CN112187630B - 一种双向通信系统、组网方法、计算机设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统及方法，双向通信系统包括移动终端、光基站、控制中心、通信网络，通信网络包括控制中心基站通信单元、光基站通信单元、移动终端光基站通信单元，采用光偏振加波分复用组网模型，用于有线总线的以太网网络和无线光接入双向通信网络相结合，进行电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。本发明实现了电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。本发明可实现高速信息传输与组网又可节省无线电频谱资源，减少电磁干扰，增加通信保密性，特别是解决了无线电信号静默环境的高速通信。

Description

一种双向通信系统、组网方法、计算机设备及存储介质

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种双向通信系统、组网方法、计算机设备及存储介质。

背景技术

目前，在一些保密及安全等级要求高的场景，传统无线通信方式易造成电磁泄露、失泄密问题；且传统无线通信方式易对测试、引信、起爆等各类核心电气设备造成电磁干扰，影响设备的稳定工作和危险品的安全储存；同时，该类场所中的人员或其他移动设备又有较强的无线通信需求。再有一些无WIFI环境的无线电静默空间中，移动终端需要与控制中心进行数据及语音通信时，可采用无线光通信方式实现信息交互。

现有技术专利201310195050.5一种可见光通信网与WLAN融合方法虽然也公开了一种可见光通信网与无线融合的方法，但是其小区切换时通过光强度的变化，是单一波长通信。且仅仅是网络结构和通信协议，不涉及硬件系统结构。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：在一些保密要求高的场所，电磁泄露或电磁干扰，导致传统无线电通信不安全；或者一些军事保密区无无线电信号时，通信与组网受到限制，采用可见光通信可实现高速保密通信。但无线光通信由于光照覆盖范围有限，且相邻小区的光功率可叠加，很难实现与无线通信一样依靠功率进行小区切换。

解决以上问题及缺陷的难度为：由于光照范围有限，为了实现大范围的组网，必须采用多个小区组合的拓扑结构，小区范围的设计尤为重要，而小区可通信范围与光源的光功率和光发射角度有关，光功率与光发射角的控制与光源辐照模型和硬件系统的设计有关。另外相邻小区的光功率在边界叠加之后产生信号干扰，导致移动用户在小区边界通信失效，因此小区之间的切换条件与消除边界信号干扰尤为重要，这需要根据无线光通信特征合理设计组网模式及通信方式。

解决以上问题及缺陷的意义为：

采用本发明的通信方法可实现任意大小范围内的无线光组通和通信，小区切换可靠，增加了用户在边界位置通信的可靠性。可实现在电磁静默区和保密环境的高速无线光组网和通信。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双向通信系统、组网方法、计算机设备及存储介质，具体涉及一种有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统及方法。

本发明是这样实现的，一种有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统，包括：

移动终端，包括通信接口、上行红外发射模块、下行白光通信接收模块、 LED开关模块及驱动控制模块；

光基站，包括通信接口、光照明机通信发射模块、红外光接收模块、LED 开关以及驱动控制模块；用于进行通信以及照明；

控制中心，用于进行信息交换；

通信网络，包括控制中心基站通信单元、光基站通信单元、移动终端光基站通信单元；用于采用有线总线的以太网网络和无线光双向通信网络相结合，基于双向的光偏振加波分复用组网模型，进行电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。

进一步，所述移动终端包括：

通信接口，用于提取移动终端通信信号；

上行红外发射模块，用于进行上行无线光通信发射；

下行白光通信接收模块，用于进行下行无线光通信信号的接收、处理及信号恢复；

LED开关模块，用于根据下行接收到的光基站地址控制进行光源的波长选择控制；

驱动控制模块，用于根据下行接收到的光基站地址控制进行光源的光功率控制。

所述上行红外发射模块包括高速调制电路、高速驱动电路、三个不同波长的红外LED光源以及光学发射天线；

所述高速调制电路、高速驱动电路，用于对某一波长红外LED的信息光加载调制和驱动大功率光源发光；

所述光学发射天线，用于进行发射角度控制，并进行光学发射；

所述下行白光通信接收模块包括：光学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路以及A-D变换及FPGA信号处理；

