CN109921879B - 一种速率自适应的激光无线通信方法及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种速率自适应激光无线通信方法及通信设备，包括：第一设备接收第二设备发送的第一串行数据，第一串行数据包括第一设备发射速率期望值以及第一伪随机序列；第一设备在接收第一串行数据的过程中根据预设规则生成第二伪随机序列，根据第二伪随机序列和第一伪随机序列的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值；第一设备按照第一设备发射速率期望值对应的发射速率向第二设备发送第二串行数据，第二串行数据包括第二设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，第二设备发射速率期望值用于指示第二设备按照对应的发射速率向第一设备发送数据。本发明可以实现发射端和接收端激光调制速率自适应。

Description

一种速率自适应的激光无线通信方法及通信设备

技术领域

本发明涉及激光无线通信技术领域，更具体地，涉及一种速率自适应的激光无线通信方法及通信设备。

背景技术

激光无线通信的又叫自由空间光通信(FSO)，是一种直接利用激光在大气环境中进行信息传递的通信方式。与其他无线通信方式相比，具有带宽大、抗电磁干扰、保密性强、便于安装维护等优点，广泛应用于军事和民用领域。

目前，激光无线通信设备多采用固定速率通信，然而我们的大气信道为时变信道，信道质量受雨、雪、雾霾等气候环境影响，采用固定速率传输易造成在信道质量差时因速率相对较快而误码过多导致通信中断，信道质量好时又因速率相对较低而不利于提高系统的吞吐量。因此，设计速率自适应的FSO系统很有意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有光通信系统采用固定速率传输易造成在信道质量差时因速率相对较快而误码过多导致通信中断，信道质量好时又因速率相对较低而不利于提高系统的吞吐量的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种速率自适应的激光无线通信方法，包括如下步骤：

第一设备接收第二设备发送的第一串行数据，所述第一串行数据包括并行的第一用户数据和第一控制数据；所述第一控制数据包括：第一帧头、第一设备发射速率期望值以及第一伪随机序列，所述第一伪随机序列为第二设备在其发送所述第一串行数据的过程中以预设规则生成的序列；所述第一帧头的位置用于辅助所述第一设备确定第一用户数据和第一控制数据的相对位置；

所述第一设备在接收所述第一串行数据的过程中根据所述预设规则生成第二伪随机序列，根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值；

所述第一设备按照所述第一设备发射速率期望值对应的发射速率向所述第二设备发送第二串行数据，所述第二串行数据包括并行的第二用户数据和第二控制数据；所述第二控制数据包括：第二帧头、第二设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，所述第三伪随机序列为第一设备在其发送所述第二串行数据的过程中以预设规则生成的序列；以使所述第二设备在接收所述第二串行数据的过程中根据所述预设规则生成第四伪随机序列，并根据第四伪随机序列和第三伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第一设备发射速率的期望值；所述第二帧头的位置用于辅助所述第二设备确定第二用户数据和第二控制数据的相对位置，所述第二设备发射速率期望值用于指示所述第二设备按照对应的发射速率向第一设备发送数据。

其中，第一设备和第二设备均为全双工通信设备，均包括但不局限于发射部分和接收部分。

可选地，所述第一设备根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值，具体包括：

所述第一设备以接收到N帧第一控制数据为一个统计周期，每帧第一控制数据中第一伪随机序列的长度为m，每个统计周期内包括的N帧第一伪随机序列的长度为N×m，N和m均为正整数；

所述第一设备在每个统计周期内根据预设规则生成N帧第二伪随机序列；

所述第一设备在每个统计周期结束后，确定当前统计周期内N帧第一伪随机序列和N帧第二伪随机序列之间的误码数；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率，所述第一发射速率小于第二发射速率；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第二发射速率，所述第二发射速率小于第三发射速率；所述第一阈值小于第二阈值，所述第一阈值、第二阈值均小于N×m；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第三发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第四发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第三发射速率，所述第三发射速率小于第四发射速率；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第四发射速率时，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第四发射速率。

可选地，若当前帧同步状态为失步时，若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率；若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率、第三发射速率或第四发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率。

可选地，该通信方法还包括：所述第一设备或第二设备通过如下方式实现发射速率在第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率之间切换：

通过外部晶振提供第一时钟和第二时钟；

通过倍频器基于所述第一时钟和第二时钟中的至少一个生成第三时钟和第四时钟，所述第三时钟的时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数，所述第四时钟的频率时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数；

