光無線通信技術綜述
光無線通信技術或稱自由空間光通信(FSO，FreeSpaceOpticalCommunication)是一種寬帶接入方式，是光通信和無線通信結合的產物，它利用光束信號通過大氣空間，而不是通過光纖傳送信號。這種技術的接入系統在組成結構上與光纖傳送系統非常相似，這種系統的物理組成也是非常簡單的，用戶無需申請無線頻率，而且起始投資低，運營費用低，能快速裝設，可提供與光纖系統相似的傳送帶寬。
已商用的光無線通信系統，容量從100Mb/s到2.5Gb/s，也有一些試驗采用波分復用，達到更高速率。盡管受到氣象條件的限制，只能在較短的距離內使用，一般限于2公里以下。但在許多場合，作為一種獨特的方式，光無線接入可起到很好的作用，成為當前幾種寬帶接入方式很好的補充手段。
光無線通信有兩種工作波長：850納米和1550納米。850納米的設備相對便宜，一般應用在傳輸距離不太遠的場合。1550納米的設備價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現。1550納米的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網膜，因此，相關安全規定允許1550納米波長設備的功率可以比850納米的設備高2個等級。
當然光無線通信技術并不是憑空突然出現的，早在四十多年之前，激光器件發明之后，這種技術就被工程開發中了。人們希望利用高度集中的光束，穿透大氣空間，從而開始了在國防及民用中短距離通信的應用，主要是窄帶的通信。到20世紀90年代之后，隨著器件的成熟，特別是光纖通信規模應用后，器件價格的進一步下降，性能不斷優化，寬帶的光無線接入成為新的應用方向。隨著互聯網應用的興起，在許多寬帶的技術之中，光無線通信以其容量和價格的優勢，受到越來越多電信營運公司的注意，應用范圍不斷擴大。
一、光無線通信網的拓撲結構
光無線通信網按照組網的結構來說，可以有點到點、點到多點(星形)和網狀網三種結構，這三種結構可以組合起來使用。
點到點結構是最簡單的網絡拓撲。目前已使用的系統多數采用此結構，其原因是大多數系統只是用來連接企業內部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。點到點結構的優點是獨立的鏈路，網絡規劃簡單;其缺點也很多，例如不能低成本有效地進行擴展;光鏈路沒有任何保護，有一個點出故障，鏈路就中斷。所以它不適合電信級系統。
點到多點(星形)結構的優點是可以把業務集中到一點(集線器或中心節點)再接入核心網，效率較高、比較經濟。缺點是能提供的帶寬較少;每條鏈路仍無冗余保護，可靠性較差;為了在視距內連接盡可能多的大樓，集線器的位置非常關鍵;集線器的成本一般較高。但有一種點到多點結構實際上是點到點傳輸，只不過在中心節點集中放置了多個針對不同方向的終端，因此其好處是有專用的帶寬、可擴展、能為單個用戶提供服務。
網狀網結構的主要優點是通過多個網絡節點可以提供幾乎實時的迂回鏈路，使服務得到保護，即具有服務恢復或服務冗余度的特點。網狀網結構還可以把業務集中到某些特定點，再有效地接入網絡，比較符合電信級的要求。其缺點是傳輸距離短、成本高(每大樓多條鏈路)，網絡規劃復雜。#p#
二、光無線通信技術的優點
光無線通信技術與其他接入技術相比具有如下優點：
1.部署快速
因為不需要埋設光纖和等待各種手續上的問題，光無線通信可以在幾小時，或者幾天內完成連接。光無線通信的無線接收器大小如同一部保安攝像機，可以輕而易舉地安裝在屋頂、屋內甚至窗外。
2.無需頻譜許可證
光無線通信因設備間沒有信號的相互干擾，故無需像無線電通信(如微波、LMDS)那樣申請頻率許可證。
3.帶寬很寬
如果采取點到點的組網方式，光無線通信能支持155Mb/s～10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點到多點的組網方式中，光無線通信能支持155Mb/s～10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1～2公里。如果采用網狀網的組網方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200～400米。
4.抗干擾性強
光無線通信接入方式是一種新的寬帶數據接入業務，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線寬帶接入服務。由于這種技術的頻譜位于光頻段，微波等對其不會構成干擾。而且這種技術的頻譜與大多數中低頻段電磁波不同的是，已經達到300GHz以上的數值，這樣的電磁波頻段的應用在全球都不受管制，可以免費使用，惟一的要求是設備功率不能超過國際電子技術委員會規定的功率上限。
5.不容易出現傳輸堵塞
由于光無線通信系統使用點對點的系統，在確定發收兩點之間視線不受阻擋的通道之后，光無線通信系統到端用戶節點之間的信號通道仍然保持著光的形式，中間沒有電轉換的介入。這樣，光無線通信系統內光信號的流動就沒有光電轉換的障礙，所以信息在傳輸時就不會出現信息堵塞現象。
6.安全保密性強
光無線通信的波束很窄，定向性非常好，非可視光，夜間也無法發現，因此無法探測到鏈路的位置，更不存在竊聽的可能性。并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強。
