CN114142932A - 一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，属于通信技术领域，旨在解决现有的通信设备容易受到干扰、安全性低容易被窃取的问题；包括无线光频手持话机、可见光移动通信基站、无线光频移动通信基站控制器、激光中继器、无线光频移动通信交换中心和无线光频移动通信数据中心；本发明的系统，能够传输业务语音通信，实现打电话的功能；不对周围电磁设备正常运行造成干扰，在强电磁干扰环境和电磁屏蔽环境可以实现通信，具有较好的保密性，信号不能被窃取，不存在电磁泄露风险。

Description

一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统。

背景技术

可见光通信设备具有良好的电磁兼容性，不对周围电磁设备正常运行造成干扰；设备内部进行电磁屏蔽设计，屏蔽外部电磁干扰，在强电磁干扰环境和电磁屏蔽环境可以实现通信；无线光频通信具有较好的保密性，光沿直线传播，信号范围为通信光照射范围，在照射范围以外无法接收到通信信号，实现信号物理隔离，信号不能被窃取；光照属于点状或范围状，照射范围可以控制，光不具有穿透能力，不存在电磁泄露风险。

军事上存在两种特殊区域，电磁盲区：地下军事指挥所、军事物资洞库、潜艇/航母等舰船舱室、地下人防工程等；电磁敏感区：武器弹药库、爆破物资库、核物资库、地下储油库等。这些地方都无法相互通连，和定点指挥，严重影响地下设施的精准管理和高效利用。

基于可见光通信技术具备的优势，针对军事应用中存在的痛点问题，本发明提供一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，能够传输业务语音通信，实现打电话的功能；不对周围电磁设备正常运行造成干扰，在强电磁干扰环境和电磁屏蔽环境可以实现通信，具有较好的保密性，信号不能被窃取，不存在电磁泄露风险。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，包括无线光频手持话机、可见光移动通信基站、无线光频移动通信基站控制器、激光中继器、无线光频移动通信交换中心和无线光频移动通信数据中心；

所述无线光频手持话机与所述可见光移动通信基站通过可见光和红外光进行互相握手通信；

所述可见光移动通信基站和所述无线光频移动通信基站控制器通过激光进行通信连接；

所述无线光频移动通信基站控制器和所述激光中继器通信连接；

所述激光中继器和所述无线光频移动通信交换中心通信连接；

所述无线光频移动通信交换中心和所述无线光频移动通信数据中心通信连接。

优选地，所述无线光频手持话机包括拨号键盘、显示屏、光信号接收模块、光信号发射模块、信号处理模块和电源管理模块；所述拨号键盘、显示屏、光信号接收模块、光信号发射模块和电源管理模块分别与所述信号处理模块电性连接；所述光信号接收模块、光信号发射模块上分别电性连接有光学天线。

优选地，所述可见光移动通信基站是基于LED照明灯具设计的通照一体化灯具基站。

优选地，所述可见光移动通信基站包括顺次通信连接的无线移动通信信号接收处理单元、数字信号处理模块和链路层通信透传单元。

优选地，所述无线移动通信信号接收处理单元包括光学集中器、窄带滤波器、阵列PD、跨阻放大器、运算放大器、差分ADC驱动器和发射天线、LED、偏置电路、低纹波DC驱动器、高速运算放大器；光学集中器、窄带滤波器、阵列PD、跨阻放大器、运算放大器、差分ADC驱动器顺次电性连接；所述低纹波DC驱动器、高速运算放大器分别与所述偏置电路电性连接；所述偏置电路与所述LED电性连接；所述LED与所述发射天线电性连接。

优选地，所述链路层通信透传单元包括运算放大器、调制器、激光器、发射天线和接收天线、光电探测转换器、放大器；所述运算放大器、调制器、激光器、发射天线顺次电性连接；所述接收天线、光电探测转换器、放大器、调制器顺次电性连接。

本发明的有益效果在于：本发明的系统，能够传输业务语音通信，实现打电话的功能；不对周围电磁设备正常运行造成干扰，在强电磁干扰环境和电磁屏蔽环境可以实现通信，具有较好的保密性，信号不能被窃取，不存在电磁泄露风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统的系统架构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统的无线光频手持话机的原理框图；

图3为本发明实施例提供的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统的可见光移动通信基站的原理框图；

