5G復合通信中激光傳輸特性研究

焦 韜，曲 楊，趙振強

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京信息工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

5G是指第五代移動電話行動通信標準，又稱第五代移動通信技術。其主要核心原則是改進一套技術，以提高性能，滿足多樣化的需求。目前，研究的5G最大下行速度為10 Gb/s，相當于1.25 Gb/s的下載速度。5G在新信息時代有著廣泛的應用場景和發展前景，以快速的傳輸速率、超大容量的接入、極短的網絡時延以及非常開放的技術設計框架為基礎，而好的通信載體則是實現5G通信的關鍵所在。激光具有非接觸、高亮度以及強方向性等特點，激光通信是利用激光傳輸信息的一種通信方式。這種通信方式容量大、安全性高且方向性強，在通信領域有越來越廣泛的應用，如何將激光傳輸與5G通信結合起來具有重大的研究意義和實際價值[1]。

激光雖然擁有其他傳統通信方式所不具備的優勢，但也存在傳輸距離短和受環境影響大等問題。因此，將激光與傳統通信方式復合，在一些苛刻、特殊環境應用激光的優勢進行短距離通信，配合傳統通信方式形成完整的通信系統。

本文根據激光大氣傳輸基本理論，分析激光傳輸目標和環境特性，按照激光雷達距離方程，以激光傳輸100 m為目標，通過理論計算并進行激光傳輸實驗，得到1.5 μm波段的紅外激光，脈沖峰值功率200 W左右即可實現100 m以上的激光通信傳輸。

1 激光大氣傳輸基本理論

1.1 激光傳輸環境特性分析

大氣射透率會影響激光雷達探測效果。激光在大氣中的傳播受到許多物理現象和環境變化的制約，大氣透射率有十分復雜的計算過程。單波長激光器的大氣傳輸密度通常由損耗計算決定，激光在大氣介質中傳播受到散射、折射以及吸收的影響。大氣中的懸浮氣體顆粒和氣溶膠是激光散射與吸收的主要來源，其損耗率主要取決于激光的波長和傳播路徑[2]。

當激光以DX距離在大氣中傳播時，由于大氣氣體分子和氣溶膠的色散與吸收，激光的光強下降到I。在這個過程中，激光在大氣中傳播的光強損失dI0（λ）為：

將σ(λ,x)稱為大氣衰減系數，對式兩邊積分可以得到：

式中，L為激光在大氣中傳播的距離，則有：

當激光傳輸長度中的大氣分布均勻時，式（3）也可以寫成：

它是表征大氣對傳播電流總衰減效應的系數，與激光強度無關。大氣的總消光系數可由550 nm波段能見度的經驗公式導出，即：

式中，V代表平行光在550 nm波段透過大氣2%時的能見距離；q為修正系數。不同能見度條件下修正系數的取值如表1所示。

表1 不同能見度條件下的q值

將式（5）代入到式（4）可以得到最終透過光強為：

λ波長的激光在能見度V條件下通過L距離時的大氣透過率為：

2 短距離激光脈沖發射機參數確定

2.1 激光波段的選擇。

激光載體的波段選擇在激光傳輸系統中發揮著非常重要的作用。一方面，紅外成像技術的成熟度比較高，本著研究成本與材料成本低的目的，選擇紅外波段作為所需的激光波段。另一方面，從大氣透過率的角度來研究，大氣透過率曲線如圖1所示。

由圖1可知，經過激光雷達距離的計算，大氣透過率越高，得到的工作距離越理想，通過圖1可以發現當中心波長為1.5 μm左右的時候，大氣透過率最高，顯然1.5 μm波段的激光對于激光雷達系統來說擁有最佳的大氣透過特性，便于獲取更高的工作距離[5]。

圖1 大氣透過率曲線

最后從激光與人眼安全的角度出發，人眼安全是當前激光應用領域值得重視的課題，激光具有良好的單色性和方向性，可以在小范圍內集中極高的能量。人眼的折射介質和光學傳感組織能高度集中入射光，可做最精確的接收系統，使視網膜接收到的光強度達到角膜入射光強度的105倍。因此，對于激光的應用要非常謹慎，即使是低能量的激光也會對人眼造成較大的傷害[6]。人眼對不同波段激光的透過率如圖2所示。

圖2 人眼對不同波段激光的透過率

可見，當波長大于1.4 μm時，激光能量被人眼介質吸收，不會入射到視網膜，此時認為這個波段的激光對人眼是安全的。綜合考慮到人眼的安全和大氣透過率，選擇1.5 μm激光作為短距離通信發射波段。

2.2 激光功率的選擇

考慮單個激光脈沖的峰值功率，分析目標和環境特性，通過大氣透過率及人眼對不同波段激光的透射，推導出激光雷達系統的距離方程。

根據式（7）可知，在晴天1.2μm時能見度V為1.3，波長為1.55。結果顯示，大氣透過率平均值為99%，同時光學系統總透過率為80%，其中探測器所接收的最低功率其靈敏度為35 kV/W。當最小閾值為100 mV時，可計算得到約7%μw的最小檢測功率。得到2 000 mm2接收孔徑，代入計算得到：

可以得到：

Rmax取100 m，則可以到P0約為175 W左右，考慮到公式（9）中選取的數值均為極限值，因此可以確定，單脈沖峰值功率為100～200 W左右，即可達到100 m左右的激光通信傳輸，峰值功率越高，系統的最遠工作距離就越大[8]。

3 實際測量

使用法國Keopsys公司生產的KULT系列脈沖激光器進行實驗，此脈沖光纖激光器的中心波長為1 545.5 nm，輸出平均功率為600 mW，峰值輸出功率可達6 kW。圖3為KULT激光器整體外觀圖。

圖3 KULT激光器

在輸出功率為400 W的情況形勢下，針對不同透過率進行激光傳輸實驗），得到實驗結果與理論計算值對比如圖4所示，相對誤差如圖5所示。

圖4 最遠作用距離理論值和實測值關系曲線

圖5 相對誤差

可以很明顯地看到，當環境透過率較低的時候，激光通信系統最遠工作距離測量的相對誤差較小而當環境透過率增加之后，系統最遠工作距離測量的相對誤差較低且趨于穩定[9]。這是因為當反射率過低時，接收系統接收到的信號信噪比也較低，在同等情況下，受外界環境以及系統接收機內部噪聲影響，回波信噪比越低，則測量值越容易受到影響，相對誤差也就越大[10]。

從環境透過率的角度分析，相對誤差點分布其本質還是由于信噪比過低而導致測量誤差大。所以在實際距離測量中，一個較高的信噪比是決定系統測量結果精準與否的關鍵。

4 結 論

本文以5G通信為背景，提出激光復合傳統通信的新思路，并分析了激光通信在短距離通信的應用特點。通過激光傳輸實驗，得到了激光在一般情況下的傳輸距離是1.5 μm的實驗結果，該實驗結果表明，激光通信與傳統通信復合應用的5G通信有廣闊的應用前景。