摘 要 對自由空間光通信技術的基本特點作了歸納；簡要介紹了自由空間光通信技術在國外、國內的研究現狀；從應用的角度出發闡述了自由空間光通信技術研究的幾個方向和發展趨勢。關鍵詞 自由空間光通信 視距 大氣信道 拓撲 帶寬
1 前言
20世紀90年代后期，隨著全光接入網的發展，人們對傳輸速率的要求越來越高；隨著通信范圍的延伸，人們對快捷通信鏈路建立的興趣進一步提高。自由空間光通信技術因其具有獨到的優勢，在固定無線寬帶技術中，能為寬帶接入的快速部署提供一種靈活的解決方案，又得到了極大的關注。其應用范圍已從軍用和航天逐漸邁入民用領域，其技術本身也在不斷的完善中。
自由空間光通信可在以下一些范圍發揮重要作用。1）可以作為光纖通信和微波通信冗余鏈路的備份；2）可以應用于移動通信基站間的互連，無線基站數據回傳；3）應用于城域網的建設以及最后一公里接入；4）在技術上或經濟上不宜敷設光纜的地區，在不宜采用或限制使用無線電通信的地方；5）在軍事設施或其他要害部門需要嚴格保密的場合6）在企業內部網互連和數據傳輸。
2 自由空間光通信的基本原理及其特點
自由空間光通信系統（FSO）是以大氣作為傳輸媒質來進行光信號的傳送的。只要在收發兩個端機之間存在無遮擋的視距路徑和足夠的光發射功率，通信就可以進行。
系統所用的基本技術是光電轉換。在點對點傳輸的情況下，每一端都設有光發射機和光接收機，可以實現全雙工的通信。光發射機的光源受到電信號的調制，并通過作為天線的光學望遠鏡，將光信號經過大氣信道傳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換成電信號。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。光的無線系統通常使用850nm或1550nm的工作波長。同時考慮到1500nm的光波對于霧有更強的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波長的FSO系統具有更廣闊的使用前景。
自由空間光通信與微波技術相比，它具有調制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特點；與有線和光纖通信相比，它具有機動靈活、對市政建設影響較小、運行成本低、易于推廣等優點。自由空間光通信可以在一定程度彌補光纖和微波的不足。它的容量與光纖相近，但價格卻低得多。它可以直接架設在屋頂，由空中傳送。既不需申請頻率執照，也沒有敷設管道挖掘馬路的問題。使用點對點的系統，在確定發收兩點之間視線不受阻擋的通道之后，一般可在數小時之內安裝完畢，投入運行。在考慮到當地氣象的條件以后，光無線系統一般可得到99.9%的可用性。如果采用其他系統構成主備用，甚至可達到99.999%電信級的可用性要求。
另外自由空間光通信系統與網絡的連接，還有如下的優點：1）對運行的協議透明。現在通信網絡常用的SDH、ATM、IP等都能通過。2）可組成點對點、星形、和網格形結構的網絡。3）可靈活拆裝、移裝至其他位置。4）易于擴容升級，只需稍作接口的變動就能改變容量。
自由空間光通信存在的主要問題有以下幾點：
（1）FSO是一種視距寬帶通信技術，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量，最遠只能達到4Km。多種因素影響其達不到99.999%（五個9）的穩定性。
（2）FSO系統性能對天氣非常敏感是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。
（3）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。
（4）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生影響，人體也可能被激光系統釋放的能量傷害。所以產品要符合眼睛安全標準。