图4为本发明实施例提供的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统的无线光频移动通信基站控制器的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，由基于光通信的激光通信链路支撑网络和基于可见光通信的接入网络两部分组成；支撑网络是激光通信链路，是无线光频移动通信系统的骨干传输媒质；无线光频手持话机（VLMN-MS）和可见光移动通信基站（VLMN-BTS）通过可见光和红外光进行互相握手通信，完成空中接口，可见光移动通信基站（VLMN-BTS）和无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）之间通过激光进行连接，传输控制信号和传输数据，无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）接收到可见光移动通信基站（VLMN-BTS）透传来的无线光频手持话机（VLMN-MS）的呼叫数据，可直接通过激光传输到无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC），由于传输链路不平坦，传输距离太远，直接透传难度较大，本发明在通信链路层提出激光中继器设备，中继器实现水平270°，垂直180°旋转结构，提供四路双向信道，一路网线结构，可直接连接路由器，激光中继器设备之间串行连接，单设备平面无遮挡传输1km，适应不同的安装环境，激光中继器和无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）之间通过网线和激光传输，实现整个支撑网络建设。

可见光通信的接入网络主要包括无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）、无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）、可见光移动通信基站（VLMN-BTS）和无线光频手持话机（VLMN-MS），无线光频手持话机（VLMN-MS）(A)拨号呼叫无线光频手持话机（VLMN-MS）（B），将无线光频手持话机（VLMN-MS）（B）的号码地址信号通过空中接口传至可见光移动通信基站（VLMN-BTS），并经可见光移动通信基站（VLMN-BTS）透明传输至对应的无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）及无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC），无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）完成空中接口信号处理、通信控制、话务集中器作用，以及与激光通信链路之间数据协议的转换，实现无线光频手持话机（VLMN-MS）的无线接入功能，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）提供交换功能，从无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR）获取目标用户位置，具有号码储存译码、呼叫处理、路由选择、越区切换和自动漫游等功能。可见光移动通信基站（VLMN-BTS）是基于LED照明灯具设计的通照一体化灯具基站，满足照明需求的同时实现通信。

进一步的，无线光频手持话机VLMN-MS是本系统的重要组成部分，无线光频手持话机（VLMN-MS）包括光学天线、拨号键盘、显示屏、光信号接收模块、光信号发射模块、信号处理模块和电源管理模块，原理框图如图2所示。

无线光频手持话机具备拨号通话的基本功能，处理模块选用高性能FPGA做数字逻辑设计，ARM作为微控制器，嵌入操作系统，进行事务管理，完成界面和应用程序运行，实现打电话整体功能，设备供电使用锂电池供电，经过电源管理模块，将电压电源转换成3.3V、1.2V、5V、10V供设备使用，3.3V和1.2V供数字信号处理模块工作，5V供光信号发射模块和光信号接收模块工作，3.3V和10V供光信号接收模块自动增益控制模块工作，完成信号处理，由于本设备只具有语音通信的功能，完成功能的附属模块由MIC、扬声器，显示屏组成，显示屏使用12864液晶点阵屏，显示呼叫号码，接听状态和通话计时等界面显示。

无线光频手持话机通话原理，首先打开开关，通过拨号键盘输入需要拨打的对方号码，ARM读取到拨号信息，将拨号信息显示到显示屏上，通过并行总线发送到FPGA，FPGA对数据进行链路层协议转换，速率适配，扩频调制，使用4组扩频码，每一组扩频码有16位，具有良好的自相关、互相关、直流平衡的特性，调制时串行bit序列分别与扩频码模2加，码速率由1.28M的提升到20.48M。调制信号发送到光信号发射模块，发射模块将FPGA处理后的电信号进行滤波放大，然后通过LED发送到自由空间，完成号码信息发送。可见光移动通信基站（VLMN-BTS）拾取到号码信息经过支撑网络和中间设备，最终得到被呼叫无线光频手持话机（VLMN-MS）的位置，并申请分配漫游号码，由无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）将漫游号码经过支撑网络返回到可见光移动通信基站（VLMN-BTS），然后通过可见光发送到自由空间。

无限光频手持话机通过接收光学天线，滤波处理后进入光信号接收模块，将模拟的光信号转化为数字化的电信号，光信号到达后首先由光信号接收模块中第一级接收器光电二极管接收。为增强光电转化效率，采用列阵光电二极管接收方式，微弱的光信号经光电二极管接收列阵转化为微弱的电流信号，信号大小约为几微安培；电流信号进入第二级放大电路，第二级放大电路为跨阻放大器，跨阻放大器的主要作用为将电流信号转化为电压信号，跨阻放大器输出信号大小为十几毫伏；该微小电压信号进一步进行第三级运算放大器放大，将毫伏级别的电压信号放大为伏特级别，以满足后续AD采集电平需求。由于无线光频手持话机（VLMN-MS）在移动过程中会造成光信号强弱的改变，在第三级放大器之后，采用自动增益控制AGC放大，以限制电信号动态范围，提高AD采样精度。

