CN106656338B - 一种中继传输紫外光通信信号系统及方法 - Google Patents

一种中继传输紫外光通信信号系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中继传输紫外光通信信号系统及方法，该系统包括一个主机和若干个具有中继传送功能的副机，所述副机包括中间副机和目的副机。本发明采用了中继传输紫外光通信信号的方法，实现紫外光自组局域网多跳远程距离通信，克服了紫外光单级通信距离半径有限的问题。该系统适应性强、架构简单、功耗低、不受干扰、保密性好、便于单兵携带，可用于非视距通信等特点，适合于安全、救灾、消防、军事等领域小分队通信。

Description

一种中继传输紫外光通信信号系统及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体地说，涉及一种中继传输紫外光通信信号系统及方法。
背景技术
目前国内外无线通信的成熟技术，主要还是采用无线电通信和无线激光通信，两者各有优势，但又存在不足：无线电通信方式的频谱资源重叠占用现象严重，易受强电磁波辐射干扰，保密性较低，其发射的电磁波可在较远的地方监听、干扰、探测。无线激光通信方式虽具有较强的通信抗干扰性及保密性，但由于激光是沿直线传播的，不能跨越障碍物进行通信，因此不适合在复杂地形环境中使用。
常规的无线通信系统对于不在通信范围之内的节点通信，通常自组局域网，采用车载台或者基地转发台做为中继设备来扩大通信覆盖范围，这些中继设备庞大、复杂、投资高、机动灵活性差，不适应军事、安全通信需求。
紫外光通信数据传输保密性高，辐射的紫外光信号扩散在大气层中被大气吸收，这种信号场强的衰减指数是距离的函数，根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率，使其在通信范围之外的辐射功率减至最小，从而使对方很难截获紫外光通信信号。
紫外光通信抗干扰能力强，紫外光的辐射功率可根据通讯距离的要求减至更小，因此常规的无线电设备很难干扰紫外光通信信号。
紫外光通信可用于非视距通信，由于大气中存在大量的粒子，在传输的过程中紫外光辐射存在较大的散射现象，这种散射特性使紫外光通信遇见障碍物能跨越，以非视距方式传输信号，紫外光通信更适应近距离的、隐蔽的、地形复杂的环境。
日盲波段的紫外光单级通信距离半径有限，要达到一定距离范围内的通信目的，就必须自组建具有中继功能的局域网络紫外光通信系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的不足及紫外光单级通信距离半径有限的问题，提供一种中继传输紫外光通信信号系统及方法，该系统的副机具有中继传输功能，实现紫外光自组局域网多跳远程通信。
其具体技术方案为：
一种中继传输紫外光通信信号系统，包括一个主机和若干个具有中继传送功能的副机，所述副机包括中间副机和目的副机，主机与副机之间采用点对多点或点对点的半双工通信链路、副机与副机之间采用点对点的半双工通信链路，借助中间副机中继功能实现自组局域网多跳远程通信。
目的副机不在主机单级通信传输距离范围内，主机与目的副机之间无有效路径，首先建立路由，主机将路由请求(RREQ)报文通过紫外光通信信号向中间副机广播发送。
中间副机接收单元将紫外光信号光学收集、紫外光探测器检测、光电信号转换、去除PD的直流偏置信号、可变增益放大、滤波除去杂散光、模数信号转换，中继管理单元(ARM+FPGA)对信号进行采集、解调、解码(所采用的解调、解码方法与主机相对应)，控制拨码开关状态(输出波特率、地址、时钟同步等)设置，信号调制为直流脉冲信号，并通过控制发射单元高速开关、光电耦合器将数字直流脉冲信号耦合于紫外LED驱动基准电源上，驱动阵列紫外LED光源模块中继发射紫外光通信信号，中继管理单元根据相关拓扑网络等信息，确定向相邻中间副机中继传送直到目的副机或者中继直达目的副机的路径，同时建立反向路由。电源管理单元一部分调压后直流电作为阵列紫外LED发射的驱动基准电源，一部分降压后的直流电作为各单元电路使用电源。
目的副机接收的路由请求(RREQ)经中继管理单元处理，通过发射单元将路由应答(RREP)信息按原路径反馈主机，主机根据传输时间长度最短，中间副机跳数最少确定到达目的副机的最佳路由，DATA数据信息按此建立路由，通过中间副机中继传输功能向目的副机发送紫外光通信信号，实现多跳远程通信。
主机与副机的架构组成基本相同，本发明详细说明副机的架构，每个副机由中继管理单元、发射单元、接收单元、电源管理单元组成。
