20世紀90年代后期,，全球通信網(wǎng)絡開始大規(guī)模擴容,，先是廣域網(wǎng)的不斷擴展，接著是城域網(wǎng)的大量建設(shè),。與此同時,，用戶內(nèi)部的局域網(wǎng)快速增長。將這些高速的局域網(wǎng)連接到運營商的通信網(wǎng)絡,，必須依靠容量巨大的接入網(wǎng)絡,。光纖雖能解決傳輸速率的問題，但鋪設(shè)的昂貴和耗時卻限制了它的發(fā)展,。許多無線通信技術(shù)也能解決“最后一公里”問題,，但存在頻率通道的擁擠以及申請困難和電磁輻射的安全問題，如何提供快速,、低價,、安全的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題,。

光的無線寬帶傳輸是新近發(fā)展的接入方式,，是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，光無線通信技術(shù)隨著激光器件的工程開發(fā)利用而日趨成熟,。它利用高度集中的光束穿透大氣空間作為信息的傳輸載體,，而不是通過光纖傳送信號。這種技術(shù)的接入系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上與光纖傳送系統(tǒng)非常相似，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(shè),，可提供與光纖系統(tǒng)相似的傳送帶寬。由于系統(tǒng)具有傳輸速率快,、結(jié)構(gòu)簡單,、組網(wǎng)靈活等特點，在跨江跨河等不具備有線接入條件和需快速組建通信網(wǎng)絡的場合有很高的使用價值,，也受到越來越多電信運營商的關(guān)注,，應用范圍不斷擴大。已商用的這類系統(tǒng),，容量從100Mbit/s到2.5Gbit/s,。也有一些試驗采用波分復用技術(shù)，達到160Gbit /s的速率,。盡管受到氣象條件的限制,，只能在較短的距離內(nèi)使用，一般限于2km以下,。但在許多場合下,，作為一種獨特的方式，光無線接入可以起到很好的作用,，成為當前已有幾種寬帶接入方式很好的補充手段,。

1 光無線通信網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和技術(shù)

光無線通信是一種視距傳輸技術(shù)，其基礎(chǔ)是電-光和光-電的轉(zhuǎn)換,，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù),、影像和等的傳輸，以大氣作為媒質(zhì),。實際上激光出現(xiàn)后最先研制的就是光無線通信系統(tǒng),。光無線通信的優(yōu)點是傳輸距離遠、信道容量大,、發(fā)射天線小,、保密性好以及抗電磁干擾等。除此以外,，光無線通信不需要許可執(zhí)照,，不需要鋪設(shè)電纜，不需要挖溝,，不需要租用線路,，不需要頻譜規(guī)劃,，建設(shè)周期短，對環(huán)境沒有影響,。寬帶光無線通信的電子頻譜位于極高的光頻段,，不存在微波等電磁干擾。光無線通信因為這些優(yōu)點,，越來越受到關(guān)注,。

一個光無線通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括三個部分：發(fā)射機,、信道和接收機,。光發(fā)射機的光源受到電信號的調(diào)制，并通過作為天線的光學望遠鏡,，將光信號經(jīng)過空間送到接收端的望遠鏡。高靈敏度的光接收機,，將望遠鏡收到的光信號再轉(zhuǎn)換成電信號,，值得注意的是，發(fā)送端和接收端之間,，必須是互相視線可見的,，兩終端之間不能有阻擋。由于大氣空間對不同光波長信號的透過率有較大的差別,，可以選用透過率較好的波段窗口,。光無線系統(tǒng)通常使用0.85μm或1.5μm紅外波段。0.85μm的設(shè)備相對便宜,，一般應用在傳輸距離不太遠的場合,。1.5μm的設(shè)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(xiàn),。 1.5μm的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜,，因此,，相關(guān)安全規(guī)定允許1.5μm波長設(shè)備的功率可以比0.85μm的設(shè)備高2個等級，1.5μm波長的光無線通信具有更廣闊的使用前景,。

圖1 光無線通信系統(tǒng)示意

光無線通信網(wǎng)按照組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)來說,。可組成點對點,、星形(點到多點)和格形(網(wǎng)狀網(wǎng))三種結(jié)構(gòu),。點到點結(jié)構(gòu)是最簡單的網(wǎng)絡拓撲，目前已使用的系統(tǒng)多數(shù)采用此結(jié)構(gòu),，其原因是大多數(shù)系統(tǒng)只是用來連接企業(yè)內(nèi)部的各幢大樓,，作為高帶寬的專線連接。點到點結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是獨立的鏈路，網(wǎng)絡規(guī)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。它不適合電信級系統(tǒng),。

