CN102694591A

CN102694591A - 用于近平面内360度移动fso系统的圆柱体光学智能天线

Info

Publication number: CN102694591A
Application number: CN2012101720941A
Authority: CN
Inventors: 尚韬; 杨银堂; 贾吉军; 李炜煦
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了一种用于近平面内360度移动FSO系统的圆柱体光学智能天线，采用在圆柱体载体上排放若干个激光接收、发射阵列，每个阵列由若干个激光接收、发射单元组成。该天线采用了水平方向的自转设计，实现了通信空间连续性；继而，设计了通信协议，为上层用户提供了时间上连续的通信；在对发射单元进行编号的基础上，通过基于通信双方交换发射单元编号信息而实现的天线波束控制算法，可以实现快速移动激光通信近似平面内360度的捕获、对准、跟踪功能。即激光收发阵列中的每个光收发单元与光开关阵列相关联并受光开关阵列控制，通过控制光开关阵列的通断从而改变一个或者多个激光束的指向，实现捕获、对准、在通信中进行跟踪的(APT)天线技术。

Description

用于近平面内360度移动FSO系统的圆柱体光学智能天线

技术领域

本发明属于信息通讯领域，尤其涉及一种用于近平面内360度移动FSO系统的圆柱体光学智能天线。

背景技术

无线激光通信(FSO：Free Space Optical Communication)，又称自由空间光通信，是指利用激光束作为载波在空间(大气、太空或海水)直接进行数据、语音和视频等多种业务双向传送的一种技术。FSO系统主要应用于星间、星地间、深空航天器与卫星或地面之间、卫星与飞行体(如飞机、高速飞行器等)之间、飞行体与地面之间，地面(水面)之间的激光通信等。此外，也包括飞行体或地面与水下目标之间的激光通信。

FSO具有速率高、容量大、抗干扰能力强、机动性高、系统体积小、重量轻、功耗小、相对性价比高等一系列优点，是公认的未来宽带移动通信的最佳方式之一。FSO的基础研究早在七十年代就已经开始，近年来随着器件水平的飞速进步，国际上在卫星激光通信和大气激光通信领域的研究取得了丰硕的成果。不仅在基础理论、关键技术、单元部件等方面的研究取得了很大的进展，而且在整体系统的设计和工程化研制方面也获得了较大的突破。

在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据业务^[1]。2009年，日本的E.Ciaramella和Y.Arimoto等人在212米的距离成功完成了1.28Terabp s(32*40Gbps)的无线激光WDM通信实验^[2]。目前国外生产厂商主要有Lightpointe、Fsona、Canon等^[3-5]，其产品应用于定点通信。例如Lightpointe的产品特点是工作在850nm波长处，传输速率100Mb/s，传输距离从1公里到5公里，四发四收天线，该产品的天线跟踪功能可以减小由建筑物的微小晃动造成的视轴偏差，但不具备大范围快速的APT功能。

FSO作为一种视距传输系统，对较窄的信号光束实现精准、快速的捕获、对准及跟踪(APT：Acquisition Pointing and Tracking)，从而建立有效、可靠的通信链路，是FSO的关键技术之一。现有的针对定点WCL的APT技术已较为成熟，只需通过人工操作将端机的光学天线安置到固定的位置和角度即可实现对准，从而建立稳定的通信链路^[6-7]。而移动FSO目前还处在起步阶段，这是因为对于移动特别是室外用途的快速移动FSO系统，大气效应^[8-9]、目标间相对高速运动、通信终端载荷重量及功率限制等问题对APT技术的影响将更加显著。

移动FSO系统的APT实现方式多是设定某种跟踪控制算法，然后根据移动过程中接收光斑落在位置光电探测器(PSD：position sensitive detector)、电荷耦合元件(CCD：charge coupled device)或四象限探测器(QD：quadrantdetector)上的误差信息对万向节或振镜进行调节，从而实现移动中的对准^[10-11]。

由于采用机械伺服系统，上述方法仅适用于短距离的慢速(≤0.18m/s)通信，而且在持续对准过程中的频繁转动会出现时延，从而导致跟瞄速度出现误差，影响通信的实时性。

在接收端使用特殊几何结构的光学透镜(如球形透镜等)与光纤阵列代替万向节伺服系统，在大范围的广角接收中实现对准^[12]。

由于光学器件尺寸的限制使得球形透镜的孔径不能无限增加，同时光纤阵列的排布遵从一定的规律以代表不同的目标位置，因此该系统仅适用于短距离通信。

一种APT解决方案为：利用发光二极管(LED：light emitting diode)构成多收发机的球面光学天线，实现球面上的角度分集和空间复用，为了避免每个节点的开销，使用电跟踪取代传统的机械跟踪^[13-14]。

