CN108736965B - 一种无线通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信方法及系统，解决的是保密性低、效率低的技术问题，通过采用发射机包括用于将数据转换为基带编码信号的基带编码单元，与基带编码单元连接的中央处理器，与中央处理器连接的调制模块和至少2个激光模块；每个激光模块设置有标识码，还包括计时单元及温度检测单元；中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个激光模块作为激光发射模块，根据接收自调制模块的编码结果控制激光发射模块发出激光信号；调制模块包括多个调制子单元，每个调制子单元对应一种调制方法，调制模块根据中央处理单元的调制标识码选定对应的调制子单元的技术方案，较好的解决了该问题，可用于无线通信中。

Description

一种无线通信方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种无线通信方法及系统。

背景技术

无线通信主要包括微波通信、激光通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。

现有的大气激光通信存在保密性相对较低、效率低的技术问题。因此，提供一种保密性高、抗干扰能力强、效率高的无线通信方法及系统就很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的保密性低、效率低的技术问题。提供一种新的无线通信系统，该无线通信系统具有保密性高、效率高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种无线通信系统，所述无线通信系统包括发射机和接收机，发射机与接收机互逆，发射机包括用于将数据转换为基带编码信号的基带编码单元，与基带编码单元连接的中央处理器，与中央处理器连接的调制模块和至少2个激光模块；每个激光模块设置有标识码，还包括计时单元及温度检测单元；中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个激光模块作为激光发射模块，并根据接收自调制模块的编码结果控制激光发射模块发出激光信号；调制模块包括多个调制子单元，每个调制子单元对应一种调制方法，调制模块根据中央处理单元的调制标识码选定对应的调制子单元进行编码调制。

本发明的工作原理：本发明基于解决现有技术中存在的保密性低、效率低的技术问题，在发射机与接收机出对应设置有调制方法库，中央处理单元选用一种调制方法并调用相应的调制子单元进行编码调制，调制结果包含了使用的调制方法对应的调制标识码，接收机接收到信息后先进行调制方式确定，然后再使用对应的解调方式解调信息，解决了保密性的问题。通过设计多个激光模块，并通过时间和温度参数择优选择一个效率最高、使用成本最低的激光模块作为当前信息帧的激光发射器进行激光信号发射。

全寿命周期费用由激光模块设备的净值(即激光模块设备资产原值计提折旧后的剩余价值)、运行费用和维护费用组成。由于激光模块越用越旧，故激光模块的净值会逐年降低。在运行费用上，由于激光模块使用过程中，运行效率会逐年减小，故在输入功率一定的情况下，实际激光模块的功率将随效率的减小而减小，导致运行费用逐年增加。在维护费用上，由于越用越旧的问题，激光模块出现错误的概率会越来越大，所以维护成本会逐年增加。

因此，当设备处于第一时段时，设备净值最大，运行费用最小，维护费用最小；当设备处于第二时段时，设备净值适中，运行费用适中，维护费用适中；当设备处于第三时段时，设备净值最小，运行费用最大，维护费用最大。因此，定义权值设置选取随时间变化递减。相应地，定义处于第一寿命周期时间段的激光模块的效率为ρ₁，处于第二寿命周期时间段的激光模块效率为ρ₂，处于第三寿命周期时间段的激光模块效率为ρ₃，每小时的额定能耗为β，为定值。

最终按照以上标准选择一个最优的激光发射器进行使用。

上述方案中，为优化，进一步地，所述各调制子单元均加密装置，加密装置包括真随机数生成器，伪随机数生成器及字典；真随机数生成器、伪随机数生成器通过字典共同连接有流密码生成装置；所述字典为同步的真随机数所构成；同步的真随机数由真随机数同步单元完成同步。

进一步地，所述真随机数同步单元包括同步物理随机源，与同步物理随机源依次连接的光电转换模块，A/D转换模块及延时异或单元；所述同步物理随机源包括带有外反馈腔的第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括第三半导体激光器，第三半导体激光器也具有外反射腔，三个半导体激光器的外反射腔不同；第一半导体激光器位于发射机，第二半导体激光器位于接收机。