所述学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于进行白光下行信号的光电解调；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于对下行信号的处理与恢复。

进一步，所述光基站包括：通信接口、光照明及通信发射模块、红外光接收模块、LED开关以及驱动控制模块；

所述光照明及通信发射模块采用LED灯阵列布局成一个方阵；所述红外光接收模块位于所述方阵中间；

通信接口，用于提取控制中心传输的通信信号；

光照明及通信发射模块，用于进行下行无线光通信以及照明；

红外光接收模块，用于进行上行无线光通信信号的接收、转换、处理及信号恢复；

LED开关，用于对LED光源进行开关控制；

驱动控制模块，用于对LED光源的光功率及偏振状态进行控制。

所述光照明及通信发射模块为24个LED灯珠组成的阵列；

所述LED灯珠包括：高速调制电路、高速大电流驱动电路、两路大电流恒流驱动电路、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源、左旋或右旋圆偏振器以及光学发射天线；

所述高速调制电路和高速大电流驱动电路，用于进行蓝光LED光源的信息加载并照明；

所述两路大电流恒流驱动电路，用于进行绿色LED光源及红色LED光源的发光驱动照明；

所述蓝光LED光源、绿光LED光源及红光LED光源，用于进行三色混合成白光；

所述左旋或右旋圆偏振器，用于将混合的白光转换成左旋或右旋圆偏振光；

所述光学发射天线，用于对偏振光进行匀化整形，并控制发射角度进行下行无线光通信及白光照明；

所述红外光接收模块包括：光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路、A-D变换及FPGA信号处理；

所述光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于对上行无线红外光信号的光电转换；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于进行上行信号的恢复与上行传输。

进一步，所述通信网络包括：

控制中心基站通信单元，用于利用有线总线的方式进行控制中心与光基站的通信；

光基站通信单元，用于基于TCP/IP协议进行光基站之间的通信；

移动终端和光基站通信单元，包括上行通信子单元与下行通信子单元；用于采用OOK调制的数字通信系统，无线光通信为双向通信，采用波分复用方式分别进行上行和下行通信；

所述移动终端和光基站通信单元包括：

上行通信子单元，用于采用有三个波长红外光通信模式进行移动终端至光基站的上行通信；同时用于采用不同的光波长进行相邻光基站的上行通信隔离；

下行通信子单元，用于采用可见光通信模式进行光基站到移动终端的下行通信；同时用于采用不同的偏振方式进行相邻光基站的下行通信隔离；

所述上行通信与下行通信带宽相同，采用连续时隙组成的同步通信模式；所述下行通信采用广播模式即光基站通过广播方式与移动终端通信，所述上行通信采用时分复用模式即移动终端通过时分复用与光基站通信。

本发明的另一目的在于提供一种组建所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法，所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法包括：

步骤一，构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

步骤二，确定光基站和移动用户之间的通信模式；

步骤三，确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

步骤四，基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

进一步，步骤一中，所述网络拓扑结构为总线型的集中式结构。

进一步，步骤四中，所述双向通信方法包括：

1)光基站发送广播包，轮询全部移动终端；光基站覆盖范围内的移动终端 Ni，检测到含有Ni的广播包后，下一个帧时隙提交注册申请；

2)光基站收到移动终端Ni的注册信息后，下一个帧时隙发送注册确认信息；

3)移动终端Ni接收到光基站发送的注册确认帧后，判断有无数据申请发送，如果有数据申请发送，则下一个帧时隙提交数据通信申请；如果没有，则下一帧发送无数据申请；

4)光基站收到移动终端N的数据申请信息后，下一个帧时隙根据上行带宽发送数据确认信息；移动终端Ni接收到光基站发送的数据申请请求确认帧后，下一个帧时隙发送数据；

5)移动终端Ni发送完数据后，不再发送数据，或者在下一帧发送数据停发的请求；光基站接收到移动终端Ni的停发数据申请或者连续三帧接收不到移动终端Ni的数据，自动关闭移动终端Ni的上行数据链路。

