CN115037366A - 一种激光任意多用户全双工无线光通信系统及方法 - Google Patents

一种激光任意多用户全双工无线光通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光任意多用户全双工无线光通信系统及方法，系统包括主控制中心、激光器、调制/解调器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、多个不同方向的ATP终端机及与ATP终端机相连的从控制中心；所述通信系统的光束发射方向为：激光器的出射光束依次经过调制/解调器、扩束镜、1/2波片、全激光任意二维多波束生成器，最终到达不同方向的ATP终端机；光束接收方向为：各自ATP终端机发射的光束按原各自接收光的角度原方向返回至激光任意二维多波束生成器，并合成一束光依次经过1/2波片、扩束镜，到达调制/解调器。本发明基于激光任意二维多波束生成器，采用载波聚合调制算法，实现了任意多用户全双工高速无线激光通信能力。

Description

一种激光任意多用户全双工无线光通信系统及方法
技术领域
本发明属于自由空间光通信技术、自由空间激光组网技术领域，特别涉及一种激光任意多用户全双工无线光通信系统及方法。
背景技术
天地一体化信息网络建设已经成为全球各国空天防御、可信通信和侦查等军事运用和国防建设的迫切需求，其主要由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成。当前，美国太空探索技术公司的星链计划，使用微波通信技术，已初步组建天基骨干网、天基接入网，具备一定的地基终端接入能力，已向一些商业用户提供了低速有限的卫星宽带服务。
由于微波带宽的局限性，无法满足天基骨干网对无线通信超高速率的要求。由于激光具有传播定向性好，通信带宽大，抗干扰信强，通信速率高和频谱免费等优点，构建空天地一体化全光信息网是未来天地一体化信息网络建设的发展趋势，由卫星组成的基于激光链路的骨干网络使得地球上的用户可以随时随地享受高速宽带无线接入服务。
激光链路骨干网路迫切需要多用户无线激光通信的能力，包括点对多点、一点对多点、多点对一点以及多点对多点全双工高速通信。传统的机械式自由空间激光通信系统光束指向控制速度慢，指向精度低，系统复杂，无法实现任意角度的多波束接入。目前，星对星空间激光通信、星对地空间激光通信、短程大气空间激光通信和量子通信技术只能点对点通信。无论是自由空间激光通信网络、自动驾驶和新型激光激光雷达系统对激光任意多用户全双工无线光通信提出了前所未有的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光任意二维多波束生成器，采用载波聚合调制算法，能够实现任意多用户全双工高速无线激光通信能力，能够满足空天地一体化全光信息网络建设的多点对多点全双工高速通信需求的激光任意多用户全双工无线光通信系统，并提供一种激光任意多用户全双工无线光通信方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种激光任意多用户全双工无线光通信系统，包括主控制中心、激光器、调制/解调器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、多个不同方向的ATP终端机及与ATP终端机相连的从控制中心；所述通信系统的光束发射方向为：激光器的出射光束依次经过调制/解调器、扩束镜、1/2波片、全激光任意二维多波束生成器，最终到达不同方向的ATP终端机；光束接收方向为：各自ATP终端机发射的光束按原各自接收光的角度原方向返回至激光任意二维多波束生成器，并合成一束光依次经过1/2波片、扩束镜，到达调制/解调器；激光任意二维多波束生成器激光终端和ATP终端机均只有一个光学天线，并且收发共轴；主控制中心分别与调制/解调器和激光任意二维多波束生成器相连。
进一步地，每个ATP终端机都有唯一的硬件识别码，分配了不同的频谱资源，而且有着互不相同的工作主频。
进一步地，所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜、第二全反射棱镜、半反射棱镜、起偏器、二维空间光调制器、1/4波片和检偏器；
