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FSO:無線寬帶接入的新選擇

2019-11-03 09:10:45
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供稿:網友
江億
  提起無線接入,不少人就會談到藍牙、微波這些被炒得很熱的技術。不過,還有一種無線技術卻鮮為人知,它就是自由空間光通信(fso)技術。作為一種新的“寬帶”選擇,在國外它已經開始得到日益廣泛的應用。尤其是“9.11”事件后,它受到了更多人的青睞。

  在上個世紀末的光纖網絡建設熱潮中,業者把重點放在骨干網絡上,目前,我國許多城市已基本實現光纖到路邊(FTTC)、光纖到小區(FTTZ),但是從路邊、小區到用戶的所謂“最后一公里”卻仍然是窄帶的,已成為用戶享受寬帶業務的瓶頸。為解決這個問題,電信、廣電和一些網絡運營公司都為之付出了努力,分別提出了XDSL、Cable Modem、光纖和微波通訊等解決方案。目前,又一種新型的傳輸手段逐漸引起人們的關注——它就是自由空間光通信(FSO)技術。

FSO及其發展由來

  自由空間光通信系統(FSO:Free Space Optical Communication System),是一種新型無線寬帶接入技術。FSO不是用光纖作為傳輸媒介,而是在空氣中用激光或光脈沖在太赫茲(THz)光譜范圍內傳送分組數據的通信系統。盡管60年代就有人對無線光通信進行過研究,但當時主要用于軍事及實驗目的。80年代初期歐美、日本、以色列等國家在軍事國防、航天領域上已有頗多成功的應用實例。80年代后期開始有廠商投入商品化產品的開發,不過由于傳輸距離等技術問題無法突破而告終。直到90年代后期,由于光通訊器件制造技術的飛速發展,無線光通訊器件變得便宜而可靠耐用,使FSO設備的造價大大降低。人們才又逐漸開始其商業應用的研究。

  在國外,FSO主要被作為“最后一公里”解決方案之一和用于比較特殊的商業服務,如在美國,有幾乎90%的辦公大樓與電信業務提供商之間沒有光纖連接,如果采用光纖連接,每公里成本約10-20萬美元,通常需要4-12個月才能連通。相反,如果采用FSO系統,每幢大樓的成本約為2萬美元,安裝時間也只需要2-3天。

  在國內,FSO的應用在2002年以前還沒有先例。2001年12月,清華同方研究發展中心致力于“Last Mile”解決方案的探索,成立了“FSO技術跟蹤研究小組”,今年8月,完成了1000米點到點通訊樣機的檢測。目前,該方案可以應用在兩辦公樓、小區樓與樓之間、穿越河流、公路等場合。

FSO工作原理及技術難點

  FSO網絡主要有3種拓撲結構:點到點、點到多點(星形)和網狀,也可以把它們組合起來使用。FSO技術相對是簡單的,相連的二個FSO 單位均由一個激光發射器和一個接收器所組成,以提供全雙工能力。FSO一方通過將調制后的激光通過透鏡發送,另一方的透鏡接收后將信號經由光纖連至一個高敏感接收器加以解調。(見圖1)

  然而,FSO是一種視距寬帶通訊技術,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點正確接收。目前,在1km以下才能獲得最佳的效果和質量。多種因素影響其達到99.999%(五個9)的穩定性。

  傳輸質量對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題 。晴天對FSO傳輸質量的影響最小,而雨、雪和霧對傳輸質量的影響則較大。據測試,FSO受天氣影響的衰減經驗值分別為:晴天,5-15db/km、雨,20-50db/km、雪,50-150db/km、霧,50-300db/km。國外為解決這個難題,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。

  再一個難題是在城市內,由于建筑物的阻隔、晃動將影響兩個點之間的激光對準。對FSO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。國外FSO公司多采用GPS(全球衛星定位系統)來連續進行監測和調整發射器和接收器的位置,使調校系統費用較為昂貴。

  激光的安全問題也會影響其使用。超過一定功率電平的激光有可能對人眼產生影響,人體也可能被激光系統釋放的能量傷害。

挑戰FSO的“歌德巴猜想”

  針對快速光鏈路兩端的對準和保持這個技術難題,清華同方FSO技術研究小組首次創新的將一種光學器件應用在無線光通信產品中,并加以自主專利技術的控制算法和DSP信息處理技術,大大提高了系統的靈敏度。在無需GPS的幫助下,在短短幾秒內完成初始鏈路連接。無論建筑物晃動還是其他外力因素干擾時,都能自動跟蹤,保持通訊。在任何干擾下重新對準的時間在幾毫秒內。

  國外產品為了提高通信距離和對準度,往往加大激光管發射功率、采用多光束同步發射和大孔徑光學接收天線。從而使激光管壽命減少、光斑很大,且系統成本增高。同方FSO系統采用了有自主產權的自動跟蹤和自動搜索技術, 激光管僅在毫瓦級上工作,用很小的光斑即完成相同距離的通信,使系統成本大大降低。國外同類產品難以克服當太陽光直射時的干擾,同方FSO系統打破了傳統的濾波手段,而采用自主專利技術的電路設計方案和軟件控制技術,使得系統在太陽光直射時,也能快速精確對準和保持光鏈路的連接。

  環境干擾也是FSO要克服的難題之一 ,目前國外也沒有很好的解決方案。人工環境是同方擁有自主技術并堅持發展的主要領域,在同方FSO系統中,就采用了同方的環境控制技術和封裝技術,使同方FSO系統不受環境、氣候、季節的影響,而能全天候工作。

摘自《中國計算機用戶》
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