通信世界網消息（CWW）在中國聯通聯合國內外多家Tier1運營商和設備商所倡導的G.metro標準化研究工作中，採用了基於低成本可調諧光模塊的波長自適應單纖雙向接入波分系統，具備波長自適應配置、海量尾端設備zero-touch、超低時延、高效透明傳輸和低功耗等特點，並於2018年2月在ITU-T SG15全會上正式通過並發布，編號為ITU-T G.698.4。
低成本可調諧雷射技術是一種基於DFB雷射器的流控或溫控技術，可實現C波段ITU標準波長的寬帶、快速可調諧功能，其應用領域可擴展至車聯網（V2X）和雷射雷達（Lidar）方向，實現產業雙向打通和設備共用的局面。在響應國家提速降費號召的大背景下，有助於運營商尋找新的業務方向，開拓新的利潤增長點。
調頻連續波FMCW技術原理
顧名思義，調頻連續波是一種將雷射器的輸出頻率隨時間線性調製的方法，其功能實現的一般性結構框圖如圖1所示。雷射源發射的雷射經過耦合器1後分成兩路光信號，一路經過耦合器2和前端鏡頭髮射，另一路經過耦合器3到達探測器。反射回的雷射信號依次經過鏡頭、耦合器2和耦合器3後，進入平衡探測器和第一路本地光進行混頻，利用數字處理電路將混頻後的電信號進行處理，得到對面物體的距離和速度信息。這種原理和相干光通信機制十分相似，具備抗背景噪聲幹擾、發射功率低、人眼安全和探測精度高等諸多優點。
圖1 FMCW雷射雷達原理框圖
根據這種原理，作出發射和返回雷射的頻率—時間曲線圖，如圖2所示，縱軸為頻率，橫軸為時間。在圖2上排圖中，在一個發射周期T內，雷射器輸出連續線性調製的雷射，從逐漸增加至最大，後由最大減小至，兩個過程所用時間相等為T/2。出射光經過空間飛行後，比直接進入耦合器3的本地光產生了的時間差，於是在同一時間產生了中頻差頻，如圖2下排圖所示。假設雷達和物體的距離為R，掃頻寬度為ΔF，則由此推導可知距離R=cT/4ΔF，其中c為真空中光速。如果物體發生移動，則會在差頻譜中產生都卜勒頻移，此時，上升沿和下降沿的中頻分別為和，則物體的距離R1=（+）R/2，移動速度v=c（-）/4。
因此，我們只需要在數字電路中，依次提取，和，即可實時測算物體的距離和速度。進而從推導公式中可知，距離精度，即距離解析度只與調製帶寬ΔF有關，因此對於低成本寬帶可調諧通信用雷射器，使用此方法具備天然的探測精度優勢。
圖2 FMCW測量原理頻率—時間曲線圖
低成本可調諧雷射技術在雷射雷達方向的應用與實踐
目前，雷射雷達普遍存在於L3級別以上的自動駕駛場景中，能夠輔助駕駛員觀察路面情況並採取有效決策。配合視頻攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達，這種組合傳感器為車輛自動駕駛和車聯網提供了高效的安全保障。然而目前頭部雷射雷達廠商大多採用成本十分昂貴（單個雷達在十萬元左右）且穩定性（機械掃描）、安全性（905nm高功率脈衝雷射）均較差的脈衝式（ToF）雷射雷達技術路線，而成本低、安全性好、穩定性高的調頻連續波（FMCW）制式雷射雷達，則採用了傳統的C波段和可調諧工作模式，匹配相干光通信的部分簡化結構，可以將G.metro場景中使用的光源稍作修改投入使用，是運營商產業鏈可以直接打通並提前布局的業務創新點。