将所述第一时钟、第二时钟、第三时钟和第四时钟输入给所述第一设备或第二设备的时钟切换模块，所述时钟切换模块根据第一设备发射速率期望值或第二设备发射速率期望值选取其中一路时钟作为发射数据所用的时钟，所述第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率。

第二方面，本发明提供一种通信设备，包括：

串并转换模块，用于接收另一通信设备发送的第一串行数据，所述第一串行数据包括并行的第一用户数据和第一控制数据；所述第一控制数据包括：第一帧头、所述通信设备发射速率期望值以及第一伪随机序列，所述第一伪随机序列为另一通信设备在其发送所述第一串行数据的过程中以预设规则生成的序列；

帧同步模块，用于确定第一帧头的位置进而确定第一用户数据和第一控制数据的相对位置；

伪随机序列生成器，用于在接收所述第一串行数据的过程中根据所述预设规则生成第二伪随机序列；

控制数据生成模块，用于根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定另一通信设备下一个统计周期发射速率的期望值；

时钟切换模块，用于根据所述通信设备发射速率期望值选取对应发射频率的时钟在发射数据时工作；

并串转换模块，用于按照所述该通信设备发射速率期望值对应的发射速率向所述另一通信设备发送第二串行数据，所述第二串行数据包括并行的第二用户数据和第二控制数据；所述第二控制数据包括：第二帧头、另一通信设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，所述第三伪随机序列为该通信设备在其发送所述第二串行数据的过程中通过伪随机序列生成器以预设规则生成的序列，以使另一通信设备在接收所述第二串行数据的过程中根据所述预设规则生成第四伪随机序列，并根据第四伪随机序列和第三伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期该通信设备发射速率的期望值；所述第二帧头的位置用于辅助所述另一通信设备确定第二用户数据和第二控制数据的相对位置，所述另一通信设备发射速率期望值用于指示所述另一通信设备按照对应的发射速率向该通信设备发送数据。

可选地，所述控制数据生成模块以接收到N帧第一控制数据为一个统计周期，每帧第一控制数据中第一伪随机序列的长度为m，每个统计周期内包括的N帧第一伪随机序列的长度为N×m；在每个统计周期内根据预设规则生成N帧第二伪随机序列；在每个统计周期结束后，确定当前统计周期内N帧第一伪随机序列和N帧第二伪随机序列之间的误码数；当上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第一发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第一发射速率，所述第一发射速率小于第二发射速率；当上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第二发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第一发射速率，否则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第二发射速率，所述第二发射速率小于第三发射速率；所述第一阈值小于第二阈值，所述第一阈值、第二阈值均小于N×m；当上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第三发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第四发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第三发射速率，所述第三发射速率小于第四发射速率；当上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第四发射速率时，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，否则下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第四发射速率。

可选地，若当前帧同步状态为失步时，若上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第一发射速率时，则所述控制数据生成模块选定下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第一发射速率；若上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第二发射速率、第三发射速率或第四发射速率时，则所述控制数据生成模块将下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第一发射速率。

可选地，该通信设备还包括：外部晶振和倍频器；

所述外部晶振，用于提供第一时钟和第二时钟；

所述倍频器，用于基于所述第一时钟和第二时钟中的至少一个生成第三时钟和第四时钟，所述第三时钟的时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数，所述第四时钟的频率时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数；

所述时钟切换模块，接收输入的四路第一时钟、第二时钟、第三时钟和第四时钟信号，根据该通信设备当前统计周期发射速率期望值选取其中一路时钟作为发射数据所用的时钟，所述第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的速率自适应的激光无线通信方法及通信设备可以维持收发端的对准，并能根据接收端的接收状况，参考伪随机序列的误码比特数，选定发射端的发射速率并反馈给发射端，从而自适应切换发射端的激光调制速率，解决了传统的激光无线通信系统因速率固定而不能兼容维持通信链路的稳定性与提高信道利用率的问题。

本发明提供的速率自适应的激光无线通信方法及通信设备采用复分接的思路将用户数据和控制数据复接为一路输出调制激光器，因此无需额外的光路进行对准和信道检测，简化了整个无线激光通信系统的设计。

