CN108809430B - 空间多节点激光自组网通信系统 - Google Patents

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Abstract

空间多节点激光自组网通信系统，属于无线激光通信和网络技术领域，为了解决传统的空间激光通信组网系统存在的问题，该系统由六个节点组成，第一节点与第六节点均由一个光收发模块、一个千兆网络交换机、一组大视场激光发射镜组和一组光接收镜组组成；其它每个节点均具有两个光收发模块、一个千兆网络交换机、两组大视场激光发射镜组和两组光接收镜组；每个节点中千兆网络交换机与光收发模块连接，光收发模块分别与大视场激光发射镜组和光接收镜组连接；各个节点之间通过各自对应的大视场激光发射镜组和光接收镜组相互连接；实现自组网系统内任意节点之间的数据传输；本发明可实现空间多节点激光自组网通信，适用于未来智慧物联网中的数据链传输。

Description

空间多节点激光自组网通信系统
技术领域
本发明涉及一种空间多节点组网通信系统，具体涉及一种大视场自由空间激光自组网通信系统，属于无线激光通信和网络技术领域。
背景技术
空间节点自组网通信技术将成为未来智慧物联网的核心技术之一，智慧物联网采用大量射频电子元器件和设备将产生复杂的电磁环境，可用于组网通信的频谱资源也将非常紧张，使构建智慧物联网急需一种数据传输抗干扰宽带自组网技术。光通信介质抗电磁干扰、带宽宽、不占用频谱资源，是未来物联网宽带数据链自组网通信的最佳手段之一。空间多节点激光自组网系统在救灾、应急通信、奥运比赛监测等环境中也将具有极好的应用前景。
目前的空间激光通信系统采用的技术方案均采用小视场光学天线与高精度跟瞄装置，利用高精度跟踪瞄准装置将通信终端的光学天线光轴对准，系统方可工作。这种方案使终端结构复杂、体积大、重量大，无法实现便捷、灵活地自组网，为智慧物联网提供数据链网络。小型化、轻量化的可用于高速移动系统的高鲁棒性激光通信装置成为发展方向。然而，在传统的高精度跟踪瞄准装置中，收发视场小、需要点对点精准跟踪捕获、系统结构复杂、成本高，很难满足需求。
发明内容
本发明为了解决传统的空间激光通信组网系统的收发视场小、点对点精准跟踪捕获、系统结构复杂、成本高的问题，提供了一种自由灵活的空间激光通信组网系统，实现大视场无对准多点空间灵活组网。
本发明采用以下技术方案：
空间多节点激光自组网通信系统，其特征是，该系统由六个节点组成，第一节点与第六节点均由一个光收发模块、一个千兆网络交换机、一组大视场激光发射镜组和一组光接收镜组组成；其它每个节点均具有两个光收发模块、一个千兆网络交换机、两组大视场激光发射镜组和两组光接收镜组；每个节点中千兆网络交换机与光收发模块连接，光收发模块分别与大视场激光发射镜组和光接收镜组连接；各个节点之间通过各自对应的大视场激光发射镜组和光接收镜组相互连接；实现自组网系统内任意节点之间的数据传输；通信时，信息通过千兆网络交换机进入节点内部，经由千兆网络交换机传输至节点内的光收发模块后，光收发模块通过对应的大视场激光发射镜组和两组光接收镜组将信息传输至下一节点。
本发明的有益效果：空间多节点激光自组网通信系统，采用大视场激光发射，无需点对点精确对准，即无跟瞄系统实现了不确定区域的空间动态节点链接，因此大幅降低了现有系统体积、重量与成本，提高了空间节点组网可靠性，并具有保密性好、可靠性高、传输距离远、传输信息速度快的特点。
本发明实现激光自组网通信，可以使用激光载体实现无跟瞄自组网。
在本发明中，系统由六个节点构成，每个节点分别具有千兆网络交换机、光收发模块及光学天线构成。千兆网络交换机发出的网络信号经过光学收发模块编码后调制到1550nm激光上，经由光学天线后被下一个光收发模块接收并解码，再次转化为网络信号传递给下一个节点的交换机。
本发明结构简单，成本低，操作方便，可实现空间多节点激光自组网通信，适用于未来智慧物联网中的数据链传输。
附图说明
图1：本发明空间多节点激光自组网通信系统结构示意图。
图2：本发明所述光发射光学系统结构示意图。
图3：本发明所述光接收光学系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
空间多节点激光自组网通信系统，该系统由六个节点组成，第一节点与第六节点均由一个光收发模块、一个千兆网络交换机、一组大视场激光发射镜组和一组光接收镜组组成；其它每个节点均具有两个光收发模块、一个千兆网络交换机、两组大视场激光发射镜组和两组光接收镜组；每个节点中千兆网络交换机与光收发模块连接，光收发模块分别与大视场激光发射镜组和光接收镜组连接；各个节点之间通过大视场激光发射镜组和光接收镜组相互连接，大视场激光发射保证了不确定区域内动态节点的有效链接，对于动态节点进入或退出网络，可实现无需跟瞄及光束对准；实现组网系统内任意节点之间的数据传输；通信时，信息通过千兆网络交换机进入节点内部，经由千兆网络交换机传输至节点内的光收发模块后，光收发模块通过对应的大视场激光发射镜组和两组光接收镜组将信息传输至下一节点。