经过多级放大后的电信号进入A/D转换器，A/D转换器将模拟的电信号进行编码处理变为数字信号，送FPGA进行电信号处理，处理后数据发送到ARM单元进行界面显示和语音播报，完成整个通话回路流程。

进一步的，可见光移动通信基站（VLMN-BTS），可同时实现通信和照明两种功能，可见光移动通信基站（VLMN-BTS）完成空中接口对接，接入控制接口技术参考TDMA、CDMA、FDMA体制，采用适用于可见光通信链路的TDMA+CDMA+WDMA多址技术，实现每个灯具基站下不小于4个用户的可见光通信信号汇聚和分发，数据帧之间通过时间复用，每帧占用一个时隙，用户间TDMA区分用户，上下行链路适用WDMA，下行信号利用LED可见光，上行信号利用LED红外光，全时双工，基站和基站之间适用CDMA，以地址、扩频码区分小区，地址、扩频码之间相互正交。

可见光移动通信基站属于无线光频通信无线信号接收系统中的天线部分，由无线移动通信信号接收处理单元、链路层通信透传单元和数字信号处理模块组成；原理框图如图3所示。

无线移动通信信号接收处理单元，主要完成接收和发射语音数据，天线层完成光学信号的集中，滤波，传输到阵列PD，进行光电转换，转化成微弱的几微安培电流信号，经过第二级跨组放大器将微弱的电流信号放大为十几毫伏；该微小电压信号进一步进行第三级运算放大器放大，将毫伏级别的电压信号放大为伏特级别，以满足后续AD采集电平需求。

经过接受单元处理后的数据进入数字信号处理模块，包括物理层PHY和媒体接入层MAC，物理层是空中接口性能中最关键的部分，决定通信系统的性能和特点，主要完成物理信道的扩频调制和扩频解调部分，无线定时同步，包括码片、比特、时隙同步，也包括上行同步，传输信道的编码、解码。主要包括：上行信号捕获与同步，上行信号解扩频接收，AGC增益动态调节等，将接收到的通信数据进行重新适配，发送到链路层激光传输部分，将接收到的通信数据直接透传到无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）。通信返回数据，由链路层通信透传单元激光接收部分将数据完整接收，输出到数字信号处理模块FPGA进行链路层协议转换，速率适配与并串转换，然后进行扩频调制，传输到D/A单元，经过信号滤波、放大后调制到照明LED中，进行信号下发。

进一步的，无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC），多个可见光移动通信基站（VLMN-BTS）产生的数据由无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）进行控制和话务集中，进行资源分配，无线资源管理、无线光频移动通信基站的监视管理、随机接入信道信号处理，实现被管理区域内无线光频手持话机（VLMN-MS）的过区切换进行控制，IP数据帧格式转换等功能，一个无线光频移动通信基站控制器可以控制6个可见光移动通信基站（VLMN-BTS），留有一个激光通信接口，实现与无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）通信，无线光频移动通信基站控制器原理框图如图4所示。

无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）可同时控制6路无线光频移动通信基站，同一区域的内的多个灯具基站通过激光连接无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC），将接收到的无线光频手持话机（VLMN-MS）的通信数据透传给无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC），无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）接收到多路数据，数字信号处理模块对接收到的所有数据进行MAC层协议转换和链路层协议转换，将多路数据重新编码为一路数据，经过链路激光传送给上层接收设备激光交换机或无线光频移动通信交换中心，同样无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）通过链路激光RX将通话数据返回到无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC），数字信号处理模块识别到返回信息内容，解析无线光频手持话机（VLMN-MS）归属地位置，将通信数据经过激光TX推送到可见光移动通信基站（VLMN-BTS），完成一次信息交互。

进一步的，激光中继器在无线光频移动通信网络系统中起到无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）和无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）连接作用，属于激光交换机，可以同时连接4路无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC），中继器之间可通过激光直接相连，适用于不方便布线、距离较远的通信链路中继，留有一个RJ45网络接口，可直接连接无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）和无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR），实现数据交换。