3 國外研究現狀
在自由空間光通信（FSO）領域，國外已經開始了將近10年的研究，但是FSO產品真正投入使用也就是最近幾年的事情。在FSO這個領域里，國外幾個大的FSO廠家，包括LightPointe公司，AirFiber 公司，Canon 公司，Terabeam 公司。LightPointe收到Corning和思科系統公司的投資款3千多萬美元（現已增值至5千多萬美元），而AirFiber則獲得大概來自北電網絡的5千萬美元（現已增值至9千多萬美元），朗訊科技則投資了4億5千萬美元的巨款在Terabeam身上（現已增值至5億8千多萬美元）。幾個公司的研究現狀分別介紹如下：
（1）Lucent98年3月開始開發，99年3月發布WaveStar OpticAir system 產品。單波長，傳輸速率2.5 Gb/s, 四波長10 Gb/s, 距離5Km，99 年12月，Global Crossing Ltd. 現場使用。TeraBeam，Lucent宣布組建 TeraBeam Internet Systems，產品是基于IP 的無光纖點到多點網絡，發送和接收機，固定在辦公室窗戶上小衛星碟。這些衛星碟型天線的波束與安裝在樓內的基站相連。Lucent投入資金、研究開發資源，知識產權，價值450百萬美元的自由空間光產品。TeraBeam 的產品都用Lucent 的商標，光元件，網絡設備和服務優先選用Lucent 的。TeraBeam擁有70%的股份,可以使用技術和銷售客戶。
（2）LightPointe公司將自由空間光學技術用于創造、設計和制造電信公司等級的光傳輸設備，向電信服務商提供比傳統光纜傳輸速度更快、成本更低的高速通訊解決方案。LightPointe的系統以超快的帶寬速度提供安全可靠的無線傳輸，速度最高可達2.5Gb/s，產品適應性強，可解決城市地區的連接問題。公司擁有多項正在申請專利的專有技術，可提供電信公司等級的網絡可用性。LightPointe的自由空間光傳輸（FSO）產品在第一層（物理層）工作，可適應任何協議（SONET、SONET/SDH、ATM、FDDI、以太網、快速以太網）。產品包括各種"飛行自由空間光傳輸解決方案"，其中有FlightLite、FlightPath、FlightSpectrum。速度最高可達1.25 Gb/s，提供兆位級以太網通訊能力，工作波長為850納米（nm）。2003年秋季將開始向市場提供2.5 Gb/s Flight Spectrum，其使用半徑為1000米，采用1550nm波長。
產品LightStation 的特點有以下一些：
a. 數據率從1 Mbps到1.25 Gb/s ；傳輸距離達2.5Km
b. 分布SNMP監視采用光接口
c. 信號高度安全
d. 協議透明（IP, ETHERNET, ATM, SONET, FDDI）；容易集成到現存的網絡
e. 內置望遠鏡和信號強度表
f. 微調控制；內部裝有加熱器，具有鏡頭防霜功能
g. 采用自動微波備份交換技術，可使用率達99.999%，采用LightPointe Patent Pending FORCE? 技術（Free-space Optical Radio Communication Equipment）可補償純光通信帶來的限制。使用無須許可證的擴展頻譜ISM頻帶的LBS 100/10微波備份交換產品，可克服有霧天氣的限制。
（3）AirFiber公司位于美國加洲San Diego，98年5月成立，主要服務于大城市大樓寬帶接入。它的產品稱為OptiMesh，網絡結構為網眼狀拓撲結構，冗余備份短距離622Mb/s無線光傳輸系統。產品特點有：
a. 運行中心由交換，路由，服務平臺，NMCs，網關到載體ISRs
b. 主干傳輸由光纖環，ADMs, 光纖/銅線分布，微波鏈路等
c. 從核心網到初級用戶網包括AirFiber 節點，樓房POP，初級NTU或服務平臺
d. 基礎服務提供用戶LAN, PBX,布線，終端設備，電話，計算機
