CN110996384B - 基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法，包括设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。结合其它结构或方法有效避免了现有技术中紫外无线光通信信道状态变化剧烈、信号幅度起伏动态范围大、背景噪声水平范围宽、相位变化速度快的缺陷。

Description

基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法

技术领域

本发明涉及无线光通信及组网技术领域，具体涉及一种基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法，特别涉及一种基于随机接入同步通信方式的紫外光组网系统及其方法。

背景技术

无线光通信作为一种新型的通信技术,同时具有光纤通信和移动通信的优势，可实现宽带传输，组网机动灵活，无需频率申请，并且抗电磁干扰，保密性好，因此如今对无线光通信的研究受到了广泛的重视。具体而言，无线光通信是以光波为载波、自由空间为传输信道的一种通信技术。相比于无线电通信，其具有不需要频率许可、频带宽、保密性好、抗电磁干扰、组网灵活等优点。

紫外光通信是无线光通信的一种，是利用紫外光在大气中的散射来进行信息传输的一种新型通信方式。紫外光波长较短，在传输过程中受大气分子和气溶胶的散射作用很强，主要受瑞利散射和米氏散射影响，散射传播路径可绕过障碍物实现非直视通信，从而可用于障碍物多、复杂电磁环境等场景，具有重要的军事应用价值。同时，波长范围在200～280nm的紫外光处于日盲区，到达地面的日盲区紫外光辐射在海平面附近几乎衰减为零。日盲区的存在，为工作在该波段的紫外光通信系统提供了一个良好的通信背景，也是相较于其他光通信方式独一无二的优势。选择紫外日盲波段光波进行传输信号时，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰，为全天候作战能力提供了通信技术支撑。

紫外光通信主要具有窃听率低、抗干扰能力强、全方位性、非直视通信、全天候工作等优点。充分利用紫外光通信的优点，构建无中心、自组织、拓扑结构动态变化、健壮性好的紫外光网络，将具有广泛的军事应用前景。

而当前国内外针对紫外光通信组网方面展开研究的模型概括为两个方面：一是同步的时分复用模型，另一种是异步突发的随机接入模型。时分复用模型在网络节点数增加时，存在排队等待延时长、链路利用率低、网络吞吐量不理想等问题。而且，节点数的动态变化对于时分复用模型也是一个难题。异步随机接入模型中，无法保持全网比特同步、不能实现比特同传。而且，在网络负载加重时，存在碰撞加剧、绝对吞吐量反而降低的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法，有效避免了现有技术中紫外无线光通信信道状态变化剧烈、信号幅度起伏动态范围大、背景噪声水平范围宽、相位变化速度快的缺陷，实现了紫外光网络中各节点在移动中有效、快速地随机数据发送。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于同步通信方式的紫外光组网系统及其方法的解决方案，具体如下：

一种基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，包括：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。

所述空闲帧和数据帧之间的切换实现了数据的随机接入所述紫外光网络的信道。

当所述紫外光网络内有多个节点同时接入时，所述紫外光网络的网络空间表现为具有线与功能的光总线，所述线与功能包括：只要有一个节点发光，则光总线表现为发光态L，所有节点都不发光时，则光总线表现为不发光态，所述不发光态用数字1表示，所述发光态用数字0表示。

所述空闲帧的格式由AH单元和AL单元两个单元组成，所述空闲帧的发送是从AH单元开始的；

所述数据帧的格式是顺序由请求单元、竞争单元、前导单元、数据单元、结尾单元和确认单元这6个单元字段组成，所述数据帧的发送是从请求单元开始的；

所述AH单元的长度、AL单元的长度、请求单元的长度、竞争单元的长度、前导单元的长度、结尾单元的长度和确认单元的长度均是一个单元的长度，每个单元的长度能够均为10比特，所述数据单元的长度为一个以上的字节长度。

所述AH单元的每个比特位的值均为1，所述AL单元的每个比特位的值均为0，所述数据帧的请求单元的二进制值为1100001111；

所述竞争单元用于节点竞争信道，所有节点之间的竞争单元的值都有差异且各个节点的竞争单元的在其某一位置的比特位的值为0时，其余节点的该位置的比特位的值均为1，这样才能用于竞争出信道；

所述前导单元用于来让各节点保持比特再同步，所述前导单元中的比特位的值有差异；

所述数据单元中具有节点需要传递的数据，所述数据单元中包括校验位；

所述结尾单元作为帧尾使用，用于表示帧结束；

所述确认单元用于确认接收到正确的数据帧。

无论是在所述空闲状态还是在传送态，所有节点都跟随所述空闲帧或数据帧中比特位的跳变沿来让各节点始终保持比特同步的。

在空闲状态下，所有节点同时发送空闲帧，并跟踪所述AH单元到AL单元的跳变沿来保持时钟同步；

当有节点需要发送数据时，在下一帧起始时刻起不再发送所述AH单元，而是改为对其他节点发送所述数据帧的请求单元；其他节点接收到所述请求单元，判定为数据帧的起始，节点按照发送数据帧的规则参与收发，所述发送数据帧的规则包括：