在空间结构中，第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面向外并且相互平行；半反射棱镜包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面垂直的半反射棱镜底面；第一全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第一半透半反面无缝贴合，第二全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第二半透半反面无缝贴合；第一全反射棱镜、第二全反射棱镜和半反射棱镜底面形成的结构横截面形呈“区”字形；
二维空间光调制器位于半反射棱镜底面外侧，检偏器位于第二全反射棱镜斜面外侧；起偏器和1/4波片并行地设置在二维空间光调制器与半反射棱镜底面之间。
进一步地，所述激光任意二维多波束生成器指向给不同方向的ATP终端的光束携带了完全相同的载波信息，并且该载波信息包含了系统中所有ATP终端从机的调制信息；而每个ATP终端机发射给激光任意二维多波束生成器的光束中只携带了本从机频谱资源范围内的调制信息。
本发明的另一个目的是提供一种激光任意多用户全双工无线光通信方法，利用本申请所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统实现，包括以下步骤：
步骤1、系统搭建以及校准：搭建激光任意二维多波束生成器发射光耦合对准和位图校准，完成主控制中心对调制/解调器的初始化握手和校准；搭建多用户ATP终端系统，完成ATP终端机初始化角度和方位校正；
步骤2、需求参数初始化：设置激光工作波长、ATP终端个数以及各终端的功率分配，并设置每个ATP终端机的硬件识别码、频谱资源、二层通信协议以及本震频率；
步骤3、从目标空间位置扫描：主控制中心通过激光任意二维多波束生成器，扫描ATP终端机所在空间位置并存储所有ATP的空间角度信息；
步骤4、多ATP目标角度光束指向：根据步骤3扫描出的所有ATP接收终端空间信息，生成对应的位图信息，加载至激光任意二维多波束生成器，并行生成一一指向每个ATP终端的光束群；
步骤5、TX基带数据处理：主控制中心将要发送给不同ATP终端的数据信息，根据不同ATP终端的频谱资源，在基带域进行子载波预处理；
步骤6、载波聚合：将已预处理完成的ATP终端子载波使用载波聚合技术，合成一个宽带载波信号；
步骤7、电光调制：主控制中心将载波聚合后的宽带载波信号发送至光电调制器，实现电域调制信号的光域转换；
步骤8、多用户通信链路握手：主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的握手数据包，直至主控中心均收到了来自不同方向的ATP终端回传的ACK应答信号，则握手完成，链路建立；
步骤9、多用户全双工业务通信：链路握手成功并建链之后，主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的业务数据包，实现一对多通信发射；从控制中心独立回传各自频谱资源范围内业务数据包，实现多对一通信发射；主控制中心接收到回传的光束载波信息后，经过基带解调器和滤波器依次筛选出不同从控制中心回传的不同频谱信息，实现多对一的通信接收；从控制中心对接收的宽带信息进行下变频和移频处理，经过滤波器，截取各自频谱域的信息，实现一对多的通信接收。
本发明的有益效果是：本发明的任意多用户全双工无线激光通信系统基于激光任意二维多波束生成器，采用载波聚合调制算法，实现了任意多用户全双工高速无线激光通信能力，能够满足空天地一体化全光信息网络建设的多点对多点全双工高速通信需求，为自由空间激光通信组网的实现提供了理论可行性支撑和技术保障。
附图说明
图1为本发明的激光任意多用户全双工无线光通信系统的结构示意图；
图2为本发明的激光任意二维多波束生成器结构示意图；
图3为本发明的通信流程图；
图4为本发明从控制中心数据收发频谱资源示意图。
具体实施方式
ATP：自由空间光通信系统中-对目标的捕获、跟踪和瞄准(Acquisition,Tracking,Pointing，ATP)。