进一步，步骤四中，所述无线光接入数据通信方法包括：

(1)光基站通过轮询所有终端的方式，确定终端的定位，并同时进行对所有终端的信息传送；

(2)移动终端在接收到光基站的问询之后，在指定时间向光基站进行注册申请；

(3)注册过程中，同时进行移动终端与光基站的通信。

本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

确定光基站和移动用户之间的通信模式；

确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

确定光基站和移动用户之间的通信模式；

确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用LED无线光通信技术，设计了无线光通信系统结构，包括移动终端和光基站的物理层工作模式，以及双向的光偏振加波分复用组网模型，并将有线总线的以太网网络和无线光双向通信网络相结合，实现电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。

本发明的小区切换采用的是波分复用加偏振复用的方式，无线光通信系统设计，针对此种通信系统设计了通信协议和数据链路层结构。本发明解决了电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信问题。

本发明可实现高速信息传输与组网又可节省无线电频谱资源，减少电磁干扰，增加通信保密性，特别是解决了无线电信号静默环境的高速通信。本发明通过无线光通信模式组合无线移动接入网协议，实现特殊物理场景下的双向高速无线光通信及组网技术。

对比的技术效果或者实验效果。包括：

与其他现有技术对比本发明所设计的硬件电路根据实际使用环境可实现发射功率可控、发射角可控，从而小区通信范围可控；通信方式下行采用偏振复用方式，上行采用波分复用方式，确保相邻小区通信隔离，且在小区边界通信无干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统结构示意图；

图1中：1、移动终端；2、光基站；3、控制中心；4、通信网络。

图2是本发明实施例提供的有线局域网和无线光接入网混合网络拓扑结构立体图。

图3是本发明实施例提供的混合网络拓扑结构平面图。

图4是本发明实施例提供的移动终端系统结构图。

图5是本发明实施例提供的光基站系统结构图。

图6是本发明实施例提供的光基站上行接收波长布局示意图。

图7是本发明实施例提供的光基站下行信号光的偏振分布示意图。

图8是本发明实施例提供的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法流程图。

图9是本发明实施例提供的光基站和移动用户之间的信息交互过程示意图。

图10是本发明实施例提供的光基站与无线光终端通信示意图。

图11是本发明实施例提供的光基站节点与移动终端结构图。

图11中：1、移动终端；1-1、上行红外发射模块；1-2、下行白光通信接收模块；2、光基站；2-1、光照明及通信发射模块；2-2、红外光接收模块；4、通信网络。

图12是本发明实施例提供的移动终端工作流程图。

图13是本发明实施例提供的光基站工作流程图。

图14是本发明实施例提供的移动终端总数为N，移动终端1和i同时注册示意图。

图15是本发明实施例提供的移动终端总数为N，移动终端1和i同时注册并且移动终端i和光基站进行双向数据通信示意图。

图16是本发明实施例提供的光基站下行数据链路帧结构示意图。

图17是本发明实施例提供的移动终端上行数据链路帧结构示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双向通信系统、组网方法、计算机设备及存储介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统包括：

移动终端1、光基站2、控制中心3以及通信网络4；

移动终端1，包括通信接口、上行红外发射模块1-1、下行白光通信接收模块1-2、LED开关模块及驱动控制模块；

光基站2，包括通信接口、光照明及通信发射模块2-1、红外光接收模块2-2、 LED开关以及驱动控制模块；用于进行通信以及照明；

控制中心3，用于进行信息交换；

通信网络4，包括控制中心基站通信单元、光基站通信单元、移动终端光基站通信单元；用于采用有线总线的以太网网络和无线光双向通信网络相结合，基于双向的光偏振加波分复用组网模型，进行电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。

