CN117560077B - 双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自由空间光通信的技术领域，且公开了双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统、方法，所述系统包括光无线通信方式选择模块、光无线通信中继建立模块、光无线通信传输路径规划模块；通过光无线通信发射端、目标接收端的通信信号容量结合数学公式精确计量出光无线通信传输过程衰减量数据，实现基于双极性编码和密集波分复用的光无线通信信号干扰强度量化处理；利用光无线通信信号容量衰减量与安全容量衰减量进行数值比对，精确分析出光无线通信干扰状态并依据通信干扰状态为光无线通信智能分类匹配出安全通信传输方式，提高了自由空间光通信的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间光通信的技术领域，具体为双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统、方法。
背景技术
光无线通信技术或称自由空间光通信（FSO，FreeSpaceOpticalCommunication）是一种宽带接入方式，是光通信和无线通信结合的产物，它利用光束信号通过大气空间，而不是通过光纤传送信号。这种技术的接入系统在组成结构上与光纤传送系统非常相似，这种系统的物理组成也是非常简单的，用户无须申请无线频率，而且起始投资低，运营费用低，能快速装设，可提供与光纤系统相似的传送带宽。光无线通信技术的优点有部署快速、无需频谱许可证、带宽很宽、抗干扰性强、不容易出现传输堵塞、安全保密性强、协议透明、成本低、便携性。光无线通信技术的不足有大气介质对光信号的衰减、大气引起的漂移、传输距离短、建筑物晃动将影响两个点之间的激光对；密集波分复用技术，也就是人们常说的DWDM，指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照比特位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据。DWDM是光纤网络的重要组成部分，它可以让IP协议、ATM和同步光纤网络/同步数字序列（SONET/SDH）协议下承载的电子邮件、视频、多媒体、数据和语音等数据都通过统一的光纤层传输。双极性编码在双极性编码方案中，信号在上电平（正、负、零）之间变化。根据信号是否归零划分为归零码和非归零码。归零码码元信号回归零电平，非归零码遇“1”信号电平发生变化，遇“0”时不变。特征：双极性码的频谱中无直流分量。一种典型的双极性编码就是所谓的信号交替反转编码（AlternateMarkInversion，AMI）。在AMI信号中，数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，而遇到“0”时则保持零电平。双极性是三进制信号编码方法，它与二进制编码相比抗噪声特性更好，基于双极性编码和密集波分复用技术可以显著提升自由空间光通信的通信质量，然而光通信由于传输介质使用激光作为载体，为此自由空间光通信在大气中传播很容易受到大气介质反射、折射以及发射设备端和接收设备端发生相对位移，都会造成自由空间光通信的传输信号衰减严重，造成自由空间光通信质量降低，然而现有自由空间光通信技术通过调整光通信信号功率容量和设置位置调整机构调整减小发射设备端和接收设备端位移量，但是自由空间光通信实际效果不可控，自由空间光通信在光信号传输过程不能依据光信号的衰减量筛选可靠稳定的通信路径，降低了自由空间光通信质量。
公开号为CN114866142A的中国发明专利公开了采用双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统和方法，采用融合密集波分复用技术和自由空间光通信技术提升了通信系统的传输速率，并重点研究了自由空间光信号传输性能，实现了40Gbit/s光信号的收发和传输。本发明采用了具有差错自检、可有效消除直流成分和抗干扰性强等优点的双极性（AlternateMark Inversion ,AMI）编码改良了自由空间光通信系统的通信带宽和接收性能，提升了自由空间光信系统的传输距离。采用该方案，能克服常规通信模式（例如光纤通信、移动通信、微波通信等）存在的成本高、传输信号需要中继放大等缺点，然而方案并不能针对自由空间光信号在传输过程受到大气介质阻挡和发射设备端和接收设备端发生相对位移，而导致光信号衰减甚至无法正常通信的问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
为解决上述然而光通信由于传输介质使用激光作为载体，为此自由空间光通信在大气中传播很容易受到大气介质反射、折射以及发射设备端和接收设备端发生相对位移，都会造成自由空间光通信的传输信号衰减严重，造成自由空间光通信质量降低，然而现有自由空间光通信技术通过调整光通信信号功率容量和设置位置调整机构调整减小发射设备端和接收设备端位移量，但是自由空间光通信实际效果不可控，自由空间光通信在光信号传输过程不能依据光信号的衰减量筛选可靠稳定的通信路径，降低了自由空间光通信质量的问题，实现以上光无线通信衰减量分析、通信方式智能选择、实时最小衰减路径选择、减少光无线通信干扰的目的。
（二）技术方案
本发明通过以下技术方案予以实现：一种自由空间光通信方法，所述方法包括如下步骤：
S1、采集光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据；
S2、通过所述光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值，并生成所述光无线通信信号容量衰减量数据；
S3、将所述光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式；
S4、依据构建的所述光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据；
S5、通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端；
S6、将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序并添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据；
S7、依据所述光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
优选的，所述采集光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据的操作步骤如下：
S11、分别通过光无线通信发射设备端和光无线通信目标接收设备端，在线采集光无线通信发射设备端发射的光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收设备端接收的光无线通信目标接收端通信信号容量数据/>，所述光无线通信信号是使用双极性编码和密集波分复用方法生成的。
优选的，所述通过所述光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值，并生成所述光无线通信信号容量衰减量数据的操作步骤如下：
S21、采用数学作差公式计算光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值，将光无线通信发射端通信信号容量数据与光无线通信目标接收端通信信号容量数据/>进行作差计算处理后生成光无线通信信号容量衰减量数据/>，其中/>。
优选的，所述将所述光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式的操作步骤如下：
S31、建立安全容量衰减量数据和光无线通信传输路径方式数据；
S32、光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据/>进行数值比较并匹配输出光无线通信传输方式；
当≤/>，说明光无线通信发射端到目标接收端的信号容量衰减量满足通信安全需求，则输出光无线通信传输方式1；此时只需正常执行光无线通信作业即可；
当>/>，说明光无线通信发射端到目标接收端的信号容量衰减量无法满足通信安全需求，需要借助中继接收端满足通信安全需求，则输出光无线通信传输方式2。