如图1所示，本发明的一种激光任意多用户全双工无线光通信系统，包括主控制中心1、激光器2、调制/解调器3、扩束镜4、1/2波片(HWP)5、激光任意二维多波束生成器6、多个不同方向的ATP终端机7-1～13-1及与ATP终端机相连的从控制中心7-2～13-2；所述通信系统的光束发射方向为：激光器的出射光束依次经过调制/解调器、扩束镜、1/2波片、全激光任意二维多波束生成器，最终到达不同方向的ATP终端机；光束接收方向为：各自ATP终端机发射的光束按原各自接收光的角度原方向返回至激光任意二维多波束生成器，并合成一束光依次经过1/2波片、扩束镜，到达调制/解调器；激光任意二维多波束生成器激光终端和ATP终端机均只有一个光学天线，并且收发共轴；主控制中心分别与调制/解调器和激光任意二维多波束生成器相连。
每个ATP终端机都有唯一的硬件识别码，分配了不同的频谱资源，而且有着互不相同的工作主频。
所述主控制中心通过载波聚合的方式，把多个用户的基带信息聚合成一个宽带信息，经调制/解调器调制后，通过激光任意二维多波束生成器发射至每一个ATP终端机；不同方向的从控制中心对接收的宽带信息进行下变频和移频处理，经过滤波器，截取各自频谱域的信息，实现一对多的通信。
所述从控制中心通过ATP终端机沿着接收光束方向，发射载波光束，回传各自频谱域的特有信息；不同方向的ATP终端机出射光到达激光任意二维多波束生成器后被汇聚成一束载波光，光电解调器将这束接收汇聚载波光所携带的载波信息回传至主控制中心。
所述主控制中心接收到回传的光束载波信息后，经过基带解调器和滤波器依次筛选出不同从控制中心回传的不同频谱信息，实现多对一的通信，进而实现激光任意多用户全双工无线光通信的目的。
主从控制中心是一种解耦的高级控制系统，其由硬件(包括基带，中频和核心处理器等)和高层软件组成，主要负责网络信息网络搭建和管理、任务调度、资源分配和路由规划等。
如图2所示，所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜14、第二全反射棱镜19、半反射棱镜15、起偏器16、二维空间光调制器17、1/4波片18和检偏器20；
在空间结构中，第一全反射棱镜14、第二全反射棱镜19的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面14-3和第二全反射棱镜斜面19-3向外并且相互平行；半反射棱镜15包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面14-3和第二全反射棱镜斜面14-3垂直的半反射棱镜底面15-3；第一全反射棱镜增透面14-2和半反射棱镜15的第一半透半反面15-1无缝贴合，第二全反射棱镜增透面19-2和半反射棱镜15的第二半透半反面15-2无缝贴合；第一全反射棱镜14、第二全反射棱镜19和半反射棱镜底面15-3形成的结构横截面形呈“区”字形；半反射棱镜5包括半反射角锥棱镜或半反射道威棱镜；半反射角锥棱镜横截面为等腰直角三角形，其两个半透半反面分别与第一全反射棱镜增透面4-2和第二全反射棱镜增透面9-2等面积无缝贴合。道威棱镜横截面为等腰梯形，两个半透半反面分别与第一全反射棱镜增透面和第二全反射棱镜增透面无缝贴合，面积可以不同。即只要能够实现使入射光和出射光平行的半反射棱镜均可作为本发明的半反射棱镜。
二维空间光调制器17位于半反射棱镜底面15-3外侧，检偏器20位于第二全反射棱镜斜面19-3外侧；起偏器16和1/4波片18并行地设置在二维空间光调制器17与半反射棱镜底面15-3之间。
所述激光任意二维多波束生成器指向给不同方向的ATP终端的光束携带了完全相同的载波信息，并且该载波信息包含了系统中所有ATP终端从机的调制信息；而每个ATP终端机发射给激光任意二维多波束生成器的光束中只携带了本从机频谱资源范围内的调制信息。
如图3所示，本发明的一种激光任意多用户全双工无线光通信方法，利用本申请所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统实现，包括以下步骤：