如图4所示，本发明实施例提供的移动终端1包括：

通信接口，用于提取移动终端通信信号；

上行红外发射模块，用于进行上行无线光通信发射；

下行白光通信接收模块，用于进行下行无线光通信信号的接收、处理及信号恢复；

LED开关模块，用于根据下行接收到得光基站地址控制进行光源的波长选择控制；

驱动控制模块，用于根据下行接收到得光基站地址控制进行光源的光功率控制。

本发明实施例提供的上行红外发射模块包括高速调制电路、高速驱动电路、三个不同波长的红外LED光源以及光学发射天线；

所述高速调制电路、高速驱动电路，用于对对某一波长红外LED的信息光加载调制；

所述光学发射天线，用于进行发射角度控制，并进行光学发射。

本发明实施例提供的下行白光通信接收模块包括：光学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路以及A-D变换及 FPGA信号处理；

所述学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于进行白光上行信号的光电解调；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于对下行信号的处理与恢复。

如图5至图7所示，本发明实施例提供的光基站包括：通信接口、光照明发射模块、红外光接收模块、LED开关以及驱动控制模块；

所述光照明发射模块采用LED灯阵列布局成一个方阵；所述红外光接收模块位于所述方阵中间；

通信接口，用于提取控制中心传输的通信信号；

光照明发射模块，用于进行下行无线光通信以及照明；

红外光接收模块，用于进行上行无线光通信信号的接收、转换、处理及信号恢复；

LED开关，用于对LED光源进行开关控制；

驱动控制模块，用于对LED光源的光功率进行控制。

本发明实施例提供的光照明发射模块为24个LED灯珠组成的阵列；

所述LED灯珠包括：高速调制电路、高速大电流驱动电路、两路大电流恒流驱动电路、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源、左旋或右旋圆偏振器以及光学发射天线；

所述高速调制电路和高速大电流驱动电路，用于进行蓝光LED光源的信息加载并照明；

所述两路大电流恒流驱动电路，用于进行绿色LED光源及红色LED光源的发光驱动照明；

所述蓝光LED光源、绿光LED光源及红光LED光源，用于进行三色混合成白光；

所述左旋或右旋圆偏振器，用于将混合的白光转换成左旋或右旋圆偏振光；

所述光学发射天线，用于对偏振光进行匀化整形，并控制发射角度进行下行无线光通信及白光照明。

本发明实施例提供的红外光接收模块包括：光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路、A-D变换及FPGA信号处理；

所述光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于对上行无线红外光信号的光电转换；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于进行上行信号的恢复与上行传输。

本发明实施例提供的通信网络包括：

控制中心基站通信单元，用于利用有线总线的方式进行控制中心与光基站的通信；

光基站通信单元，用于基于TCP/IP协议进行光基站之间的通信；

移动终端光基站通信单元，包括上行通信子单元与下行通信子单元；用于采用OOK调制的数字通信系统，无线光通信为双向通信，采用波分复用方式分别进行上行和下行通信。

本发明实施例提供的移动终端光基站通信单元包括：

上行通信子单元，用于采用有三个波长红外光通信模式进行移动终端至光基站的上行通信；同时用于采用不同的光波长进行相邻光基站的上行通信隔离；

下行通信子单元，用于采用可见光通信模式进行光基站到移动终端的下行通信；同时用于采用不同的偏振方式进行相邻光基站的下行通信隔离；

所述上行通信与下行通信带宽相同，采用连续时隙组成的同步通信模式；所述下行通信采用广播模式即光基站通过广播方式与移动终端通信，所述上行通信采用时分复用模式即移动终端通过时分复用与光基站通信。