只有一个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，所述紫外光网络的信道不存在冲突，该节点独占信道完成所述数据帧的发送；

当同时有多个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，通过发送请求单元实现请求、通过发送竞争单元实现竞争、通过发送前导单元实现时钟同步、通过发送数据单元实现传送、通过发送结尾单元来认定帧尾和通过发送确认单元实现确认几个步骤完成数据帧发送，而数据帧的竞争单元保证了最终有且仅有一个节点竞争成功来使用信道，并正确发送数据帧。

所述基于同步通信方式的紫外光组网系统，包括紫外光网络的节点；

所述节点包括处理器，所述处理器用于运行如下步骤：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的紫外光网络的网络总线按照同步通信方式设计，充分利用无线光物理信道的线与功能，使全网节点保持比特同步，增强了接收的稳定性，提高了紫外光网络的节点的可移动性；

(2)本发明在同步通信的前提下，设计的随机接入机制，虽提高了信道利用率，增大了紫外光网络的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的空闲帧和数据帧的结构简图。

图2是本发明的基于同步通信的紫外光网络数据的随机接入示意图。

具体实施方式

异步通信中存在信道不被任何节点占用的空闲状态，便于多个节点以总线的方式构成随机接入网。信道在空闲状态时，节点丢失了感知信道状态的信息。对于紫外无线光通信，尤其是在快速移动的节点之间，信道状态变化剧烈，反映在接收信号上的表现是信号幅度起伏动态范围大、背景噪声水平范围宽、相位变化速度快。这使得异步通信方式不适合于移动的紫外无线光通信。同步通信方式中，发送者处于持续地接入信道的状态，利于接收者实时感知信道状态变化进行自适应调整判决。而同步通信不利于节点的随机接入，不便于构成随机接入网。本发明综合利用了同步通信和异步通信的优点，在同步通信中引入了固定时长的空闲态，利用无线光信道的“线与”逻辑设计了无损竞争的随机接入方式，实现了紫外无线光网络的可靠、有效连接。

另外，当前的紫外光通信系统，多受限于光源调制速率以及光电探测器响应速率和灵敏度，只能工作在速率100kp/s、网络覆盖半径1km范围以下。本发明针对紫外光物理信道的这一特点，结合同步通信比特相位稳定、异步通信便于多点接入的优点，提出了一种具有随机接入功能的同步通信方式。本发明的新型方法，可有效解决两种模型存在的问题，成为构建紫外光通信网络的关键技术之一。

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

如图1-图2所示，基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，包括：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。异步通信下的紫外光网络的空闲态通常固定为高电平或高阻态，本发明中的空闲态为所有节点同时发送空闲帧。空闲帧的设计保证了紫外光网络的通信方式为同步通信。

所述空闲帧和数据帧之间的切换实现了数据的随机接入所述紫外光网络的信道。

当所述紫外光网络内有多个节点同时接入时，所述紫外光网络的网络空间表现为具有线与功能的光总线，所述线与功能包括：只要有一个节点发光，则光总线表现为发光态L，所有节点都不发光时，则光总线表现为不发光态，所述不发光态能够用数字1表示，所述发光态能够用数字0表示。所述节点包括发射端和接收端，该发射端包括发光模块。

所述空闲帧的格式如图1所示，由AH单元和AL单元两个单元组成，所述空闲帧的发送是从AH单元开始的；

所述数据帧的格式是顺序由请求单元、竞争单元、前导单元、数据单元、结尾单元和确认单元这6个单元字段组成，所述数据帧的发送是从请求单元开始的；

所述AH单元的长度、AL单元的长度、请求单元的长度、竞争单元的长度、前导单元的长度、结尾单元的长度和确认单元的长度均是一个单元的长度，每个单元的长度能够均为10比特，所述数据单元的长度为一个以上的字节长度。

所述AH单元的每个比特位的值均为1，所述AL单元的每个比特位的值均为0，所述数据帧的请求单元的二进制值为1100001111，所述数据帧的请求单元能够明显与所述AH单元区分，这样请求单元在内容上不同于所述AH单元，用以区分是空闲帧还是数据帧的起始；

所述竞争单元用于节点竞争信道，所有节点之间的竞争单元的值都有差异且各个节点的竞争单元的在其某一位置的比特位的值为0时，其余节点的该位置的比特位的值均为1，这样才能用于竞争出信道，这样的差异性的灵活设置，能够让数据的随机接入所述紫外光网络的信道；