如图1所示，空间多节点激光自组网通信系统，该系统包括六个网络节点，第一节点1包括第一千兆网络交换机11、第一光收发模块12、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。第二节点2包括第二千兆网络交换机21、第二光收发模块22、第三光收发模块23、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。第三节点3包括第三千兆网络交换机31、第四光收发模块32、第五光收发模块33、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。第四节点包4括第四千兆网络交换机41、第六光收发模块42、第七光收发模块43、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。第五节点5包括第五千兆网络交换机51、第八光收发模块52、第九光收发模块53、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。第六节点6包括第六千兆网络交换机61、第十光收发模块62、大视场激光发射镜组7和光接收镜组8。
第一节点1中的第一千兆网络交换机11与第一光收发模块12连接，第一光收发模块12分别与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。第二节点2中的第二千兆网络交换机21与第二光收发模块22和第三光收发模块23连接，第二光收发模块22和第三光收发模块23分别与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。第三节点3中的第三千兆网络交换机31与第四光收发模块32和第五光收发模块33连接，第四光收发模块32和第五光收发模块33分别与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。第四节点4中的第四千兆网络交换机41与第六光收发模块42和第七光收发模块43连接，第六光收发模块42和第七光收发模块43分别与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。第五节点5中的第五千兆网络交换机51与第八光收发模块52和第九光收发模块53连接，第八光收发模块52和第九光收发模块53分别与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。第六节点6中的第六千兆网络交换机61与第十光收发模块62连接，第十光收发模块62与大视场激光发射镜组7和光接收镜组8连接。各个节点之间通过各自的大视场激光发射镜组7和光接收镜组8相互连接。所使用的千兆网络交换机带宽需大于光收发模块的带宽，网线带宽需大于光收发模块的带宽。
光收发模块网络端口通过千兆网线与千兆交换机连接，发射端口使用单模FC/PC光纤跳线与大视场激光发射镜组7连接，接收端口使用多模FC/PC光纤跳线与光接收镜组8连接。空间大视场激光发射镜组7与接收镜组8进行视距上对准，使光接收镜组8处于大视场激光发射镜组7的出射光范围内。
本发明空间多节点激光自组网通信系统中，信息可通过任意一节点的交换机在组网内部传输至其它节点。信息通过网线连接第一节点1中的千兆网络交换机11，信息经由第一节点1中的千兆网络交换机11传输至第一光收发模块12的网络端口，第一光收发模块12将信息加载到1550nm波段的激光上由单模FC/PC光纤跳线连接到第一节点1的大视场激光发射镜组7，第二节点2中的光接收镜组8将接收到的光信号通过多模FC/PC光纤跳线传输给光收发模块22，第二节点2中的光收发模块22通过大视场激光发射镜组7将反馈信息发送至第一节点1的光接收镜组8后由光收发模块22接收，以确保通信链路的稳定建立并且实现全双工通信。同时，第二节点2中的光收发模块22将接收到的信息通过千兆交换机21传输至光收发模块23中，再经由大视场激光发射镜组7将信息传输至第三节点3中的光接收镜组8，所得到的信息可从第三节点3中的千兆交换机31中获得。
当信息由第二节点2传输至第四节点4时，信息由第二节点2中的千兆交换机21传输至光收发模块23后通过大视场激光发射镜组7传输至第三节点3的光接收镜组8，第三节点的光收发模块32将接收镜组8获得的信息通过千兆网络交换机31传输至光收发模块33后，经大视场激光发射镜组7将信息传输至第四节点4中的光接收镜组8，由光收发模块42对信息解调后发送至千兆网络交换机41，即可从第四节点得到第二节点发送的信息。综上可实现组网内任意节点之间的数据传输。
本发明实现动态节点自组网举例：
当第一至第六节点中任一节点退出网络时，则其相邻两节点通过各自对应的大视场激光发射镜组相互链接，由于采用的大视场激光发射镜组具有6°发射角，发射光束覆盖范围较大，10km远处可覆盖0.86km2，无需跟瞄等复杂环节即能够实现快速地信息传递，完成两节点的连接。因此，网络信息由相互链接的五个节点实现传输，形成五点自组网。
当新节点接入网络时，通过新节点的大视场激光发射镜组将信令传递给临近节点接收镜组，临近节点接收器识别节点信息后，通过临近节点的大视场激光发射镜组迅速与新节点连接，由于采用的大视场激光发射镜组具有6°发射角，发射光束覆盖范围较大，10km远处可覆盖0.86km2，无需跟瞄等复杂环节即能够实现快速地信息传递，完成新节点的接入，并实现网络拓扑结构的变化。因此，网络信息由互相链接的七个节点实现传输，形成七节点自组网。
如图2所示，本发明大视场激光发射镜组7由两块透镜构成，从光纤接口处分别为具有负折射力的第一透镜71和具有正折射力的第二透镜72，组成伽利略式望远系统结构，对激光进行准直扩束，整个发射镜组发散角为6°，数值孔径NA为0.14。
如图3所示，本发明光接收镜组8由两块透镜构成，从接收侧依序为具有正折射力的第一透镜81；具有负折射力的第二透镜82，其中所述第二透镜82呈在接收侧表面凹陷形成的弯月形，整个接收镜组接收靶面为105μm，接收视场0.9mrad。
本发明建立了完整的一种空间多节点激光自组网通信装置，可以实现空间多个节点高速信息传输，为未来空间激光通信技术在智慧物联网中的应用和发展奠定了坚实的基础。