如图8所示，本发明实施例提供的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法包括：

S101，构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

S102，确定光基站和移动用户之间的通信模式；

S103，确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

S104，基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

步骤S101中，本发明实施例提供的网络拓扑结构有线网络为总线型的集中式结构，无线网络为星型的集中式结构。

如图9所示，步骤S104中，本发明实施例提供的双向通信方法包括：

1)光基站发送广播包，轮询全部移动终端；光基站覆盖范围内的移动终端 Ni，检测到含有Ni的广播包后，下一个帧时隙提交注册申请；

2)光基站收到移动终端Ni的注册信息后，下一个帧时隙发送注册确认信息；

3)移动终端Ni接收到光基站发送的注册确认帧后，判断有无数据申请发送，如果有数据申请发送，则下一个帧时隙提交数据通信申请；如果没有，则下一帧发送无数据申请；

4)光基站收到移动终端N的数据申请信息后，下一个帧时隙根据上行带宽发送数据确认信息；移动终端Ni接收到光基站发送的数据申请请求确认帧后，下一个帧时隙发送数据；

5)移动终端Ni发送完数据后，不再发送数据，或者在下一帧发送数据停发的请求；光基站接收到移动终端Ni的停发数据申请或者连续三帧接收不到移动终端Ni的数据，自动关闭移动终端Ni的上行数据链路。

步骤S104中，本发明实施例提供的无线光接入数据通信方法包括：

(1)光基站通过轮询所有终端的方式，确定终端的定位，并同时进行对所有终端的信息传送；

(2)移动终端在接收到光基站的问询之后，在指定时间向光基站进行注册申请；

(3)注册过程中，同时进行移动终端与光基站的通信。

下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。

实施例1：

本发明采用LED无线光通信技术，设计了无线光通信系统结构，包括移动终端和光基站的物理层工作模式，以及双向的光偏振加波分复用组网模型，并将有线总线的以太网网络和无线光双向通信网络相结合，实现电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信。

本发明首先构建了有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构。有线通信采用现有局域网的TCP/IP协议，网络拓扑结构为总线型的集中式结构。控制中心通过有线总线的方式与空间内的多个照明灯连接，每个照明灯作为一个光基站，有一个IP地址，它们之间通过TCP/IP协议进行通信。空间内每个光基站控制一个小区，小区内的移动终端之间通过时分复用的方式进入同一个光基站，并上传到控制中心，由控制中心进行信息交换，然后再发送至该光基站，光基站通过可见光时分复用的方式广播给该小区内的移动终端。两个小区间的移动终端通信通过各自的光基站上传到控制中心进行信息交换，然后通过控制中心的广播方式发送到各自的光基站，由光基站再通过可见光广播给相关终端。有线局域网和无线光接入网混合网络通信网络拓扑结构立体图如图2所示，网络拓扑结构平面图如图3所示。

其次对光基站和移动用户之间的通信模式进行设计。在一个空间内所有光基站的布局如图6所示。一个光基站可覆盖一个小区，小区内的移动终端与该光基站通信采用OOK调制的数字通信系统，无线光通信为双向通信，上行和下行通信为波分复用方式。光基站到移动终端的通信为下行通信，采用可见光通信模式，兼顾照明。移动终端与本小区的光基站的通信为上行模式，采用红外光通信模式，且有三个波长。相邻光基站的下行通信采用不同的偏振方式进行隔离，本小区的移动终端仅接收来自本小区的偏振光信号，其余视为干扰信号不响应，光基站发射偏振光的排布如图7所示。相邻的光基站上行通信采用不同的光波长进行隔离，光基站仅对来自本小区的波长信号建立通信链接，其他波长无响应。上行和下行带宽相同，采用连续时隙组成的同步通信模式。下行通信采用广播模式，上行为时分复用模式，光基站与无线光终端之间通信如图10所示。

再其次是对光基站中的无线光通信系统结构进行设计。光基站系统由白光照明发射系统、红外光接收系统、LED开关及驱动控制系统三部分构成。光基站的白光照明采用LED灯阵列布局成一个方阵，中间为红外接收系统，如图11 所。一个光基站有24个灯珠组成的阵列，每个灯珠一个光学天线，根据无线光网络拓扑结构，一个光基站控制的小区覆盖范围为直径5m的圆形区域，面积20m²。相邻两个光基站的LED灯采用左或右旋式阵列发射光源，使用发射天线对出射光束进行匀化整形，约束LED照明视场，达到通信要求。当高度为25米，光源的发散角为5.7°左右。