所述前导单元用于来让各节点保持比特再同步，所述前导单元中的比特位的值有差异，这样才能通过有差异的比特位的跳边沿来让各节点保持比特同步；

所述数据单元中具有节点需要传递的数据，所述数据单元中包括校验位；

所述结尾单元作为帧尾使用，用于表示帧结束；

所述确认单元用于确认接收到正确的数据帧。数据帧的结尾单元和确认单元两个单元字段合在一起就能与空闲帧近似，使得连续两个数据帧之间不必插入空闲帧。

无论是在所述空闲状态还是在传送态，所有节点都跟随所述空闲帧或数据帧中比特位的跳变沿来让各节点始终保持比特同步的。

所述紫外光网络的所有节点在无数据发送时共同参与空闲状态发送。在空闲状态下，所有节点同时发送空闲帧，并跟踪所述AH单元到AL单元的跳变沿来保持时钟同步，即根据跳变沿来调整下一比特的相位，以此保持时钟同步，最终所有节点时钟同步于时钟最快的节点；

当有节点需要发送数据时，在下一帧起始时刻起不再发送所述AH单元，而是改为对其他节点发送所述数据帧的请求单元；其他节点接收到所述请求单元，判定为数据帧的起始，节点按照发送数据帧的规则参与收发，所述发送数据帧的规则包括：

只有一个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，所述紫外光网络的信道不存在冲突，该节点独占信道完成所述数据帧的发送；

当同时有多个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，通过发送请求单元实现请求、通过发送竞争单元实现竞争、通过发送前导单元实现时钟同步、通过发送数据单元实现传送、通过发送结尾单元来认定帧尾和通过发送确认单元实现确认几个步骤完成数据帧发送，而数据帧的竞争单元保证了最终有且仅有一个节点竞争成功来使用信道，并正确发送数据帧，这样的发送数据帧的方式使得信道的传输时间没有被浪费，故称为无损竞争。

如此，在紫外光网络上，通过上述具有无损竞争接入机制的同步通信方式组网通信，既保证了各节点的比特实时同步、对信道的光功率的实时监测，增强了数据接收的稳定性，提高了紫外光网络节点的可移动性；同时，又实现了数据接入的随机性，提高了信道利用率，增大了紫外光网络的吞吐量。

所述基于同步通信方式的紫外光组网系统，包括紫外光网络的节点；

所述节点包括处理器，所述处理器用于运行如下步骤：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。

按照线与功能，请求单元内容可以与所述AH单元内容相区分而由此改变而得以切换。紫外光网络中，有1个或多个节点发送请求，则总线表现为请求状态，表明是数据帧的开始。网络中所有节点都不发送请求时，总线表现为AH单元，表明是空闲帧的开始。

假设三个节点A、B、C组成一个紫外光网络，如图2所示这3个节点通信与总线状态转换的过程。

依据本发明的方法，3个节点始终保持严格比特同步。在不考虑传播时延的条件下，比特同步表现为各节点的每个单元都严格对齐。

任何一个节点在有数据发送时，都可以在下一帧的起始时刻位置发送请求单元，实现了数据的随机接入。

具体而言，该紫外光网络由空闲态转为传送态，包括如下步骤：

步骤1，在t₀时刻之前，3个节点均空闲，紫外光网络表现为空闲状态，3个节点通过相互发送空闲帧来保持时钟的频率和相位同步。

步骤2，节点A和节点B在同一个空闲帧的时间片内有数据帧到达以待发送，就等待下一帧得起始时刻t₁。

步骤3，节点A和节点B在t₁时刻同时发送数据帧的请求单元，节点C无数据请求保持作为AH状态的监听节点A和节点B的状态。根据线与功能，紫外光网络的总线表现为请求单元状态并被节点C正确检测。网络所有节点均判定此单元为数据帧起始单元，在下一单元均停发AL单元改为数据帧的规则。

步骤4，所述数据帧的规则包括：发送请求单元的两个节点A和节点B，在t₂时刻同时参与竞争单元的发送，节点C保持被动监听节点A和节点B的状态。

步骤5，节点B在t3时刻根据线与规则判定自己竞争失败退出竞争，进入被动监听节点A的状态；节点A在竞争中胜出而取得信道的使用权，最终完成数据发送而到达时刻t₄，节点B和节点C根据数据帧的内容判定t₄为尾界起始时刻。根据线与规则判定方式能够是：节点A的竞争单元和节点B的竞争单元的前九位都相同，而在最后一位时，节点A的值为0，节点B的值为1，把所有节点发送的竞争单元逐位进行比较，在节点A和节点B的相同的位比较时，节点A和节点B继续下一位的比较，在比较到节点A的竞争单元的在其某一位置的比特位的值为0时，节点B的该位置的比特位的值为1时，节点B竞争失败而节点A竞争成功。

