CN105790835B - 一种数据中心无线光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种数据中心无线光通信系统，包括：采用无线光通信结构实现数据中心的通信传输；其中，所述无线光通信结构采用混合全双工通信结构，上行传输采用自由空间激光通信FSO方式，下行传输采用可见光通信VLC方式。本发明提供一种基于光通行的数据中心无线光通信系统，实现数据中心大数据传输，大大精简了传输结构，提升灵活性和可拓展性，也提升了可靠性和通信质量。

Description

一种数据中心无线光通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种数据中心无线光通信系统。

背景技术

随着各种大数据服务和云计算的发展，人们产生的数据流量越来越大，这对数据中心的数据交换能力提出更高的要求。

现有的数据中心大多采用有线载体实现数据交互传输。

这就导致所用的数据线以及连接设备的数量十分庞大；更重要的是，其形成的整体结构的体积以及复杂程度居高不下；不仅影响数据交换的安全性和可靠性；同时大大限制了可扩展性，也提升了维护难度。导致传统的数据中心网络由于其低灵活性和低扩展性难以适应需求。

发明内容

本发明提供一种数据中心无线光通信系统，解决现有技术中数据中心采用有线介质进行数据传输的结构导致的结构复杂，庞大，灵活性差，可拓展性低，可靠性差维护难度大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数据中心无线光通信系统，包括：

采用无线光通信结构实现数据中心的通信传输；

其中，所述无线光通信结构采用混合全双工通信结构，上行传输采用自由空间激光通信FSO方式，下行传输采用可见光通信VLC方式。

进一步地，所述无线光通信结构包括：

FSO结构，实现FSO上行通信；

VLC结构，实现VLC下行通信。

进一步地，所述FSO结构包括：FSO发射光源以及FSO接收机；

所述FSO发射光源设置在机架顶端，正对所述FSO接收机，实现上行传输。

进一步地，所述VLC结构包括：LED发射光源以及LED接收探测器；

所述LED接收探测器固定在机架上，与所述LED发射光源相对，实现下行传输。

进一步地，任意所述LED接收探测器均处于两个或者两个以上LED发射光源覆盖范围内。

进一步地，任意所述FSO接收机覆盖两个或者两个以上所述FSO发射光源。

进一步地，所述自由空间激光通信FSO方式还包括：上行传输数据冲突解决方案；

所述上行传输数据冲突解决方案包括：

当FSO接收机空闲时，LED设备通过LED发射光源发送信道状态信息帧，即CSI帧，告知机架，机架接收到CSI帧之后开始准备接入网络；

机架接收到CSI帧之后以最小碰撞窗口大小启动碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何清除发送帧，即CTS帧和其它CSI帧，机架发送请求发送帧，即RTS帧；在回避时间内，当机架接收到CTS帧得知所述FSO接收机已被占用，接入网络的进程将被挂起；当机架从其它LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果后一个的回避时间比前一个余下的回避时间还短，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

发送RTS帧之后，如果机架接收到CTS帧，可以立即发送数据；如果机架在回避时间内没有接收到CTS帧，该RTS帧将被认为与其它RTS帧冲突，机架将会增加一倍最小碰撞窗口并重启碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何CSI帧，会在第二个回避时间结束时再次发送RTS帧；当机架从另一个LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果前者余下的回避时间比后者的回避时间长，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