附图说明

图1为本发明提供的速率自适应的激光无线通信方法流程图；

图2为本发明提供的通信设备的整体架构框图；

图3为本发明提供的通信设备发射速率期望值的更新规则示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种速率自适应激光无线通信系统设计方案，可以维持收发端的对准，同时实现激光无线通信速率根据当前信道质量自动切换，以维持通信链路稳定性的功能。

图1为本发明提供的速率自适应的激光无线通信方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S101，第一设备接收第二设备发送的第一串行数据，所述第一串行数据包括并行的第一用户数据和第一控制数据；所述第一控制数据包括：第一帧头、第一设备发射速率期望值以及第一伪随机序列，所述第一伪随机序列为第二设备在其发送所述第一串行数据的过程中以预设规则生成的序列；所述第一帧头的位置用于辅助所述第一设备确定第一用户数据和第一控制数据的相对位置；

S102，第一设备在接收所述第一串行数据的过程中根据所述预设规则生成第二伪随机序列，根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值；

S103，第一设备按照所述第一设备发射速率期望值对应的发射速率向所述第二设备发送第二串行数据，所述第二串行数据包括并行的第二用户数据和第二控制数据；所述第二控制数据包括：第二帧头、第二设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，所述第三伪随机序列为第一设备在其发送所述第二串行数据的过程中以预设规则生成的序列；以使所述第二设备在接收所述第二串行数据的过程中根据所述预设规则生成第四伪随机序列，并根据第四伪随机序列和第三伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第一设备发射速率的期望值；所述第二帧头的位置用于辅助所述第二设备确定第二用户数据和第二控制数据的相对位置，所述第二设备发射速率期望值用于指示所述第二设备按照对应的发射速率向第一设备发送数据。

其中，第一设备和第二设备均为全双工通信设备，均包括但不局限于发射部分和接收部分。

可选地，所述第一设备根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值，具体包括：

所述第一设备以接收到N帧第一控制数据为一个统计周期，每帧第一控制数据中第一伪随机序列的长度为m，每个统计周期内包括的N帧第一伪随机序列的长度为N×m，N和m均为正整数；

所述第一设备在每个统计周期内根据预设规则生成N帧第二伪随机序列；

所述第一设备在每个统计周期结束后，确定当前统计周期内N帧第一伪随机序列和N帧第二伪随机序列之间的误码数；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率，所述第一发射速率小于第二发射速率；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第二发射速率，所述第二发射速率小于第三发射速率；所述第一阈值小于第二阈值，所述第一阈值、第二阈值均小于N×m；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第三发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第四发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第三发射速率，所述第三发射速率小于第四发射速率；

当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第四发射速率时，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第四发射速率。

可选地，若当前帧同步状态为失步时，若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率；若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率、第三发射速率或第四发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率。

需要说明的是，激光无线通信的质量会受天气状况影响，雨雪雾的天气通信质量差，误码会比较高，不能保证通信的稳定进行。速率越低，抗干扰能力越强，误码也相应的越低。所以当受天气影响接收端误码比较高的时候，通过降低速率可以有效降低误码，保证通信的进行；另外，天气状况好误码极少的时候，就可以提高速率。

在一个示例中，该通信方法还包括：所述第一设备或第二设备通过如下方式实现发射速率在第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率之间切换：

通过外部晶振提供第一时钟和第二时钟；

通过倍频器基于所述第一时钟和第二时钟中的至少一个生成第三时钟和第四时钟，所述第三时钟的时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数，所述第四时钟的频率时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数；

将所述第一时钟、第二时钟、第三时钟和第四时钟输入给所述第一设备或第二设备的时钟切换模块，所述时钟切换模块根据第一设备发射速率期望值或第二设备发射速率期望值选取其中一路时钟作为发射数据所用的时钟，所述第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率。

本发明提出的速率自适应激光无线通信设备设计方案，包括以太网通信部分，发射部分和接收部分；以太网通信部分包括：用于物理层功能实现的PHY芯片、用于数据链路(MAC)层功能实现的Triple-Speed-Ethernet(TSE)ip核、以及对TSE MAC ip核的控制模块，其中，TSE ip核和其控制模块均在FPGA中实现；所述发射部分包括：时钟切换管理模块、十分频模块、控制信号生成相关模块、扰频模块、并串转换模块、激光器驱动模块，除激光器驱动模块外，其他模块均在FPGA中设计实现；所述接收部分包括光探测器，时钟恢复模块、十分频模块、串并转换模块，帧同步模块，相位调整模块，解扰模块，边沿检测模块，计数识别模块以及误码检测相关模块，除光探测器、时钟恢复模块外，其他模块均在FPGA内实现。