步骤6，节点B和节点C通过接收节点A的校验位来校验发送的数据帧完整正确后处在时刻t5，在时刻t5发送其比特位为全0的确认单元。节点A接收到确认单元判定发送完成，就发送其比特位为全1的确认单元而让节点B得到信道的使用权后处在时刻t₆。

步骤7，节点B在时刻t₆继续发送曾经在时刻t₃失败的请求，最终完成起数据帧的发送并在时刻t₇收到节点A和节点C的其比特位为全0的确认单元，时刻t ₇的下一个帧时刻紫外光网络的总线重新回到空闲状态。

以上以用实施例说明的方式对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化、改变和替换。

Claims (8)

1.一种基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，包括：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。

2.根据权利要求1所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，所述空闲帧和数据帧之间的切换实现了数据的随机接入所述紫外光网络的信道。

3.根据权利要求1所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，当所述紫外光网络内有多个节点同时接入时，所述紫外光网络的网络空间表现为具有线与功能的光总线，所述线与功能包括：只要有一个节点发光，则光总线表现为发光态L，所有节点都不发光时，则光总线表现为不发光态，所述不发光态用数字1表示，所述发光态用数字0表示。

4.根据权利要求1所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，所述空闲帧的格式由AH单元和AL单元两个单元组成，所述空闲帧的发送是从AH单元开始的；

所述数据帧的格式是顺序由请求单元、竞争单元、前导单元、数据单元、结尾单元和确认单元这6个单元字段组成，所述数据帧的发送是从请求单元开始的；

所述AH单元的长度、AL单元的长度、请求单元的长度、竞争单元的长度、前导单元的长度、结尾单元的长度和确认单元的长度均是一个单元的长度，每个单元的长度能够均为10比特，所述数据单元的长度为一个以上的字节长度。

5.根据权利要求4所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，所述AH单元的每个比特位的值均为1，所述AL单元的每个比特位的值均为0，所述数据帧的请求单元的二进制值为1100001111；

所述竞争单元用于节点竞争信道，所有节点之间的竞争单元的值都有差异且各个节点的竞争单元的在其某一位置的比特位的值为0时，其余节点的该位置的比特位的值均为1，这样才能用于竞争出信道；

所述前导单元用于来让各节点保持比特再同步，所述前导单元中的比特位的值有差异；

所述数据单元中具有节点需要传递的数据，所述数据单元中包括校验位；

所述结尾单元作为帧尾使用，用于表示帧结束；

所述确认单元用于确认接收到正确的数据帧。

6.根据权利要求1所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，无论是在所述空闲状态还是在传送态，所有节点都跟随所述空闲帧或数据帧中比特位的跳变沿来让各节点始终保持比特同步的。

7.根据权利要求4所述的基于同步通信方式的紫外光组网系统的方法，其特征在于，在空闲状态下，所有节点同时发送空闲帧，并跟踪所述AH单元到AL单元的跳变沿来保持时钟同步；

当有节点需要发送数据时，在下一帧起始时刻起不再发送所述AH单元，而是改为对其他节点发送所述数据帧的请求单元；其他节点接收到所述请求单元，判定为数据帧的起始，

节点按照发送数据帧的规则参与收发，所述发送数据帧的规则包括：

只有一个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，所述紫外光网络的信道不存在冲突，该节点独占信道完成所述数据帧的发送；

当同时有多个节点发送所述数据帧的请求单元来请求发送时，通过发送请求单元实现请求、通过发送竞争单元实现竞争、通过发送前导单元实现时钟同步、通过发送数据单元实现传送、通过发送结尾单元来认定帧尾和通过发送确认单元实现确认几个步骤完成数据帧发送，而数据帧的竞争单元保证了最终有且仅有一个节点竞争成功来使用信道，并正确发送数据帧。

8.一种基于同步通信方式的紫外光组网系统，其特征在于，包括紫外光网络的节点；

所述节点包括处理器，所述处理器用于运行如下步骤：

设定紫外光网络的光总线表现为不发光态H和发光态L，以此作为对紫外光网络的信道的无损竞争的前提；

当紫外光网络内所有节点都无数据发送时，所述紫外光网络的信道为空闲状态，在空闲状态下各节点同时向其余节点重复发送空闲帧，所述空闲帧用于保证所述节点之间的通信为同步方式；

当紫外光网络内有节点需要发送数据时，所述节点以数据帧格式且以独占信道的方式发送数据，此时称为传送态。

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