互动科普

短程红外激光能够直接接入家庭或办公室，提供宽带多媒体服务

撰文／Anthony Acampora

一个城市的供水系统，如果管道不够长，不能将水送到办公大楼和和住宅中，想像会是什么情景?美国信息高速公路网存在的就是与此非常类似的问题。为了给全美的家用和商用计算机提供真正高性能的多媒体服务，已经花费数十亿美元建设了光纤骨干网，但就是功亏一篑——规模大于100人的美国公司，有90％的网络线路都欠缺最后一公里的接入网线。

尽管用户的要求日益高涨，但诸多网络服务，如无延迟网页浏览与数据库访问、电子商务、流音频与流视频、视频点播，可视电话、实时医疗图像传送、企业网络工作与岗位分配能力和很多B2B交易，仍然像看不见的地平线一可实际上，光纤就埋在当地的街道下面。

用于将建筑物与电话和缆线可视系统连接起来的传统铜导线和同轴电缆，不能处理每秒十亿字节的容量需求，所以不能传送高级宽带服务和应用。然而，如果使用光纤网桥，将数以百万的使用者和光纤主干网连接，则费用太高(每公里6万-30万美元)。因此，至今美国全国性网络的利用率只有2-5％。

虽然各种各样的非光纤数字传送技术，包括微波、数字专线和电缆调制解调器，都试图跨越这道宽带连接的缺1：1，但是，专家们普遍看好的是一项不用光纤的光学通讯技术——自由空间光(FSO)。FSO技术发明于20世纪70年代，近几年又开始热门起来。它基于低能耗红外激光无线电收发器，能够以每秒十亿字节的速度实现双向传送。几家经销商已经在世界各地安装了一些小型的FSO系统(见47页的列表)。

低能耗红外激光可以工作在任何电磁频率带，还能够在视力保护模式下运行。遗憾的是，激光的能量有限，限制了它的传输范围。根据天气情况的不同，FSO充其量能够连接从几个街区到一公里多的范围，尽管这一距离足以使许多终端用户实现与主干网的宽带信息交流。因为坏天气(主要是大雾)会严重干扰这些视距装置的传输，所以在网络规划中，每一个光传播节点或连接器都要与附近的几个节点建立连接。这种“网络拓扑”能够确保大量的数据通过中继方式可靠地从信息中心传输到整个城镇或地区。

较经济的FSO设备较之数字专线或同轴电缆，能够提供高得多的数据传输率——从每秒10M到1．25G，足以满足最高的宽带服务和应用要求。而且，目前市场上最新的激光二极管的开关速度，能够以更高的速率传送数据(每秒9. 6G)。虽然这种器件还没有用于FSO，但它能产生快至100皮秒(百亿分之一秒)的光脉冲。

与传统的地下光纤安装系统相比，自由空间光学系统的造价只有它的1／3至1／10。而且，光缆的埋设无论如何都要花6到12个月的时间，而FSO的连线只要几天就可以完成并运行起来。因此，现在有十几家公司争相开发FSO技术，就不足为奇了。根据华盛顿市的一家电信研究公司Strategis Group所做的调查，如果事情的发展如FSO的支持者所料，FSO的行业产值将从2000年的近1. 2亿美元增长至2006年的20亿美元以上。

为最后一公里牵线架桥

FSO使用的仪器和技术，是原本为光缆系统创造的，正是光缆系统的一种补充手段。数字信息以电信号的形式(组成二进制计算机代码的0和1)发送，通过架设于屋顶或窗台的红外激光二极管转换器，把每个逻辑“1”信号转换成光能窄脉冲。系统运行时，光脉冲的空缺代表逻辑0。将数据调制为数字光信号的过程称为信号开关化或键控。数据打包就是将数据流拆分成独立的单元，每个单元都附上地址独自传送，这样可以提高传送效率。另外，FSO支持频分多路复用(WDM)，这是一种允许一个光通道同时承担几十个独立信号频道的技术，只要每一路信号都被编码为稍许不同的波长就可以了。

光脉冲是由850纳米或1550纳米大小的激光二极管发出的，经过透镜组得到平行光，就像手电筒发出的光一样。尽管经过透镜组聚焦，光线的能量仍会随距离而散失。当部分光线到达安装在屋顶或窗台上的接收器的透镜入口时，就会聚焦于光接收器上，由光接收器将光脉冲转换为微弱的电信号。接着，一个敏感的电子接收器放大并再生这些微弱信号，完成数据传输链接(见下页上图)。

虽然被传输的红外光束很窄，但仍是发散的，到达接收头时，形成了一个有相当宽度的光锥。光的发散程度取决于传输透镜的尺寸，与透镜的直径成反比。结果，实际到达接收透镜的光能随距离迅速减少(与距离的平方成反比)。在给定了数据传输速率、发射光功率、光接收器的灵敏度以及接收端透镜尺寸之后，这种光发散影响了光传输的覆盖范围。

为增加传输距离，必须使用大直径的发射透镜，以减少光线发散，使更多的光能到达接收透镜。但由于光束变窄，建筑物的摇晃和建筑材料的热胀冷缩都会引起目标的轻微变化，因此，有必要在两端引入自动跟踪性能。这种要求增加了系统的复杂性和成本。现行跟踪系统使用可移动机械平台或接合镜，在接收镜处瞄准入射光束，或保证接收端口对准发射器。这类反馈控制所提供的常规调节，保证了发射器和接收器的正常工作。