白光通信照明发射系统主要实现下行无线光通信及照明功能，控制中心通信信号到达光基站后，通过通信接口将信息提取，控制高速调制电路和高速大电流驱动电路实现对蓝光LED的信息加载并照明，两路大电流恒流驱动电路实现对绿色LED及红色LED的发光驱动照明。蓝光LED、绿光LED及红光LED三色混合成白光，通过左旋或右旋圆偏振器转换成左旋或右旋圆偏振光，偏振光通过LED光学发射天线实现发射角度控制后完成下行无线光通信及白光照明功能。光基站同时集成上行无线光通信信号的接收、处理及信号恢复功能。上行无线红外光信号通过光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路实现红外上行信号的光电转换，通过A-D变换及FPGA信号处理实现对上行信号的恢复与上行传输功能；LED开关及驱动控制系统主要实现对光源的开关控制及光功率控制。

再其次是对移动终端中的无线光通信系统结构进行设计。移动终端系统主要由上行红外发射系统、下行白光通信接收系统、LED开关及驱动控制系统三部分构成。上行光信号有三个波长，相邻小区的工作波长不同，分别为λ₁，λ₂，λ₃，根据下行接收到的光基站地址进行波长选择，如图11所示。上行红外发射系统主要实现上行无线光通信发射功能，移动终端测试数据及语音信号通过通信接口、高速调制电路、高速驱动电路实现对某一波长红外LED的信息光加载调制。光学发射天线实现发射角度控制与发射。移动终端集成有下行无线光通信信号的接收、处理及信号恢复功能。下行白光光信号通过蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路实现白光上行信号的光电解调，通过A-D变换及FPGA信号处理实现对下行信号的处理与恢复；LED开关及驱动控制系统根据下行接收到得光基站地址控制实现对光源的波长选择控制及光功率控制。移动终端系统结构框图如图4所示。

基于上述网络结构和光端机的系统结构设计，进一步进行双向通信协议设计。拟进行的双向通信的数据交互过程如图9所示，一个光基站覆盖一个小区，可通信的移动终端有N个，通信过程如下

(1)光基站发送广播包，轮询全部移动终端(N1-N64)；

(2)光基站覆盖范围内的移动终端Ni，检测到含有Ni的广播包后，下一个帧时隙提交注册申请；

(3)光基站收到移动终端Ni的注册信息后，下一个帧时隙发送注册确认信息；

(4)移动终端Ni接收到光基站发送的注册确认帧后，如果有数据申请发送，则下一个帧时隙提交数据通信申请；如果没有则下一帧发送无数据申请。

(5)光基站收到移动终端N的数据申请信息后，下一个帧时隙根据上行带宽发送数据确认信息；

(6)移动终端Ni接收到光基站发送的数据申请请求确认帧后，下一个帧时隙发送数据。

(7)移动终端Ni发送完数据后，不发送数据，或者在下一帧发送数据停发的请求；

(8)光基站接收到移动终端Ni的停发数据申请或者连续三帧接收不到移动终端Ni的数据，就自动关闭移动终端Ni的上行数据链路。

进一步进行无线光接入数据链路层协议设计。移动终端通过时分复用与光基站通信，光基站通过广播方式与移动终端通信。光基站首先通过轮询所有终端的方式，确定终端的定位，并同时进行对所有终端的信息传送。而移动终端在接收到光基站的问询之后，在指定时间向光基站进行注册申请，此过程光基站收到的时隙排列帧结构和每个移动终端发送的时隙关系如图14所示。在注册过程进行中，同时可进行移动终端与光基站的通信，此时光基站接收到的时隙帧结构不变，但时隙内容发生改变。光基站接收到的时隙帧结构和各个移动终端发送的时隙帧结构如图15所示。

(1)光基站下行数据链路帧结构

光基站下行数据链路帧结构包含注册帧(72比特)和通信帧(1928比特)，一个完整的帧包含2000比特，其中有效数据1800比特，开销200比特，数据传输效率90％，完整帧结构如图16所示。如果光通信线路使用2MHz时钟，那么帧率是1kHz，有效数据带宽1.8Mbps。下行数据链路注册帧结构表1所示，数据帧结构如表2所示。

