光通讯的最后一公里路

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作者：阿坎波拉江坤山译 ∣来源：科学人杂志

想象有一座城市，里头的供水系统因为管线不够长，所以无法供水给建筑物和住宅。目前美国的高速数据传输网络，就面临类似的情况。为了将真正高效能的多媒体服务传送到全国的办公室和家庭计算机，美国花了数十亿美元建造光纤骨干网络，但后来却发现好像不够长。在员工超过100人的美国企业当中，十家有九家觉得光纤骨干有点短，差了不到“一公里路”的距离。尽管用户的需求遽增，种种愿景却仍然不见天日，像是不会延迟的网络浏览和数据库存取、电子商务、影音串流、视频点播、视频会议、实时医疗影像传输、企业网络和分工能力，还有很多的企业对企业（B2B）交易；事实上，这些愿景都还埋藏在当地的街道和人行道之下。

先进的带宽密集服务与应用的传输速度，必须高达每秒10亿位（1Gb），平常用来连接建筑物里的电话与有线电视系统的传统铜线以及同轴电缆，并不足以应付这个需求；但是，要透过光纤桥接器来把数百万个用户连接到光纤骨干，安装的成本又太高了（大概每公里要花上 6~30万美元）。因此，今天美国人使用到的全国网络，只有2~5%。

虽然各种免用光纤的数据传输技术，都试着要跨越这道宽带连接的鸿沟，包括微波无线电、数字用户线和缆线调制解调器，不过很多专家认为，无线光通讯（free-space optics, FSO）最具有成功相。无线光通讯基本上就是不用光纤的光通讯，发明于1970年代，近几年来又重返江湖，赖以运作的低功率红外线激光收发机，能以每秒10亿位的高速率双向传送数据。目前全世界已有几家厂商开始提供小型的无线光通讯系统。

低功率红外线激光是在毋需执照的电磁频带运作，而且不会对眼睛造成伤害，或者说，可以设计成对眼睛不具伤害性。然而，限制激光的功率同时也限制了它的运作距离。视天气情况的不同，无线光通讯连接的距离可从几条街到一公里不等；不过这已经够远了，可以让宽带信息从骨干传输到很多终端用户，或者是进行反方向传输。因为坏天气（主要是浓雾）会大幅缩短这些“视线”设备的传输距离，因此每个光收发节点（或称连接端）的设立地点，必须可以和网络配置里的多个邻近节点进行沟通。这种“网状拓朴”能确保大量数据可以从中央传播中心，可靠地分段传送到整个城市、乡镇或地区。

商业化的无线光通讯设备，比起数字用户线或是同轴电缆，能够提供更高的数据传输速率，大约每秒10Mb~1.25Gb，对大部分的高速宽带服务与应用来说，已经绰绰有余。除此之外，市面上已出现更先进的激光二极管，开关的速度更快，能以更高的速率传输信息——每秒高达9.6Gb。这种设备还未运用在无线光通讯上，一旦采用，这类系统所产生的光脉冲将仅仅100微微秒（百亿分之一秒）。

无线光通讯系统的费用是传统地下光纤设施的1/10~1/3。除此之外，传统缆线的埋设得花上6~12个月不等的时间，但是无线光通讯连接只需要几天的架设时间就可运作。也难怪，已经有10几家公司在发展无线光通讯的技术了。根据美国华府的电信研究公司“策略集团”所做的一项研究，如果事情真的如拥护者所预测的那般顺利，产业规模将会从2000年的1亿2000万美元左右，成长到2006年的超过20亿美元。

