陈国骢 [广州光通通信发展有限公司]
1. 前言
上世纪九十年代中期，全球通信网络开始大规模扩容。先是长途网络，或广域网的不断扩展，接着是城域网的大量建设。与此同时，用户内部的局域网以及千兆以太网快速增长。将这些高速的局域网和千兆以太网连接到营运商的通信网络，必须依靠容量巨大的接入网络。但是，即使在发达的北美洲，多数的商业用户的连接还只限于电缆的T1专线〔1.5Mbps〕。更高速度的宽带接入方式，当前主要限于光纤、宽带无线接入LMDS、以及DSL等。如何提供快速、低价的宽带接入，成为迫切需要解决的问题 。
光的无线宽带传输是新近发展的接入方式，它利用光束信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号。其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似，但由于用在接入系统，因而组成更为简单。其主要的特点是：无需申请无线频率，起始投资低，运营费用低，能快速装设，且可提供与光纤系统相似的传送带宽。已商用的这类系统，容量从100Mbps到2.5Gbps。也有一些试验采用波分复用，达到160Gbps的速率。尽管受到气象条件的限制，只能在较短的距离内使用，一般限于2公里以下。但在许多场合之下，作为一种独特的方式，光无线接入可以起到很好的作用，成为当前巳有几种宽带接入方式很好的补充手段。
2.应用的特点
一个光的无线传输系统，所用的基本技术也就是光电的转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，具有全双工〔双向〕的通信能力。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过空间送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用0.85微米或1.5微米红外波段。值得注意的是，发送端和接收端之间，必须是互相视线可见的，两终端之间不能有阻挡。
这种宽带接入系统最大的特点是其价格优势，其中包括：
…设备的价格，尤其是对每一用户传送单位带宽的价格低。
…初始投资，指最初接入少数几个用户时的起始投资低。
网络运营公司都希望得到理想的宽带接入系统。首先要能够迅速提供业务，以便及时收回投资。这就要求系统能快速安装和开通使用。其次，需要有充足的带宽容量，为用户提供更多的业务。另外，系统应容易扩展，不仅总容量，而且用户的数目，也要便于增加。优良的接入方式还应能跨越一定的距离，并能达到较好的可用性。
事实上，已有的接入方式都具有一些特点，在某一定的实际条件下发挥其作用。但很难找到一种，能满足上述所有的要求。
光纤接入系统可传送巨大的容量，但其投资偏大，需要敷设管道，涉及到诸多的申报审批手续，因此开通需要等候很长的时间。在某些情况下，甚至是不可能装设的。近年出现的无源光网络〔PON〕，是很有吸引力的方式，其平均到每户的价格可大为下降。但光纤的容量也为多户分享，每户的实际带宽也就不能太大了。而且装设的时间与一般光纤传送没有太大的改善。
固定的微波无线接入，如LMDS，传送的总带宽仍受限制，常在622Mbps以下，并为多用户分用。此外，必须进行频率执照的申请。这种方式的另一个问题是容易受到大雨引起的衰落影响，相对而言每户承担的价格也较高。
由此可见，接入方式的选择，要根据工程的实际情况，特别是按照具体的要求，选出最佳的方式。
光无线的方式可以在一定程度弥补上述两种方式的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完毕，投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系统构成主备用，甚至可达到99.999%电信级的可用性要求。另外光无线系统与网络的连接，还可以有如下的特点：
…对运行的协议透明。现在通信网络常用的SDH、ATM、IP等都能通过。
…可组成点对点、星形、和格形结构的网络。
…可在房顶上安装，有些产品甚至可透过窗户发射。
…可灵活拆装，移装至其他位置。适于临时、应急的通信。
…易于扩容升级，只需稍作接口的变动就能改变容量。
3.主要问题
对大气传输的光无线系统，业界传统的观念，是认为其不够稳定，受外在条件影响难以保证可用性。另外，对人身安全性及传送的保密性，也存在疑虑。实际上，经过多年的探索，问题逐渐明朗，而且也找到了办法。
首先，最大的问题是大气介质对光信号的衰减。多年的研究对这一影响已经比较清楚。波长为0.8和1.55微米的光信号，主要的衰减来自雾。雾对红外光的作用，类似于雨引起微波的衰落。由于雾中水气微粒对光线的散射作用，使得传送的光线逐渐变弱。雾的浓度变化，对光线衰减的数值有很大的关系。轻雾只有每公里50分贝的损耗，浓雾时可高达每公里300分贝。
