CN113541800B - 一种在基站与终端之间的通信方法及相应的通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种在基站与终端之间的通信方法及相应的通信系统，将终端需要传输的信息调制成温度、振动、应力、形变、电场、磁场等状态变量，这种经主动调制的状态变量作用到光缆后，基站端通过光纤传感技术实现对这种状态变量的解调，构成了一种新形态的信息传输系统。采用该方式，可以避免传统光通信使用光电转换方式所带来的局限性，终端接入不需要对光缆进行割接、耦合，这样大大降低了通信系统的施工难度，同时可将整条光缆缆体每一个物理点作为信息加载点，实现了分布式的终端信息接入。同时，该系统可以利用庞大的既有光缆网络扩大信息传输覆盖范围，并且实现对不同类型的状态变量携带信息的准确传输。

Description

一种在基站与终端之间的通信方法及相应的通信系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种基站与终端之间如何利用既有光缆实现通信的方法。

背景技术

通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现，前者称为无线通信系统，后者称为有线通信系统。当电磁波的波长达到光波范围时，这样的电信系统特称为光通信系统，其他电磁波范围的通信系统则称为电磁通信系统，简称为电信系统。由于光的导引媒体采用特制的玻璃纤维，因此有线光通信系统又称光纤通信系统。一般电磁波的导引媒体是导线，按其具体结构可分为电缆通信系统和明线通信系统；无线电信系统按其电磁波的波长则有微波通信系统与短波通信系统之分。另一方面，按照通信业务的不同，通信系统又可分为电话通信系统、数据通信系统、传真通信系统和图像通信系统等。由于人们对通信的容量要求越来越高，对通信的业务要求越来越多样化，所以通信系统正迅速向着宽带化方向发展，而光纤通信系统在通信网中发挥重要的作用。在一些山区、高原以及人烟稀少的郊区，传统的无线射频信号的强度比较弱，难以对上述区域完成无盲区的覆盖；另外，在某些空间环境下，各种信号交叠，对于要完成通信的双方而言，外界的电磁场干扰相当大。因此，在上述场景下，继续使用传统的无线通信方式完成通信会影响到通信的质量，会出现数据丢包，数据延迟等各种问题，故有必要提出一种改进的通信方法以克服上述出现的问题。

发明内容

基于上述存在的技术问题，本申请提出一种如何在基站与终端之间通过光纤传感完成通信的方法及对应的通信系统。

一种基站与终端之间的通信方法，应用于通信系统，所述通信系统由基站、通信终端和光缆组成，所述通信终端通过调节器将待传输的信息变换为状态变量，所述状态变量通过加载装置作用于所述光缆上，所述光缆中的光纤受到所述状态变量影响自身状态发生改变，所述基站接收所述光纤中的光信号，进而对所述状态变量进行解调，解调后获取待传输的信息。

进一步地，所述状态变量是温度、振动、应力、形变、电场、磁场中的一个或多个。

进一步地，所述基站用于实现激光的产生，将激光注入光缆中，并接收在所述光纤中传输的经所述状态变量调制的光信号，并通过解调获取所述状态变量。

进一步地，所述通信终端通过信息输入模块获取信息，将信息通过所述调节器调制成所述状态变量，信息接收器接收所述状态变量，并通过所述加载装置加载到所述光缆上，形成对所述光纤中光信号的调制。

一种通信系统，所述通信系统由基站、通信终端和光缆组成，所述通信终端通过调节器将待传输的信息调制成状态变量，所述状态变量通过加载装置作用于所述光缆上，所述光缆中的光纤受所述状态变量的影响自身状态发生改变，所述基站接收所述光纤中的光信号，进而对所述状态变量进行解调，解调后获取待传输的信息。

进一步地，所述状态变量是温度、振动、应力、形变、电场、磁场中的一个或多个。

进一步地，所述基站包括激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块、环形器、激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块，其中激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块构成激光的发射部分，激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块构成激光的接收部分；

所述基站用于实现激光的产生，将激光注入光缆中，并接收在所述光纤中传输的经所述状态变量调制的光信号，并通过解调获取所述待传输的信息。

进一步地，所述通信终端包括信息输入模块、信息调制模块、状态发生模块；信息输入模块用于输入信息；所述信息调制模块包括调节器，所述调节器用于将所述输入信息调制成所述状态变量；所述状态发生模块包括信号接收器、固定装置、加载装置，所述信号接收器用于接收所述调节器调制的所述状态变量，所述固定装置用于将所述状态发生模块与所述光缆固定，所述加载装置设置于所述固定装置上，用于将所述状态变量加载作用到所述光缆上。