跨越最后一公里

无线光通讯使用的设备和技术原本就是为了光纤线缆系统而设计，而光纤缆缆系统正是无线光通讯想要补强的技术。无线光通讯是将数字信息以电子信号的形式（也就是二进制计算机码里的1和0），透过装设在屋顶或窗户的红外线激光二极管发送机，将每个逻辑上的1转换成光能量的窄脉冲，然后传送出去。当系统运作时，没有发送这样的不可见脉冲则代表逻辑上的0。将信息调制成数字光信号的过程，就是所谓的「开关信号发送」（on/off signaling），或称为「键控」（keying）。传输效率的加强则是靠数据封包化，也就是将信息量分成独立的封包，在个别编址之后进行传送。除此之外，无线光通讯可支持「波长分割多任务处理」（WDM），这种技术能让单一个光路径传送数十个不同的信号频道，只要每个频道都以稍微不同的波长进行编码。

由850或1550nm的激光二极管所发射出来的光脉冲，经由镜头聚焦之后，以平行光束传送出去，就像手电筒产生的光束一样。尽管透过镜头聚焦，光束的功率仍会因距离而散失。当一部分发射出来的光到达接收机（位在屋顶或窗户上）的孔径镜头时，光束会被聚焦到光传感器上，光传感器再将光脉冲转成微弱的电信号。高感度的电子接收器接着将这些微弱的信号放大与再生，整个数据传输连接就完成了。

刚发射的红外线光束虽然很集中，但之后却会发散，等抵达接收连接端时，就会像圆锥一样具有相当大的底部。光束发散的程度由发射镜头的大小来决定，与镜头直径成反比。由于光束会发散，实际抵达接收镜头的总能量会因为距离而快速衰减（接收到的能量与距离的平方成反比）。如果已经知道数据的传输速率、发射的光功率、光接收器的灵敏度，以及接收镜头的大小，那么根据光束的发散度就能决定光连接能够运作的最远距离。

为了增加连接的距离，必须使用更大直径的发射镜头，才能降低光束的发散，让更高的光功率抵达接收镜头。光束变窄了，然而，接收端的位置却会因为建筑物摇摆与建材热胀冷缩而发生细微的改变，因此有必要在发射与接收两端加装自动同步调校功能。这项需求同时增加了复杂度与费用。自动同步调校系统使用移动式的机械平台或是反射镜，好让笔直的光束指向接收镜头，并让接收孔径指向发射机。反馈控制提供定期调校，让发送机和接收机都能对准目标。

迷失在雾中
无线光通讯系统容易受到雾的影响，因此拖慢了商业化的脚步。雾（以及影响程度较轻的雨和雪）相当程度限制了无线光通讯连接的最大范围，因为抵达接收端的光功率会因为雾而大量流失。这个光衰减因子和距离成指数递减。举例来说，在普通浓雾的情况下，光信号每50公尺会损失90%的能量。这代表100公尺的距离会耗尽99%的能量，而在150公尺则会有99.9%的能量消失于无形。因此，为了达到实用目的，无线光通讯连接在设计时必须设定一些“连接余裕”，也就是多余的光功率，以便必要时可用来克服多雾的情况。

有了固定的连接余裕，这时谈另一个衡量标准才有意义，那就是“连接有效性”。扣掉因为雾或其它物理干扰而连接无效的时间不计，把正常运作时间除以所有运作时间，得到的数值即为连接有效性。连接有效性的目标随应用而定。如果无线光通讯技术是运用在私人企业网络（像是连接同公司在不同建筑物的两间办公室），99.9%的正常运作时间是可接受的。这个值相当于一年中约九小时的停工时间。

相较之下，公共电信等级的服务是提供给电信运营商的主要商业用户，这就需要99.999%的连接有效性（就是电信业界里所谓「五个9」水平），相当于一年只允许五分钟的停工。光纤通讯系统通常都能够以「五个9」的服务水平运作。值得注意的是，无线光通讯的主要潜在应用，也就是“蜂巢式回程传输”，所要求的运作有效性大约在99.99%左右。所谓的蜂巢式回程传输是一种传输系统，能将蜂巢式无线电基站和移动交换机连接起来，而移动交换机则会连接到公共交换电信网络。