选择其中一个激光模块作为激光发射模块中：激光模块连续工作时长作为第一优先级判断标准；实时温度作为第二优先级判断标准；激光模块工作总时长作为第三优先级判断标准。

本发明还提供一种无线通信方法，所述无线通信方法基于权利要求1-2 所述的无线通信系统，无线通信方法包括以下步骤：

步骤一，基带编码单元将数据转换为基带编码信号；

步骤二，中央控制单元在调制模块中调用一个调制子单元，调制子单元将基带编码信号处理成调制信号并作为激光发送模块控制码回传给中央控制单元；

步骤三，中央处理器接收所有激光模块的标识码信息、实时温度参数及工作时长参数，综合选择一个激光模块作为激光发射模块；

步骤四，激光发射模块根据自中央处理器接收的激光发送模块控制码发出激光信号到无线光信道中，完成发射通信信号。

进一步地，步骤三包括：

步骤1，预定义激光模块的连续工作时长阈值为t_max,将连续工作时长 t_ctn≥t_max的激光模块挑出剔除；

步骤2，预定义激光模块的最高工作温度T_max，将实时温度T_s≥T_max的激光模块挑出排除，将T_s＜T_max的所有激光模块的实时温度T_s对应的激光模块挑出剔除；

步骤2，预定义激光模块的设备生命-寿命-效率成本函数曲线，将激光模块工作总时长t_all带入到所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线得出权值H(t)；

步骤3，中央处理单元根据权值H(t)选择出一个激光模块作为激光发射模块。

进一步地，所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线是根据激光模块净值成本、实时效率及维修成本与工作总时长t_all之间的关系拟合而成的函数曲线 H(t)：

其中，α1>α2>α3，α1+α2+α3＝1。

进一步地，步骤二包括：

步骤A，调制模块定义包括多种调制方式的调制方式数据库，每一种调制方式一一对应设有调制标识码；

步骤B，定义每一帧基带编码信号的最前段与调制标识码相同位数的基带编码信号信息作为调制选定码，调制选定码作为调制标识码调出调制方式；

步骤C，调制模块根据接收的步骤B中调出的调制方式将基带编码信号调制为激光发送模块控制码。

进一步地，步骤B可替换为中央处理单元随机生成一个调制选定码配置给当前帧基带编码信号，中央处理单元根据调制选定码调用对应的调制子单元。

进一步地，所述调制方式数据库中包含的调制方式包括PPM调制，PWM调制及Turbo调制；所述PPM调制方式包括4PPM调制，8PPM调制，16PPM调制及256PPM调制。

本发明在调制后的数据上加入混沌加密，采用伪随机数与真随机数相结合的方式，采用同步的物理随机数发生器，实现了灵活、高速、高安全性流密码产生。而且，通过伪随机数与真随机数模加所产生的流密码，所具有的误码率相对同步物理随机数误码率放大的有限，不会影响其适用性。

具体地，第三半导体激光器产生初始混沌激光信号后，分别裂变成相同的 2个混沌信号注入到第一半导体激光器和第二半导体激光器；第一半导体激光器和第二半导体激光器产生的同步混沌激光信号通过光电转换模块得到电信号；电信号通过A/D模块，经过采样、量化、判决之后得到二进制序列C2D；二进制序列C2D依次经过延时异或后的随机数序列为同步的真随机数。字典根据真随机数以及其产生速率做定期的更新。

本发明的有益效果：本发明实现了高保密性、高效率、低成本的无线通信系统及方法。通过混沌加密进一步保证了系统的保密性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，实施例1中的无线通信系统示意图。

图2，函数曲线H(t)示意图。

图3，加密装置示意图。

图4，无线通信方法的流程示意图。

图5，温度与输出光功率的关系示意图。

图6，真随机数同步单元示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种无线通信系统，如图1，所述无线通信系统包括发射机和接收机，发射机与接收机互逆，发射机包括用于将数据转换为基带编码信号的基带编码单元，与基带编码单元连接的中央处理器，与中央处理器连接的调制模块和至少2个激光模块；每个激光模块设置有标识码，还包括计时单元及温度检测单元；中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个激光模块作为激光发射模块，并根据接收自调制模块的编码结果控制激光发射模块发出激光信号；调制模块包括多个调制子单元，每个调制子单元对应一种调制方法，调制模块根据中央处理单元的调制标识码选定对应的调制子单元进行编码调制。