接收到CTS帧之后，机架立即发送数据；数据传输结束后，相应的LED设备发送ACK(确认)和CSI帧来告知其它机架该接收机处于空闲状态，可以发送RTS帧。

进一步地，所述可见光通信VLC方式还包括：下行传输信号干扰消除方案；

所述下行传输信号干扰消除方案包括：

每一个机架配置两个LED接收探测器，同时接收两个LED发射光源发送的信号；

通过解两输入两输出的矩阵系统，将混合的两个信号分离。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的数据中心无线光通信系统，针对传统方案面临的低灵活性、低可靠性以及成本高的问题；分别采用FSO通信模式实现上行传输，VLC通信实现下行传输，替代了现有有线传输介质构成的数据中心数据传输结构，一方面，大大简化了结构，提升了拓展性，简化了维护难度和结构复杂程度；另一方面，也提升了灵活性。通过使每个机架被两个LED设备覆盖有效的解决了上行数据冲突的问题；通过在每个机架上采用多个探测器的方案有效的解决了下行信号相互干扰的问题。该系统不仅可以有效的解决灵活性、可靠性等问题，还能非常好的保证通信质量，避免庞大的结构设置，保证了结构可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的数据中心无线光通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多机架上行传输接入结构示意图；

图3为本发明实施例提供的下行传输VLC结构示意图

图4为本发明实施例提供的两个LED发射光源重叠区域的光照分布图；

图5为本发明实施例提供的LED发射光源覆盖区域的接收功率分布图；

图6为本发明实施例提供的网络系统的碰撞概率曲线

图7为本发明实施例提供的网络系统的吞吐量曲线

图8为本发明实施例提供的不同发射功率下误码率与传输距离的关系曲线

图9为本发明实施例提供的探测器不同接受面积下误码率与传输距离的关系曲线。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种数据中心无线光通信系统，解决现有技术中数据中心采用有线介质进行数据传输的结构导致的结构复杂，庞大，灵活性差，可拓展性低，可靠性差维护难度大的技术问题；达到了大大提升了灵活性，可拓展性，可靠性以及提升通信质量的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供技术方案的总体思路如下：

一种数据中心无线光通信系统，包括：

采用无线光通信结构实现数据中心的通信传输；

其中，所述无线光通信结构采用混合全双工通信结构，上行传输采用自由空间激光通信FSO方式，下行传输采用可见光通信VLC方式。

通过上述内容可以看出，本数据中心通信方案针对传统方案面临的低灵活性、低可靠性以及高成本问题，采用FSO以及VLC通信方式实现上下行通信；大大简化了数据传输结构，提升数据中心数据传输的灵活性和可拓展性；还能非常好的保证通信质量。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1～图3，本发明实施例提供的数据中心无线光通信系统，包括：

采用无线光通信结构实现数据中心的通信传输；

其中，所述无线光通信结构采用混合全双工通信结构，上行传输采用自由空间激光通信FSO方式，下行传输采用可见光通信VLC方式。

所述无线光通信结构包括：

FSO结构，实现FSO上行通信；

VLC结构，实现VLC下行通信。

所述FSO结构包括：FSO发射光源以及FSO接收机；

所述FSO发射光源设置在机架顶端，正对所述FSO接收机，实现上行传输。

所述VLC结构包括：LED发射光源以及LED接收探测器；

所述LED接收探测器固定在机架上，与所述LED发射光源相对，实现下行传输。

任意所述LED接收探测器均处于两个或者两个以上LED发射光源覆盖范围内。

任意所述FSO接收机覆盖两个或者两个以上所述FSO发射光源。

所述自由空间激光通信FSO方式还包括：上行传输数据冲突解决方案；

所述上行传输数据冲突解决方案包括：

当FSO接收机空闲时，LED设备通过LED发射光源发送信道状态信息帧，即CSI帧，告知机架，机架接收到CSI帧之后开始准备接入网络；

机架接收到CSI帧之后以最小碰撞窗口大小启动碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何清除发送帧，即CTS帧和其它CSI帧，机架发送请求发送帧，即RTS帧；在回避时间内，当机架接收到CTS帧得知所述FSO接收机已被占用，接入网络的进程将被挂起；当机架从其它LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果后一个的回避时间比前一个余下的回避时间还短，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

发送RTS帧之后，如果机架接收到CTS帧，可以立即发送数据；如果机架在回避时间内没有接收到CTS帧，该RTS帧将被认为与其它RTS帧冲突，机架将会增加一倍最小碰撞窗口并重启碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何CSI帧，会在第二个回避时间结束时再次发送RTS帧；当机架从另一个LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果前者余下的回避时间比后者的回避时间长，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

