自由空間光學器件的使用范疇研究

1、自由空間光學器件的使用范疇研究    Molex公司使用高帶寬中繼線把商用大樓和住宅樓、大學園區(qū)及市政大樓連接起來至關(guān)重要，同時也極具挑戰(zhàn)性。目前有多種連接選項，包括安裝光纖電纜、租用黑光纖或使用服務提供商用戶業(yè)務、安裝橋接式無線系統(tǒng)。高速公路、街道、停車場、水路、鐵軌、密密麻麻的管道和導線管通常會形成許多障礙，使得在大樓之間實現(xiàn)物理有線連接的成本高不可攀。高帶寬租賃業(yè)務盡管可靠性高、實現(xiàn)簡便，但其成本也非常高。由于實現(xiàn)簡便，可靠性接近有Molex公司使用高帶寬中繼線把商用大樓和住宅樓、大學園區(qū)及市政大樓連接起來至關(guān)重要，同時也極具挑戰(zhàn)性。目前有多種連接

2、選項，包括安裝光纖電纜、租用黑光纖或使用服務提供商用戶業(yè)務、安裝橋接式無線系統(tǒng)。高速公路、街道、停車場、水路、鐵軌、密密麻麻的管道和導線管通常會形成許多障礙，使得在大樓之間實現(xiàn)物理有線連接的成本高不可攀。高帶寬租賃業(yè)務盡管可靠性高、實現(xiàn)簡便，但其成本也非常高。由于實現(xiàn)簡便，可靠性接近有線網(wǎng)絡，橋接式無線技術(shù)已經(jīng)得到廣泛接受。必須指出的是，并沒有一種適合所有方案的最佳技術(shù)，每種連接方案都有各自的優(yōu)勢。本文將重點介紹自由空間光學器件 (FSO)，這是一種雙向點到點光束無線技術(shù)，為真正的寬帶園區(qū)連接提供了極具吸引力的、強健、經(jīng)濟的高帶寬方案。本文還在各種應用和環(huán)境中比較了光學無線系統(tǒng)與知名的基于RF

3、的無線系統(tǒng)。什么是自由空間光學器件?FSO采用視線激光器生成的光束，通過空氣從一臺設(shè)備向另一臺設(shè)備傳送寬帶數(shù)據(jù)、語音和視頻。這種技術(shù)可以視為通過光纖電纜實現(xiàn)的光學有線傳輸?shù)耐裙鈱W無線技術(shù)。FSO設(shè)備通過TIA/EIA標準銅纜或光纖結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡上，可以通過IP業(yè)務傳送的任何應用，包括語音、數(shù)據(jù)、視頻和安全應用，都可以通過FSO傳送。FSO系統(tǒng)采用兩種不同的波長傳輸窗口提供：780-850 nm和1520-1600 nm。780850 nm系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性高，適合大多數(shù)應用，包括1 Gb/s以太網(wǎng)，1520-1600 nm系統(tǒng)則能夠以更高的功率傳送信號，從而在晴朗的天氣中傳送更遠的

4、距離。業(yè)內(nèi)已經(jīng)發(fā)表了大量的文章，比較了780-850 nm FSO系統(tǒng)與1520-1600 nm系統(tǒng)在不同天氣條件下的性能，特別是在下霧時。如果設(shè)備之間的距離小于500米(典型的園區(qū)鏈路)，那么不管霧有多大，這兩種技術(shù)之間的性能都沒有太大的差異。如果考慮到成本影響，那么采用1520 1600 nm波長的系統(tǒng)成本要比780-850 nm系統(tǒng)高出10倍。評估無線系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)在評估任何無線系統(tǒng)時，必須考察帶寬能力、傳輸吞吐量、可靠性、安全功能和實現(xiàn)成本。通過綜合考慮這些因素，有助于確定哪類系統(tǒng)為用戶環(huán)境提供最好的性能和價值。帶寬能力和傳輸吞吐量為園區(qū)應用提供的常用FSO產(chǎn)品的帶寬范圍從10 Mb/s