优选地，所述的副机中继管理单元由处理器(ARM+FPGA)，RTC时钟源、拨码开关、对外接口硬件组成。处理器是由ARM为主处理与FPGA为从处理组成，ARM模块是整个中继管理单元的核心模块，负责处理和协调各个模块之间的工作，通过ARM实现信息处理流程、信息中继、路由建立、时钟同步、数字信息整理、解调、解码(解调、解码方法与主机调制、编码的方式相对应)、编码、组装等。FPGA模块负责ARM与接收、发射单元的信息交互，并具有信息缓存、分时提取、信息调制、控制接收、发射单元信息的传输。ARM与FPGA之间通过数据总线和地址总线进行通信，RTC时钟源提供本机收发报文的定时时间，拨码开关用于状态(输出波特率、地址、时钟同步等)设置，对外接口带有调试、蓝牙、WLAN、USB等人机交互接口。
优选地，所述的副机发射单元由光电耦合器、高速开关、阵列紫外LED光源模块组成。光电耦合器是将调制后的直流脉冲信号耦合到紫外LED驱动基准电源上，高速开关调节阵列紫外LED光源模块的发射时序，阵列紫外LED光源模块经过紫外LED驱动基准电源驱动，发射耦合了直流脉冲信号的紫外光。
优选地，所述的副机接收单元由光学集光器、自制紫外光探测器、可变增益放大器(VGA)、带通滤波器(BPF)、数模转换(ADC)模块、对外接口组成。外机发射来的微弱紫外光经光学集光器收集、自制紫外光探测器检测、光电信号转换、去除直流偏置信号、可变增益放大器(VGA)使电信号增益放大、带通滤波器(BPF)去除杂散光、模数转换(ADC)模块将模拟电信号转换为数字信号，对外接口带有WIFI、蓝牙、USB等人机交互接口。
优选地，所述电源管理单元由高能量锂离子电池、直流调压器(DC/DC)、充电接口组成。高能量锂离子电池具有供电、充电功能，一部分调压后直流电供给阵列紫外LED发射的驱动基准电源，一部分降压后直流电供给各单元电路使用电源，通过充电接口与外电源实现电能补充。
一种中继传输紫外光通信信号方法，包括以下步骤：
步骤1、目的副机不在主机单级通信传输距离范围内，主机与目的副机之间无有效路径，首先建立路由。主机通过紫外光通信信号向中间副机广播发送路由请求(RREQ)。每个节点(包括主机和副机)都有自己的序列号和广播ID，主机每发送一次路由请求(RREQ)便把自己的序列号和广播ID记录到路由请求(RREQ)中，如果中间副机中继一次路由请求(RREQ)，广播ID自动加1，AOVD路由协议利用目的副机序列号确定所有路径没有环路，没有重叠、没有交叉，所有路由信息都是新的。
步骤2、中间副机中继管理单元只在第一次接收到该路由请求(RREQ)信息时进行处理，以后接收到同样的路由请求(RREQ)信息便丢弃，若发现路由请求(RREQ)报文不是发给本副机，又没有目的副机的信息时，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间副机中继传送路由请求(RREQ)，直至到达目的副机为止，同时建立反向路由。此路由需要保存到路由请求(RREQ)穿越网络，直到目的副机路由应答(RREP)反馈到主机为止，反向路由包括中间副机上下节点信息。当路由链路出现断链，在修复时间内不可修复，路由出错(RRER)广播通知其上游中间副机此路不通，直到主机收到路由出错(RRER)然后重新按步骤1进行路由请求(RREQ)过程。
步骤3、如果路由请求(RREQ)是分组到达目的副机，目的副机就会分组回复路由应答(RREP)，不在路由上的中间副机因生存时间超时而被删除，主机如果接收多条到达目的副机的路由应答(RREP)信息时，就会根据主机至目的副机传输时间长度最短，中间副机跳数最少确定到达目的副机的最佳路由，至此路由就建立了。
步骤4、当主机开始向目的副机发送DATA数据报文前，先向目的副机发送RTS(请求发送)信息，目的副机收到RTS后反馈给主机一个CTS(清除发送)消息，主机收到后便开始按此信道，通过中间副机中继功能发送DATA数据报文，等待DATA数据报文传送完毕，目的副机反馈给主机一个ACK(应答信号)消息，主机收到这一消息后便恢复信道为空闲状态，这样一次中继传输紫外光通信就完成了。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用中间副机中继功能实现自组局域网多跳远程通信，该系统体积小、重量轻、功耗低、投资少、抗干扰性强、保密性高、携带方便，可用于非视距通信等特点，适合于安全、救灾、消防、军事等领域小分队通信。
附图说明
图1一种中继传输紫外光通信信号系统示意图。