7.協議透明
光無線通信以光為傳輸媒介，任何傳輸協議均可容易地疊加上去，對語音、數據、圖像等業務可以做到透明傳送。
8.成本低光
光無線通信的成本是光纖到樓的1/10～1/3。
9.便攜性
無線通信裝置可靈活拆裝，移裝至其他位置，適于臨時、應急的通信。#p#
三、光無線通信技術的不足
由于光無線通信系統是利用光束信號通過大氣空間來傳送的，而信號在大氣傳遞中是不夠穩定的，受外在條件影響難以保證可用性。另外，對人身安全性及傳送的保密性，也存在疑慮。實際上，經過多年的探索，問題逐漸明朗，而且也找到了辦法。
1.大氣介質對光信號的衰減
波長為850納米和1550納米的光信號，主要的衰減來自霧。霧對紅外光的作用，類似于雨引起微波的衰落。由于霧中水氣微粒對光線的散射作用，使得傳送的光線逐漸變弱。霧的濃度變化，對光線衰減的數值有很大的關系。輕霧只有每公里50分貝的損耗，濃霧時可高達每公里300分貝。
對于這種大氣現象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似。要在系統傳輸的計算中，為光信號的衰減，留有足夠的系統功率余度。以便在出現濃霧的情況下，仍能接收到所需的光信號功率。重要的是要獲得所在地長期的氣象統計資料，能夠知道不同等級(能見度)的霧，即不同衰減的大氣介質出現的統計規律。
2.大氣引起的漂移
實用的光無線通信系統還需要保證收發兩點之間，光信號良好的準直穩定。使發送的光信號在接收端，光瓣能夠覆蓋接收機望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標。
克服這缺陷的常用方式，是有意使發射光束展寬。還有一些產品，采用動態調節的跟蹤技術，不僅能應付由大氣引起的漂移，當端機所在的建筑物輕微擺動時，還可以保持信號的穩定。
3.傳輸距離短
光無線通信是一種視距技術，傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時(一般為幾公里)波束就會變寬以致難以被接收機正確接收。所以光無線通信一般只限于城市內使用。目前，大部分測試表明，在1公里以下才能獲得***的效率和質量。
4.建筑物晃動將影響兩個點之間的激光對準
對光無線通信來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準(捕獲)和保持(跟蹤)至關重要。但在對準以后，在風力和其他因素的作用下，建筑物會有些晃動，這就要求鏈路兩端設備都必須具備自動跟蹤的能力。
5.激光信號對人體安全的威脅
激光信號對人體安全的威脅也一直受到關注。其中，主要是操作人員或偶爾受到光信號照射的其他人員，是否會受到傷害。由于這類系統采用的，是毫瓦量級的小功率光源，其主要的危險是激光對肉眼造成的。
國際電工委員會IEC有相關的分類推薦建議，針對激光對肉眼的安全，規定了一種定為1M類的激光光源指標。這類光源，即使肉眼直接觀察，也可保證安全。多數國家都參照這個指標，確立本國標準。廠商的產品，只要符合國防標準，是不會對人體構成損傷的。#p#
四、光無線通信技術的應用
光無線通信盡管仍存在不少問題，但其技術優勢更為明顯。目前，光無線通信的優勢正在逐漸吸引電信運營商，而其劣勢正在被技術的進步所抵消。據悉，由于技術的進步，光無線通信在大氣中的可視距離范圍內，實現全天候“***一公里”無線光通信已經沒有技術障礙。光無線通信系統是一種物美價廉，有廣泛應用前景和巨大市場潛力的通信系統。其具體應用如下：
1.骨干網的擴展
電信運營商在骨干網建設上花費大量資金，以提升網絡整體性能與快速發展的市場需求。但是，在***一公里的建設上，卻著力不多，而其實很多網絡應用的瓶頸不在骨干網上而是在***一公里。為了在現有的骨干網上快速進行擴展和向外延伸，光無線通信實為一種不錯的選擇。
2.光纖網絡的備份
目前大多數電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構建的商業應用網的安全?，F在，電信運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇光無線通信系統作為備份光纖的冗余鏈路，以節省投資。
3.寬頻接入
目前主干網的容量急劇增加，從622Mb/s到10Gb/s，再到更高的40Gb/sDWDM。同樣，客戶端網絡的頻寬也從10Mb/s增加到100Mb/s，再到吉比特的以太網絡。僅網絡接入部分仍未有可突破頻寬成本與容量瓶頸的有效解決方法。無線通信的寬頻網絡接入瓶頸更為嚴重，因此，在此部分光無線通信有很大的發展空間。
4.企業應用
由于光無線通信是以小功率的紅外激光束為載體，可將收發器裝設在樓頂或窗外傳輸數據。光無線通信的靈活性使它可以應用于許多企業和學校，例如企業LAN到LAN的連接及校園網的連接。以光無線通信來代替光纖接入各局端，不但能降低成本，而且具有更高的傳輸速率。
5.無線基地臺數據的回傳
光無線通信也可用來接入移動電話基地臺與交換中心，將基地臺接收的信號傳至與有線公用電話網相連的交換中心設備。
6.其他需要高速接入的終端
由于光無線通信網絡建設時成本低、操作簡單，因此可以用在其他高速連接的終端應用。例如：樓與樓之間、橫跨諸如公路與河流之類復雜地形、災難恢復及臨時解決方案的網絡快速部署方案。#p#
