5G復(fù)合通信中激光傳輸特性研究

焦 韜，曲 楊，趙振強(qiáng)

（1.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

5G是指第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，又稱第五代移動(dòng)通信技術(shù)。其主要核心原則是改進(jìn)一套技術(shù)，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(dāng)于1.25 Gb/s的下載速度。5G在新信息時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用場景和發(fā)展前景，以快速的傳輸速率、超大容量的接入、極短的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及非常開放的技術(shù)設(shè)計(jì)框架為基礎(chǔ)，而好的通信載體則是實(shí)現(xiàn)5G通信的關(guān)鍵所在。激光具有非接觸、高亮度以及強(qiáng)方向性等特點(diǎn)，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(qiáng)，在通信領(lǐng)域有越來越廣泛的應(yīng)用，如何將激光傳輸與5G通信結(jié)合起來具有重大的研究意義和實(shí)際價(jià)值[1]。

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

本文根據(jù)激光大氣傳輸基本理論，分析激光傳輸目標(biāo)和環(huán)境特性，按照激光雷達(dá)距離方程，以激光傳輸100 m為目標(biāo)，通過理論計(jì)算并進(jìn)行激光傳輸實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)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(huán)境特性分析

大氣射透率會(huì)影響激光雷達(dá)探測效果。激光在大氣中的傳播受到許多物理現(xiàn)象和環(huán)境變化的制約，大氣透射率有十分復(fù)雜的計(jì)算過程。單波長激光器的大氣傳輸密度通常由損耗計(jì)算決定，激光在大氣介質(zhì)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(dāng)激光以DX距離在大氣中傳播時(shí)，由于大氣氣體分子和氣溶膠的色散與吸收，激光的光強(qiáng)下降到I。在這個(gè)過程中，激光在大氣中傳播的光強(qiáng)損失dI0（λ）為：

將σ(λ,x)稱為大氣衰減系數(shù)，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(dāng)激光傳輸長度中的大氣分布均勻時(shí)，式（3）也可以寫成：

它是表征大氣對傳播電流總衰減效應(yīng)的系數(shù)，與激光強(qiáng)度無關(guān)。大氣的總消光系數(shù)可由550 nm波段能見度的經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出，即：

式中，V代表平行光在550 nm波段透過大氣2%時(shí)的能見距離；q為修正系數(shù)。不同能見度條件下修正系數(shù)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(qiáng)為：

λ波長的激光在能見度V條件下通過L距離時(shí)的大氣透過率為：

2 短距離激光脈沖發(fā)射機(jī)參數(shù)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(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。一方面，紅外成像技術(shù)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(jīng)過激光雷達(dá)距離的計(jì)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(fā)現(xiàn)當(dāng)中心波長為1.5 μm左右的時(shí)候，大氣透過率最高，顯然1.5 μm波段的激光對于激光雷達(dá)系統(tǒng)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(fā)，人眼安全是當(dāng)前激光應(yīng)用領(lǐng)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(nèi)集中極高的能量。人眼的折射介質(zhì)和光學(xué)傳感組織能高度集中入射光，可做最精確的接收系統(tǒng)，使視網(wǎng)膜接收到的光強(qiáng)度達(dá)到角膜入射光強(qiáng)度的105倍。因此，對于激光的應(yīng)用要非常謹(jǐn)慎，即使是低能量的激光也會(huì)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(dāng)波長大于1.4 μm時(shí)，激光能量被人眼介質(zhì)吸收，不會(huì)入射到視網(wǎng)膜，此時(shí)認(rèn)為這個(gè)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(fā)射波段。

2.2 激光功率的選擇

考慮單個(gè)激光脈沖的峰值功率，分析目標(biāo)和環(huán)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(dǎo)出激光雷達(dá)系統(tǒng)的距離方程。

根據(jù)式（7）可知，在晴天1.2μm時(shí)能見度V為1.3，波長為1.55。結(jié)果顯示，大氣透過率平均值為99%，同時(shí)光學(xué)系統(tǒng)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(dāng)最小閾值為100 mV時(shí)，可計(jì)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(jì)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(shù)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(dá)到100 m左右的激光通信傳輸，峰值功率越高，系統(tǒng)的最遠(yuǎn)工作距離就越大[8]。

3 實(shí)際測量

使用法國Keopsys公司生產(chǎn)的KULT系列脈沖激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(dá)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(jìn)行激光傳輸實(shí)驗(yàn)），得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值對比如圖4所示，相對誤差如圖5所示。

圖4 最遠(yuǎn)作用距離理論值和實(shí)測值關(guān)系曲線

圖5 相對誤差

可以很明顯地看到，當(dāng)環(huán)境透過率較低的時(shí)候，激光通信系統(tǒng)最遠(yuǎn)工作距離測量的相對誤差較小而當(dāng)環(huán)境透過率增加之后，系統(tǒng)最遠(yuǎn)工作距離測量的相對誤差較低且趨于穩(wěn)定[9]。這是因?yàn)楫?dāng)反射率過低時(shí)，接收系統(tǒng)接收到的信號信噪比也較低，在同等情況下，受外界環(huán)境以及系統(tǒng)接收機(jī)內(nèi)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(huán)境透過率的角度分析，相對誤差點(diǎn)分布其本質(zhì)還是由于信噪比過低而導(dǎo)致測量誤差大。所以在實(shí)際距離測量中，一個(gè)較高的信噪比是決定系統(tǒng)測量結(jié)果精準(zhǔn)與否的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

本文以5G通信為背景，提出激光復(fù)合傳統(tǒng)通信的新思路，并分析了激光通信在短距離通信的應(yīng)用特點(diǎn)。通過激光傳輸實(shí)驗(yàn)，得到了激光在一般情況下的傳輸距離是1.5 μm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光通信與傳統(tǒng)通信復(fù)合應(yīng)用的5G通信有廣闊的應(yīng)用前景。