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光通信甩掉光纤

2/14/2005来源:光纤通信人气:8061

陈聪


  说起光通信,大多数人的第一反应就是光纤通信。其实,光不仅可以在光纤里传播,更能在空气中传播,而且,成本要低得多。这也就难怪精明的企业家和技术专家们纷纷把面向光纤通信开发的技术和设备应用于无光纤光通信。

  在业内,无光纤光通信的正式称谓叫fso (自由空间光通信)。与光纤通信相比,这种光通信方式极具成本上的优势。虽然它只是在最近才突然引起大家的注意,但其技术思想却可以一直追溯到30年前。当时,光纤通信还没有成为首选的通信方式,有人就提出了让光直接在空气中传播来传递信息的想法,只不过当时人们还觉得用这种方式进行短距离的高速通信应该是若干年以后的事。如果没有当时在FSO方面的研究工作,就没有FSO的今天。今天的FSO系统能在城域网的社区间以千兆的速度进行全双工通信,最远距离达几公里。

  FSO设施的建设费还不到光纤通信设施的五分之一,施工周期也非常短,一般来说几天就可完成。如果把通信设备直接安在办公室窗外而不是楼顶,那么整个周期会更短。当普通光纤通信服务提供商还在等待申请埋设光纤的市府批文时,FSO服务提供商已经在坐地收钱了。


  擅长领域


  当前,网络用户对高速数据服务日益高涨的需求与网络基础设施建设资金相对短缺的矛盾,是困扰服务运营商的一个现实问题。据估计,美国有95%的建筑物位于距大量光纤通信中心设备1.5公里的半径内,但至今也未能与这些设备相连。如果用光纤把它们连接起来,那么每公里的造价将高达10万到20万美元,其中85%的费用都花在了敷设光缆和设备安装上。此外,网络运营商长期以来在网络基本设施的建设上走进了一个误区,即在核心网或骨干网的建设上大把大把地花钱,以提高网络整体性能,应付网络需求的高速发展,而在边缘网(即用户与运营商网络相连的部分)的建设上却很少用心。其实,很多网络应用瓶颈不在骨干网而恰恰是在边缘网。现在,是着手改变这种建设失衡局面的时候了。FSO在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地。具体应用如下:

  1.城域网扩展:在现有城域网上向外延伸、连接新的网络或者在网络核心建设SONET环路等。

  2.最后一公里接入:在最终用户和服务提供商间建立高速连接,或在本地环网络中为相关业务提供高速链接服务。

  3.企业内部网互联:企业局域网的各网段往往被大楼或大楼间的道路所分隔,FSO设备安装的简易性使它非常适合用来实现企业内各局域网网段的互联,轻松解决大楼间的复杂地貌带来的挖沟布线难题。

  4.光纤通信系统的备份:在对光纤通信设施进行冗余备份设计时,可用FSO作为备份链路。

  5.无线基站数据回传:FSO可用来将移动电话天线塔接收的信号回传至与有线公用电话网相连的中心交换设备。


  工作原理


  FSO技术以小功率的红外激光束为载体在位于楼项或窗外的收发器间传输数据。这种红外光不伤眼睛,传输距离受气候条件影响,从几百米到几公里不等。

  与大多数低频段电磁波不同的是,300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受管制,而且可以免费使用,唯一的限制是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限(IEC60825-1标准)。在美国,与该标准相对应的规章是食品与药品管理局下属的放射设备卫生中心颁布的有关规定。目前,国际电子技术委员会正在对IEC60825-1标准进行修订,放射设备卫生中心也将采用这一新修订的标准,届时,全球此类设备的应用将遵循唯一的标准。

  FSO设备有两种工作波长:850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对来说很便宜(从30美元到1000多美元不等),一般应用在传输距离不太远的场合。工作在1550纳米波长的FSO设备的价格要高一些,但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收,照射不到视网膜,因此,相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率增大,不但可以增加传输距离,提高数据传输速度,还有利于消除恶劣气候条件(如大雾天气)给传输带来的不良影响。

  商用FSO设备的数据传输速率比DSL或同轴缆要高得多,传输速率比10M~1.25G光纤设备更快的FSO系统也已经发布,只是尚未面市。


  影响系统性能的因素


  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。影响FSO设备传输性能的原因很多,主要是气象和地质两方面的因素。

  不良的气象条件是降低系统性能指标的首要原因,具体来说主要是闪光和雾气。

  闪光是光束强度受大气扰动影响而产生的瞬时突变。大气扰动是由风力和温度的梯度变化所产生的气穴造成的,气穴的密度不断变化,光的折射率也随之快速变化。气穴就像一个具有时变属性的棱镜或透镜,夜晚星星的闪烁和干热天气里地平线附近的微光都是气穴作用的结果。