由于使用LED代替高功率激光器，使得通信距离较短(在天气良好时设计的最大距离约为600m)，无法适用于室外用途的移动FSO系统；将LED置于光探测器(PD：photodiode)中心，不但会增加器件的制作难度，而且PD中心点的探测盲区也会影响其探测能力。

发明内容

针对所要解决的技术问题，本发明提供一种能够满足于快速移动自由空间光通信系统要求的光学智能天线。

本发明实施例是这样实现的，一种用于近平面内360度移动FSO系统的圆柱体光学智能天线，其特征在于，该光学智能天线采用在圆柱体载体上排放若干个激光接收、发射阵列，每个阵列由若干个激光接收、发射单元组成。

进一步，该光学智能天线的整体形状为圆柱形，激光接收、发射单元呈圆形均匀分布在圆柱体的表面，发射单元半径小于或等于接收单元半径。

进一步，所述发射单元，用于发射信号，覆盖整个360度的空间，由分束装置和分束控制装置构成；

所述接收单元，用于负责接收来自空间的光信号。

进一步，所述光学智能天线进一步包括：

数据与信息处理单元，用于对接收到的光斑位置信息电流值进行分析；

控制系统，包括激光控制单元、光开关控制单元以及调速装置，激光器控制单元和光开光控制单元中有光通路控制电路，如果数据与信息处理单元的分析结果满足对准条件，则激光控制单元和光开关控制单元产生控制信号，利用该控制信号通过光通路控制电路产生相应的开关信号，选择合适的激光器与发射天线；

机械转动装置，用于完成通信机自转速度的变化。

本发明公开了一种基于圆柱形的光学智能天线，适用于在某一近似平面内快速移动的自由空间光通信(FSO)系统，包括：收/发单元呈圆形均匀分布在圆柱体的表面(光天线单元阵列)由于平行于圆柱底面方向上相邻两个发射单元的覆盖区域没有重叠，故采用了水平方向的自转设计，这样虽然牺牲了通信时间的连续性，但换取了通信空间连续性；继而，设计了通信协议，为上层用户提供了时间上连续的通信；在对发射单元进行编号的基础上，通过基于通信双方交换发射单元编号信息而实现的天线波束控制算法，可以实现快速移动激光通信近似平面内360度的捕获、对准、跟踪功能。即激光收发阵列中的每个光收发单元与光开关阵列相关联并受光开关阵列控制，通过控制光开关阵列的通断从而改变一个或者多个激光束的指向，实现捕获、对准、在通信中进行跟踪的(APT)天线技术。

附图说明

图1是本发明实施例提供的通信端机示意图；

图2是本发明实施例提供的通信端机组成示意图；

图3是本发明实施例提供的天线结构示意图；

图4是本发明实施例提供的发射单元行排列关系示意图；

图5是本发明实施例提供的通信机通信过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的通信端机主要包括了：发射部分、接收部分、数据与信息处理系统、控制系统、机械转动装置。如图1所示。

由于通信机体积不能太大，故通信机内不能放置太多的激光器，而为了覆盖整个360度的空间，需要大量的发射单元，这就需要分束装置和分束控制装置；

接收部分负责接收来自空间的光信号；数据与信息处理的功能是对接收到的光斑位置信息电流值进行分析；控制系统包括激光控制单元、光开关控制单元以及调速装置，激光器控制单元和光开光控制单元中有光通路控制电路，该电路使得发射单元编号与具体的激光器和光开关具有对应关系。如果数据与信息处理单元的分析结果满足对准条件，则激光控制单元和光开关控制单元产生控制信号，利用该控制信号通过光通路控制电路产生相应的开关信号，选择合适的激光器与发射天线；机械转动装置用来完成通信机自转速度的变化。整个通信端机的结构如图2所示。

天线的整体形状为圆柱形，其半径为R，高度为H_o收/发单元呈圆形均匀分布在圆柱体的表面，发射单元和接收单元半径分别为r₁和r₂，一般r₂不小于r₁。天线的整体结构如图3所示。

使中央一行发射单元的束散角角平分线为水平，上面发射单元行的角平分线依次与其夹角为α、2α、3α、......，且向上偏折，下面的发射单元行的角平分线依次与其夹角为α、2α、3α、......，且向下偏折。由于来自远处的光束可看为平行光，接收单元行皆垂直排列，如图4所示。

