上很少有地方同时出现暴雨和浓雾，因为大气中的水分就这么多，而雨水会冲淡浓雾。两个冗余光束还能免受物理障碍的影响。

　　结合FSO和W波段的成本仍高于单独一种技术，但你只用一种还得应付得过去，如果你愿意牺牲一些正常运行时间的话。但分析家认为，价格不久就会下跌，而FSO和W波段仍是使用电信泡沫高涨期间铺设的所有远程光纤的希望所在。

　　据调研公司RHK Research声称，只有5%的美国公司拥有光纤连接，虽然75%在光纤主干网的一英里范围之内。即便你并未建立自己的FSO和W波段链路，它们仍可能为你提供下一个高带宽接入网络。

　　功率的去向并不那么自由
　

　　无论基于光还是无线电，点对点链路都需要足够功率才能穿过上面所列的障碍。例如，天气好的话，相距500米的窗户后面的两个自由空间光学（FSO）收发器至少需要8dB的链路余量（每扇窗户各需要3dB，加上补偿大气和闪烁减损的2dB）。如果小雨增加5dB，中雾则增加60dB。大多数FSO系统的链路余量不足40dB，所以只能穿过大约100米的浓雾。

摘自《赛迪网》