步骤1、系统搭建以及校准：搭建激光任意二维多波束生成器发射光耦合对准和位图校准，完成主控制中心对调制/解调器的初始化握手和校准；搭建多用户ATP终端系统，完成ATP终端机初始化角度和方位等姿态校正，实现上位机通信无障碍交互；
步骤2、需求参数初始化：设置激光工作波长、ATP终端个数以及各终端的功率分配，并设置每个ATP终端机的硬件识别码、频谱资源、二层通信协议以及本震频率；
本实施例设置系统的需求参数如表1所示，其中第1个从控制终端频谱带宽为Δf1，第1个从控制终端工作基频为f1；第N个从控制终端频谱带宽为ΔfN，第N个从控制终端工作基频为fN，不同编号的从控制终端的频谱资源分配如图4所示。
表1
参数 数值
从终端个数 7个
主终端个数 1个
第N个从控制终端频谱带宽 Δf<sub>N</sub>
第N个从控制终端基频 f<sub>N</sub>
扩束后激光直径 10mm
步骤3、从目标空间位置扫描：主控制中心通过激光任意二维多波束生成器，扫描ATP终端机所在空间位置并存储所有ATP的空间角度信息；
步骤4、多ATP目标角度光束指向：根据步骤3扫描出的所有ATP接收终端空间信息，生成对应的位图信息，加载至激光任意二维多波束生成器，并行生成一一指向每个ATP终端的光束群；
步骤5、TX基带数据处理：主控制中心将要发送给不同ATP终端的数据信息，根据不同ATP终端的频谱资源，在基带域进行子载波预处理；
步骤6、载波聚合：将已预处理完成的ATP终端子载波使用载波聚合技术(如OFDM，但不限于OFDM)，合成一个宽带载波信号；
步骤7、电光调制：主控制中心将载波聚合后的宽带载波信号发送至光电调制器，实现电域调制信号的光域转换；
步骤8、多用户通信链路握手：主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的握手数据包，直至主控中心均收到了来自不同方向的ATP终端回传的ACK应答信号，则握手完成，链路建立；
步骤9、多用户全双工业务通信：
链路握手成功并建链之后，主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的业务数据包，实现一对多通信发射；
从控制中心将基带业务数据根据本终端的基频和频谱资源设置，进行调制预处理；然后将预处理后的窄带载波业务信号发送至光电调制器，实现电域调制信号的光域转换，随后按光束接收反向发射出去。所有的从控制中心独立回传各自频谱资源范围内业务数据包，实现多对一通信发射；
主控制中心接收到回传的光束载波信息后，经过基带解调器和滤波器依次筛选出不同从控制中心回传的基频频谱为f1～fN，频谱带宽为Δf1～ΔfN的不同频谱信息，将收到的子载波信息，上传至高级运用层，结合系统运行逻辑和场景需求进行后级再处理，实现一对多的通信接收。
从控制中心对接收的宽带信息进行下变频和移频处理，根据本地终端的工作基频和频谱带宽，经过滤波器，截取各自频谱域的信息，将收到的子载波信息，上传至高级运用层，结合系统运行逻辑和场景需求进行后级再处理，实现一对多的通信接收。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种激光任意多用户全双工无线光通信系统，其特征在于，包括主控制中心、激光器、调制/解调器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、多个不同方向的ATP终端机及与ATP终端机相连的从控制中心；所述通信系统的光束发射方向为：激光器的出射光束依次经过调制/解调器、扩束镜、1/2波片、全激光任意二维多波束生成器，最终到达不同方向的ATP终端机；光束接收方向为：各ATP终端机发射的光束按原各自接收光的角度原方向返回至激光任意二维多波束生成器，并合成一束光依次经过1/2波片、扩束镜，到达调制/解调器；激光任意二维多波束生成器激光终端和ATP终端机均只有一个光学天线，并且收发共轴；主控制中心分别与调制/解调器和激光任意二维多波束生成器相连。
2.根据权利要求1所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统，其特征在于，每个ATP终端机都有唯一的硬件识别码，分配了不同的频谱资源，而且有着互不相同的工作主频。