图2副机架构示意图。
图3一种中继传输紫外光通信信号方法流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术作进一步详细地说明。
本发明提供了一种中继传输紫外光通信信号系统的实施方案，该系统包括：一个主机、十个副机(中间副机、目的副机)，主机与副机之间采用点对多点或点对点的半双工通信链路，副机与副机之间采用点对点的半双工通信链路。(见图1)
主机或副机均由中继管理单元、发射单元、接收单元、电源管理单元组成。
所述的主机或副机中继管理单元均有ARM为主处理模块，FPGA为从处理模块、拨码开关、RTC时钟模块、对外接口组成。S3C2410ARM核心模块采用920T内核，FPGA模块主要由芯片EPISI0、配置芯片EPC2LC20、JTAG接口和PCMCIA接口组成，RTC时钟采用芯片S29CL80D，拨码开关采用OOK调制技术，对外接口包括USB接口、调试串口、蓝牙接口、WLAN接口，ARM与FPGA之间通过数据总线、地址总线进行通信。
所述的主机或副机发射单元由光电耦合器、高速开关、定制阵列紫外LED光源模块组成。阵列紫外LED光源模块是紫外光发射的核心。
所述的主机或副机接收单元由光学集光器(透镜和SB-AF紫外滤光片组成)、自制紫外光探测器、可变增益放大器、带通滤波器、数模转换模块、对外接口(wifi接口、蓝牙接口、USB接口)组成。
所述的主机或副机电源管理单元由高能量锂离子电池、直流调压器、充电接口组成，具有供充电功能，一部分调压后直流电作为阵列紫外LED发射光的驱动基准电源，一部分降压后3.3V直流电供给各单元硬件电路使用电源。通过充电接口与外电源实现电能补充。(见图2)
所述的主机采用优化的Ad Hoc网络通用协议栈，传输层采用UDP协议、网络层采用AODV路由协议、数据链路层采用MAC协议(IEEE802.11DCF)，AODV路由协议包括三个基本控制分组报文，路由请求(RREQ)、路由应答(RREP)、路由出错(RRER)。
优化路由请求(RREQ)报文格式：
RREQ标识和SRC(主机IP地址)一起保证唯一标识的路由请求(RREQ)一次路由建立过程，T1记录路由请求(RREQ)发出时间。
优化路由应答(RREP)报文格式：
T2记录路由请求(RREQ)收到时间，T3记录路由应答(RREP)发出时间，T2-T1是主机经中间副机至目的副机路由请求(RREQ)报文所传输的时间，不在路由上的中
间副机因生存时间超时而被删除，
路由出错(RRER)报文格式：
优化AODV路由协议中还包括数据结构表：路由表、邻居中间副机列表和广播ID表。路由表条目主要有目的副机、下一中继中间副机、处于激活状态的中间副机、时钟偏差、传输延时、生存时间等。
优化路由表条目数据结构如下：
Stuct rt_entry
{in_addr rt_nexttip；∥下一中间副机地址
Bool rt_flag；∥标志位
in_addr re_dst；∥目的副机地址
Char rt_nextmac[б]；
int rt_hop；∥中继次数
in_addr rt_prelist[10]；∥上一中间副机地址
Re_entry link；∥指向激活的相邻中间副机
Synchronization flag：∥同步完成标志f
Estimation of clock error：∥时钟偏差估计σ
Estimation of transmission delay：∥传输延时估计D}
邻居中间副机列表记录激活状态的相邻中间副机和其生存时间，相邻中间副机数据结构如下：
所述的主机通过控制发射单元紫外光通信信号，广播发送路由请求(RREQ)报文，中间副机中继管理单元只在第一次接收到该路由请求(RREQ)信息时进行处理，以后接收到同样的路由请求(RREQ)信息便丢弃，若发现路由请求(RREQ)报文不是发给本副机，又没有目的副机的信息时，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间副机中继传送路由请求(RREQ)，直至到达目的副机为止，同时建立反向路由，此路由需要保存到路由请求(RREQ)穿越网络，直到路由应答(RREP)反馈到主机为止，反向路由包括路径中间副机上下节点信息。当路由链路出现断链，在修复时间内不可修复，路由出错(RRER)广播通知其上游中间副机此路不通，直到主机收到路由出错(RRER)然后重新进行路由发现过程。