表1光基站下行数据链路帧结构之注册帧

表2光基站下行数据链路帧结构之数据帧

(2)移动终端上行数据链路帧结构

移动终端上行数据链路帧结构如图17所示。移动终端上行数据链路帧分注册帧(56比特)和通信帧(1888比特)，以收到的光基站下行数据链路帧定时作为移动终端上行数据链路帧定时，移动终端注册帧如表3所示，数据通信帧如表 4所示。其中有效数据1800比特，开销200比特，数据传输效率90％。

表3移动终端上行数据链路帧结构之注册帧

表4移动终端上行数据链路帧结构之数据帧

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统，其特征在于，所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统包括：

移动终端，包括通信接口、上行红外发射模块、下行白光通信接收模块、LED开关模块及驱动控制模块；

所述通信接口，用于提取移动终端通信信号；

上行红外发射模块，用于进行上行无线光通信发射；

下行白光通信接收模块，用于进行下行无线光通信信号的接收、处理及信号恢复；

LED开关模块，用于根据下行接收到的光基站地址控制进行光源的波长选择控制；

驱动控制模块，用于根据下行接收到的光基站地址控制进行光源的光功率控制；

光基站，包括通信接口、光照明及通信发射模块、红外光接收模块、LED开关以及驱动控制模块；用于进行通信以及照明；

所述光照明及通信发射模块采用LED灯阵列布局成一个方阵；所述红外光接收模块位于所述方阵中间；

通信接口，用于提取控制中心传输的通信信号；

光照明及通信发射模块，用于进行下行无线光通信以及照明；

红外光接收模块，用于进行上行无线光通信信号的接收、转换、处理及信号恢复；

LED开关，用于对LED光源进行开关控制；

驱动控制模块，用于对LED光源的光功率及偏振状态进行控制；

控制中心，用于进行信息交换；

通信网络，包括控制中心基站通信单元、光基站通信单元、移动终端光基站通信单元；用于采用有线总线的以太网网络和无线光双向通信网络相结合，基于双向的光偏振加波分复用组网模型，进行电磁静默环境中移动终端与控制中心双向通信；

所述控制中心基站通信单元，用于利用有线总线的方式进行控制中心与光基站的通信；

光基站通信单元，用于基于TCP/IP协议进行光基站之间的通信；

移动终端和光基站通信单元，包括上行通信子单元与下行通信子单元；用于采用OOK调制的数字通信系统，无线光通信为双向通信，上行采用波分复用方式，下行采用偏振复用方式通信；

所述移动终端和光基站通信单元包括：

上行通信子单元，用于采用有三个波长红外光通信模式进行移动终端至光基站的上行通信；同时用于采用不同的光波长进行相邻光基站的上行通信隔离；

下行通信子单元，用于采用可见光通信模式进行光基站到移动终端的下行通信；同时用于采用不同的偏振方式进行相邻光基站的下行通信隔离；

所述上行通信与下行通信带宽相同，采用连续时隙组成的同步通信模式；所述下行通信采用广播模式即光基站通过广播方式与移动终端通信，所述上行通信采用时分复用模式即移动终端通过时分复用与光基站通信。

2.如权利要求1所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统，其特征在于，所述上行红外发射模块包括高速调制电路、高速驱动电路、三个不同波长的红外LED光源以及光学发射天线；

所述高速调制电路、高速驱动电路，用于对某一波长红外LED的信息光加载调制和驱动大功率光源发光；

所述光学发射天线，用于进行发射角度控制，并进行光学发射；

所述下行白光通信接收模块包括：光学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路以及A-D变换及FPGA信号处理；

所述学接收天线、蓝光光学滤光片、光学检偏器、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于进行白光下行信号的光电解调；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于对下行信号的处理与恢复。

3.如权利要求1所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统，其特征在于，所述光照明及通信发射模块为24个LED灯珠组成的阵列；