本实施例的工作流程：基带编码单元将数据进行编码后转换为TTL电平信号。中央处理器接收该TTL电平信号后选取一个调制子单元作为实时调制，并将TTL电平输入到实时调制的调制子单元，调制子单元将调制结果反输出给中央处理器，中央处理器再将调制结果输入到挑选出的激光发射器进行激光信号的发射，中央处理器挑选激光模块是根据激光模块的计时器参数和温度参数进行挑选。本实施例中央处理器与基带编码单元，即基带编码芯片，与调制模块和激光模块的连接为电连接，外围电路按照所选的中央处理器的技术手册进行设计。该设计为本领域普通技术人员的基本常识与技能，本实施例不再赘述。

本实施例中的中央处理单元采用CPU或是单片机。计时单元采用现有的计时器，并定期通过中央处理单元的授时进行时钟校准，时钟校准采用现有技术。温度检测单元采用现有的温度传感器，依据现有的方法搭建温度检测装置。本实施例中的基带编码单元采用现有的基带编码方式和算法，本实施例不在赘述。

本实施例对温度对激光器的影响进行了研究。激光器与温度的关系主要是由于增益系数和漏电流与温度的关系。对于各种温度下的阈值电流随温度的变化，可以拟合为曲线满足：

I_th(T)＝171.55+143.87exp(T/93.2)

温度T的增加，会导致结温的升高，热阻也随着增加，输出光功率呈抛物线关系，见图5，拟合曲线为：

P＝706.67-0.209T-0.03409T²

由此可见激光器在温度超过100℃时的输出功率已经不到初始值的一般，基本时效。因此，本实施例尽量选择100℃以下的，温度较低的值的激光器作为激光发射器。能够提高通信效率，提高稳定性。

为了提高保密性，优选地，各调制子单元均加密装置，加密装置包括真随机数生成器，伪随机数生成器及字典；真随机数生成器、伪随机数生成器通过字典共同连接有流密码生成装置；所述字典为同步的真随机数所构成；同步的真随机数由真随机数同步单元完成同步。

具体地，如图6，所述真随机数同步单元包括同步物理随机源，与同步物理随机源依次连接的光电转换模块，A/D转换模块及延时异或单元；所述同步物理随机源包括带有外反馈腔的第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括第三半导体激光器，第三半导体激光器也具有外反射腔，三个半导体激光器的外反射腔不同；第一半导体激光器位于发射机，第二半导体激光器位于接收机。

不同的外反馈腔能够增加注入锁定同步的困难程度，最终使得第一半导体激光器与第二半导体激光器同步而与第三半导体激光器不同步。在此条件下，第一半导体激光器与第二半导体激光器输出的混沌激光信号的信息不会因第三半导体激光器输出信号的截获而泄露，因而能够在第一半导体激光器与第二半导体激光器之间实现私密同步。

以n＝8bit为例对实施例中的加密装置予以进一步说明。第三半导体激光器工作在以1550nm为中心附近，与第一半导体激光器与第二半导体激光器之间的频率偏差为5.8GHz。具体系统参数为第三半导体激光器与SLs的工作电流均为26.46mA。第三半导体激光器的反馈时间和强度分别为3ns和,第三半导体激光器注入到SLs的强度和延时分别为和0ns。该条件下，第一半导体激光器与第二半导体激光器自身的反馈时间和强度分别为2ns和。为了验证可行性，对第一半导体激光器与第二半导体激光器之间的同步性能进行了研究。

