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
影响FSO系统性能的因素和解决方法
运营商级的线路连接质量指标俗称“5个9”，即有效连通率为99.999%，一年365天，平均故障时间不超过5分零15秒。由于FSO以大气为传
输媒质，其系统性能受限于大气传输信道，而大气这种传输信道受雨、雪、雾、云和湍流等的影响，使光衰减和光色散都很不稳定，难于实现
全天候通信。一句话，FSO技术难点是如何解决全天候、高机动性、高灵活性和稳定可靠工作的问题。
1). 视距技术
FSO是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当波束超过一定长度时（一般为几公里）就会变宽难以被接收节点正确接收，
同时信号也迅速衰弱到接收端难以感知。目前大部分测试表明，在1km以下才能获得最佳的效率和质量，并且在很大程度上还取决于天气情况。
为确保服务质量，在非沙漠的应用环境下，应把通信距离限制在200到500米之间。在部署FSO网络时，运营商需根据当地气候的特点确定合适的
连接距离，才能收到所期望的传输效果。为提高传输距离，光学天线的增益需有较大的改善，除了提高光源的发射功率和接收机的灵敏度外，
光学天线的设计也很关键。目前国外FSO产品的传输距离已达4-5公里。
2). 不良的气象条件
大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，对激光大气通信的接收器来说是一个强的噪声源，如果阳光直射到探测器上，将会产生很高
的误码率。太阳辐照度的光谱可以用一个色温为5762K的黑体来表示。其辐照度光谱主要集中在400～750nm的可见光范围内，峰值在500nm左右
。对于常用的激光波段，800nm波段的辐射强度约为峰值的1/2，1060nm波段的辐射强度约为峰值的1/3，1500～1600nm波段的辐射强度约为峰值
的1/10，在紫外波段，300nm波段附近辐射降到峰值的1/10以下，波长进一步缩短时，太阳的辐照度迅速下降。显然，为减小背景辐射的影响，
不宜采用可见波段的激光，紫外和红外光是可选择对象。
我们都知道，地球表面的大气层，存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨
、雾、雪、风等。这些因素，对光波有衰减作用，会使激光能量大大减少，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影
响主要来自以下几个方面：大气中悬浮微粒的散射，大气中气体分子的吸收和大气湍流的偏折作用。大气吸收是将辐射能量转换成大气组成分
子的运动。大气中对太阳辐射的主要吸收体是水蒸汽、二氧化碳和臭氧。这些气体分子或蒸汽分子的吸收是具有选择性的。在能见度大于31km
的极晴朗天气下，波长从0.3～5μm，不同天顶角时穿过整个大气层的透射率。在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降。显然，紫外
激光也不利于大气通信。对于常用的红外激光波段，810～860nm、980～1060nm和1550～1600nm波段都是良好的大气窗口。
大气引起的光散射，就是大气中的微粒阻挡了传播的光束，使这一部分的能量向四面八方散开的现象。散射减弱了原来传播方向的光能，
引起损耗。低层大气的散射，主要由水滴、尘埃、烟、雾、雨、雪引起。大气的散射作用，与微粒的数目和大小都有关。微粒越多，散射越严
重，衰耗越大。另外，还与波长有关，一般波长越长散射越小。在晴天通信距离能达到数十公里的通信系统，在大雾时，可能连一公里也保证
不了。目前针对这一问题有缩短传输距离、加大功率、备份链路（微波）以及采用自适应光学聚焦等解决办法。另外选择适当的调制方式、编
码方式及解调方式也会对通信系统的性能有很大的影响。目前自由空间光通信系统多采用IM—DD(强度调制、直接检测)方式，主要考虑系统能
比较简单的实现这种方式。采用的编码方式多为开关键控(OOK)码和曼彻斯特编码方式。在实际应用中、采用曼彻斯特编码方式的接收误码串通
常比采用OOK编码要低。
3). 对准与保持
建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准，其最大值可达4mrad/2层楼。对FSO来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕
获）和保持（跟踪）至关重要。但在对准以后，在风力和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪
的能力。有两种办法可以解决这一问题：偏光法和动态跟踪法。经实践检验，这两种技术都非常有效。在2001年初，西雅图发生的地震中，基
于FSO设备的服务提供商Terabeam的网络服务,除了少数几条线路出现短时中断外,几乎没有受地震的影响，始终保持畅通。
4). 空中障碍物的影响
当有障碍物阻挡信号传播途径时，FSO通信就会受到干扰，诸如飞行的小鸟和空中其它能阻断光束的障碍物也会对FSO系统造成干扰。在安
装FSO设备时，应该避免附近有非常大的飞行物飞过。在技术上采用偏光法和阵列多点发射都可减小小的飞行物对通讯造成的影响。若飞行物正
好飞过非常靠近FSO设备处，则对于数据通讯而言，由于包交换一般具有重发机制，对通讯不会造成任何影响；对电信应用而言（电路交换），
则会中断几个微妙。另外，网状结构也可解决这一问题，因为网状结构中的每一节点可以从几个方向接收信号。
5). 背景噪声
只有当太阳光平行照射FSO设备时，才会对FSO设备产生影响。FSO设备厂家通常在设备的前面增加的优质的滤光装置，并在结构设计上增加
