城域网接入新技术(上)

——自由空间光通信(FSO)

南京邮电学院设备处 王峰

浙江省电信公司杭州分公司 高瞻

　　摘 要:光无线通信是伴随着半导体激光器和光电探测器件的日益完善以及光通信技术的发展而重新兴起的一种无线通信方式。本文主要针对用于光无线接入的通信系统进行了研究，探讨了FSO系统与其他接入方式的比较，系统的组成，影响系统性能的因素和解决办法，系统网络结构以及它的市场前景。

　　关键词 城域网 自由空间光通信（FSO） 宽带接入 DSL LMDS

引言

　　作为提供城域宽带接入的媒介，除了大家熟知的DSL、电缆调制解调器和无线接入之外，现在又出现一种新的接入手段，即利用大气激光传输原理的自由空间光通信（FSO－Free Space Optics）系统，也称无线光网（WON）系统。FSO用激光或光脉冲在太赫兹（THz）光谱范围内传送分组数据，传输媒介是空气，而不是光纤。人们在20世纪60年代曾掀起过大气激光通信研究的热潮，但自从70年代光纤通信的迅速发展以及大气光通信受到天气的严重影响，使得一度辉煌的大气光通信研究陷入低谷。80年代后期，一些厂商开始从事光无线通信商用化的开发工作，当时由于传输距离和性能的问题而告失败。到了世纪之交，光无线通信又出现了卷土重来的趋势，并在2000年悉尼奥运会上首见使用[1]。

　　它卷土重来的主要驱动力来自三个方面。首先是市场上有不断增长并永远不能满足的带宽需求，不仅包括企业用户产生的日益增长的数据业务需求，还包括基于因特网的ASP(Application Service Provider)、多媒体、会议电视和虚拟现实游戏等其它潜在的带宽需求。更重要的是，将来的市场主要由服务和应用驱动，而应用是没有止境的，应用越多、越升级，需要的带宽就越宽。据预测，美国今后的带宽需求每年将以指数递增。因此，新、老通信公司都面临着迅速安装高带宽、低成本连接的压力，解决宽带接入问题现在已经成为当务之急。第二个驱动力是寻找真正能提供高带宽、低成本的接入技术。在过去5年中，核心网的带宽容量急剧增长，从622Mb/s增加到10Gb/s，再到太比特级的密集波分复用（DWDM）。同样，用户驻地网的带宽也从10Mb/s增加到100Mb/s，再到千兆比以太网，只剩下网络接入部分仍是带宽成本与容量的瓶颈，得不到经济有效的解决方法。无线通信更是宽带接入的瓶颈，LMDS（Local Multipoint Distribution Service）虽可提供高于155Mb/s的接入速率，但成本较高、网络规划较难。要打破无线接入的瓶颈，只有开发更有容量潜力的光谱。第三个原因是由于电信管制的放松引出了越来越多的新兴通信公司，它们的主要目的是提供宽带业务，需要使用可扩展的、经济上承受得起的基础设施来提供可靠的网络接入，把宽带业务带给用户。尤其对于城市里需要高速数据和因特网接入的企业而言，FSO不失为一种经济有效的选择。

FSO与其他接入技术的比较

　　接入网被誉为信息高速公路的“最后一英里”，也是电信网中最困难最昂贵的投资部分，由于其存在容量和成本的瓶颈问题，实现接入网的宽带化一直是电信工作者研究的重点[2]。调查表明大约95%的办公大楼在距电信或Internet服务商的光纤设施1.5km的范围内，但是只有少数的公司拥有宽带接入方式。大部分企业内部拥有高速数据网，如快速以太网（100Mb/s）或吉比特以太网（1.0Gb/s）。然而，它们的接入部分却是采用带宽低得多的现有铜线设施，如T-1(1.5Mb/s)，cable modem(共享5Mb/s带宽)，DSL（每路6Mb/s），HFC（Hybrid Fiber Coaxial， 50Mb/s）[8]，因此存在严重的瓶颈问题。解决瓶颈问题的办法有3种，一是采用光纤，二是采用射频技术如LMDS，三是光无线。光纤无疑是最好的办法，但其成本很高，而且需要在现有街道、草坪或建筑物上进行施工，敷设时间很长，此外，还需要进行繁重的日常维护，常需花费大量资金。LMDS有最少155Mb/s带宽，但需要频率许可证，而且将来随着通信容量的扩大，还是会出现瓶颈问题。