对于这种大气现象处理的方式，与微波通信中对待雨衰相似。要在系统传输的计算中，为光信号的衰减，留有足够的系统功率余度。以便在出现浓雾最大衰减的情况下，仍能接收到所需的光信号功率。重要的是要获得所在地长期的气象统计资料，能够知道不同等级〔能见度〕的雾，即不同衰减的大气介质出现的统计规律。如果了解到衰减值大于某一指标出现的概率，就能确定光无线系统为了保证可用性的指标〔比如，99.9%〕，需要容纳多大的大气损耗。而传送的距离为：
系统功率余量〔分贝〕
传送距离 = --------------------------------------
大气衰减系数〔分贝/公里〕
显而易见，在经常出现浓雾的地区，同样的光无线系统，可能传送的距离，要比无雾或少雾的地区，短得多。所以，系统的设计，一定要考虑地区的气象条件，以保证良好的性能。
实用的光无线系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定。使发送的光信号在接收端，光瓣能够覆盖接收望远镜，不会因为大气折射率的起伏而漂离目标。克服这缺陷的常用方式，是有意使发射光束展宽。还有一些产品，采用动态调节的跟踪技术，不仅能应付由大气引起的漂移，还可以在端机所在的建筑物轻微摆动时，保持信号的稳定。
此外，激光信号对人体安全的威胁，也一直受到关注。其中，主要是操作人员或偶尔受到光信号照射的其他人员，是否会受到伤害。但由于这类系统采用的，是毫瓦量级的小功率光源。其主要的危险，是激光对肉眼造成的。国际电工委员会IEC有相关的分类推荐建议，针对激光对肉眼的安全，规定了一种定为1M类的激光光源指标。这类光源，即使肉眼直接观察，也可保证安全。多数国家都参照这建议的指标，确立本国标准。厂商的产品，只要符合标准的要求，是不会构成损伤的。
4.发展简况
光的无线通信或自由空间光通信，是在四十多年之前，激光器件发明之后，开始工程应用的。人们希望利用高度集中的光束，穿透大气空间。从而开始了在国防及企业内短距离通信的应用，主要是窄带的通信。到上世纪九十年代之后，随着器件的成熟，特别是光纤通信规模应用后，器件价格的进一步下降，性能不断优化，宽带的光无线接入成为新的应用方向。随着互联网应用的兴起，在许多宽带的技术之中，光无线通信以其容量和价格的优势，受到越来越多营运公司的注意，应用的范围不断扩大。
主要表现在：
…生产光无线产品的厂商越来越多。而且一些大型的电信设备公司都对光无线技术表现了极大的兴趣，如朗讯、思科、阿尔卡特、康宁等公司，都注入了投资发展这类设备。一些大的电信运营商如美国QWEST、英国BT、加拿大NT等已开始试用这种系统。几个咨询公司对光无线产品全球市场值的予测，都表明在今后几年内会有较大的发展。产值从2000年的1亿美元，可能发展到2005年的20亿美元以上。
…应用范围开始扩展到公用电信网
光无线通信系统，特别是宽带应用，以前只限于国防和企业专用网，因为距离短，而可靠性不需太严格。近一两年，这类系统己开始在公用电信网出现。一方面，宽带接入的需求旺盛。而现场的具体条件，常常令传统的一些技术遇到难以克服的困难。比如在闹市区新建光缆，往往申报困难，需耗时数月，甚至一年，推迟了开通。而且，一些咨询公司估计，在北美的城市，假如用光缆连接一座大楼，需花费10到15 万美元以上。而用光无线系统去提供业务连接，只需 2 万美元左右，并可在很短时间内接通。另一方面，公网所需的可用性，已在一定程度上，得到光无线系统的保证。已经有一些不同的措施，经试验获得较好的效果。比如采用无线微波接入，作为备用。由于引起光信号强烈衰耗的浓雾，不会与导致微波中断的大雨同时发生。两者会起到互补的作用。另外，也有一些厂商将几个链路组成多点的格形网络，可提供迂回的路由，也可以提高可用性指标。
…主要由美国的光无线设备制造商和电信运营商联合，在2001年2月成立了空间光通信联盟(FSO Alliance)，已有成员二十余。该组织的宗旨，是推进光无线技术的应用。特别是对用户和电信界，宣传这种技术的发展前景，消除较普遍存在的误解。该组织去年已举行了多次会议，除了确立内部活动的选题之外，已对包括安全、应用等作了讨论，估计对促进规模推广会有积极作用。
5. 结语
光无线接入作为一种宽带的技术，主要的特点是能以较灵活的无线方式，在短距离内，以比现有系统低得多的投资，获得光纤传送的容量。由于无需向主管部门申请频率和许可证，在不便于光缆装设的环境或临时事件需要，可作为一种新的选择。在气候条件较好的城市的高层建筑之间、校园内、军事上也有使用价值。今后，随着宽带网络的进一步发展，流媒体视频等要求更高带宽应用的普及，对接入网络的容量和覆盖范围的要求更为严格。作为光纤的一种补充方式，光无线接入是可能占有更重要的地位的。
节选自《通信世界报》
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