為了驗證FMCW原理的正確性和基於低成本可調光模塊的可用性，中國聯通研究院聯合中科院半導體所、海信和長飛進行了第一階段的測試實驗。實驗原理如圖3所示，圖中可調諧光源採用基於G.metro標準的光模塊進行改進開發，優化了調諧速率，可實現太赫茲（THz）每秒的調製速率，遠高于波分系統中秒級波長切換速率，並且在所有現存FMCW光源調製速率報導中處於一流水準，提高調製速率是提高探測精度的重要指標。
在一期實驗中，採用光纖延遲線作為模擬空間光路的延遲辦法，根據相干原理設計探測距離，在接收端採用平衡探測器，將本地光和延遲光作外差輸出，通過示波器捕捉拍頻正弦信號，轉化為距離和速度信息。實驗中分別採用1米、20米和5千米光纖進行模擬，通過示波器的正弦波周期反推距離，證明了FMCW原理的正確性和可調光源的可用性。
圖3 雷射器驗證光路圖
在二期實驗中，將延遲光纖光路打開變為空間拓撲，使用發射準直器和接收透鏡組，並加以EDFA光放大器提高空間輸出光功率。實驗原理圖如圖4所示，EDFA為雷射雷達專用開發的多通道放大器，輸出功率可調，能夠實現瓦級高功率輸出，覆蓋全C波段。在藍色箭頭處分別測量光功率，發現輸出功率在EDFA後為31.5dBm時，接收透鏡組後測量可接收功率高達25dBm，耦合進光譜儀後，峰值光功率為—56.7dBm，消光比大於20dB，充分證明可以從示波器讀取該頻率信息。
圖4 EDFA和透鏡組功能驗證實驗拓撲
至此，基於ITU-T G.698.4標準的改進型可調諧低成本光模塊的可用性和FMCW原理的正確性已基本驗證完成。第二階段擬開展基於FMCW原理的原型機的組裝和道路實測功能驗證實驗。
基於FMCW制式的雷射雷達在車聯網中的應用和探索
談到車聯網（V2X）或智能網聯汽車時，首先想到的是基於5G無線空口（PC5和Uu）技術和5G組網架構下的無線通信系統，即基於蜂窩移動通信技術的C-V2X。結合切片和MEC等技術，可以實現超低時延和海量連接車輛與車輛（V2V）、車輛與設備（V2I）、車輛與行人（V2P）以及車輛與網絡（V2N）的多場景端到端通信。在超大帶寬通信需求下，可以使用雷射雷達輔助空間光通信的手段，實現Tbit量級高速率信息處理速度。如圖5所示，車輛A&B可以實現直接通信，車輛A&B亦可和路測設備進行直接數據交換。其通信過程由雷射雷達進行定位輔助，藉助可調諧光模塊，收發不同波長的雷射，區分通信和雷達掃描信號，將實時掃描的位置信息反饋給光學天線，進行時分復用的通信和掃描。
圖5 基於雷射雷達的車聯網組網簡化示意圖
眾所周知，車聯網的距離基本處於視距，在無遮擋情況下，可以利用光通信的超大帶寬滿足車輛臨時數據需求，例如視頻、下載或車內VR請求。首先，利用雷射空間傳輸可以有效避免頻譜重疊和空間電磁幹擾，在視距下是一種很好的替代性選擇；其次，基於低成本波分前傳網絡，可以實現資源搬遷利用，避免開通路側5G基站，節約投資和建設成本，以光學信號的超低時延滿足客戶的通信需求。目前中國聯通研究院已經開始推動產業布局和生態的形成，以期與5G車聯網形成優勢互補的局面。
綜上所述，基於G.metro的低成本可調諧雷射技術在雷射雷達和車聯網領域具有潛在的應用價值和出色的市場前景，是5G通信的一個重要補充手段。經過前期的一系列測試，已基本確定低成本可調諧光模塊的可用性與原理的正確性，在雷射雷達輔助車聯網通信的專利布局中，優先搶佔賽道，並且已經具備了核心技術的孵化能力，為運營商數位化轉型中的業務發展方向提供了有力參考依據。