要达到这样高水平的表现，对无线光通讯来说是项挑战。雾愈浓，衰减愈厉害，有效性愈差，可允许的距离愈短。在浓雾不常发生的地区，系统可以有良好的连接有效性，距离可达到最大的允许范围，大约是一公里。不过，在不佳的气候下，距离将会近得多。

要解决这个距离与可靠度的问题，在设计无线光通讯系统时，可让其有限的连接距离，成为相互连接的光网状拓朴的一部分。这种蜘蛛网似的安排，能将宽带服务延伸到离光纤骨干太远、单靠一个无线光通讯连接无法到达的许多建筑物。在网状网络里，位置最靠近光纤末端的建筑物，装设有无线光通讯的“根”节点，该节点会连接到光纤，并拥有数部光收发机。其它参与服务的建筑物也会装设配有多部收发机的无线光通讯节点。这些收发机能让节点在相互连接的网状配置里，和邻近的节点相互沟通。

要传送给特定建筑物的信号，会从根节点开始，沿着一组特定的网状连接传送，中间的节点则作为沿路再生信号的中继器。从特定建筑物传送出来的信号，也会以同样方式沿着另一条路径传送到根节点。这样一来，每个光连接的长度就能有效缩短，以免受到雾的影响。如果某个连接失效了，系统会利用多余的线路将信号导向另一路径，迅速克服设备的失效而恢复运作。最后，每个网状网络可以向外连接到多个根节点，为参与服务的建筑物提供更高的总容量。

每个网状系统里的再生中继站，除了需要一些光收发机，还要有电子交换机，以结合来自所在建筑物和其它附近建筑物的信号流量（多任务），然后为信号排定传送路径，以便在根节点和每栋参与服务的建筑物之间传送信号。此外，每个节点还必须具备多任务、解多任务（de-multiplexing）及交换功能，也就是说，来自使用者各式各样计算机与通讯设备的所有信号，都必须转换成统一的格式。信号格式的转换则靠所谓的“网络终端组件”来完成。虽然数据是沿着不同路径上的许多节点传送，对用户来说却好像每个信号都是透过专用的传输线路传送到光纤骨干。这样一来，我们就可以在广大区域里提供光纤质量的带宽，要安装新节点让建筑物可以上网，也会变得更快、更容易。

网络管理软件会为每栋建筑物所发射的每个信号选定路径，以便信号经由网状网络而抵达系统的某个根节点。软件可以感测出无效的节点，并立刻引导受影响的信号避开问题。网络设计者只要在每个光连接上保留一些备用的容量，就可确保在发生单个或多个连接错误时，有足够容量可以重新安排路线，让系统恢复正常运作。

无线光通讯的竞争对手，是点对点微波无线电。微波无线电同样想打通这“最后一公里”的传输瓶颈，它不会因为雾的影响而导致信号衰减，但是它也有缺点。大多数微波无线电频带的运作都需要执照，而且大多数频带里的可用频谱有限，也就是说，容量会受到限制。同时，微波无线电比无线光通讯系统来得昂贵，也容易受到传输干扰的影响。此外，微波无线电信号在大雨中容易产生严重的衰减，特别是频率较高时，但较高的频率却有较多的可用频谱。

然而，微波无线电如果能够在60GHz的频率运作，将可补强无线光通讯的不足。美国联邦通信委员会已经把60GHz中一些毋需执照的频谱，提供给高速应用使用了。拨出更多60GHz的频谱，表示可取得更大的容量，也可使用频谱效率较低（因此成本也较低）的调制架构，像是简单的开关信号传送。因为大雨（可能导致无线电连接失效）以及浓雾（可能导致无线光通讯连接失效）不会同时发生，若能结合60GHz无线电和无线光通讯，将可望一举提高网络的可靠性。两项技术的连接，意谓着系统将会更可靠，同时具有更远的传输距离。

虽然无线光通讯要解决剩下的问题，还有一段路要走，但是要跨越这最后的一公里，并带来期盼已久的宽带革命，它仍然是最被看好的一项技术。