以太网通信部分中的PHY芯片用于物理层功能实现，支持自协商功能，支持10M/100M/1000Mbps三种网络速率，支持电口或光口，与MAC层之间的数据传输采用MII和GMII接口，当网络数据是10Mbps或100Mbps时，采用MII接口，当网络数据是1000Mbps时，采用GMII接口；以太网通信部分中MAC层的TSE ip核用于将用户端发送过来的网络数据封装成帧，并用可编程的暂停量实现流控制，使能灵活的负载流控制；以太网通信部分中MAC层的TSE ip核的控制模块，采用状态机的思想，对MAC的关键寄存器进行配置。

所述发射部分中的时钟切换管理模块实现输出时钟频率(激光无线通信速率)的自适应切换功能，该模块包含一个pll核和一个clkctrl核，pll核用于将外部晶振倍频为所需的几个频率的时钟，clkctrl核提供多个时钟输入信号之间的无缝切换功能，将clkctrl的输出时钟送入所述发射部分中的十分频模块，生成所述以太网通信部分中MAC层内部FIFO的接收时钟。

发射部分中的控制信号生成相关模块，采用位拼接的思想，生成一路包含帧同步码、本端接收光功率、远端发射速率期望值、伪随机序列四项内容的控制信号；其中，本端接收光功率作为控制信号的一部分反馈给远端用于收发端对准，使接收端的光功率始终维持在光探测器的探测范围内；远端发射速率期望值反馈给远端供远端的时钟切换管理模块自适应切换输出时钟；伪随机序列用于远端做接收端的误码检测。

发射部分中的扰频模块用于对所述MAC层内部FIFO接收到的网络数据做直流平衡处理，使网络空闲时接收部分的时钟恢复芯片仍能正常工作；

发射部分中的并串转换模块用于将所述MAC层内部FIFO接收到的八路并行网络数据与数据有效标记信号与本端控制信号转换为一路高速串行数据输出调制激光器。

接收部分的光探测器用于将接收到的光信号转换为电信号，同时探测接收光功率；接收部分的时钟恢复模块用于从接收端光电转换后的高速串行数据流中恢复出它的同步时钟；接收部分的十分频模块用于将时钟恢复模块恢复的同步时钟进行十分频；接收部分的串并转换模块用于将接收到的高速串行数据流做串并转换。

接收部分的帧同步模块包括搜索态、校核态、同步态三个模块，用于从串并转换后的十路并行数据中找出带帧同步码的远端控制信号；接收部分的计数识别模块用于从远端控制信号中识别出远端接收光功率、发送速率期望值、伪随机序列；接收部分的相位调整模块采用FIFO缓存的方法，用于从剩下的九路信号中确定网络数据与数据有效标记信号；接收部分的解扰模块用于将被发射部分扰频处理的网络数据解扰，恢复成MAC可识别的网络数据帧；接收部分的边沿检测模块用于通过对数据有效标记信号进行边沿检测，得到接收部分MAC的发送FIFO所需的发送包开始标记信号和发送包结束标记信号；接收部分的误码检测模块将接收到的控制信号的伪随机序列与本地生成的伪随机序列逐位比较，检测结果作为生成控制信号中远端发射速率期望值的参考。

图2为本发明实施例提供的通信设备整体架构框图，参照图2，包括：用户端(1)、物理层芯片(2)、10/100/1000Mbps MAC层ip核(3)、MAC控制模块(4)、扰频模块(5)、并串转换模块(6)、激光器驱动模块(7)、时钟切换管理模块(8)、十分频模块(9)、伪随机序列发生器(10)、比较器(11)、位拼接模块(12)、光探测器(13)、时钟恢复模块(14)、串并转换模块(15)、帧同步模块(16)、计数识别模块(17)、相位调整模块(18)、解扰模块(19)、边沿检测模块(20)。