第一半导体激光器和第二半导体激光器的短时输出强度比较匹配时，第一半导体激光器和第二半导体激光器所产生的混沌激光信号同步良好。

为了定量的研究其同步质量，对二者互相关函数进行了评估，二者的相关系数在迟滞时间为0ns时接近1，第一半导体激光器与第二半导体激光器具有非常高的同步质量。此外还对第三半导体激光器与第一半导体激光器之间的相关函数进行了估算，其在迟滞时间为0ns时具有最高的相关系数接近0.6。

如果进一步的降低第三半导体激光器到第一半导体激光器/2的注入强度，该相关系数可以进一步减小。

当第三半导体激光器与第一半导体激光器之间的相关函相关系数为0.6 时，从注入信号即第三半导体激光器的输出信号上获得物理随机数的误码率约为0.23。考虑到实际截获过程中所出现的同步误差、采样时钟抖动、时钟失配等情况，从第三半导体激光器输出的混沌激光信号中截获同步物理随机数的误码率要比0.23高很多。所以第三破解方不能够从注入信号中截获有用的信息，保密性进一步增强。

本实施例的伪随机数生成器采用RC4流密码生成器，RC4流密码生成器是现有的，包括密钥分发模块，与密钥分发模块连接的RC4程序单元；所述密钥分发模块用于给RC4程序单元提供密钥；所述RC4程序单元用于将密钥分发模块提供的密钥作为种子执行RC4算法获得随机数序列。其中，RC4算法包括密钥初始化算法和伪随机数生成算法。基于RC4流密码生成器是现有的，本实施例不在赘述。

其中，本实施例在选择其中一个激光模块作为激光发射模块时，激光模块连续工作时长作为第一优先级判断标准；实时温度作为第二优先级判断标准；激光模块工作总时长作为第三优先级判断标准。

本实施例还提供了一种无线通信方法，该方法是基于本实施例的无线通信系统，如图4，无线通信方法包括以下步骤：

步骤一，基带编码单元将数据转换为基带编码信号；

步骤二，中央控制单元在调制模块中调用一个调制子单元，调制子单元将基带编码信号处理成调制信号并作为激光发送模块控制码回传给中央控制单元；

步骤三，中央处理器接收所有激光模块的标识码信息、实时温度参数及工作时长参数，综合选择一个激光模块作为激光发射模块；

步骤四，激光发射模块根据自中央处理器接收的激光发送模块控制码发出激光信号到无线光信道中，完成发射通信信号。

其中，步骤三包括：

步骤1，预定义激光模块的连续工作时长阈值为t_max,将连续工作时长 t_ctn≥t_max的激光模块挑出剔除；

步骤2，预定义激光模块的最高工作温度T_max，将实时温度T_s≥T_max的激光模块挑出排除，将T_s＜T_max的所有激光模块的实时温度T_s对应的激光模块挑出剔除；

步骤2，预定义激光模块的设备生命-寿命-效率成本函数曲线，将激光模块工作总时长t_all带入到所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线得出权值H(t)；

步骤3，中央处理单元根据权值H(t)选择出一个激光模块作为激光发射模块。

具体地，如图2，所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线是根据激光模块净值成本、实时效率及维修成本与工作总时长t_all之间的关系拟合而成的函数曲线H(t)：

其中，α1>α2>α3，α1+α2+α3＝1。

详细地，步骤二包括：

步骤A，调制模块定义包括多种调制方式的调制方式数据库，每一种调制方式一一对应设有调制标识码；

步骤B，定义每一帧基带编码信号的最前段与调制标识码相同位数的基带编码信号信息作为调制选定码，调制选定码作为调制标识码调出调制方式；

步骤C，调制模块根据接收的步骤B中调出的调制方式将基带编码信号调制为激光发送模块控制码。

另一种方式，步骤B可替换为中央处理单元随机生成一个调制选定码配置给当前帧基带编码信号，中央处理单元根据调制选定码调用对应的调制子单元。也就是说，另行采用标识码来选定调制方式和调制子单元。