进一步地，所述信息输入模块采用传感器，所述传感器为力学传感器、电学传感器、磁学传感器、热学传感器、声学传感器、气体传感器、温度传感器、离子传感器、生物传感器、生化量传感器中的一种或多种。

本发明将通信终端需要传输的通信信息直接调制成温度、振动、应力、形变、电场、磁场等状态变量，并采用光传感技术将以上状态变量直接调制光纤中的激光，从而实现信息的调制及传输。采用该方式，可以避免传统光通信使用光电转换方式所带来的局限性，不需要对光缆进行割接、耦合，这样大大降低了通信系统的施工难度，同时可将整条光缆缆体的每一个物理点作为信息加载点，实现了分布式的终端信息接入。同时，该系统可以利用庞大的既有光缆网络扩大信息传输覆盖范围，并且实现对不同类型的状态变量携带信息的准确传输，这是现有技术中未曾提出过的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中通信系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中基站的模块构成图；

图3为本发明实施例中通信系统内通信终端架构示意图；

图4为传感光纤中离散反射镜模型示意图；

附图序号说明：401-反射镜；402离散元件。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中， 省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个” 及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如图1所示， 使用光纤作为通信媒介的系统由基站以及该基站所覆盖下的若干个终端组成，光缆一侧设置有基站（A端），另一侧可以设置基站（Z端）也可以不设置基站，由于通信媒介的存在，在传统做法上会将终端通过光纤直接建立与基站之间的通信。但是，发明人在实际研究中发现，直接使用传统的光纤通信技术建立上述基站与终端的通信，会存在一定的局限性，具体有以下的几方面：

1）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

由于光纤的脆弱性及精密性，因此光纤的切断和接续需要专门的工具、设备和技术，光网络的施工对人员及设备技术要求较高，因此光纤通信极少用于地下、水下、架空等环境下的终端通信数据接入。

2）割接、耦合不灵活。

传统光通信，需要将信息调制后的光注入到光纤中，而光纤割接、耦合不灵活，因此光通信终端接入到光网络施工难度大，设备费用高，因此光纤通信很少用于总线类的分布式通信场景。

3）有供电困难问题。

传统光通信设备对供电有较高的要求，因此光纤通信终端无法部署于地下、水下、架空等环境。

4）现有光缆对温度等某些物理参数的感知和传输误差较大，很多时候只能根据粗略的数据进行定性分析，并不能以精准的数据做定量分析，而现有传感器对于各种物理参数的感知和传输精度非常高，因此通过其与光传感技术的叠加，实现对数据的精准传输，同时利用庞大的既有光缆网络扩大信息传输覆盖范围。

为此，本申请提出将光纤传感技术应用到基站与终端之间的通信中，通过将要传输的信息转换为可以让基站终端的光电器件可以识别到的形式来完成信息的传输，能够在传统通信网络无法达到理想的通信覆盖的情景下，完成必要的信息传输；同时，由于该种通信手段相对于光纤而言是非侵入式的，避免传统光通信中将激光注入到光纤所带来的局限性，所以能更好地降低通信器件的功耗，同时又因为不需要对光纤进行割接、耦合，于是能够显著提升光纤的使用周期。

继续参考图1的通信结构，该通信结构的基站我们称之为基站，其用于产生调制用的激光，并将激光发射至光缆的一根或多根纤芯。同时，基站（A端）接收反射激光或者基站（Z端）接收入射激光，根据接收到的激光信号的幅度、相位、频率、偏振态、能量等特性解调获得相关信息；该基站的结构如图2所示其包括激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块、环形器、激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块等功能模块，其中激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块构成激光的发射部分，激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块构成激光的接收部分，各个模块的具体功能介绍如下：

激光产生模块

激光产生模块用于生成特定频率、线宽或偏振态的激光。

激光控制模块

激光控制模块用于控制控制激光的发射频率、发射幅度、发射相位以及偏振状态，该激光在光纤传输过程中，对光缆/光纤的物理状态比如温度、振动、应力、形变、电场、磁场等非常敏感，能够将物理状态调制到该激光上。