五、光無線通信技術目前發展概況
2001年2月由美國的一些光無線設備制造商聯合電信運營商，成立了空間光通信聯盟(FSOAlliance)。該組織的宗旨是推動光無線技術的應用，特別是對用戶和電信界宣傳這種技術的發展前景，消除較普遍存在的誤解。該組織已舉行了多次會議，對促進光無線通信系統的大規模推廣起到了積極的應用。
隨著互聯網應用的興起，在許多寬帶的技術之中，光無線通信以其容量和價格的優勢，受到越來越多運營公司的注意，應用的范圍不斷擴大?，F在，一些大型的電信設備公司對光無線通信系統產生了極大的興趣，如美國的QWEST，英國BT，加拿大NT等公司已開始試用這種系統。比較典型的有Terabeam公司和Airriber公司已將光無線通信應用于商業服務。
2000年悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用光無線通信設備向客戶提供100Mb/s的數據連接。該公司計劃在全美建設100個光無線通信城市網絡。而Airriber公司則在美國波士頓地區將光無線通信網與光纖SONET網通過光節點連接在一起，完成了該地區整個光網絡的建設。
在2004年CCBN展會上，英國的科飛公司(Cablefree)展示了多款光無線通信(FSO)產品?？骑w展示的產品包括ACCESS系列，CF622系列以及GIGABIT系列。其中ACCESS系列是解決“***一公里”無線寬帶接入產品，提供高速數據傳輸能力和電信部門的各種標準數據接口，包括光纜、雙絞線、G.703E1/E2/E3及STM-1等。產品系列包括A200，A500，A1000，A2000，A4000，支持距離分別是200.500.1000，2000，4000米。支持速率從2Mb/s～155Mb/s不等。英國科飛的FSO產品可作為固定、移動、寬帶運營商和專業數據通信運營商的無線、微波、光纜網絡的補充傳輸手段。為了順應中國寬帶接入網的蓬勃發展，英國科飛無線光通信有限公司北京辦事處已經建立，目的在于發展中國的合作伙伴，更好地為運營商服務。
2004年9月，英國若干大學，企業合作計劃投資72萬英鎊發展FSO產品。該計劃名為ALFONSO，主要利用了格拉斯哥(Strathclyde)大學光子學院的中紅外VCSEL激光器技術，Durham大學的自適應光學技術，科飛公司，SiraFerranti光子公司以及Starpoint自適應光學公司等提供了工程服務和市場開發的支持。該項研究計劃的目標是發展出10G/s速率，幾公里距離內傳輸的FSO系統。新的VCSEL激光器可以使用2200納米的波長，具有更好的天氣適應性。
在國內，清華同方研究發展中心一直致力于“***一公里”解決方案的探索，并于2001年12月成立FSO技術跟蹤研究小組，推出了光無線通信產品TFOW100-1，完成了1000米點對點通信樣機的檢測。TFOW100-1能提供100Mb/s的帶寬，同國外同類產品相比，該產品采用了小功率激光器，大幅降低了成本，價格只有國外同類產品的幾分之一。
中國寬帶服務供應商長城寬帶網絡公司(GWBN)選用Terabeam的光無線通信產品來拓展其在中國的15個城市的寬帶網絡，通過Terabeam的系統，GWBN將為大中型商業用戶和大型住宅社區提供可靠的寬帶服務，尤其是光纖和光纜很難到達或者敷設起來成本昂貴的地方。
2004年7月，華為公司和LightPointe公司宣布擴大雙方的聯合戰略伙伴協定。LightPointe公司是基于光無線通信技術的光纖光線產品的設計者和制造商。華為公司是全球領先的光纖網絡解決方案提供商。這項交易將加快為世界各地的電信服務提供商和企業客戶提供安全、可靠和高速光纖無線解決方案。根據擴大的OEM協定，華為將在歐洲、東南亞、中東、非洲、俄羅斯和拉美等地區銷售和推銷LightPointeFlightTM光纖無線產品，這是華為的OptiXTM產品家族的一部分。由于2003年9月簽署的一項類似協定，華為已經通過在中國的所有一級服務提供商成功地安裝LightPointe產品而獲得了市場份額。光無線通信技術是對華為的光纖網絡解決方案的有利補充。通過與LightPointe的伙伴關系，華為將向運營商客戶和公司客戶提供另一種方便、靈活的解決方案，同時滿足他們的緊迫網絡需求。
當前有很多種接入技術可供選擇，如FSO、光纖、DSL以及LMDS等。其中光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設的周期較長、投資很大，LMDS技術日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資和頻譜許可證，對業務提供商而言，這種接入技術不如FSO經濟;盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠多于光纖，但由于DSL的帶寬太低，使得這種基于銅纜的接入方式并不是解決“***一公里”瓶頸問題的最可行的解決方案;FSO相對而言是一種比較好的方案，帶寬可擴展，建設速度快，并且十分經濟，其應用前景將非常廣闊。
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