CN113691345B - 一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统及方法，包括基站和移动端，所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；所述基站包括第一回复反射器、第一增益介质、第一电光调制器、第一分束器、第一光电探测器、第一信号处理板、第二光电探测器、第一同步装置和第二信号处理板；所述收发信机包括第二回复反射器、第二增益介质、第二分束器、第三光电探测器、耦合器、第三信号处理板、第二同步装置和第二电光调制器。本发明通过编码解码结构设计，实现了多个用户在同一时间与发射机无干扰地进行通信，为共振光通信在多用户场景中的应用提供了便利。

Description

一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及共振光通信，特别是涉及一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统及方法。

背景技术

为了满足未来通信发展的需求，实现高速的宽带无线通信，势必要向高频段开发新的频谱资源。由于光波的波长较短且具有几百THz的频率，将光作为无线通信的载体势必会成为未来无线通信的重要技术手段。利用共振腔形成稳定的光束，并将其作为载体实现无线通信是一种新兴的无线光通信技术，该种技术在具有较高传输速率的同时，也具有较好的移动性，是一种可以突破无线光通信技术发展瓶颈的技术。

但当涉及到多个用户同时与基站进行通信时，每个用户如何接收/发送自己所需的信息成为了共振光通信中的难点。

多址技术是实现多用户通信的关键技术，其可以扩大通信系统容量，并使不同用户的信号互不干扰地被分别接收和解调。在目前的多用户共振光通信系统中，缺乏对多址技术的研究，这制约着共振光通信的发展。因此，提出一种合适的多址技术，来使各个用户无干扰地接收/发送信息，是发展多用户共振光通信技术势必要解决的问题。

光码分多址是光通信中一种常见的多址方式，该种方式系统容量大，频带利用率高，抗干扰性强，保密性好等优点。而如何将光码分多址技术与共振光的特点相结合以将该种技术应用到多用户共振光通信中，是发展多用户共振光通信技术的一个可行方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统及方法，通过编码解码结构设计，实现了多个用户在同一时间与发射机无干扰地进行通信。为共振光通信在多用户场景中的应用提供了便利。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统，包括基站和移动端，所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；

所述基站包括第一回复反射器、第一增益介质、第一电光调制器、第一分束器、第一光电探测器、第一信号处理板、第二光电探测器、第一同步装置和第二信号处理板；

来自任一个收发信机的共振光经第一电光调制器、第一增益介质后传输到第一回复反射器，经第一回复反射器按原路径反射，经过反射的共振光在通过第一增益介质和第一电光调制器后传输给该收发信机；

第一回复反射器透射出的共振光传输给第一分束器分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器中，反射光送入到第二光电探测器中；第一光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板中第一信号处理板根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；第二光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置中，第一同步装置对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板发送通知，第二信号处理板在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息并根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器中，第一电光调制器将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

进一步地，所述收发信机包括第二回复反射器、第二增益介质、第二分束器、第三光电探测器、耦合器、第三信号处理板、第二同步装置和第二电光调制器；

来自于所述基站的共振光，经第二电光调制器传输到第二分束器，由第二分束器分束得到一束透射光和一束反射光，分束得到的透射光经第二增益介质传输给第二回复反射器反射后，再通过第二增益介质、第二分束器和第二电光调制器传输给基站；

第三光电探测器在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置中；第三信号处理板根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；第二同步装置对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器中，第二电光调制器将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站。

进一步地，所述第一回复反射器采用反射率为90%，透射率为10%的回复反射器；所述第二回复反射器采用反射率100%，透射率0%的回复反射器。

所述第一信号处理板、第二信号处理板、第三信号处理板和第二同步装置中均集成有寄存器。

一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，包括以下步骤：

S1.基站为每个用户生成不同的且相互正交的码字，并将各个用户的码字进行保存形成码表；所述码字即光正交码；在第一信号处理板和第二信号处理板的寄存器中保存码表；对于每个用户，在用户的收发信机内第三信号处理板的寄存器中保存该用户对应的码字；

S2.基站对发送给每个用户的信息进行编码，并将编码后的数据求和后输入到第一电光调制器中调制和发送，并对来自收发信机的信号进行接收和解码；

S3.每个用户的收发信机使用第二电光调制器完成光电转换后，利用预先记录的码字，对接收信号进行解码以恢复出自己的信号，并将待发送的信号进行编码和发送。

所述基站和移动端之间的每一帧数据均由同步头和信息数据组成。

所述步骤S2包括：

S201.第一回复反射器透射出的共振光传输给第一分束器分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器中，反射光送入到第二光电探测器中；

S202.第一光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板中，第一信号处理板根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；

S203.第二光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置中，第一同步装置对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板发送通知；

S204.第二信号处理板在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息，并根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器中，第一电光调制器将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

所述步骤S3包括：

S301.第三光电探测器在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置中；

S302.第三信号处理板根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；

S303.第二同步装置对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器中，第二电光调制器将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站。