星形(點到多點)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以把業(yè)務集中到一點(集線器或中心節(jié)點)再接入核心網(wǎng),，效率較高、比較經(jīng)濟,；其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(nèi)連接盡可能多的大樓,，集線器的位置非常關(guān)鍵。

格形(網(wǎng)狀網(wǎng))結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是通過多個網(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)還可以把業(yè)務集中到某些特定點：再有效地接入網(wǎng)絡,，比較符合電信級的要求,。其缺點是傳輸距離短、成本高(每幢大樓有多條鏈路),，網(wǎng)絡規(guī)劃復雜,。

2 光無線通信存在的主要問題及解決方案

盡管光無線通信有許多優(yōu)點，但也存在以下幾個問題,。

FSO(自由空間光通信) 是一種視距寬帶通信技術(shù),，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導致難以被接收點正確接收,。目前,，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠只能達到4km,。多種因素影響其達不到99.999%的穩(wěn)定性,。為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管,、更先進的光學器件和多光束來解決,。

對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小,，而雨,、雪和霧的影響較大,。據(jù)測試，F(xiàn)SO 受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天,，5～15dB/km,；雨天，20～50dB/km,；雪天,，50-150dB/km；霧天,，50～300dB/km,。可見影響最大的是霧天,，這是因為霧中的散射粒子的半徑與激光的波長在同一數(shù)量級上,，而且散射粒子非常集中，從而使光線的傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),，造成空間,、角度和時間上的擴展，如圖2,。對于這種大氣現(xiàn)象處理的方式，與微波通信中對待雨衰相似,。要在系統(tǒng)傳輸?shù)挠嬎阒?，為光信號的衰減留有足夠的系統(tǒng)功率余量，以便在出現(xiàn)濃霧最大衰減的情況下,，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(tǒng)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(zhì)出現(xiàn)的統(tǒng)計規(guī)律。如果了解到衰減值大于某一指標出現(xiàn)的概率,，就能確定光無線系統(tǒng)為了保證可用性的指標(比如99.9%),，需要容納多大的大氣損耗。而傳輸距離的計算公式如式(1)所示,。

圖2 光子大氣傳播示意

顯而易見,，在經(jīng)常出現(xiàn)濃霧的地區(qū)，同樣的光無線系統(tǒng),，可能傳送的距離要比無霧或少霧的地區(qū)短得多,。所以，系統(tǒng)的設(shè)計一定要考慮地區(qū)的氣象條件,，以保證良好的性能,。FSO系統(tǒng)在發(fā)射機和接收機之間需要嚴格的視線傳播,，使發(fā)送的光信號在接收端的光瓣能夠覆蓋接收望遠鏡，不會因為大氣折射率的起伏而漂離目標,。此外,，建筑物結(jié)構(gòu)的熱膨或晃動將影響兩個點之間的激光對準，實際測量中發(fā)現(xiàn),，大樓頂部的水平移動可達樓高的1/800～1/200,。為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)SO系統(tǒng)的光鏈路兩端的激光束的對準和跟蹤是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,。目前在國內(nèi)外普遍采用擴束法,、多束法和動態(tài)跟蹤技術(shù)克服這些缺陷。擴束法是展寬激光的發(fā)射光束,，但擴束法降低了接收端的光斑能量密度,，傳輸距離和速度受到影響和限制，于是業(yè)界又提出了多束法,，利用多個激光器和發(fā)射鏡同時發(fā)射激光束,，每個光束都以相同的發(fā)射角發(fā)射，在接收處就得到一個大而相互重疊的激光光斑,。從而提高了接收端的能量密度,，也擴大了可接收面積。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,，對FSO系統(tǒng)的傳輸速率和距離均提出了更高的要求,，如果要提高這兩個技術(shù)指標，就必須要增大激光器的發(fā)射功率和提高接收機的靈敏度,，但擴束法和多束法對性能指標的改善有限,，于是動態(tài)跟蹤法就應運而生，即利用伺服系統(tǒng)通過反饋裝置獲得光束偏差信息,，調(diào)整可調(diào)微鏡,，使光束時刻對準接收器。采用動態(tài)跟蹤技術(shù)的FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)如圖3所示,，一般采用雙反饋方式,，外反饋是位置探測器輸出的入射激光束的位置誤差信號，內(nèi)反饋是伺服系統(tǒng)控制的可調(diào)微鏡的位置信號,，入射激光束通過接收光學系統(tǒng)后,，聚集到位置探測器上，位置探測器將激光束的位置誤差信號輸出到主處理器,。同時可調(diào)微鏡位置探測器將探測到的微鏡位置信號送到控制處理器中,，控制處理器利用優(yōu)化的跟蹤算法進行計算，輸出的角度控制信號控制伺服系統(tǒng)調(diào)整可調(diào)微鏡,，使接收光學系統(tǒng)始終對準入射激光束,。