5、系統(tǒng)直到1.25 Gb/s系統(tǒng)。對園區(qū)應用，F(xiàn)SO在高速網(wǎng)絡中具有帶寬優(yōu)勢。在大多數(shù)FSO系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)吞吐量受到其支持的實際網(wǎng)絡的性能限制。FSO吞吐量不象RF系統(tǒng)那取決于傳輸頻率，而是取決于發(fā)送和接收傳送的光學信號的能力。只要保持足夠的波束強度，F(xiàn)SO系統(tǒng)中的傳輸數(shù)據(jù)吞吐量會保持不變。再與光纖比較一下。如果光纖鏈路中的衰減太高，那么光纖將不能實現(xiàn)有效傳輸。接收的數(shù)據(jù)在光纖網(wǎng)絡中不會由于信號衰減而衰落，它要么不傳輸數(shù)據(jù)，要么整個傳輸都是誤碼。相比之下，在RF系統(tǒng)中，在信號強度被衰減時，系統(tǒng)將切換到較低的數(shù)據(jù)速率，以保持鏈路。在晴朗的天氣中以24Mb/s吞吐量運行的RF鏈路，在暴風雨中性能可能會

6、下降到18 Mb/s、12Mb/s、6 Mb/s?？煽啃詿o線系統(tǒng)會由于天氣、環(huán)境因素和障礙物而發(fā)生中斷或性能下降。FSO系統(tǒng)對雨天的容忍度要高于RF系統(tǒng)，它固有偵聽更加困難的特點，可以內(nèi)置追蹤系統(tǒng)，能夠容忍樓體運動。天氣的影響在傳送光時，天氣條件可能會導致光發(fā)生散射，使兩臺設(shè)備之間傳送的激光數(shù)量發(fā)生衰減，導致信號丟失，在最壞的情況下會導致傳輸錯誤。霧是影響最大的天氣條件。由于霧是一種可變的天氣條件，因此系統(tǒng)性能松散地取決于能見度。紅外線光線在霧天中傳送的距離約是能見距離的兩倍。因此，如果能夠在壞天氣條件下看到對面一半的距離，那么FSO系統(tǒng)仍能保持鏈路。下雨、下雪、污染物質(zhì)也會影響信號衰減，但一

7、般來說，在園區(qū)距離的限制范圍內(nèi)，其對性能的影響要遠遠小于霧。處理天氣條件的有效措施是采用對焦的波束，并輔以自動對準功能，以適當?shù)販p少對傳送信號的影響。波束對準和障礙物的影響保持波束對準是FSO系統(tǒng)性能的一個重要因素。即使安裝正確，F(xiàn)SO接收機仍會受到安裝在的建筑的運動影響。運動可能是由明顯的因素引起的，如大風，也可能是由于比較細微的條件引起的，如溫度變化。可以使用兩種基本方法，考慮對準變化：具有自動追蹤功能的窄對焦波束，或沒有追蹤功能的寬波束。具有自動追蹤功能的系統(tǒng)能夠在引起傳輸中斷前補償運動。在確定自動追蹤需求時，距離和傳輸速度是主要考慮因素。短的(小于200米)、環(huán)境穩(wěn)定的10 Mb/s鏈

8、路的脆弱性要低于安裝在40層大樓頂部的500米1.25 Gb/s鏈路。寬波束有效地擴大了目標接收區(qū)域。其缺點是，波束越寬，越容易發(fā)生衰減，因此越容易受到天氣影響。視線障礙可能會使性能下降，但經(jīng)過正確培訓的安裝人員會考慮當前和未來的永久障礙，使傳輸中斷的可能性達到最小。臨時障礙，如小鳥，一般不會導致傳輸中斷。如果小鳥飛過激光路徑，收到的光線數(shù)量會下降，但仍足以傳輸數(shù)據(jù)。如果大的物理障礙完全擋住波束，那么數(shù)據(jù)會臨時中斷。如果網(wǎng)絡使用TCP/IP協(xié)議，那么通過重傳輸數(shù)據(jù)，可以解決問題。安全性安全是所有無線系統(tǒng)都特別關(guān)注的問題。由于RF系統(tǒng)在所有方向發(fā)射信號，所以很容易被偵聽。因此，其通常會采用編碼和