激光发射模块

激光发射模块用于将激光注入到光纤中并发射。

激光接收模块

激光接收模块用于接收受到状态变量作用后的光纤内的激光，并将激光转换为电信号。

激光解调模块

激光解调模块用于对接收的电信号进行解调，获取原始物理状态量。

信息处理模块

信息处理模块用于将物理状态量进行进一步解析，获取通信终端发射的信息源，从而得到通信终端到基站的信息通信数据。

该通信结构的终端我们称之为通信终端，该通信终端由信息输入模块、信息调制模块、状态发生模块三部分组成。其中信息输入模块以传感器的形式实现，该传感器可以为力学传感器、电学传感器、磁学传感器、热学传感器、声学传感器、气体传感器、温度传感器、离子传感器、生物传感器、生化量传感器中的一种或多种，即提供了多种方式来获取用户需要传输的数字通信信息，信息调制模块将数字通信信息调制成状态变量（包括但不限于温度、振动、应力、形变、电场、磁场等）。状态发生模块根据携带信息的状态变量加载到光缆上。

具体地，通信终端将需要传输到基站的信息通过调节器把输出的数字通信信息变换为温度、振动、应力、形变、电场、磁场等状态变量，这些状态变量直接或间接地作用在光缆上，使得光缆所处的状态发生变化(如表层温度升高或者水平或纵向位移发生改变)，从而对光缆内光纤中的光信号的通信参数(如波长、相位、频率、相位、偏振态、能量等)进行调制，被调制后的光信号经过光纤传回到基站的光电器件完成信号的格式转换和解调，从而完成对通信终端所发送的信息的接收。

下面以状态变量为振动信号来给出本方案的具体实施例，通信系统由基站、通信终端以及光缆组成，通信终端包括信息输入模块、信息调制模块、状态发生模块；信息输入模块采用传感器用于信息的采集和输入；信息调制模块包括调节器，调节器用于将输入信息调制成状态变量；状态发生模块包括信号接收器、固定装置、加载装置和激振单元，信号接收器设置于通信终端内用于接收调节器调制的振动信号，固定装置设置于通信终端外用于将通信终端与光缆固定，固定装置上设有加载装置用于施加信号接收器接收的振动信号，激振单元设置于加载装置上用于起振。其中上述的部分光缆在受到经调制的振动信号的压迫后形状会发生变化，从而影响到其光透过率、光折射率等参数。

当通信终端需要和基站传输数据时，通过调节器将待传输的信息以特定的对应关系调制为振动信号，该调节器的种类并不局限于某种类型，只要能够将通信终端输出的数字通信信息转换为振动信号，均可以作为本申请要保护的器件类型，例如可以是声波换能器。通信终端的待传输的数据变换为以振动信号形式存在的状态变量，这种状态变量通过加载装置的激振单元加载到光缆上，随后光缆在振动信号的影响下将发生周期性的形变。基于弹光理论，振动位置处的后向散射光将发生相位等变化，使得包含振动位置的散射干涉区间中产生的叠加干涉光的总相位、幅度以及偏振态等发生变化，如图4所示，在光纤中，光信号在反射镜401处反射后，经历多块散射元件402的作用后，持续在光纤内进行散热；在距离mΔL距离处的第m块散射元件402的后向瑞利散射光可表示如下：

其中，E₀为初始光强，E_back为后项散射光，P_k、r_k、Φ_k分别代表散射干涉区间内第k个散射点的偏振系数、后向瑞利散射系数以及初始相位，均服从随机分布，ΔΦ_k为振动引起的第k个散射点的相位变化。通过基站侧光电探测器以及后继处理单元对所接收的后向散射光的幅度、相位以及偏振态等参数的检测，基于幅度、相位以及偏振态等参数与状态变量之间的直接、循环平稳等对应关系，即可获知状态变量的当前值，进而得到通信终端所传输的数据序列。

由于上述通信系统内基站、通信终端以及光缆的结构实现起来相对容易，并且能适应于不同的外部工作环境，所以在实际工程应用中有很大的使用价值；此外，使用光传感技术实现信源数据的调制及传输，解决了激光注入式传统光通信的缺陷，利用光缆进行非注入式的信息调制及传输，特别适合分布式传感网的应用场景。