　　LMDS- Local Multipoint Distribution Services区域多点传输服务;MMDS- MultiChannel Multipoint Distribution System微波多路电视分配系统;DSL- Digital Subscriber Line数字用户线路

　　光无线通信技术既能提供类似光纤的速率，又不需要在频谱这样稀有资源方面有很大的初始投资。另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得非常便宜，大大降低了FSO设备的造价。而且FSO设备的架设非常方便，通常只需几个小时就能安装完毕。相反，如用光纤连接的话，通常需要几个月的时间才能连通。图1所示为目前水平下各种接入技术的市场定位。

　　FSO技术既能提供类似光纤的速率，又不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资，这是FSO技术最吸引人之处。FSO是一种视距技术，无疑其最大用武之地在于接入层面。当前有很多种接入技术可供选择，比如FSO、光纤、DSL、微波以及LMDS等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的较长周期及高额投资限制了其普及，并且一旦用户离开，业务提供商想要收回投资就变得十分困难；LMDS技术日渐成熟，它比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），对业务提供商而言，这种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但由于DSL的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不是解决"最后一公里"瓶颈问题的最可行的解决方案；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。

FSO系统组成

　　光无线通信系统的基本组成结构与光纤通信系统基本相同，区别只在于信息传输媒体由光纤信道变成大气空间，并增加了光学系统。因此，光无线通信系统中可以采用许多光纤通信中的成熟技术，但并不是简单的照搬。

　　典型的FSO系统主要由光学收、发天线和终端设备组成，长距离传送时增加相应的中继设备。可供FSO系统选择的激光器主要有三种类型：(1) CO2气体激光器，工作波长10.6um；(2) Nd:YAG固体激光器，工作波长1.064um，且可以倍频；(3) 半导体激光器，工作波长0.78～1.55um。其中半导体激光器可靠性好、效率高、体积小、重量轻，是FSO系统理想的选择，此外采用半导体激光器还能更有效兼容现有的光纤通信系统。随着各类器件技术和工艺技术的不断完善成熟，国外用于FSO系统的半导体激光和接收器件已商品化，目前，就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15km以内的大气通信系统需求。FSO组织规定的半导体激光器常用波长为850nm和1550nm波长。850纳米的设备相对来说很便宜（从30美元到1000多美元不等），一般应用在传输距离不太远的场合。工作在1550纳米波长的FSO设备的价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率增大，不但可以增加传输距离，提高数据传输速度，还有利于消除恶劣气候条件（如大雾天气）给传输带来的不良影响。可以考虑的有砷镓铟激光器（波长λ=0.87~1.7um），磷砷镓铟激光器（λ=0.92~1.7nm）。最近发射波长为1.3um至1.5um的垂直腔面发射激光器VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）的研究已取得很大的进展，已有实现在接近室温（14°C）下连续工作的报道。在实际中，一般在以GaInAs/InP为材料（波长为1.3～1.55微米）和 GaAlInAs/InP为材料（波长为1.3～1.55微米）的两种VCESL中进行选择。接收端光电探测器件需要量子效率高而且噪声小的器件，一般采用PIN光电二极管(Positive Intrinsic Negative Diode) 和雪崩光电二极管APD(Avalanche photodiode)。[6~10]

　　在FSO通信系统中发射端调制器一般采用幅度或相位外调制方式，并采用光功率放大器增强光发射机的功率。接收端低噪声前置放大器的作用是对微弱光信号进行预放大；通过光窄带滤波器滤除带外噪声，但应避免引入更多的码间干扰；光AGC放大器的作用是提供可变的增益，当接收机的输入平均光功率变化时，控制放大器的输出电平保持恒定不变。

摘自　通信市场