（4）Canon是世界著名生產光學儀器的公司，利用在光學系統方面的優勢，也踏足自由空間光通信系統的領域。主要產品有：Canobeam DT-50，速率從25Mb/s到622Mb/s. 可連接 FastEthernnet,FDDI, ATM。特點是具有自動跟蹤系統，調整探測器件的位置以檢測激光束的光軸，所以不因建筑物的擺動和震動而使傳輸中斷。同時，鏡頭自動跟蹤特性增加傳輸距離達2km。Canobeam III：數據率達到622Mb/s，有不同的網絡接口，如ATM, FDDI, Fast Ethernet，并可選擇SNMP 的TCP/IP。
4 國內研究現狀
就國內FSO的發展來說，還基本在起步階段。有幾家研究所與公司由于跟蹤這項技術比較早，所以現在在實驗室作出了自己的樣機，但是還沒有一家公司規模性的來生產FSO設備。當然這也有FSO設備由于本身的可靠性,在國內暫時不被運營商看好的因素。這幾家樣機比較成熟的單位有：桂林三十四所，清華同方有限公司，中科院成都光電技術研究所，深圳飛通有限公司，上海光機所等。
桂林三十四所主要進行軍品的研究，就現在推出的大氣激光通信機樣機也是在軍品的基礎上進行民用化改造完成的。三十四所早在1997年4月曾派員到俄羅斯，就激光大氣通信技術及應用情況進行了實地考察。它的樣機在2001年2月由主管部門進行設計定型，現在已經有部分投入試用。它的產品的主要性能參數有以下一些，傳輸速率:8Mb/s，34Mb/s，155Mb/s；工作波長：850nm；通信距離:1～4Km；光發射功率：小于40mW，在繼清華同方在2002年9月推出了面向未來的無線光鏈路的自由空間通信產品OWLink E100。OWLink E100提供了可以無縫集成到已有以太網的10/100M以太網接口，其獨特的快速追蹤技術提供了網絡的高鏈接余度，同時還遵循了嚴格的一級激光眼睛安全標準。并且該產品的自動校準技術和簡潔的設計使得安裝非常簡單，用戶可以通過SNMP/HTTP協議和友好的圖形界面監控OWLink E100設備。針對由于自然原因導致的樓層擾動，清華同方獲得專利的快速追蹤系統具有自動校準功能，能減少安裝時間和費用，同時提供了在地震等異常情況時的恢復速度，時刻保持點對點之間的高可靠性連接。
中科院成都光電技術研究所引進國外公司先進的激光器及其附屬電路，利用自己在光學器件上的優勢，開發出了工作波長為850nm，可以傳輸1公里、4公里兩種距離的兩款產品。產品主要性能參數是，速率：10Mb/s；工作波長：850nm；通信距離：1～4Km；光發射功率：3～30mW。
上海光機所承擔的“無線激光通信系統”項目在2003年1月13日通過了驗收。該系統具有雙向高速傳輸和自動跟蹤功能。其傳輸速率可以達到622Mb/s，通信距離可以達到2Km，自動跟蹤系統的跟蹤精度為0.1mrad，響應時間為0.2s。自動跟蹤系統采用雙波長同光路接收鏡筒和高靈敏度位敏探測器，實現靈敏的伺服跟蹤，并簡化通信系統的機械結構，降低成本術上具有自己的特色和創新，已申請一項專利。
深圳飛通有限公司利用自身強大的光電器件的優勢，開發出了光收發模塊加上EDFA系統方式的樣機，其速率有155Mb/s，622Mb/s,以及1.25Gb/s幾種，通信距離最遠可達4KM。
5 FSO的成功應用范例
到目前為止，FSO已被多家電信運營商應用于商業服務網絡，比較典型的有Terabeam、Airfiber和Canon公司的產品。在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現了利用FSO設備向客戶提供100Mb/s的數據連接。該公司還計劃4年內在全美建設100個FSO城市網絡。而Airfiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網與光纖網(SONET)通過光節點連接在一起，完成了該地區整個光網絡的建設。2003年5月, 佳能美國公司宣布他們的多套自由空間光通信FSO系統成功應用到美國紐約州地方法院系統，并在911恐怖襲擊之后的重建工作中發揮了出色作用。