所述LED灯珠包括：高速调制电路、高速大电流驱动电路、两路大电流恒流驱动电路、绿色LED光源、红色LED光源、蓝色LED光源、左旋或右旋圆偏振器以及光学发射天线；

所述高速调制电路和高速大电流驱动电路，用于进行蓝光LED光源的信息加载并照明；

所述两路大电流恒流驱动电路，用于进行绿色LED光源及红色LED光源的发光驱动照明；

所述蓝光LED光源、绿光LED光源及红光LED光源，用于进行三色混合成白光；

所述左旋或右旋圆偏振器，用于将混合的白光转换成左旋或右旋圆偏振光；

所述光学发射天线，用于对偏振光进行匀化整形，并控制发射角度进行下行无线光通信及白光照明；

所述红外光接收模块包括：光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路、A-D变换及FPGA信号处理；

所述光学接收天线、红外光学滤光片、光电探测电路、I-V变换及放大电路用于对上行无线红外光信号的光电转换；

所述A-D变换及FPGA信号处理用于进行上行信号的恢复与上行传输。

4.一种组建如权利要求1-3所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统的有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法，其特征在于，所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法包括：

步骤一，构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

步骤二，确定光基站和移动用户之间的通信模式；

步骤三，确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

步骤四，基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

5.如权利要求4所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统组网方法，其特征在于，步骤一中，所述网络体系结构中有线网络为总线型的集中式结构，无线光接入网为星型的集中式结构；

步骤四中，所述双向通信方法包括：

1)光基站发送广播包，轮询全部移动终端；光基站覆盖范围内的移动终端Ni，检测到含有Ni的广播包后，下一个帧时隙提交注册申请；

2)光基站收到移动终端Ni的注册信息后，下一个帧时隙发送注册确认信息；

3)移动终端Ni接收到光基站发送的注册确认帧后，判断有无数据申请发送，如果有数据申请发送，则下一个帧时隙提交数据通信申请；如果没有，则下一帧发送无数据申请；

4)光基站收到移动终端N的数据申请信息后，下一个帧时隙根据上行带宽发送数据确认信息；移动终端Ni接收到光基站发送的数据申请请求确认帧后，下一个帧时隙发送数据；

5)移动终端Ni发送完数据后，不再发送数据，或者在下一帧发送数据停发的请求；光基站接收到移动终端Ni的停发数据申请或者连续三帧接收不到移动终端Ni的数据，自动关闭移动终端Ni的上行数据链路；

步骤四中，所述无线光接入数据通信方法包括：

(1)光基站通过轮询所有终端的方式，确定终端的定位，并同时进行对所有终端的信息传送；

(2)移动终端在接收到光基站的问询之后，在指定时间向光基站进行注册申请；

(3)注册过程中，同时进行移动终端与光基站的通信。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

确定光基站和移动用户之间的通信模式；所述移动用户和光基站通信方法包括：

上行通信子单元采用有三个波长红外光通信模式进行移动终端至光基站的上行通信；同时用于采用不同的光波长进行相邻光基站的上行通信隔离；

下行通信子单元采用可见光通信模式进行光基站到移动终端的下行通信；同时用于采用不同的偏振方式进行相邻光基站的下行通信隔离；

确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

构建有线通信和无线光通信相融合的网络体系结构；

确定光基站和移动用户之间的通信模式；所述移动用户和光基站通信方法包括：

上行通信子单元采用有三个波长红外光通信模式进行移动终端至光基站的上行通信；同时用于采用不同的光波长进行相邻光基站的上行通信隔离；

下行通信子单元采用可见光通信模式进行光基站到移动终端的下行通信；同时用于采用不同的偏振方式进行相邻光基站的下行通信隔离；

确定光基站中的无线光通信系统结构以及移动终端中的无线光通信系统结构；

基于确定的通信系统结构确定双向通信协议；确定无线光接入数据链路层协议，即可得所述有线局域网和无线光接入网混合的双向通信系统。

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