为了便于说明，下面结合图2对本系统的以太网通信部分、发射部分和接收部分做详细介绍。

一、以太网通信部分

本发明实施例中，以太网通信部分主要包括图2中的用户端(1)、物理层芯片(2)、10/100/1000Mbps MAC层ip核(3)、MAC控制模块(4)。

所述用户端(1)可以是个人计算机，也可以是路由器、交换机等设备接入以太网；

所述物理层芯片(2)要求支持10M/100M/1000Mbps三种网络速率，具备自协商功能，支持电口和光口接入，示例性的，具体实现中可以采用Marvell公司的88E1111芯片；

示例性的，所述10/100/1000Mbps MAC层ip核(3)可以选用ALTERA公司的Triple-Speed-Ethernet ip核，ip核的设置如下，此设置是一种实施例，具体设置可根据需求的调整而改动：

(1)Core variation:10/100/1000Mb Ethernet MAC

(2)interface:MII/GMII

(3)Use internal FIFO

(4)Enable MAC 10/100 half duplex support

(5)Enable full-duplex flow control

(6)FIFO Width:8Bits；Depth:2048

物理层芯片(2)与用户端(1)通过自协商功能仲裁出双方共有的最快速度，通过物理层芯片(2)输出的phy_led_link10和phy_led_link1000信号反馈给TSE ip核(3)的set_10和set_1000这两个信号，当set_10为1时，TSE ip核(3)工作在10Mbps的工作模式下，当set_1000为1时，TSE ip核(3)工作在1000Mbps的工作模式下，当set_10和set_1000都为0时，TSE ip核3工作在100Mbps的工作模式下；

物理层芯片(2)与MAC层的TSE ip核(3)之间的数据流的传输有MII接口和GMII接口，当物理层和MAC层工作在10Mbps或者100Mbps时，采用MII接口，MII接口采用四位数据总线，由物理层芯片(2)向MAC层TSE ip核(3)提供2.5Mhz或25Mhz时钟；当物理层和MAC层工作在1000Mbps时，采用GMII接口，GMII接口采用八位数据总线，由FPGA内部提供125Mhz时钟。

MAC控制模块(4)由FPGA内部代码实现完成，参考TSE ip核(3)和PHY芯片(2)的数据手册，采用状态机思想，对关键寄存器进行配置，其中包括对command_config寄存器的配置、对内部FIFO缓存门限寄存器的配置、对暂停帧量的寄存器配置、对SGMII接口和自协商功能的配置。

二、发射部分

本发明实施例中，发射部分主要包括图2中的时钟切换管理模块(8)、十分频模块(9)、扰频模块(5)，并串转换模块(6)、激光器驱动模块(7)以及用来生成本端控制数据的相关模块(10、12)。

时钟切换管理模块(8)用于生成并串转换所需的高速时钟，将该时钟通过十分频模块(9)后得到MAC层ip核内部接收FIFO的接收时钟，为实现无缝切换，示例性的，调用ALTERA公司的clkctrl核，由倍频器pll生成所需的200Mhz、250Mhz时钟，由外部晶振提供50Mhz和100Mhz时钟，这四个时钟作为clkctrl核的时钟输入信号，本端接收到的远端反馈来的发射速率期望值作为clkctrl核的时钟选择信号(clkselect)，该值为00时，clkctrl输出50Mhz时钟，该值为01时，clkctrl输出100Mhz时钟，该值为10时，clkctrl输出200Mhz时钟，该值为11时，clkctrl输出250Mhz时钟，最终实现本端发射速率在50Mbps、100Mbps、200Mbps、250Mbps中自适应切换功能。本实施例中设置的各时钟频率可根据具体需求和硬件条件更改。

具体地，50Mhz、100Mhz、200Mhz、250Mhz分别对应第一时钟、第二时钟、第三时钟、第四时钟，50Mbps、100Mbps、200Mbps、250Mbps分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率、第四发射速率。各时钟频率可根据具体需求和硬件条件更改，具体实现方式如下：本端控制数据的生成采用位拼接的思想，以256bit为一帧，采用连贯式插入法在每一帧最前端插入16bit的巴克码作为帧头供远端接收部分进行帧同步识别控制数据所在路数，之后跟随16bit的本端接收光功率信号供远端对准，跟随2bit的远端发射速率期望值反馈给远端作为远端clkctrl核的时钟选择信号(clkselect)实现时钟速率切换，跟随222bit的伪随机序列供远端接收部分做误码检测。