雾是FSO的大敌

FSO的雾敏感性拖了商业化推广的后腿。有结论表明，雾在很大程度上制约了FSO连接的覆盖范围(雨雪的影响要小很多)，它会造成严重的光能损失。光衰减因子随距离成指数变化，比如，在稍微浓一些的雾中，光信号每传输50米就会损失900／0的能量，每100米就损失99％，每150米就是99. 9％。因此，实际的FSO设计必须考虑专门的“连接冗余”，必要时由冗余的光能来克服大雾的影响。

对于给定的连接冗余，谈论“连通率”这个概念是有意义的，它是指剔除由雾或其他具体因素引起的连接中断后的运行时间占总时间的比率。对连通率的要求随不同的应用而不同。当FSO技术被用于私人或企业网络(如连接同一家公司分设在不同大楼里的两间办公室)时，99．9％的连通率应该是可以接受的，也就是说，一年中只有大约9个小时的故障时间。

相反，向运营者的基本商业用户提供的公共类服务，则要求达到99．999％的连通率(电讯业称之为五9标准)，也就是说，一年中只允许有5分钟的故障时间。光纤系统通常可以达到五9服务标准。由于蜂窝回程要求的连通率约为99. 99％，居于上述两者之间，所以，这是FSO的一项具有显著价值的潜在应用。蜂窝回程是将移动通讯基站和接入公共电话网的移动电话连接起来的的通讯系统。

要达到这样的高性能是对FSO的一项挑战。雾越大，传输衰减越严重，连通率越低，连通覆盖范围也越小。在很少出现浓雾的地区，具有良好的连通率，最大可以实现接近l公里范围内的传输。在气候较差的地方，传输距离就小得多了。

为了解决传输距离与可靠性的矛盾，FSO系统可以设计成有限连接长度，作为光互联网络拓扑的一部分。对许多离主干网较远的建筑物，用一个FSO系统够不着，可以采用蛛网式结构实现宽带服务的扩展。在蛛状网络中，离光纤终端最近的建筑安装有FSO“根”节点，它直接与光纤相连，并配有若干个光收发器。其他接受服务的建筑物也是FSO的节点，装有多用收发器。在互联的蛛网式结构中，这些收发器可以与相邻的节点进行通讯。

送往某一特定建筑物的信号，由根节点出发，沿着一条特定的网络连接，沿途接受中继节点提供的再生转发服务。相似的，从给定建筑物发出的信号，沿着另一路由送往根节点。由于每条光连接的长度都很短，大大避免了雾的影响。万一某一条线路连接失败，通过冗余路由信号会被引导到另一条通路重新发送，实现了设备失败后的迅速恢复。最后，一个子网可以和几个根节点相连，由此为被服务小区提供了更大的总容量。

除了要求几个光收发器以外，网络中的每个再生器／中继器必须包括一个电子开关，用以连接本地建筑与邻近其他建筑的信号通路(多路技术)，以及根节点和各被服务建筑之间的路由信号。此外，必要的多路技术、信号分离技术和交换功能意味着，来自各式各样的用户计算机和通讯设备的信号必须转换成一个共同的格式。这种信号格式的转换是由一个称做网络终端单元的器件完成的。虽然数据是沿各个路径通过许多节点传输的，但是，在用户看来，每个信号就像是通过自己的专用信道传输到光线主干网的。因此，光纤类宽带可以覆盖很广的区域，新节点的安装较便捷，建筑物容易“入网”。

对于从每个建筑物来的每个信号，网络管理软件从途经的根节点所在的网络中选择通路。因为该软件能检测节点的失败，所以受影响的信号可以立即直接绕过问题节点。通过预留光纤连接中的未分配容量，网络设计者可以保证有足够的容量来重新路由或修复可能发生的单路或多路连接的失败。

在解决最后一公里瓶颈的问题上，与FSO技术竞争的是点对点微波通讯，它是一项对雾衰减有免疫力的技术。它的劣势在于，绝大多数微波波段的运营需要许可证，而且绝大多数波段的可用光谱也有限，这意味着容量的局限性。微波通讯比FSO系统成本高得多，而且对传输干扰比较敏感。此外，微波通讯在大雨中有明显衰减，尤其是对于有更多可用光谱的高频波段。

工作在60G赫兹的微波通讯可以作为FS0通讯的补充。美国联邦通讯委员会已经为高速应用发放了一些无需许可证的60G赫兹频谱。发放更多60GHz频谱意味着提供更大的容量和可能使用更低通讯效率的调制方法(相应地，成本也更低)，比如简单的开关信号调制。因为暴雨(可能导致微波通讯失败)和浓雾(可能导致FSO通讯失败)不会同时出现，所以，将60GHz微波和FSO结合起来，就可能大大提高网络的可靠性。两种技术的结合还意味着，最终系统会高度可靠地传输远得多的距离。

要想证明自身的价值，FSO技术还有一段路要走。但是，为了跨越最后一公里，给大家带来期待已久的宽带革命，它依然不失为一个最好的赌注。

[崔琳琳／译曾少立／校]

图1 看不见的激光链接网络不久将会把宽带革命引入遍及全美的