Claims (5)

1.空间多节点激光自组网通信系统，其特征是，该系统由六个节点组成，第一节点与第六节点均由一个光收发模块、一个千兆网络交换机、一组大视场激光发射镜组和一组光接收镜组组成；其它每个节点均具有两个光收发模块、一个千兆网络交换机、两组大视场激光发射镜组和两组光接收镜组；每个节点中的千兆网络交换机与光收发模块连接，每个光收发模块分别和与之对应的一组大视场激光发射镜组和一组光接收镜组连接；各相邻节点之间通过各自对应的大视场激光发射镜组和光接收镜组相互连接；自组网系统内任意两节点之间通过中间多个节点的连接实现数据的传输；自组网通信时，信息通过千兆网络交换机进入节点内部，经由千兆网络交换机传输至节点内的光收发模块后，光收发模块通过对应的大视场激光发射镜组和光接收镜组将信息传输至下一节点。
2.根据权利要求1所述的空间多节点激光自组网通信系统，其特征在于，所述光收发模块采用1.55μm窄线宽光源输出，发射端口使用单模FC/PC光纤跳线连接，接收端口使用芯径为105μm的多模FC/PC光纤跳线连接，网络端口使用千兆网线连接至千兆网络交换机。
3.根据权利要求1所述的空间多节点激光自组网通信系统，其特征在于，所述千兆网络交换机带宽大于光收发模块的带宽，网线带宽需大于光收发模块的带宽。
4.根据权利要求1所述的空间多节点激光自组网通信系统，其特征在于，所述大视场激光发射镜组由从光纤接口侧依次为具有负折射力的第一透镜和具有正折射力的第二透镜，为伽利略式望远系统结构，对激光进行准直扩束；大视场激光发射镜组发散角为6°，数值孔径NA为0.14。
5.根据权利要求1所述的空间多节点激光自组网通信系统，其特征在于，所述光接收镜组由从接收侧依序为具有正折射力的第一透镜和具有负折射力的第二透镜，其中，所述第二透镜呈在接收侧表面凹陷形成的弯月形；光接收镜组接收靶面为105μm，接收视场为0.9mrad。
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