其中，2bit的远端发射速率期望值的更新由本端接收部分的帧同步情况与误码检测结果决定。规则如图3所示，该值初始化为00，由于接收部分需先通过帧同步确定控制信号所在路数后才能通过比较伪随机序列进行误码检测，在信道状况恶劣的情况下，当前速率有可能因误码过多使接收端无法实现帧同步，也就无法进行后续的误码检测，因此当帧同步状态为失步时，无论当前远端发射速率为多少，都直接跳转到最低速，即反馈给远端的clkselect都更新为00；当帧同步状态为同步态时，以N帧控制数据为一个统计周期，即每个周期内统计总数为222*N，每个统计周期结束后，通过比较当前误码数x与所设阈值y1,y2的大小(0<y1<y2<222*N)来更新反馈给远端的clkselect值。若当前远端的clkselect为00，如果x<y1，则反馈给远端的clkselect更新为01，否则保持为当前值00；若当前远端的clkselect为01，如果x<y1，则反馈给远端的clkselect更新为10，如果x>y2，则反馈给远端的clkselect更新为00，否则保持为当前值01；若当前远端的clkselect为10，如果x<y1，则反馈给远端的clkselect更新为11，如果x>y2，则反馈给远端的clkselect更新为01，否则保持为当前值10；若当前远端的clkselect为11，如果x>y2，则反馈给远端的clkselect更新为10，否则保持为当前值11。

时钟切换管理模块(8)根据具体clkselect信号选定对应的时钟频率。需要说明的是，本发明提供的速率自适应通信方法，一侧的通信设备根据误码数更新完clkselect信号后，通过串行数据发送给另一侧通信设备，以指示另一侧通信设备按照更新后的clkselect信号对应的发射速率发射信号。如此循环往复自适应实时更新两侧通信设备的发射速率。

扰频模块(5)用于解决当网络信道空闲用户数据一直为0时，并串转换后的高速串行比特流中会出现大量连0的情况，导致接收端无法恢复出其同步时钟的问题，实现方法为将MAC层ip核(3)内部FIFO接收到的8位并行的网络用户数据与8’b101010101异或后输出。

并串转换模块(6)采用复接的思想将10路并行数据(8路用户数据、1路数据有效标记信号、1路本端控制数据)复接为1路高速串行数据。

示例性的，所述激光器驱动模块(7)采用MAX3738芯片和1550nm dfb激光二极管。

三、接收部分

本发明实施例中，接收部分包括图2中的光探测器(13)、时钟恢复模块(14)、十分频模块(9)、串并转换模块(15)、帧同步模块(16)，计数识别模块(17)、相位同步模块(18)、解扰模块(19)、边沿检测模块(20)以及误码检测相关模块(10、11、17)。

示例性的，光探测器(13)可以采用带DDM检测功能的SFP光模块完成，完成光电转换的同时实现接收光功率探测。

示例性的，时钟恢复模块(14)采用时钟恢复芯片完成，所选芯片型号为ADN2812，可以从12.3Mb/s至2.7Gb/s的串行数据流中恢复其同步时钟，并将该时钟送入十分频模块(9)进行分频，得到图2所示的时钟ff_tx_clk，该时钟作为MAC层内部发送FIFO的发送时钟，同时也是后续帧同步、误码检测、相位调整、解扰、计数识别、边沿检测所需的时钟。

串并转换模块(15)采用分接的思想，在ADN2812恢复出的时钟的作用下，将ADN2812输出的数据分接为十路并行数据，再将这十路并行数据送入帧同步模块(16)确定远端控制数据所在路数，并通过计数识别模块(17)，从这一路数据中提取出远端的光接收功率用于对准，提取出远端反馈来的发射速率期望值作为本端时钟切换管理模块中的时钟选择信号，提取出的伪随机序列与本地伪随机序列生成器(10)以相同规则生成的序列通过比较器(11)逐比特对比，连续统计N帧，计算N帧中错误的位数x。

帧同步模块(16)包含搜索态、校核态和同步态这三种状态。在数据接收的起始时刻，或帧校核时出现未同步帧，或同步态时出现连续帧未同步则转入搜索态，搜索态会在串并转换后的十路数据流中持续搜索帧同步码，搜索完成后，为防止出现假锁，会将搜索到帧同步码的这一路数据送入校核态，确认在接下来的L帧中是否依然可以在正确的位置找到帧同步码，校核完成后进入同步态，在同步态时，如若出现连续M帧数据未同步，则认为失步，进入搜索态。