9、硬件措施，改善RF網(wǎng)絡的安全性能。FSO則采用單一的定向光束，因此偵聽起來非常困難。如果想捕獲通過FSO傳送的數(shù)據(jù)廣播，那么必需攔截或中斷檢測不到的光束。由于FSO系統(tǒng)一般安裝在屋頂或高樓窗戶上，因此入侵者必須克服這一物理障礙，才能在不中斷傳輸?shù)那闆r下捕捉光束。此外，許多制造商采用小型設(shè)計，看上去與安全攝像機非常類似，對潛在的入侵者會起到威懾作用。經(jīng)濟性FSO在相應的距離內(nèi)提供了經(jīng)濟的選擇。事實上，對同一應用，F(xiàn)SO系統(tǒng)的成本可能要比敷設(shè)傳統(tǒng)光纖電纜低達80%，而且在幾天內(nèi)即可投入運行。挖電纜溝不僅成本高，而且可能會導致其它問題，如交通擁堵，破壞自然環(huán)境和歷史文物。由于這些問題，許多美國城市正

10、在考慮推遲挖電纜溝的施工。與電話公司的租賃線路相比，F(xiàn)SO鏈路成本低，是一項吸引力更高的商業(yè)資產(chǎn)。與有線和租賃線路方案相比，F(xiàn)SO系統(tǒng)是實實在在的設(shè)備，可以根據(jù)用戶要求進行部署和再部署。評估各個要素：FSO與RF比較鑒于FSO在各個要素方面的上述功能，我們有必要針對每個應用，把它與基于RF的無線系統(tǒng)作一下比較。表1評估了每個系統(tǒng)的優(yōu)勢。表1要素 自由空間光學器件 RF 無線系統(tǒng)帶寬 10 Mb/s 1.25 Gb/s 11Mb/s 100Mb/s傳輸吞吐量 取決于網(wǎng)絡 取決于頻率高衰減=性能惡化天氣 在雨天中比較好 

11、;在霧天中比較好障礙物 可以容忍小的障礙物 容忍安全性 信號偵聽困難 信號偵聽容易成本 (美元) 15,000 35,000 1,000 50,000+FSO實施案例需要在大樓之間迅速部署可靠、經(jīng)濟、安全的寬帶鏈路的許多不同機構(gòu)和公司都已經(jīng)采用了FSO。兩個最新實例說明了FSO無線網(wǎng)絡技術(shù)在涉及歷史性建筑的應用中的獨特優(yōu)勢。在其中一項應用中，一家最近修葺的著名文物保護風景區(qū)需要建立千兆位以太網(wǎng)連接，以擴展以太網(wǎng)，顯然不能挖開人行道來施工。在鏈路安裝后不久，該地區(qū)遭受大暴雨襲擊，在不到兩個小時內(nèi)，降雨量接近6英寸。盡管面臨這么嚴峻的條件

12、，F(xiàn)SO系統(tǒng)仍持續(xù)運行，沒有任何中斷，在大樓之間提供了可靠的鏈路。在另一項應用中，由于缺少硬線纜把攝像機連接到安全網(wǎng)絡上，而不能實施部署監(jiān)控攝像機的安全計劃。障礙是一處受保護的歷史名勝。這家機構(gòu)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，高度安全的FSO鏈路可以有效滿足他們的應用。各種物理障礙的影響，如高速公路、鐵路、甚至工業(yè)園區(qū)的其它建筑物，都是實現(xiàn)無線系統(tǒng)的主要推動因素。一家高科技制造商需要在4條車道高速公路隔開的大樓之間建立寬帶鏈路，他們最終選擇了FSO系統(tǒng)。但是，F(xiàn)SO并不只是適用于高科技公司。由于混凝土、其它構(gòu)件和工廠周圍非常熱鬧的RF環(huán)境，促使一家紙品包裝公司采用了FSO。如前所述，F(xiàn)SO采用視線技術(shù)，幾乎不可能