接收到CTS帧之后，机架立即发送数据；数据传输结束后，相应的LED设备发送ACK(确认)和CSI帧来告知其它机架该接收机处于空闲状态，可以发送RTS帧。

所述可见光通信VLC方式还包括：下行传输信号干扰消除方案；

所述下行传输信号干扰消除方案包括：

每一个机架配置两个LED接收探测器，同时接收两个LED发射光源发送的信号。

通过解两输入两输出的矩阵系统，将混合的两个信号分离。

具体的，下行VLC传输采用空间分集的方法消除不同LED设备之间的干扰。

IM/DD(强度调制和直接探测)在光通信系统中被广泛应用，在信号探测时很容易受其它信号源的干扰。然而，如前面所述，为了避免网络阻塞，每一个机架被两个不同的LED设备覆盖以便其选择合适的LED设备接入网络，所以机架同时接收两个不同LED设备的所有信号，必然引入显著干扰。在IM/DD系统中，很难从混有不同信号的光电探测器中提取出正确的信号。另一方面，相干探测在光通信中实现条件比较复杂，且仍有很多问题有待解决。因此，提出一种简单有效的空间分集方法来消除干扰。

参见图3，每一个机架配置两个光电探测器，同时接收两个LED发射光源发送的信号。通过解两输入两输出的矩阵系统，可以将混合的两个信号分离，具体步骤如下：

由LED设备的辐射特性可以得出光电探测器接收功率如下：

P_R＝H(0)P_s (1)

其中，P_s是LED设备的发射功率，H(0)是信道的直流增益，表述如下：

d＝H/cosθ (3)

其中，A_R是探测器的接收面积，ω是入射角，θ是辐射角，ω_c是接收机的视场角，d是LED设备和探测器的距离，H是LED设备和接收平面之间的距离。从而得到直接链路的接收光功率：

假设两个LED设备发送的信号分别为X₁(t)和X₂(t)，到机架两个探测器的直流增益分别是H₁(0),H₂(0),H₃(0),H₄(0),探测器灵敏度是γ，接收信号表示如下：

Y₁(t)＝γX₁(t)H₁(0)+γX₂(t)H₂(0)

Y₂(t)＝γX₁(t)H₃(0)+γX₂(t)H₄(0) (5)

用矩阵表示如下:

Y(t)＝γX(t)H_i(0) (6)

其中，X(t)＝[X₁(t),X₂(t)],Y(t)＝[Y₁(t),Y₂(t)]。当机架的位置固定时，可以由(2)(3)式得出信道的直流增益矩阵H_i(0)，从而得到接收信号矩阵Y(t)。两个LED设备必须保证每个符号发送同步，由于距离很短，因而传输延时可以忽略。对直接光探测来说，背景噪声和反射功率太小，因而可以忽略。然而，散粒噪声在探测器中却很显著，其方差表示如下：

σ²≈2eγp_rB (7)

其中，Pr是接收功率，B是接收机带宽，因此上述方程改进如下：

I(t)＝Y(t)+σ (8)

用H_i(0)的逆矩阵可以估计出原始信号：

基于上述两点，特给出以下基于可见光的数据中心网络交换系统的仿真结果：

参见图4和图5，不失一般性；这里随机选择相邻的两个LED设备来计算其重叠区域的光照度，通过合理设计LED设备的参数，如光功率(63毫瓦)，与机架顶的垂直距离(1.5米)以及两LED设备的距离(3米)等，可以使重叠区域的光照度符合国际照明条件，即在480lx-980lx范围内。与此同时，通过计算机架顶部平面接收功率的分布，先确定接收功率的最小值(0.02毫瓦)，从而得知光电探测器的灵敏度要求。

参见图6和图7，为了说明多机架接入方案的可行性，参照IEEE标准802.15.7MAC规范设定相关网络参数进行仿真。碰撞概率曲线，k是每个LED设备上的FSO接收机数量，碰撞概率随着机架数量的增加而增加却维持在较低的水平，且增加FSO接收机的数量可以进一步减少碰撞概率。改变上下行速率得出网络的吞吐量曲线，进一步证实了多机架接入方案在高速通信网络中的有效性。