  为消除闪光的影响,FSO用位于几个不同位置的激光发射器同时发送同样的信息。几台激光发射器安装在同一地点,彼此间相距200毫米。由于气穴体积非常小,因此几束平行的激光在行进当中不可能遇到完全相同的气穴,最后,总有一束激光束会被接收机正确收到。把这种方法与在接收机中采用多个独立大口径透镜的方法相结合,实际抵抗气穴的效果会更好。

  为对付雾气的影响,一般是采用增大发射功率的办法,当然,上述对付气穴的办法也可采用。由于1550纳米波长的FSO设备功率较大,所以在多雾的地区,最好使用这一波长的设备。

  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。LightPointe公司曾与全球十几家运营商在丹佛的实验室进行了一项FSO设备的传输试验,时间选在11月至次年的2月,这一时间段对于FSO系统来说非常具有挑战性。实验中,传输速率为1.25G,连通率达99.997。

  其它不良气象条件如雨雪天气对FSO系统的影响都比雾天要小。

  影响FSO性能指标的另外两个因素是大风和地震。由于FSO系统的收发设备都安装在高楼之上,因此,大风或地震可能会造成光路的偏移。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。今年年初,西雅图发生了一场地震,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。

  偏光法是让激光在发出时偏离一定的角度,在到达接收器时就会形成一个很大的光锥。光束偏转角度随具体产品的不同而不同,典型产品的偏转角为3-6微弧度,当传输距离为1公里时,光锥半径为3-6米。使用前,要将接收器置于光锥的圆心处,这样,就可消除各种导致光线偏离的因素所产生的偏差。

  如果FSO设备安装在非常高的楼项或塔顶,就要考虑使用动态跟踪技术。动态跟踪技术比偏光技术纠偏的效果更好,但成本也比较高。它通过反馈装置动态调整可移动镜片,可移动镜片控制入射光的传播方向,从而使激光束始终锁定住目标。动态跟踪是一种闭环控制系统,非常适合用在高速数据传输的场合。偏光法则不适于高速数据传输,它的工作方式降低了能量密度。当数据传输速率很高时,接收机的灵敏度会变弱,此时,入射光束的功率当然是越大越好。

  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备受关注也是理所当然的。但是,FSO并不适用于所有的通信方式,相比较而言,它最适宜用来组建高速本地网或用作现有光纤网络的备份。挖沟的麻烦虽然省了,但坏天气却有可能出来添乱。因此,深入分析、掌握本地气候的变化规律是建好、用好FSO系统的前提。



摘自《中国计算机报》2001.73光通信甩掉光纤
陈聪


  说起光通信,大多数人的第一反应就是光纤通信。其实,光不仅可以在光纤里传播,更能在空气中传播,而且,成本要低得多。这也就难怪精明的企业家和技术专家们纷纷把面向光纤通信开发的技术和设备应用于无光纤光通信。

  在业内,无光纤光通信的正式称谓叫FSO (自由空间光通信)。与光纤通信相比,这种光通信方式极具成本上的优势。虽然它只是在最近才突然引起大家的注意,但其技术思想却可以一直追溯到30年前。当时,光纤通信还没有成为首选的通信方式,有人就提出了让光直接在空气中传播来传递信息的想法,只不过当时人们还觉得用这种方式进行短距离的高速通信应该是若干年以后的事。如果没有当时在FSO方面的研究工作,就没有FSO的今天。今天的FSO系统能在城域网的社区间以千兆的速度进行全双工通信,最远距离达几公里。

  FSO设施的建设费还不到光纤通信设施的五分之一,施工周期也非常短,一般来说几天就可完成。如果把通信设备直接安在办公室窗外而不是楼顶,那么整个周期会更短。当普通光纤通信服务提供商还在等待申请埋设光纤的市府批文时,FSO服务提供商已经在坐地收钱了。


  擅长领域


  当前,网络用户对高速数据服务日益高涨的需求与网络基础设施建设资金相对短缺的矛盾,是困扰服务运营商的一个现实问题。据估计,美国有95%的建筑物位于距大量光纤通信中心设备1.5公里的半径内,但至今也未能与这些设备相连。如果用光纤把它们连接起来,那么每公里的造价将高达10万到20万美元,其中85%的费用都花在了敷设光缆和设备安装上。此外,网络运营商长期以来在网络基本设施的建设上走进了一个误区,即在核心网或骨干网的建设上大把大把地花钱,以提高网络整体性能,应付网络需求的高速发展,而在边缘网(即用户与运营商网络相连的部分)的建设上却很少用心。其实,很多网络应用瓶颈不在骨干网而恰恰是在边缘网。现在,是着手改变这种建设失衡局面的时候了。FSO在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地。具体应用如下:

  1.城域网扩展:在现有城域网上向外延伸、连接新的网络或者在网络核心建设SONET环路等。

  2.最后一公里接入:在最终用户和服务提供商间建立高速连接,或在本地环网络中为相关业务提供高速链接服务。

  3.企业内部网互联:企业局域网的各网段往往被大楼或大楼间的道路所分隔,FSO设备安装的简易性使它非常适合用来实现企业内各局域网网段的互联,轻松解决大楼间的复杂地貌带来的挖沟布线难题。

  4.光纤通信系统的备份:在对光纤通信设施进行冗余备份设计时,可用FSO作为备份链路。

  5.无线基站数据回传:FSO可用来将移动电话天线塔接收的信号回传至与有线公用电话网相连的中心交换设备。


  工作原理


  FSO技术以小功率的红外激光束为载体在位于楼项或窗外的收发器间传输数据。这种红外光不伤眼睛,传输距离受气候条件影响,从几百米到几公里不等。

  与大多数低频段电磁波不同的是,300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受管制,而且可以免费使用,唯一的限制是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限(IEC60825-1标准)。在美国,与该标准相对应的规章是食品与药品管理局下属的放射设备卫生中心颁布的有关规定。目前,国际电子技术委员会正在对IEC60825-1标准进行修订,放射设备卫生中心也将采用这一新修订的标准,届时,全球此类设备的应用将遵循唯一的标准。

  FSO设备有两种工作波长:850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对来说很便宜(从30美元到1000多美元不等),一般应用在传输距离不太远的场合。工作在1550纳米波长的FSO设备的价格要高一些,但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收,照射不到视网膜,因此,相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率增大,不但可以增加传输距离,提高数据传输速度,还有利于消除恶劣气候条件(如大雾天气)给传输带来的不良影响。

  商用FSO设备的数据传输速率比DSL或同轴缆要高得多,传输速率比10M~1.25G光纤设备更快的FSO系统也已经发布,只是尚未面市。


  影响系统性能的因素


  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。影响FSO设备传输性能的原因很多,主要是气象和地质两方面的因素。

  不良的气象条件是降低系统性能指标的首要原因,具体来说主要是闪光和雾气。

  闪光是光束强度受大气扰动影响而产生的瞬时突变。大气扰动是由风力和温度的梯度变化所产生的气穴造成的,气穴的密度不断变化,光的折射率也随之快速变化。气穴就像一个具有时变属性的棱镜或透镜,夜晚星星的闪烁和干热天气里地平线附近的微光都是气穴作用的结果。

  为消除闪光的影响,FSO用位于几个不同位置的激光发射器同时发送同样的信息。几台激光发射器安装在同一地点,彼此间相距200毫米。由于气穴体积非常小,因此几束平行的激光在行进当中不可能遇到完全相同的气穴,最后,总有一束激光束会被接收机正确收到。把这种方法与在接收机中采用多个独立大口径透镜的方法相结合,实际抵抗气穴的效果会更好。

  为对付雾气的影响,一般是采用增大发射功率的办法,当然,上述对付气穴的办法也可采用。由于1550纳米波长的FSO设备功率较大,所以在多雾的地区,最好使用这一波长的设备。

  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。LightPointe公司曾与全球十几家运营商在丹佛的实验室进行了一项FSO设备的传输试验,时间选在11月至次年的2月,这一时间段对于FSO系统来说非常具有挑战性。实验中,传输速率为1.25G,连通率达99.997。

  其它不良气象条件如雨雪天气对FSO系统的影响都比雾天要小。

  影响FSO性能指标的另外两个因素是大风和地震。由于FSO系统的收发设备都安装在高楼之上,因此,大风或地震可能会造成光路的偏移。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。今年年初,西雅图发生了一场地震,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。

  偏光法是让激光在发出时偏离一定的角度,在到达接收器时就会形成一个很大的光锥。光束偏转角度随具体产品的不同而不同,典型产品的偏转角为3-6微弧度,当传输距离为1公里时,光锥半径为3-6米。使用前,要将接收器置于光锥的圆心处,这样,就可消除各种导致光线偏离的因素所产生的偏差。

  如果FSO设备安装在非常高的楼项或塔顶,就要考虑使用动态跟踪技术。动态跟踪技术比偏光技术纠偏的效果更好,但成本也比较高。它通过反馈装置动态调整可移动镜片,可移动镜片控制入射光的传播方向,从而使激光束始终锁定住目标。动态跟踪是一种闭环控制系统,非常适合用在高速数据传输的场合。偏光法则不适于高速数据传输,它的工作方式降低了能量密度。当数据传输速率很高时,接收机的灵敏度会变弱,此时,入射光束的功率当然是越大越好。

  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备受关注也是理所当然的。但是,FSO并不适用于所有的通信方式,相比较而言,它最适宜用来组建高速本地网或用作现有光纤网络的备份。挖沟的麻烦虽然省了,但坏天气却有可能出来添乱。因此,深入分析、掌握本地气候的变化规律是建好、用好FSO系统的前提。



摘自《中国计算机报》2001.73