由于串并转换后的十路信号，相邻两路信号间会有1/5pi的相位差，且帧同步所确定的远端控制数据所在路数可以是任意的，因此将除远端控制数据以外的九路数据送入相位调整模块(18)进行相位调整，从而确定八路用户数据与帧有效标记信号。其中，确定的用户数据为扰频后的数据，因此需要将这八路用户数据送入解扰模块(19)解扰，解扰的方法为将这八路数据再次与8’b10101010异或，异或的结果即为原始网络数据，该网络数据在ff_tx_clk时钟的作用下，发送给MAC层内部发送FIFO，实现数据通信。将确定的帧有效标记信号送入边沿检测模块(20)得到内部发送FIFO所需的发送包开始标记信号和发送包结束标记信号。

本发明公开了一种速率自适应激光无线通信系统的设计方案，系统包括以太网通信部分、发射部分和接收部分。其中，以太网通信部分包括物理层芯片88E1111、MAC层的Triple-Speed-Ethernet(TSE)ip核及MAC控制模块；发射部分包括时钟切换管理模块、控制信号生成相关模块、扰频模块、并串转换模块以及激光器驱动模块；接收部分包括光探测器、时钟恢复模块、串并转换模块，帧同步模块，计数识别模块、相位调整模块，解扰模块以及误码检测相关模块。该系统支持10/100/1000M以太网用户数据接入，接口为RJ45网口或SFP光口，可以维持激光无线通信收发端的对准，并能根据当前信道质量自适应地切换激光无线通信的速率，在确保无线通信链路稳定的同时，更好地利用时变信道的有限带宽。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种速率自适应的激光无线通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一设备接收第二设备发送的第一串行数据，所述第一串行数据包括并行的第一用户数据和第一控制数据；所述第一控制数据包括：第一帧头、第一设备发射速率期望值以及第一伪随机序列，所述第一伪随机序列为第二设备在其发送所述第一串行数据的过程中以预设规则生成的序列；所述第一帧头的位置用于辅助所述第一设备确定第一用户数据和第一控制数据的相对位置；

所述第一设备在接收所述第一串行数据的过程中根据所述预设规则生成第二伪随机序列，根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第二设备发射速率的期望值；所述第一设备以接收到N帧第一控制数据为一个统计周期，每帧第一控制数据中第一伪随机序列的长度为m，每个统计周期内包括的N帧第一伪随机序列的长度为N×m，N和m均为正整数；所述第一设备在每个统计周期内根据预设规则生成N帧第二伪随机序列；所述第一设备在每个统计周期结束后，确定当前统计周期内N帧第一伪随机序列和N帧第二伪随机序列之间的误码数；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率，所述第一发射速率小于第二发射速率；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第二发射速率，所述第二发射速率小于第三发射速率；所述第一阈值小于第二阈值，所述第一阈值、第二阈值均小于N×m；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第三发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第四发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第三发射速率，所述第三发射速率小于第四发射速率；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第四发射速率时，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第四发射速率；

所述第一设备按照所述第一设备发射速率期望值对应的发射速率向所述第二设备发送第二串行数据，所述第二串行数据包括并行的第二用户数据和第二控制数据；所述第二控制数据包括：第二帧头、第二设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，所述第三伪随机序列为第一设备在其发送所述第二串行数据的过程中以预设规则生成的序列；以使所述第二设备在接收所述第二串行数据的过程中根据所述预设规则生成第四伪随机序列，并根据第四伪随机序列和第三伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期第一设备发射速率的期望值；所述第二帧头的位置用于辅助所述第二设备确定第二用户数据和第二控制数据的相对位置，所述第二设备发射速率期望值用于指示所述第二设备按照对应的发射速率向第一设备发送数据。

2.根据权利要求1所述的速率自适应的激光无线通信方法，其特征在于，若当前帧同步状态为失步时，若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率；若上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率、第三发射速率或第四发射速率时，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率。

3.根据权利要求1或2所述的速率自适应的激光无线通信方法，其特征在于，还包括：所述第一设备或第二设备通过如下方式实现发射速率在第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率之间切换：

通过外部晶振提供第一时钟和第二时钟；

通过倍频器基于所述第一时钟和第二时钟中的至少一个生成第三时钟和第四时钟，所述第三时钟的时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数，所述第四时钟的频率时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数；