圖3 動態(tài)跟蹤技術(shù)FSO系統(tǒng)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)

激光的安全問題也會影響其使用,，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響。人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害,。由于這類系統(tǒng)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傷害，所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標準,。

3 光無線通信技術(shù)的應用

國外已經(jīng)開始了將近10年的研究,，但是FSO產(chǎn)品真正投入使用也就是最近幾年的事情。FSO設(shè)備最初進入中國應該在2000年前后,，那時國內(nèi)從事 FSO研究的主要是一些具有軍方研究項目的研究所,。目前，國內(nèi)FSO的發(fā)展還基本在起步階段,，但在發(fā)射功率,、接收靈敏度、捕獲和瞄準要求,、熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)方面已取得明顯進步,，光無線通信盡管仍存在不少問題，但其技術(shù)優(yōu)勢更為明顯,。目前,，光無線通信的優(yōu)勢正在逐漸吸引電信運營商，而其劣勢正在被技術(shù)的進步抵消,。由于技術(shù)的進步,，在可視距離范圍內(nèi)，實現(xiàn)全天候“最后一公里”無線光通信已經(jīng)沒有技術(shù)障礙,。光無線通信系統(tǒng)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(tǒng),。任何技術(shù)要想取得真正的成功,，必須經(jīng)受住市場與用戶的考驗。由于光纖成本過高,，用戶無法在短期內(nèi)實現(xiàn)光纖接入,，而他們卻渴望享受寬帶接入帶來的便利，于是,，F(xiàn)SO成了他們實現(xiàn)“最后一公里”寬帶接入的替代選擇,。需要指出的是，DSL,、LMDS和以太網(wǎng)是目前寬帶接入的主流方式,，但和FSO相比，它們建設(shè)成本要高,、建設(shè)周期要長,，所提供的帶寬更是遠遠不及FSO,。FSO的另一個主要應用是作為光纖通信系統(tǒng)的備份，即對光纖通信設(shè)施進行冗余備份設(shè)計時,，選用FSO作為備份鏈路,，以節(jié)省投資。FSO還可以用于城域網(wǎng)的擴展,，即在現(xiàn)有城域網(wǎng)上向外延伸,、連接新的網(wǎng)絡；FSO還非常適用于企業(yè)網(wǎng),、校園網(wǎng)等局域網(wǎng),，實現(xiàn)各局域網(wǎng)網(wǎng)段的互聯(lián)?？梢?，自由空間光通信技術(shù)有著廣闊的市場需求。

到目前為止,，F(xiàn)SO已被多家電信運營商應用于商業(yè)服務網(wǎng)絡,，在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進行圖像傳送,，并在西雅圖的四季飯店成功地實現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100 Mbit/s的數(shù)據(jù)連接,。AiRFiber公司則在美國波士頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié)點連接在一起，完成了該地區(qū)整個光網(wǎng)絡的建設(shè),。2003年5月,，佳能美國公司宣布他們的多套FSO系統(tǒng)成功應用到美國紐約州地方法院系統(tǒng)，并在“911”恐怖襲擊之后的重建工作中發(fā)揮了出色作用,。在國內(nèi),，2003年3月17日，上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少50套無線光通信設(shè)備廠商Terabeam的FSO系統(tǒng),。上海鐵通表示采用Terabeam的設(shè)備將大大縮短他們提供服務的時間,，有利于他們獲得新客戶。

4 結(jié)束語

當前,，用戶對高速數(shù)據(jù)服務日益高漲的需求與網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金相對短缺的矛盾,，是困擾運營商的一個現(xiàn)實問題。FSO作為一種寬帶接入方式,，具有高帶寬,、低誤碼率、部署迅捷,、費用合理,、體積小、安全性高等特點,，很多企業(yè)把FSO網(wǎng)絡與光纖網(wǎng),、微波網(wǎng)和高頻段無線網(wǎng)結(jié)合起來使用,，發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補彼此的不足,。在本質(zhì)上FSO是一種連接方式,，而非覆蓋方式。所以,，F(xiàn)SO通信是以一種補充的角色出現(xiàn)的,，但FSO有自己的獨特的市場定位，在其他接入方式鞭長莫及或力不從心的一些特殊場合下將發(fā)揮其優(yōu)勢,。