本发明的有益效果是：本发明通过编码解码结构设计，实现了多个用户在同一时间与发射机无干扰地进行通信。为共振光通信在多用户场景中的应用提供了便利。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为收发信机的原理示意图；

图中，1-基站，11-第一回复反射器，12-第一增益介质，13-第一电光调制器，14-第一分束器，15-第一光电探测器，16-第一信号处理板，17-第二光电探测器，18-第一同步装置，19-第二信号处理板，2-移动端，21-第二回复反射器，22-第二增益介质，23-第二分束器，24-第三光电探测器，25-耦合器，26-第三信号处理板，27-第二同步装置，28-第二电光调制器。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统，包括基站1和移动端2，所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；在基于光码分多址的多用户共振光通信中，自由空间中的光子会在基站的回复反射器和各个移动端的回复反射器之间进行往返运动，直至在每个共振腔内都形成稳定的共振光。

所述基站1包括第一回复反射器11、第一增益介质12、第一电光调制器13、第一分束器14、第一光电探测器15、第一信号处理板16、第二光电探测器17、第一同步装置18和第二信号处理板19；

来自任一个收发信机的共振光经电光调制器13、第一增益介质12后传输到第一回复反射器11，经第一回复反射器11按原路径反射，经过反射的共振光在通过第一增益介质12和电光调制器13后传输给该收发信机；

第一回复反射器11透射出的共振光传输给第一分束器14分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器15中，反射光送入到第二光电探测器17中；第一光电探测器15对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板16中，第一信号处理板16根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；第二光电探测器17对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置18中，第一同步装置18对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板19发送通知，第二信号处理板19在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息，并根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器13中，第一电光调制器13将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

如图2所示，所述收发信机包括第二回复反射器21、第二增益介质22、第二分束器23、第三光电探测器24、耦合器25、第三信号处理板26、第二同步装置27和第二电光调制器28；

来自于所述基站1的共振光，经第二电光调制器28传输到第二分束器23，由第二分束器23分束得到一束透射光和一束反射光，分束得到的透射光经第二增益介质22传输给第二回复反射器21反射后，再通过第二增益介质22、第二分束器23和第二电光调制器28传输给基站；

第三光电探测器24在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器25中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板26中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置27中；第三信号处理板26根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；第二同步装置27对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器28中，第二电光调制器28将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站1。

进一步地，所述第一回复反射器11采用反射率为90%，透射率为10%的回复反射器；所述第二回复反射器21采用反射率100%，透射率0%的回复反射器。所述第一信号处理板16、第二信号处理板19、第三信号处理板26和第二同步装置27中均集成有寄存器。

在本申请的实施例中，当光经过第一电光调制器13时，若第一同步装置19有信号输入第一电光调制器，则进行电光调制；若没有信号输入，则光直接不经任何处理直接通过第一电光调制器进行输出；同理，当光经过第二电光调制器28时，若第二同步装置27有信号输入第二电光调制器，则进行电光调制，若没有信号输入，则光不经任何处理直接通过第二电光调制器输出。

在本申请的实施例中，对于第一分束器14、第二分束器23，需要说明的是，分束器正面的膜和背面的膜不一样，当光从正面打到分束器的膜上时，光会分成反射和透射两部分。而当光从背面打到分束器的膜上时，光则会完全透射。在图1~2中，分束器光滑的一面表示正面，带斜线的一面表示反面。

为了解决共振光通信中的多用户通信问题，本发明设计了一种基于光码分多址（OCDMA）的双向多用户共振光通信方式。在该通信方式中，以共振光在收发信机之间的一次往返作为一帧数据，通过为每个用户分配相互正交的码字，并且对发送给每个用户的信息进行编码来保证多个用户在同一时间与发射机无干扰地进行通信。在共振光通信系统中，使用的码字均为由0和1组成的单极型码字；

因为两个不同的光正交码乘积为0，因此用户使用自己的码字与其余用户的码字相乘后，便可得到只属于自己的信号。

基于上述的编码解码示意图，本申请中一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，包括以下步骤：

S1.基站1为每个用户生成不同的且相互正交的码字（光正交码），并将各个用户的码字进行保存形成码表；在第一信号处理板16和第二信号处理板19的寄存器中保存码表；对于每个用户，在用户的收发信机内第三信号处理板26的寄存器中保存该用户对应的码字；

S2.基站1对发送给每个用户的信息进行编码，并将编码后的数据求和后输入到第一电光调制器13中调制和发送，并对来自收发信机的信号进行接收和解码；

S3.每个用户的收发信机使用第二电光调制器28完成光电转换后，利用预先记录的码字，对接收信号进行解码以恢复出自己的信号，并将待发送的信号进行编码和发送。

所述基站1和移动端之间的每一帧数据均由同步头和信息数据组成。

所述步骤S2包括：

S201.第一回复反射器11透射出的共振光传输给第一分束器14分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器15中，反射光送入到第二光电探测器17中；

S202.第一光电探测器15对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板16中，第一信号处理板16根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；