遮阳板。若安装地点可以选择，建议安装时尽量避免太阳光直射。
6). 安全性问题
FSO系统与射频系统一样如果设计和运行不当就可能伤害公众，所以许多人都担心光束在他们头上通过时会击中小鸟或伤害人的眼睛。目前
有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许让裸视和有辅助（如双筒望远镜）的眼睛看到但不会造成伤害。目前多数室外点到点系统都使用C
1ass 3b激光器，据称AirFibre公司的产品已满足Class 1 IEC60825眼睛安全标准，在任何情况下眼睛看到都没关系。
综上所述，FSO技术要发展和推广应用，必须关注以下的主要技术问题：
a) 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题；
b) 如何消弱不良的天气条件对系统通信性能的影响，提高系统可靠性；
c) 高功率光源及高码率调制技术；
d) 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术；
e) 背景噪声的滤除技术问题，可采用窄带光滤波技术，但需解决激光器的频率稳定；
f) 体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；
g) 抉速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。
大气传输信道的自身特性决定了自由空间光通信不可能获得光纤通信所具有的通信质量，因此，FSO作为光纤传输的一种有益的延伸和补充
而存在，它并不能从根本上代替光纤通信。实际上现有的任何技术都不能实现系统100%的正常运转的要求。如果使用光纤，它也有被切断的可
能性。如果使用微波技术或是通过无线电系统，雾，雨，雪也会影响它的传输效果。FSO系统适合于城域范围内接入段，在这个距离内系统工作
时，激光光束不能穿过特别大的浓雾的可能性仅有3%-5%。这同时也取决于使用者国家的地理位置。在通常情况下，即使有大约20dB能量的损耗
，它仍意味着超过99%的信号可以被锁定，系统仍然可以正常工作。
FSO的市场前景
虽然光纤技术正得到不断地推广使用，但随着高速本地环路网络互联需求的不断增长，实施光纤网络遭遇到的布线难与成本高的问题日益
突出。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，因此备受关注也是理所当然的。据统计，即使
在通信发达的美国，几乎90%的办公大楼与业务提供商之间也没有光纤连接，因为用光纤连接是非常昂贵的。根据AirFiber 公司的分析，在美
国，如采用FSO的网状结构配置，每大楼的成本约为2万美元，平均链路长度为55m，最长为200m，只需2～3天就能安装完毕。相反，如用光纤连
接大楼，则每大楼需5万～20万美元，通常需要4～12个月才能连通。因此，与光纤线路相比，FSO系统不仅安装方便、建设迅速，而且成本低，
大约是光纤到大楼成本的1/10至1/3。
到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功
地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建
设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的
建设。LightPointe公司已在全世界30多个国家部署了上千套FSO设备，FlightStream产品系列提供从E1到STM－1的可扩展带宽和电信级冗余度
，包括完全的网络管理、电源冗余和热插拔组件，允许电信运营商即刻增加带宽而毋须中断网络业务。
与过去的激光大气通信有很大的不同，目前FSO是具有高度发达的光纤通信技术平台，引入望远镜式光学天线后以大气为传输介质，应用目
标是5公里内的视距通信。作为与现有光纤通信系统和网络兼容的光通信技术，应用于宽带接入网、城域网、企业网、校园网、军用战术通信网
、应用通信系统、光纤通信的延伸系统（在通过江河、海岛与大陆、海岛与海岛等应用中），可以利用和移植现有的光放大、波分复用、全光
插分复用和交叉连接等技术，是光纤通信的补充。
相比较而言，FSO最适宜用来组建高速本地网或用作现有光纤网络的备份。我国电信、移动、联通、网通、铁通、吉通、广电、电通等传统
和新兴电信运营商，除了电信有窄带的接入网以外，包括电信在内都没有可支持高清晰度视频的宽带接入网和城域网，而城域网和接入网是电
信运营商向全社会提供电信服务必备通道和聚积利润的漏斗，必然会被高度重视，宽带接入网和城域网的建设高潮将在HDTV等宽带信息业务的
驱动下于近期到来，FSO在宽带接入网和城域网建设中将会有广阔的市场空间。FSO的另外一个大市场是没有光纤连接的中小企业。LightPointe
、Optical Access等FSO设备厂商已在国内安装了30多套FSO设备，我们有理由相信兼有光通信和无线通信优势的FSO技术会有迷人的广阔前景。
目前国内的宽带IP城域网都处于初始建设阶段，摆在电信运营商面前的一个关键问题就是究竟采用什么样的建设思路，具体来说，就是选
择何种方式接入宽带IP用户，而目前多数本地环路连接的带宽限制在1.5Mbit/s，因此对于LAN和MAN之间的高带宽接入存在着很大需求。所以在
本文详细的分析了一种能够满足这种需求的一种接入方式FSO（自由空间光通信），为进行FSO系统的设计提供了有价值的参考。
摘自 通信市场
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