本实施例中调制方式数据库中包含的调制方式包括PPM调制，PWM调制及 Turbo调制；所述PPM调制方式包括4PPM调制，8PPM调制，16PPM调制及256PPM 调制。本实施例的调制数据库中还可以包含其他若干的调制方式和相应的调制单元。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种无线通信系统，其特征在于：所述无线通信系统包括发射机和接收机，发射机与接收机互逆，发射机包括用于将数据转换为基带编码信号的基带编码单元，与基带编码单元连接的中央处理器，与中央处理器连接的调制模块和至少2个激光模块；每个激光模块设置有标识码，还包括计时单元及温度检测单元；

中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个激光模块作为激光发射模块，并根据接收自调制模块的编码结果控制激光发射模块发出激光信号；

调制模块包括多个调制子单元，每个调制子单元对应一种调制方法，调制模块根据中央处理单元的调制标识码选定对应的调制子单元进行编码调制；

选择其中一个激光模块作为激光发射模块时，激光模块连续工作时长作为第一优先级判断标准；实时温度作为第二优先级判断标准；激光模块工作总时长作为第三优先级判断标准。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：所述各调制子单元均加密装置，加密装置包括真随机数生成器，伪随机数生成器及字典；真随机数生成器、伪随机数生成器通过字典共同连接有流密码生成装置；所述字典为同步的真随机数所构成；同步的真随机数由真随机数同步单元完成同步。

3.根据权利要求2所述的无线通信系统，其特征在于：所述真随机数同步单元包括同步物理随机源，与同步物理随机源依次连接的光电转换模块A/D转换模块及延时异或单元所述同步物理随机源包括带有外反馈腔的第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括第三半导体激光器，第三半导体激光器也具有外反射腔，三个半导体激光器的外反射腔不同；第一半导体激光器位于发射机，第二半导体激光器位于接收机。

4.一种无线通信方法，其特征在于：所述无线通信方法基于权利要求1-3任一所述的无线通信系统，所述方法包括以下步骤：

步骤一，基带编码单元将数据转换为基带编码信号；

步骤二，中央控制单元在调制模块中调用一个调制子单元，调制子单元将基带编码信号处理成调制信号并作为激光发送模块控制码回传给中央控制单元；

步骤三，中央处理器接收所有激光模块的标识码信息、实时温度参数及工作时长参数，综合选择一个激光模块作为激光发射模块；

步骤四，激光发射模块根据自中央处理器接收的激光发送模块控制码发出激光信号到无线光信道中，完成发射通信信号。

5.根据权利要求4所述的无线通信方法，其特征在于：步骤三包括：

步骤1，预定义激光模块的连续工作时长阈值为

,将连续工作时长

的 激光模块挑出剔除；

步骤2，预定义激光模块的设备生命-寿命-效率成本函数曲线，将激光模块工作总时长

带入到所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线得出权值H(t)；

步骤3，中央处理单元根据权值H(t)选择出一个激光模块作为激光发射模块。

6.根据权利要求5所述的无线通信方法，其特征在于：所述设备生命-寿命-效率成本函 数曲线是根据激光模块净值成本、实时效率及维修成本与工作总时长

之间的关系拟合 而成的函数曲线H(t)：

其中，α1、α2、α3是预设的参数值，α1>α2>α3，α1+α2+α3＝1；t1和t2是预设的时间参数值，a、b、m、n均为预设值的常数值。

7.根据权利要求4所述的无线通信方法，其特征在于：步骤二包括：

步骤A，调制模块定义包括多种调制方式的调制方式数据库，每一种调制方式一一对应设有调制标识码；

步骤B，定义每一帧基带编码信号的最前段与调制标识码相同位数的基带编码信号信息作为调制选定码，调制选定码作为调制标识码调出调制方式；

步骤C，调制模块根据接收的步骤B中调出的调制方式将基带编码信号调制为激光发送模块控制码。

8.根据权利要求7所述的无线通信方法，其特征在于：步骤B可替换为中央处理单元随机生成一个调制选定码配置给当前帧基带编码信号，中央处理单元根据调制选定码调用对应的调制子单元。

9.根据权利要求7所述的无线通信方法，其特征在于：所述调制方式数据库中包含的调制方式包括PPM调制，PWM调制及Turbo调制；所述PPM调制方式包括4PPM调制，8PPM调制，16PPM调制及256PPM调制。

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