S203.第二光电探测器17对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置18中，第一同步装置18对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板19发送通知；

S204.第二信号处理板19在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息，并根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器13中，第一电光调制器13将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

所述步骤S3包括：

S301.第三光电探测器24在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器25中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板26中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置27中；

S302. 第三信号处理板26根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；

S303.第二同步装置27对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器28中，第二电光调制器28将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站1。

以上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。

Claims (7)

1.一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统，其特征在于：包括基站（1）和移动端（2），所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；

所述基站（1）包括第一回复反射器（11）、第一增益介质（12）、第一电光调制器（13）、第一分束器（14）、第一光电探测器（15）、第一信号处理板（16）、第二光电探测器（17）、第一同步装置（18）和第二信号处理板（19）；

来自任一个收发信机的共振光经第一电光调制器（13）、第一增益介质（12）后传输到第一回复反射器（11），经第一回复反射器（11）按原路径反射，经过反射的共振光在通过第一增益介质（12）和第一电光调制器（13）后传输给该收发信机；

第一回复反射器（11）透射出的共振光传输给第一分束器（14）分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器（15）中，反射光送入到第二光电探测器（17）中；第一光电探测器（15）对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板（16）中，第一信号处理板（16）根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；第二光电探测器（17）对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置（18）中，第一同步装置（18）对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板（19）发送通知，第二信号处理板（19）在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息，并根据自身寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器（13）中，第一电光调制器（13）将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

2.根据权利要求1所述的一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统，其特征在于：所述收发信机包括第二回复反射器（21）、第二增益介质（22）、第二分束器（23）、第三光电探测器（24）、耦合器（25）、第三信号处理板（26）、第二同步装置（27）和第二电光调制器（28）；

来自于所述基站（1）的共振光，经第二电光调制器（28）传输到第二分束器（23），由第二分束器（23）分束得到一束透射光和一束反射光，分束得到的透射光经第二增益介质（22）传输给第二回复反射器（21）反射后，再通过第二增益介质（22）、第二分束器（23）和第二电光调制器（28）传输给基站；

第三光电探测器（24）在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器（25）中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板（26）中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置（27）中；第三信号处理板（26）根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；第二同步装置（27）对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器（28）中，第二电光调制器（28）将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站（1）。

3.根据权利要求2所述的一种基于光码分多址的多用户共振光通信系统，其特征在于：所述第一回复反射器（11）采用反射率为90%，透射率为10%的回复反射器；所述第二回复反射器（21）采用反射率100%，透射率0%的回复反射器；所述第一信号处理板（16）、第二信号处理板（19）、第三信号处理板（26）和第二同步装置（27）中均集成有寄存器。

4.一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，采用权利要求1~3中任意一项所述的系统，其特征在于：包括以下步骤：

S1.基站（1）为每个用户生成不同的且相互正交的码字，并将各个用户的码字进行保存形成码表；所述码字即光正交码；在第一信号处理板（16）和第二信号处理板（19）的寄存器中保存码表；对于每个用户，在用户的收发信机内第三信号处理板（26）的寄存器中保存该用户对应的码字；

S2.基站（1）对发送给每个用户的信息进行编码，并将编码后的数据求和后输入到第一电光调制器（13）中调制和发送，并对来自收发信机的信号进行接收和解码；

S3.每个用户的收发信机使用第二电光调制器（28）完成光电转换后，利用预先记录的码字，对接收信号进行解码以恢复出自己的信号，并将待发送的信号进行编码和发送。

5.根据权利要求4所述的一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，其特征在于：所述基站（1）和移动端之间的每一帧数据均由同步头和信息数据组成。

6.根据权利要求5所述的一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

S201.第一回复反射器（11）透射出的共振光传输给第一分束器（14）分为一束透射光和一束反射光，透射光送入到第一光电探测器（15）中，反射光送入到第二光电探测器（17）中；

S202.第一光电探测器（15）对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板（16）中，第一信号处理板（16）根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，并且用码字对接收信号进行解码，来恢复出各个用户的信息；

S203.第二光电探测器（17）对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置（18）中，第一同步装置（18）对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，向第二信号处理板（19）发送通知；

S204.第二信号处理板（19）在接收到通知后，产生给每个用户的发送信息，并根据寄存器中预先记录好的码表确定各个用户的码字，利用每个用户的码字对发送信息进行编码后，对各个用户的编码结果进行求和，然后输入到第一电光调制器（13）中，第一电光调制器（13）将输入信息加载到共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。

7.根据权利要求5所述的一种基于光码分多址的多用户共振光通信方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

S301.第三光电探测器（24）在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器（25）中，耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第三信号处理板（26）中用于解调，另一路信号输入到第二同步装置（27）中；

S302.第三信号处理板（26）根据预先记录的码字对接收到的信息进行解调以恢复出信息；

S303.第二同步装置（27）对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并利用预先记录的码字对其编码后，将其输入到第二电光调制器（28）中，第二电光调制器（28）将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站（1）。

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