将所述第一时钟、第二时钟、第三时钟和第四时钟输入给所述第一设备或第二设备的时钟切换模块，所述时钟切换模块根据第一设备发射速率期望值或第二设备发射速率期望值选取其中一路时钟作为发射数据所用的时钟，所述第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率。

4.一种通信设备，其特征在于，包括：

串并转换模块，用于接收另一通信设备发送的第一串行数据，所述第一串行数据包括并行的第一用户数据和第一控制数据；所述第一控制数据包括：第一帧头、所述通信设备发射速率期望值以及第一伪随机序列，所述第一伪随机序列为另一通信设备在其发送所述第一串行数据的过程中以预设规则生成的序列；

帧同步模块，用于确定第一帧头的位置进而确定第一用户数据和第一控制数据的相对位置；

伪随机序列生成器，用于在接收所述第一串行数据的过程中根据所述预设规则生成第二伪随机序列；

控制数据生成模块，用于根据第二伪随机序列和第一伪随机序列之间的误码比特数选定另一通信设备下一个统计周期发射速率的期望值；所述控制数据生成模块以接收到N帧第一控制数据为一个统计周期，每帧第一控制数据中第一伪随机序列的长度为m，每个统计周期内包括的N帧第一伪随机序列的长度为N×m，N和m均为正整数；所述第一设备在每个统计周期内根据预设规则生成N帧第二伪随机序列；所述第一设备在每个统计周期结束后，确定当前统计周期内N帧第一伪随机序列和N帧第二伪随机序列之间的误码数；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第一发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第一发射速率，所述第一发射速率小于第二发射速率；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第二发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第一发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第二发射速率，所述第二发射速率小于第三发射速率；所述第一阈值小于第二阈值，所述第一阈值、第二阈值均小于N×m；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第三发射速率时，若所述误码数小于第一阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第四发射速率，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第二发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第三发射速率，所述第三发射速率小于第四发射速率；当上一个统计周期计算的第二设备发射速率期望值为第四发射速率时，若所述误码数大于第二阈值，则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值选定为第三发射速率，否则下一个统计周期第二设备发射速率的期望值保持为第四发射速率；

时钟切换模块，用于根据所述通信设备发射速率期望值选取对应发射频率的时钟在发射数据时工作；

并串转换模块，用于按照所述该通信设备发射速率期望值对应的发射速率向所述另一通信设备发送第二串行数据，所述第二串行数据包括并行的第二用户数据和第二控制数据；所述第二控制数据包括：第二帧头、另一通信设备发射速率期望值以及第三伪随机序列，所述第三伪随机序列为该通信设备在其发送所述第二串行数据的过程中通过伪随机序列生成器以预设规则生成的序列，以使另一通信设备在接收所述第二串行数据的过程中根据所述预设规则生成第四伪随机序列，并根据第四伪随机序列和第三伪随机序列之间的误码比特数选定下一个统计周期该通信设备发射速率的期望值；所述第二帧头的位置用于辅助所述另一通信设备确定第二用户数据和第二控制数据的相对位置，所述另一通信设备发射速率期望值用于指示所述另一通信设备按照对应的发射速率向该通信设备发送数据。

5.根据权利要求4所述的通信设备，其特征在于，若当前帧同步状态为失步时，若上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第一发射速率时，则所述控制数据生成模块选定下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值保持为第一发射速率；若上一个统计周期计算的另一通信设备发射速率期望值为第二发射速率、第三发射速率或第四发射速率时，则所述控制数据生成模块将下一个统计周期另一通信设备发射速率的期望值选定为第一发射速率。

6.根据权利要求4或5所述的通信设备，其特征在于，还包括：外部晶振和倍频器；

所述外部晶振，用于提供第一时钟和第二时钟；

所述倍频器，用于基于所述第一时钟和第二时钟中的至少一个生成第三时钟和第四时钟，所述第三时钟的时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数，所述第四时钟的频率时钟频率为第一时钟的时钟频率或第二时钟的时钟频率的倍数；

所述时钟切换模块，接收输入的四路第一时钟、第二时钟、第三时钟和第四时钟信号，根据该通信设备当前统计周期发射速率期望值选取其中一路时钟作为发射数据所用的时钟，所述第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟分别对应第一发射速率、第二发射速率、第三发射速率以及第四发射速率。

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