两个相邻发射单元的覆盖范围在某个距离以后正好能有重叠，故这种分布可以保证通信机覆盖范围在高度方向上的连续性。

考虑通信距离和天线尺寸因素，发射束散角不能太大，发射单元数量不能太多，导致通信机发射单元的覆盖范围是有间隔的，为了实现360度空间覆盖，必须使用扫描式波束控制，这里采用通信机自转的方法。该方法是以通信时间非连续性来换取通信空间连续性。时间分集技术是将同一信号在不同的时间区间多次重复发送，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。由于本系统的自转使得通信时间是有间隔的，因此，该系统用于实现时间分集有天然的优势。

图5为通信机通信过程的示意图，以其中一个通信机作为发射机，另一个通信机作为接收机为例。其中，图5(a)为接收机刚好进入发射覆盖区域之内，5(b)为接收机在发射覆盖区域之内，5(c)为接收机刚好要离开发射覆盖区。实际中两通信机采用全双工通信方式，通信机同时是收/发机。

设该系统的自转方向为顺时针方向(俯视时)。自转速度采用两种速度：1)接收机处于束散角范围之内时采用慢速自转；2)接收机处于盲区时采用快速自转。快速自转可以缩短捕获时间，而慢速自转可以增加通信时间。

初始时刻，通信双方都打开所有的发射单元，则两个通信机有三种可能的状态：1)一端通信机未收到信号而对端收到信号；2)两端都收到信号；3)两端都未收到信号。状态1)时，对端通信机收到了本端通信机的信号并判断出本端未收到信号，故对端通信机启动快速自转直到本端收到信号。状态2)时，直接可以根据接收到的信号判断打开的发射单元。状态3)时，则本端和对端通信机都会等待对端启动自转从而收到信号，但这种情况下会导致超时，其值为使本端收到对端信号的对端最大旋转时间，超时后本端开始旋转。

为了实现发射单元的切换，对发射单元进行编号，使每一个发射单元都有唯一的编号。由于发射单元的总行数不超过两位数，故采用前两位表示行号，而每一行的发射单元个数也不超过两位数，故用后两位数字表示列号，每一个发射单元的编号是一个四位数。

通信机的移动是随机的，可能在水平方向上移动，也可能是在垂直方向上移动，还可能是任意方向的移动。故发射单元的切换涉及到两个方面，即同一行发射单元之间的切换，发射行之间的切换。根据通信双方的握手，发射通信机可以判断接收通信机的运动方向。当接收通信机在水平方向运动时，则进行同一行发射单元之间的切换；当接收通信机在垂直方向上运动时，则进行发射行之间的切换。

1)同一行发射单元之间的切换。

为了保持通信，又节省能耗，通信机必须打开相应的发射单元且要求打开尽量少的发射单元。为满足以上条件，同一发射单元行上打开两个发射单元，一个为当前覆盖接收机的发射单元，另一个为与其相邻的发射单元，假设通信端机自转方向为顺时针方向，则打开逆时针方向的相邻发射单元，它也是即将旋转到来的发射单元。由于通信机的自转造成发射单元覆盖区域的移动速度远远大于接收通信机的移动速度，故下一个用到的发射单元必然是即将旋转到来的发射单元。这里先打开此发射单元，是由于通信的中断时间很短，在这么短的时间不足以打开此发射单元并使其进入正常工作状态。对于刚旋转过去的发射单元，由于接收通信机是不会处于该发射单元的空间覆盖区域的，故关闭该发射单元。

2)发射行之间的切换。

本着使目标在通信范围内移动时无盲区并避免发射阵元的频繁切换、简化系统工作和降低算法复杂度的原则。当接收机处于某一个发射单元的覆盖范围时，则同时打开正在通信行的某一发射单元和与其对应列的上下行发射单元，共三个发射单元。当接收机处于上下两行发射单元的重叠区时，则只打开这两个重叠的发射单元。

天线自转方式解决了空间盲区问题，但同时带来通信时间的不连续性问题。在此，通信的不连续只是物理层的，故可以采用自定义的协议来使应用层的通信在时间上连续。由于通信机是采用旋转的方式进行通信，物理层必然是不连续的传输方式，本发明采用漏斗传输的方式来将物理层离散的传输方式转化为物理层以上各层连续的传输方式。通过加入一个缓存器，把接收到的高速数据存放在缓存器中，然后将数据包分拆成更小的数据包以一个较低的速率提供给上层。临界情况是当下次大数据包到来时，上次数据刚好给上层传完，以此来达到上层的连续通信，虽然在速率上有一些损失，但由于激光通信的超大带宽，即使损失一点，最后的传输速率也可以达到一个比较高的水平。

该发明通过本发明公开的圆柱形光学智能天线的阵元分布、不同的天线工作方式(即快慢自转相结合方式、匀速自转方式)、以及通信协议和波束控制方法，可以提高天线的效率。与现有方法相比，本发明具有以下优点：天线可根据通信双方的运动状态相应的切换发射单元，波束跟瞄速度更高，可以有效的克服机械方法随机被动旋转天线时惯性大、速度慢的缺点。并且在点对点快速移动的自由空间光通信(FSO)系统中实现一定高度范围的近平面360度的、精确的捕获，对准和跟踪功能。