13、偵聽或竊聽其傳送的數(shù)據(jù)。一家大型金融機構(gòu)最近發(fā)現(xiàn)其硬連線系統(tǒng)被切斷，而采用了FSO鏈路實現(xiàn)災難恢復，而上述原因是其關(guān)鍵考慮因素。現(xiàn)在，這家機構(gòu)正在擴大FSO的使用范圍，作為一級備份系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余。風險管理對大型醫(yī)院和醫(yī)療中心至關(guān)重要，他們必須遵守聯(lián)邦法律，對患者記錄保密。正因如此，一家大型醫(yī)療機構(gòu)安裝了FSO，在醫(yī)療中心與租賃的相距大約1/4英里的寫字樓之間建立了一條安全的網(wǎng)絡鏈路。除安全外，這條鏈路的建設(shè)周期要快，而且要跨過附近的一條公路。FSO滿足所有這些需求，其高帶寬能力可以輕松地在大樓之間傳送大型醫(yī)療影像文件。必需認識到，并沒有一種適用于所有情況的最佳技術(shù)，每種連接選項都有各自的優(yōu)

14、勢。在網(wǎng)絡設(shè)計人員考慮本地區(qū)常見的天氣問題影響、無線鏈路距離、用戶帶寬要求及潛在補充備份系統(tǒng)時，異常高效的FSO無線網(wǎng)絡是一個很好的選擇。能夠迅速部署無需牌照、安全、高帶寬、獨立于協(xié)議的無線系統(tǒng)，使得FSO正被主要市場所接受。MOLEXCANOBEAM 自由空間光學器件系統(tǒng)Molex目前提供佳能設(shè)計的Canobeam自由空間光學器件(FSO)點到點無線系統(tǒng)，具有實時波束自動追蹤功能。Molex與佳能獨家OEM合作，作為結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)的自然延伸，提供自由空間光學器件。Canobeam能夠橋接最遠2公里(1.24英里)的距離，支持從25 Mb/s (兆位/秒)到1.25 Gb/s (千兆位/秒)的

15、范圍廣泛的數(shù)據(jù)速率。佳能Canobeam系列FSO傳輸系統(tǒng)為最后一英里寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接提供了領(lǐng)先的選擇。頂級Canobeam型號MFSO-130提供了1.25 Gb/s數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)能力，支持100 m - 1,000 m (約2/3英里)的距離。Canobeam中的其它型號MFSO-100系列包括MFSO-110，提供了25 Mb/s - 156 Mb/s的范圍廣泛的數(shù)據(jù)速率，支持20 m - 500 m的距離。Canobeam MFSO-120提供的數(shù)據(jù)速率與MFSO-110相同，但支持100 m - 2 km的距離。Canobeam還擁有自動追蹤功能，MFSO-100系列三種型號上

16、都標配自動追蹤功能。這種功能自動調(diào)節(jié)FSO光束，“即時”補償大風、溫度變化、大樓內(nèi)的HVAC系統(tǒng)或其它因素導致的振動。通過內(nèi)置自動追蹤功能，Canobeam的光束軸連續(xù)自行校正，在Canobeam系統(tǒng)雙向發(fā)送站和接收站之間保持精確、連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。佳能是唯一以當前價位標配自動追蹤功能的制造商，與沒有標配追蹤功能的系統(tǒng)相比，其價格極具競爭力。如果要求2公里以上的寬帶連接，或者如果沒有清楚的視線，那么可以成對安裝Canobeam設(shè)備，以中繼信號。Canobeam MFSO-130的3R功能(再整形、再定時和再生)可以在不損失強度或質(zhì)量的情況下中繼數(shù)據(jù)信號。Canobeam MFSO-100系列數(shù)據(jù)收發(fā)機可以安裝在室內(nèi)，實現(xiàn)窗戶到窗戶或窗戶到