在國內，2003年3月17日上海鐵通宣布已經采購至少50套無線光通信設備廠商Terabeam的FSO系統。上海鐵通最初的系統安裝將從陸家嘴金融區開始，FSO系統將服務陸家嘴的企業網以及為吉通，網通，聯通等提供網絡租借服務。上海鐵通表示采用Terabeam的設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。2003年7月15日Terabeam公司在上海宣布中國長城寬帶公司將選擇他們的設備建設15個城市的寬帶網絡。長城寬帶表示他們將在未來2年選用Terabeam250套設備。目前Terabeam的設備已經在上海和重慶作為跨江的通信設備投入應用。
6 FSO研究的幾個方向及發展趨勢
FSO技術原理比較簡單，關鍵的問題是如何提高傳輸的可靠性，使其盡量達到電信運營商的要求。所以現在的研究方向是大多是提高可靠性，然后提高傳輸距離與速率。大致有以下一些方面。
（1）大氣信道的研究
主要研究大氣信道的空間損耗，不同氣象條件下的傳輸衰減，大氣閃爍，空氣散射，背景噪聲等。其主要目的是準確掌握某地的氣候等通信條件，同時找到氣象條件影響通信質量的規律，為通信的實現提供參考數據。
（2）傳輸可靠性的研究
這個方面的研究工作主要是在某地區一定通信條件下，采取必要的發射接收技術來正確進行數據的傳輸。現在幾個大的FSO生產廠家都有自己的一些自己的專利技術來解決這個問題。據統計，MRV公司現在擁有最多的FSO專利，達16項之多。現在電路部分的做法一般是采取大功率連續單縱模激光器加高靈敏度Si 光電二極管來克服大氣信道帶來的衰減，減少誤碼。
還有一些公司，比如LightPointe公司，采用多光束（四個）發射技術，既可以克服氣穴的影響，同時可以克服小鳥等引起的光路的突然割斷。還有比較重要的一種技術就是跟蹤技術，這方面cannon公司是代表。它一般采用CCD利用光強度或者波形來自動定位、調整發射端的位置。同時有的公司也提出了采用微波-FSO互為備份的概念，不過價格過于昂貴。
（3）傳輸速率的提高
FSO相對于其他接入設備最大的優勢之一就是帶寬。現在FSO產品的速率從2M開始，形成多個系列，比較典型的有10Mb/s，100Mb/s,155Mb/s,622 Mb/s。有的公司采用波分復用（WDM）技術，速率可以達到2.5Gb/s，10Gb/s。
（4）FSO設備網絡拓撲的研究
FSO網可以有三種拓撲，即點到點、點到多點（星型）和網狀網，也可以把他們組合起來使用。目前已使用的系統多采用點到點結構，其原因是大多數系統只是用來連接企業內部的各幢大樓，作為高帶寬的專線連接。網狀結構的優點是可以把業務集中到一點再接入核心網，效率較高、比較經濟。但缺點是能提供的帶寬較少，可靠性差。網狀結構的優點是通過多個網絡節點可以提供幾乎實時的迂回選路，使服務得到保護。
從以上看來，現在FSO的發展方向是：首先提高系統的可靠性，然后在此基礎上增加系統的傳輸速率，傳輸距離，從而找尋FSO更多的使用領域；同時研究FSO的網絡拓撲結構，以使得FSO設備發揮最大得潛能。
7 結束語
自由空間光通信技術自身的特點決定了在一定的環境下，它可以的最大發揮自身優勢，比如不便鋪設光纖的地方和不適宜使用微波的地方。同時在最后一公里接入等領域也有著相當的競爭優勢。自由空間光通信的任務不是取代已經發展成熟的光纖通信和微波通信，而是發揮自己特色，成為整個通信網絡中的一個環節，與其他通信方式互相補充、互相配合，發揮重要作用。在未來幾年里，它將作為一個主要的手段進入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業。據預測，一兩年內，FSO市場會形成一定規模，到2005年可達到20億美元。我們相信FSO在未來的通信領域中必將占據重要位置。