参见图8和图9，为了说明下行方案能有效消除串扰，计算出不同发送功率和探测器接收面积情况下的误码率分布，绘制曲线，误码率在大多数区域都被限制在很小的范围内。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的数据中心无线光通信系统，针对传统方案面临的低灵活性、低可靠性以及成本高的问题；分别采用FSO通信模式实现上行传输，VLC通信实现下行传输，替代了现有有线传输介质构成的数据中心数据传输结构，一方面，大大简化了结构，提升了拓展性，简化了维护难度和结构复杂程度；另一方面，也提升了灵活性。通过使每个机架被两个LED设备覆盖有效的解决了上行数据冲突的问题；通过在每个机架上采用多个探测器的方案有效的解决了下行信号相互干扰的问题。该系统不仅可以有效的解决灵活性、可靠性等问题，还能非常好的保证通信质量，避免庞大的结构设置，保证了结构可靠性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种数据中心无线光通信系统，其特征在于，包括：

采用无线光通信结构实现数据中心的通信传输；

其中，所述无线光通信结构采用混合全双工通信结构，上行传输采用自由空间激光通信FSO方式，下行传输采用可见光通信VLC方式；

所述无线光通信结构包括：

FSO结构，实现FSO上行通信；

VLC结构，实现VLC下行通信；

所述FSO结构包括：FSO发射光源以及FSO接收机；

所述FSO发射光源设置在机架顶端，正对所述FSO接收机，实现上行传输；

所述VLC结构包括：LED发射光源以及LED接收探测器；

所述LED接收探测器固定在机架上，与所述LED发射光源相对，实现下行传输；

所述自由空间激光通信FSO方式还包括：上行传输数据冲突解决方案；

所述上行传输数据冲突解决方案包括：

当FSO接收机空闲时，LED设备通过LED发射光源发送信道状态信息帧，即CSI帧，告知机架，机架接收到CSI帧之后开始准备接入网络；

机架接收到CSI帧之后以最小碰撞窗口大小启动碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何清除发送帧，即CTS帧和其它CSI帧，机架发送请求发送帧，即RTS帧；在回避时间内，当机架接收到CTS帧得知所述FSO接收机已被占用，接入网络的进程将被挂起；当机架从其它LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果后一个的回避时间比前一个余下的回避时间还短，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

发送RTS帧之后，如果机架接收到CTS帧，可以立即发送数据；如果机架在回避时间内没有接收到CTS帧，该RTS帧将被认为与其它RTS帧冲突，机架将会增加一倍最小碰撞窗口并重启碰撞回避算法；如果机架在回避时间内没有接收到任何CSI帧，会在第二个回避时间结束时再次发送RTS帧；当机架从另一个LED设备接收到CSI帧时，再次启动碰撞回避算法，如果前者余下的回避时间比后者的回避时间长，就选择后面的LED设备接入网络；否则，选择前面的LED设备接入网络；

接收到CTS帧之后，机架立即发送数据；数据传输结束后，相应的LED设备发送ACK(确认)和CSI帧来告知其它机架所述FSO接收机处于空闲状态，可以发送RTS帧。

2.如权利要求1所述的数据中心无线光通信系统，其特征在于：任意所述LED接收探测器均处于两个或者两个以上LED发射光源覆盖范围内。

3.如权利要求2所述的数据中心无线光通信系统，其特征在于：任意所述FSO接收机管理两个或者两个以上所述FSO发射光源。

4.如权利要求3所述的数据中心无线光通信系统，其特征在于，所述可见光通信VLC方式还包括：下行传输信号干扰消除方案；

所述下行传输信号干扰消除方案包括：

每一个机架配置两个LED接收探测器，同时接收两个LED发射光源发送的信号；

通过解两输入两输出的矩阵系统，将混合的两个信号分离。