进一步的，无线光频移动通信交换中心和无线光频移动通信数据中心，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）是网络的核心，提供交换功能，从数据中心获取处理用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）根据最新获取的信息请求更新数据库的部分数据，具有号码存储，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，无线光频手持话机（VLMN-MS）离开该无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）控制区域，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）将取消临时记录的该无线光频手持话机（VLMN-MS）的用户数据，无线光频手持话机（VLMN-MS）重新在另一个无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）下进行登记。

无限光频移动通信数据中心无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR）记录无线光频手持话机注册号码，号码不可以修改，记录无线光频手持话机（VLMN-MS）的静态和动态的归属地信息，是整个无线光频移动通信网络系统的中心数据库，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）接收到呼叫信息后，从无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR）中查找被呼叫用户的归属地信息，得到目前所处的位置信息，将建立连接请求数据发送到目前无线光频手持话机（VLMN-MS）所处的无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC），无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）分配漫游号码，送回到无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR），无限光频移动通信数据中心（VLMN-HLR）将漫游号码发送会请求无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）中，无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）得到漫游号码后分析出当前所处的无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC），无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）分析无线光频手持话机（VLMN-MS）当前所处的无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）区域，进一步分析出所处的可见光移动通信基站（VLMN-BTS），通过可见光移动通信基站（VLMN-BTS）发送广播消息寻找目标无线光频手持话机（VLMN-MS），目标无线光频手持话机（VLMN-MS）接收到呼叫广播后开始响铃，完成呼叫过程控制。

工作原理：

当无线光频手持话机（VLMN-MS）位于可见光移动通信基站（VLMN-BTS）的光照范围内后，信号通过上下行的光链路传输，触发注册机制，无线光频手持话机（VLMN-MS）即通过该通照一体基站接入系统网络，并伴随无线光频手持话机（VLMN-MS）的移动过程，可在不同通照一体基站之间择优切换，从而实现无线光频手持话机（VLMN-MS）在整个照明网络中漫游通信；通照一体基站将与无线光频手持话机（VLMN-MS）通信数据，通过支撑网络激光通信链路透传到可见光移动通信基站，经由无线光频移动通信基站控制器（VLMN-BSC）汇总多路可见光移动通信基站（VLMN-BTS）至无线光频移动通信交换中心，在无线光频移动通信交换中心（VLMN-MSC）对多用户通信数据进行交换转发处理；通照一体基站支持单基站下多用户注册接入，多个用户在同一个基站下进行同时的通信业务，互不影响。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，包括无线光频手持话机、可见光移动通信基站、无线光频移动通信基站控制器、激光中继器、无线光频移动通信交换中心和无线光频移动通信数据中心；

所述无线光频手持话机与所述可见光移动通信基站通过可见光和红外光进行互相握手通信；

所述可见光移动通信基站和所述无线光频移动通信基站控制器通过激光进行通信连接；

所述无线光频移动通信基站控制器和所述激光中继器通信连接；

所述激光中继器和所述无线光频移动通信交换中心通信连接；

所述无线光频移动通信交换中心和所述无线光频移动通信数据中心通信连接。

2.如权利要求1所述的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，所述无线光频手持话机包括拨号键盘、显示屏、光信号接收模块、光信号发射模块、信号处理模块和电源管理模块；所述拨号键盘、显示屏、光信号接收模块、光信号发射模块和电源管理模块分别与所述信号处理模块电性连接；所述光信号接收模块、光信号发射模块上分别电性连接有光学天线。

3.如权利要求1所述的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，所述可见光移动通信基站是基于LED照明灯具设计的通照一体化灯具基站。

4.如权利要求3所述的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，所述可见光移动通信基站包括顺次通信连接的无线移动通信信号接收处理单元、数字信号处理模块和链路层通信透传单元。

5.如权利要求4所述的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，所述无线移动通信信号接收处理单元包括光学集中器、窄带滤波器、阵列PD、跨阻放大器、运算放大器、差分ADC驱动器和发射天线、LED、偏置电路、低纹波DC驱动器、高速运算放大器；光学集中器、窄带滤波器、阵列PD、跨阻放大器、运算放大器、差分ADC驱动器顺次电性连接；所述低纹波DC驱动器、高速运算放大器分别与所述偏置电路电性连接；所述偏置电路与所述LED电性连接；所述LED与所述发射天线电性连接。

6.如权利要求4所述的一种基于无线光频通信技术的无线光频移动通信网络系统，其特征在于，所述链路层通信透传单元包括运算放大器、调制器、激光器、发射天线和接收天线、光电探测转换器、放大器；所述运算放大器、调制器、激光器、发射天线顺次电性连接；所述接收天线、光电探测转换器、放大器、调制器顺次电性连接。

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