采用该方式，可以避免传统光通信中将激光注入到光纤所带来的局限性，不需要对光纤进行切断、分路、耦合大大降低了光通信施工的难度，同时可以将整条光缆缆体的每一个物理点作为信息加载点，实现了分布式的终端接入。

基于光传感技术的通信系统，非常适用于地下、水下、架空等环境下传感数据的采集及回传场景，可以实现一种分布式接入、即用型的传感通信网。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品 销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解， 本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中， 该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中， 所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、 对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括： 能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、 磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照 前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特 征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发 明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基站与终端之间的通信方法，应用于一种通信系统，所述通信系统由基站、通信终端和光缆组成，其特征在于，所述通信终端通过调节器将待传输的信息调制为状态变量，所述状态变量通过加载装置作用于所述光缆上，所述光缆中的光纤受到所述状态变量影响自身状态发生改变，所述基站接收所述光纤中的光信号，通过对经过光纤内反射镜和散射元件作用后的后向散射光的散射点的偏振系数、后向瑞利散射系数、强度以及初始相位的检测，并基于这些参数与状态变量之间的直接、循环平稳的对应关系，即可获知状态变量的当前值，进而得到通信终端所传输的数据序列；其中，所述通信终端包括信息输入模块、信息调制模块、状态发生模块；所述信息输入模块用于输入用户要发送的信息；所述信息调制模块包括调节器，所述调节器用于将用户输入的信息调制成所述状态变量；所述状态发生模块包括信号接收器、固定装置、加载装置，所述信号接收器用于接收所述调节器调制的所述状态变量，所述固定装置用于将所述状态发生模块与所述光缆固定，所述加载装置设置于所述固定装置上，用于将所述状态变量加载作用到所述光缆上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态变量是温度、振动、应力、形变、电场、磁场中的一个或多个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站用于实现激光的产生，将激光注入光缆中，并接收在所述光纤中传输的经所述状态变量调制的光信号，并通过解调获取所述待传输的信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信终端通过所述信息输入模块获取信息，将信息通过所述调节器调制成所述状态变量，信息接收器接收所述状态变量，并通过所述加载装置加载到所述光缆上，形成对所述光纤中光信号的调制。

5.一种通信系统，所述通信系统由基站、通信终端和光缆组成，其特征在于，所述通信终端通过调节器将待传输的信息调制成状态变量，所述状态变量通过加载装置作用于所述光缆上，所述光缆中的光纤受所述状态变量的影响而使自身状态发生改变，所述基站通过对经过光纤内反射镜和散射元件作用后的后向散射光的散射点的偏振系数、后向瑞利散射系数、强度以及初始相位的检测，并基于这些参数与状态变量之间的直接、循环平稳对应关系，即可获知状态变量的当前值，进而得到通信终端所传输的数据序列；其中，所述通信终端包括信息输入模块、信息调制模块、状态发生模块；所述信息输入模块用于输入用户要发送的信息；所述信息调制模块包括调节器，所述调节器用于将用户输入的信息调制成所述状态变量；所述状态发生模块包括信号接收器、固定装置、加载装置，所述信号接收器用于接收所述调节器调制的所述状态变量，所述固定装置用于将所述状态发生模块与所述光缆固定，所述加载装置设置于所述固定装置上，用于将所述状态变量加载作用到所述光缆上。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述状态变量是温度、振动、应力、形变、电场、磁场中的一个或多个。

7.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述基站包括激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块、环形器、激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块，其中激光产生模块、激光控制模块、激光发射模块构成激光的发射部分，激光接收模块、激光解调模块、信息处理模块构成激光的接收部分；

所述基站用于实现激光的产生，将激光注入光缆中，并接收在所述光纤中传输的经所述状态变量调制的光信号，并通过解调后获取待传输的信息。

8.根据权利要求5所述的通信系统，其特征在于，所述信息输入模块采用传感器，所述传感器为力学传感器、电学传感器、磁学传感器、热学传感器、声学传感器、气体传感器、温度传感器、离子传感器、生物传感器、生化量传感器中的一种或多种。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序或指令，当所述程序或指令在计算机上运行时，如权利要求1至4中任一项所述的方法被执行。

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