如果路由请求(RREQ)是分组到达目的副机，目的副机就会分组回复路由应答(RREP)，不在路由上的中间副机因生存时间超时而被删除，如果主机接收多条到达目的副机的路由应答(RREP)信息时，主机根据主机至目的副机传输时间长度最短，中间副机跳数最少确定到达目的副机的最佳路由，至此路由就建立了。
当主机开始向目的副机发送DATA数据报文前，先向目的副机发送RTS(请求发送)信息，目的副机收到RTS后反馈给主机一个CTS(清除发送)消息，主机收到后便开始按此信道，通过中间副机中继功能发送DATA数据报文，等待数据报文传送完毕，目的副机反馈给主机一个ACK(应答信号)消息，主机收到这一消息后便恢复信道为空闲状态，这样一次中继传输紫外光通信就完成了。(见图3)
第一种实施方案是通过1个主机与1个目的副机组成的紫外光通信信号模拟系统。通信链路采用的是点对点半双工回路，场域位置为室内办公场所，通信方式为视距，主机和副机紫外发射光源采用单只260nm紫外LED光源，封装镜面为球型镜面，输入功率100mw，光发射功率大于0.3mw，发射角约为7°，发射距离5m，自制的紫外光LED探测器为接收端光电检测器，接收视场约为90°，光信号调制方式为OOK，通信速率2.4kbps，主机与副机采用数字信号通信。
第二种实施方案是通过1个主机与3个副机(2个中间副机+1个目的副机)组成主从结构的中继紫外光通信信号模拟系统。主机与副机、副机与副机之间采用的是点对点半双工通信链路，场域位置为室内停车场所，通信方式为视距，主机和副机均采用4只260nm紫外LED矩阵发射光源，封装镜面为球型镜面，输入功率400mw，光发射功率大于1.2mw，发射角约为10°，总传输距离20m。自制的紫外光LED探测器为接收端光电检测器，接收视场约为90°，光信号调制方式为OOK，通信速率4.8kbps，主机与副机采用数字信号通信。
第三种实施方案是通过1个主机与10个副机(6个中间副机+4个目的副机)组成一种主从结构局域网络的中继紫外光通信信号模拟系统，主机与副机之间采用点对多点的半双工通信链路，副机之间采用点对点的半双工通信链路。场域位置为野外，通信方式为非视距，采用自设定制36只260nm阵列紫外LED光源，封装镜面为球型镜面，输入功率3.6w，光发射功率大于10.8mw，发射角约为20°，最长传输距离100m。自制的紫外光LED探测器为接收端光电检测器，接收视场约为120°，光信号调制方式为OOK通信速率4.8kbps，主机与副机采用数字信号通信。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种中继传输紫外光通信信号方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、目的副机不在主机单级通信传输距离范围内，主机与目的副机之间无有效路径，首先建立路由；主机通过紫外光通信信号向中间副机广播发送路由请求，每个节点包括主机和副机都有自己的序列号和广播ID，主机每发送一次路由请求便把自己的序列号和广播ID记录到路由请求中，如果中间副机中继一次路由请求广播ID自动加1，AOVD路由协议利用目的副机序列号确定所有路径没有环路，没有重叠，没有交叉，所有路由信息都是新的；
步骤2、中间副机中继管理单元只在第一次接收到该路由请求信息时进行处理，以
后接收到同样的路由请求信息便丢弃；若发现路由请求报文不是发给本副机，又没有目的副机的信息时，就会根据网络拓扑信息继续向相邻中间副机中继传送路由请求，直至到达目的副机为止，同时建立反向路由；此路由需要保存到路由请求穿越网络直到目的副机路由应答反馈到主机为止，反向路由包括中间副机上下节点信息；当路由链路出现断链，在修复时间内不可修复，路由出错广播通知其上游中间副机此路不通，直到主机收到路由出错,然后重新按步骤1进行路由请求过程；
步骤3、如果路由请求是分组到达目的副机，目的副机就会分组回复路由应答，不在路由上的中间副机因生存时间超时而被删除；主机如果接收多条到达目的副机的路由应答信息时，就会根据主机至目的副机传输时间长度最短，中间副机跳数最少确定到达目的副机的最佳路由，至此路由就建立了；
步骤4、当主机开始向目的副机发送DATA数据包前，先向目的副机发送请求发送信息，目的副机收到请求发送后反馈给主机一个清除发送消息，主机收到后便开始按此信道通过中间副机中继功能发送DATA数据报文，等待DATA数据报文传送完毕，目的副机反馈给主机一个应答信号消息，主机收到这一消息后便恢复信道为空闲状态，这样一次中继传输紫外光通信就完成了。
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