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10G FSO:适应未来的技术
作者: 发布时间:2009-11-13 06:33:40 来源:《光波通信》2009年10/11月

最近的技术进步使得无线自由空间光通信(FSO)系统与现有的有线网络保持了同样的步伐。因此,随着企业网络带宽需求的增长,FSO系统成为了一个很好的选择。

Isaac Kim,MRV Communications公司

在2008年,业界首个10Gbps自由空间光通信(FSO)系统的亮相成为了该技术的分水岭,使其成为可商用的最高速无线技术。10Gbps的无线速度,只能通过光学方式来实现,并且10Gbps的速率也正是FSO比射频无线技术领先之所在。

10Gbps技术的发展让我们看到了一种长寿无线技术的曙光,它在需要高性能数据通信的园区内或者大楼之间扮演了独特而又至关重要的作用,这些地方可能因为成本、维护或环境方面的原­因无法铺设光纤。

企业局域网的主干速度需求一直是FSO速度提升的主要动力。1995年,10Mpbs的FSO被开发出来以适应10Mbps以太网交换机的需求。当企业的骨干交换机速度提升到100Mbps和1Gbps时,100Mbps和1Gbps的FOS系统也被开发出来,以满足这些交换机之间无线连接的需求。

目前,10Gbps骨干以太网交换机变得越来越普及,那么在企业内部的这些交换机之间也将有一个10Gbps连接的需求。大多数人认为大楼之间10Gbps速率的连接,光纤是唯一的选择,以至于他们听到还有无线这种方式时都十分惊讶。大多数的10G网络都部署在园区或者高层建筑中,但越来越多的运营商正在把10Gbps光纤城域以太网连接到那些对带宽有强烈需求的客户端,比如冗余数据中心、医疗影像或者高清电视编辑。在某些情况下,这最后一英里的10Gbps连接也可以由新型的10Gbps FSO系统来实现。

10G FSO的应用QXz光波通信
此处有个例子说明了带宽需求的增长如何推动了10Gbps FSO系统的部署。几年前,一个电视广播公司在远处的一幢大厦上集中地安装了许多标准清晰度(SD)的视频摄像机,用来监视交通以及天气实况。但是当新闻广播升级到高清晰度(HD)时,这些标清摄像机的低分辨率马上就显现出不足来了。

该公司想要把这套摄像系统升级到高清级别,但却因为没有部署光纤到这幢大厦而无法传输这些动态的高清数据,而高清电视的开始数据带宽远远超过了当时所能达到的无线传输带宽。用一套1Gbps的FSO系统仅能传送一个高清摄像头的数据。

这还不是一套1Gbps FSO系统的标准应用,因为一路高清电视的开始数据需要1.5Gbps的带宽。一套1Gbps FSO系统实际上是工作在1.25Gbps,通过对接收器电路的修改,提高了它的接收带宽,再配合上良好的天气和距离的富余才达到了1.5Gbps的带宽。此外,高清电视在光纤中传输要克服非常规信号模式(长串的0或1编码,不能产生光信号的跳变)的挑战,它限制了未压缩的高清电视信号向特殊Í­缆的传输。采用了基于EG-34 SDI数据传输标准的特殊编码算法的DV SFP使得高清晰度电视信号在光缆和FSO上的传输更加稳定。

单个高清天气摄像头的成功应用促使该广播公司想要升级屋顶的另外五个类似的摄像头,这将导致对带宽的需求达到9Gbps。只有现在有了10Gbps的FSO技术,该广播公司的愿望才能实现。明确对这一宽带技术感兴趣的组织还有需要编辑开始高清电视的电影制片厂、需要传输大文件数字影像的医院以及在办公园区和高楼大厦中安装越来越多10Gbps网络的电信服务提供商。

降低组件成本QXz光波通信
为了让10Gbps FSO系统更好的实际应用,在组件生产和某些重要的光学设计上都有了很多改进,组件要降低成本以提高成本效益,光学设计要适应高带宽远距离的传输以符合系统的实际应用。目前,一个全速率的10Gbps数据流可以在天气良好的条件下传送高达300米的距离。同样的条件下,千兆以太网的FSO可以传送1500米而100-Mbps速率时可以传送5000米。FSO在10Gbps的发展最有可能重复它之前1Gbps的技术路线,1Gbps技术在最初也是只能传输几百米的距离。

10Gbps FSO系统的成本是和10Gbps光纤以太网技术相关的,并且随着这些系统组件成本的降低而降低。行业分析公司Heavy Reading的报告说,2008年10Gbps以太网端口的出货量超过了200万个,预计这一市场将保持高速增长至2011年。增长的动力之一是组件成本的降低,比如SFP+和XFP等光模块,这些模块同样可以使用在10Gbps的FSO系统中。

由于成本的下降更有利于10Gbps FSO系统的实际应用,工程师们需要重新评估发射器和接收器的技术,以适应带宽增长的需求。

为了提高发射功率,传输波长从850nm变为了1550nm。这使得系统可以传输开来100倍的光功率,同时又保证对眼睛的安全。1550nm波长的使用也使系统设计人员可以用C波段的EDFA来提高传输信号的强度,它可以增加9dB的光学链路预算。

在接收端,难题是如何把自由空间的光束聚焦到一个更小的探测器上。在低带宽系统中可以使用硅基探测器,但其有限的带隙精度使得硅探测器无法使用在900nm以上的范围。与硅探测器相比,砷化铟镓(InGaAs)有更好的电子速率和更精确的带隙,十分适用于1550nm的光传输。

但是随着砷化铟镓探测器灵敏度的增加,它的尺寸缩小了,这就需要激光器能更精确的聚焦。例如,在检测1Gbps速率时探测器的直径为50微米,而在检测10Gbps速率时同样的探测器直径为9微米。

首个10Gbps系统使用的是光纤耦合接收器技术,类似于早期的无源光子空气链路(PAL)FSO系统。事实上,最初的1Gbps FSO系统也是使用这种光纤耦合技术。光纤耦合技术使得大部分的光都能进入到FSO系统,改善了整体的链路预算。

在以前的PAL FSO系统中,电子封装部分与光学部分是分开的,所以可以安装在室内的网络机房里。这样就只需要安装一个无源光学探头在屋顶上,节约了安装成本,因为屋顶上不需要安装电源。对于10Gbps FSO系统,电子封装部分重新回到了楼顶,以缩短耦合光纤的长度,这可以增加链路预算。

为了达到10Gbps的速率,必须对激光器驱动电路和接收器前置放大电路进行修改。幸运的是,这些修改并不困难,因为之前发展10Gbps光纤系统时工程师就已经­涉及过这方面的内容。

使用10Gbps的XFP光学接口提供了灵活的输出,同时简化了开发和降低了成本。

10G FSO的未来QXz光波通信
就像第一代1Gbps FSO系统一样,10Gbps FSO系统的规模经济效应将会带来性能的提升和成本的降低。未来可能的改进包括增加接收孔径、变成有源的接收系统、增加发射功率、在接收端增加放大器以及加入前向纠错技术(FEC)。并非是巧合,这些也都已经­被用来改善下一代10Gbps光纤通信系统的性能。波分复用是另一种光学技术的拓展,它已经在过去的FSO系统中得以实现,也可以在将来被10Gbps FSO系统所利用。

40和100Gbps技术正在由一些光纤通信厂家推动着。既然FSO是基于光学的,历史也表明了FSO的发展将会紧跟着最新的光纤通信系统。这确保了FSO系统将会达到的性能不仅能满足当前的需求,也能满足下一代网络的需求。

  
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