通信机是全双工的，通信双方的通信过程一致，设通信双方为A、B，在此仅以一方(A)的通信过程进行说明。整个通信过程如下：

第1步：为了实现360度空间覆盖，本发明采用通信机自转的方法。该方法是以通信时间非连续性来换取通信空间连续性，即天线旋转一圈时，总的旋转时间由通信时间和间断时间构成，因此该系统必须满足通信的实际带宽需求。实际带宽利用率可等效为通信时间与总时间之比。由于激光通信带宽很宽，实际利用的带宽也能满足通信的要求。例如，设激光原始带宽为1GHz，若带宽利用率为60％，则实际带宽为600MHz。

针对A和B的相对运动速度、通信距离范围、带宽需求等，通过设置发射单元数目和发散角大小，即可确定天线快/慢自转速度，以提高不同应用场合天线的效率。

第2步：激光器控制单元和光开光控制单元中有光通路控制电路，该电路使得发射单元编号与激光器和光开关具有对应关系。初始时刻，通信双方都打开所有的发射单元，则两个通信机有三种可能的状态：1)一端通信机未收到信号而对端收到信号；2)两端都收到信号；3)两端都未收到信号。状态1)时，B收到了A的信号并判断出A未收到信号，故B启动快速自转直到A收到信号。状态2)时，A直接可以根据接收到的信号判断打开的发射单元。状态3)时，则A和B都会等待对端启动自转从而收到信号，但这种情况下会导致超时，其值为使A收到信号的B最大旋转时间，超时后A开始旋转。

第3步：通信机A通过接收系统接收光信号。

第4步：A处理收到的光信号，从接收数据包中提取来自对端B的反馈信息(由于B收到的光信号中含有A的发射单元编号，随后B将该编号和自身的发射单元编号发送至A)，通过发射单元编号可以得到通信机B所处的位置。然后，把处理结果传送到激光器控制单元、光开关控制单元、机械转动装置。

第5步：机械转动装置调整光学天线的自转角速度。

第6步：通过光通路控制电路，激光器控制单元完成打开激光器(一个或多个)的选择，光开光控制单元控制光开关矩阵，它们一起完成发射单元编号(一个或多个)的选择，即控制系统根据数据与信息处理系统的处理结果来控制发射系统选择相应的发射单元。并根据通信机B的位置，通过“同一行发射单元之间的切换”以及“发射行之间的切换”。

第7步：利用发射系统发送带有本端(A)发射单元编号和对端(B)发射单元编号的光信号，最终完成通信双方的捕获、对准及跟踪(APT)功能。

本发明的具有以下积极效果：

1)收/发单元呈圆形均匀分布在圆柱体的表面(光天线单元阵列)；

2)光学智能天线采用了水平方向的自转设计，这样虽然牺牲了通信时间的连续性，但换取了通信空间连续性；

3)设计了通信协议，为上层用户提供了时间上连续的通信；

4)在对发射单元进行编号的基础上，通过基于通信双方交换发射单元编号信息而实现的天线波束控制算法，可以实现快速移动激光通信近似平面内360度的捕获、对准、跟踪功能；

5)激光收发阵列中的每个光收发单元与光开关阵列相关联并受光开关阵列控制，通过控制光开关阵列的通断从而改变一个或者多个激光束的指向，实现捕获、对准、在通信中进行跟踪的(APT)天线技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于近平面内360度移动FSO系统的圆柱体光学智能天线，其特征在于，该光学智能天线采用在圆柱体载体上排放若干个激光接收、发射阵列，每个阵列由若干个激光接收、发射单元组成。

2.如权利要求1所述的光学智能天线，其特征在于，该光学智能天线的整体形状为圆柱形，激光接收、发射单元呈圆形均匀分布在圆柱体的表面，发射单元半径小于或等于接收单元半径。

3.如权利要求1所述的光学智能天线，其特征在于，

所述发射单元为用于发射信号，覆盖整个360度的空间，由分束装置和分束控制装置构成的发射单元；

所述接收单元为用于负责接收来自空间的光信号的接收单元。

4.如权利要求1所述的光学智能天线，其特征在于，所述光学智能天线进一步包括：

用于对接收到的光斑位置信息电流值进行分析的数据与信息处理单元；

控制系统，包括激光控制单元、光开关控制单元以及调速装置，激光器控制单元和光开光控制单元中有光通路控制电路；以及

用于完成通信机自转速度的变化的机械转动装置。