3.根据权利要求1所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统，其特征在于，所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜(14)、第二全反射棱镜(19)、半反射棱镜(15)、起偏器(16)、二维空间光调制器(17)、1/4波片(18)和检偏器(20)；
在空间结构中，第一全反射棱镜(14)、第二全反射棱镜(19)的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面(14-3)和第二全反射棱镜斜面(19-3)向外并且相互平行；半反射棱镜(15)包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面(14-3)和第二全反射棱镜斜面(14-3)垂直的半反射棱镜底面(15-3)；第一全反射棱镜增透面(14-2)和半反射棱镜(15)的第一半透半反面(15-1)无缝贴合，第二全反射棱镜增透面(19-2)和半反射棱镜(15)的第二半透半反面(15-2)无缝贴合；第一全反射棱镜(14)、第二全反射棱镜(19)和半反射棱镜底面(15-3)形成的结构横截面形呈“区”字形；
二维空间光调制器(17)位于半反射棱镜底面(15-3)外侧，检偏器(20)位于第二全反射棱镜斜面(19-3)外侧；起偏器(16)和1/4波片(18)并行地设置在二维空间光调制器(17)与半反射棱镜底面(15-3)之间。
4.根据权利要求1所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统，其特征在于，激光任意二维多波束生成器指向给不同方向的ATP终端的光束携带了完全相同的载波信息，并且该载波信息包含了系统中所有ATP终端从机的调制信息；而每个ATP终端机发射给激光任意二维多波束生成器的光束中只携带了本从机频谱资源范围内的调制信息。
5.一种激光任意多用户全双工无线光通信方法，利用如权利要求1～4任意一项所述的激光任意多用户全双工无线光通信系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、系统搭建以及校准：搭建激光任意二维多波束生成器发射光耦合对准和位图校准，完成主控制中心对调制/解调器的初始化握手和校准；搭建多用户ATP终端系统，完成ATP终端机初始化角度和方位校正；
步骤2、需求参数初始化：设置激光工作波长、ATP终端个数以及各终端的功率分配，并设置每个ATP终端机的硬件识别码、频谱资源、二层通信协议以及本震频率；
步骤3、从目标空间位置扫描：主控制中心通过激光任意二维多波束生成器，扫描ATP终端机所在空间位置并存储所有ATP的空间角度信息；
步骤4、多ATP目标角度光束指向：根据步骤3扫描出的所有ATP接收终端空间信息，生成对应的位图信息，加载至激光任意二维多波束生成器，并行生成一一指向每个ATP终端的光束群；
步骤5、TX基带数据处理：主控制中心将要发送给不同ATP终端的数据信息，根据不同ATP终端的频谱资源，在基带域进行子载波预处理；
步骤6、载波聚合：将已预处理完成的ATP终端子载波使用载波聚合技术，合成一个宽带载波信号；
步骤7、电光调制：主控制中心将载波聚合后的宽带载波信号发送至光电调制器，实现电域调制信号的光域转换；
步骤8、多用户通信链路握手：主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的握手数据包，直至主控中心均收到了来自不同方向的ATP终端回传的ACK应答信号，则握手完成，链路建立；
步骤9、多用户全双工业务通信：链路握手成功并建链之后，主控制中心发送含有所有ATP终端硬件识别ID和全ATP频谱资源的业务数据包，实现一对多通信发射；从控制中心独立回传各自频谱资源范围内业务数据包，实现多对一通信发射；主控制中心接收到回传的光束载波信息后，经过基带解调器和滤波器依次筛选出不同从控制中心回传的不同频谱信息，实现多对一的通信接收；从控制中心对接收的宽带信息进行下变频和移频处理，经过滤波器，截取各自频谱域的信息，实现一对多的通信接收。
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