优选的，所述依据构建的所述光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据的操作步骤如下：
S41、建立光无线通信传输中继接收端集合，其中/>、/>、/>至/>分别表示第1层光无线通信传输中继接收端、第2层光无线通信传输中继接收端、第3层光无线通信传输中继接收端、第/>层光无线通信传输中继接收端，/>且取整数；/>、/>、/>至/>分别表示第1层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第2层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第3层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号，/>、/>、/>至/>均表示中继接收设备端身份编号的数值，/>、/>、/>至/>的数值依次增加，/>表示第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号，在物理空间分布层面/>、/>、/>至/>逐渐远离发射设备端，/>、/>、/>至/>逐渐靠近目标接收设备端；
S42、当执行光无线通信传输方式2，依据光无线通信传输中继接收端集合首先采集光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合。
优选的，所述通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端的操作步骤如下：
S51、获取S42步骤中的层中继接收端通信信号容量数据集合/>；
S52、按照S21步骤逐一计算出光无线通信发射端通信信号容量数据与/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>中/>层中继接收端通信信号容量数据的通信信号容量衰减差值，生成光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>；
S53、采用数据搜索算法在光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>且执行S32步骤判断/>是否在安全容量衰减量数据/>范围内，其中数据搜索算法执行搜索最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>的操作步骤如下：
S531、初始化基本控制参数：信号容量衰减量识别蛾群体规模Q，最大迭代次数T；
S532、初始化信号容量衰减量识别蛾群种群：在信号容量衰减量识别蛾群初始化阶段，在维光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>的搜索空间中，信号容量衰减量识别蛾种群数目为Q，随机生成的Qx只信号容量衰减量识别蛾将遵循以下的数学公式：/>,初始化信号容量衰减量识别蛾群个体在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索空间位置；其中/>表示第/>个信号容量衰减量识别蛾在/>维搜索空间中位置，即第个信号容量衰减量识别蛾在/>维光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示随机函数，/>和/>分别表示在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中算法的上界和下界；
S533、根据目标函数计算适应度值，即在光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中获取数值最小的光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据的适应度值，开始算法迭代过程；
S534、根据探路信号容量衰减量识别蛾位置，进行探路信号容量衰减量识别蛾的位置更新，目标函数计算探路信号容量衰减量识别蛾个体的数值最小的光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据适应度值，与初始种群适应度值作比较，选择数值最匹配的信号容量衰减量识别蛾个体作为光源，即引导信号容量衰减量识别蛾群主体的移动；
S535、在勘探信号容量衰减量识别蛾阶段随着迭代次数增加，勘探信号容量衰减量识别蛾数目减少，勘探信号容量衰减量识别蛾绕探路信号容量衰减量识别蛾阶段找到的光源按照公式，其中/>表示在/>次迭代次数中第/>个信号容量衰减量识别蛾光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示在/>次迭代次数中第/>个信号容量衰减量识别蛾在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示在/>次迭代次数中光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置；/>为螺旋形状常数定义信号容量衰减量识别蛾盘旋的形状，其取值范围为[r，1]之间的随机数，/>，其中/>当前迭代次数，/>表示最大迭代次数，/>表示/>的对数值，本算法中每只信号容量衰减量识别蛾的分类是随着迭代次数的变化而变化的，每只信号容量衰减量识别蛾找到光源强度比较好的位置时，将有可能变换为探路信号容量衰减量识别蛾，在这个阶段会产生新的光源；信号容量衰减量识别蛾依据光源对数螺旋线飞行，计算目标函数适应度值，如果适应度值优于光源位置的适应度值，勘探信号容量衰减量识别蛾将转化为探路信号容量衰减量识别蛾；
S536、随着勘探信号容量衰减量识别蛾数目的减少，观察信号容量衰减量识别蛾的数目增多，观察信号容量衰减量识别蛾阶段观察信号容量衰减量识别蛾以高斯游走和学习机制来更新位置，将更新的位置根据目标函数计算适应度函数值，与勘探信号容量衰减量识别蛾阶段计算的适应度值作比较，较优的观察信号容量衰减量识别蛾转化为勘探信号容量衰减量识别蛾，较差的作为探路信号容量衰减量识别蛾；
S537、当达到最大迭代次数满足算法的终止条件，则转到S537，否则进入S533继续进入下一代搜索；
S538、当满足最大迭代次数，获取光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>；
当≤/>，说明光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端的信号容量衰减量满足通信安全需求，筛选出/>对应的光无线通信/>层中继接收端内信号容量衰减量最小的中继接收设备端/>，同时按照光无线通信传输中继接收端集合将/>层光无线通信传输中继接收端的中继接收设备端/>发射通信信号到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端；采集/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>；继续执行S42步骤、S51步骤、S52步骤、S53步骤直至执行完成光无线通信传输中继接收端集合/>中/>、/>、/>至/>层光无线通信传输中继接收端，筛选出全部符合安全容量衰减量数据/>的中继接收设备端/>、中继接收设备端、中继接收设备端/>至中继接收设备端/>；
当>/>，说明光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端的信号容量衰减量无法满足通信安全需求，停止光无线通信作业，同理当最小光无线通信/>层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或最小光无线通信层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或直至最小光无线通信/>层的前一层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>，则停止光无线通信作业。
优选的，所述将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序并添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据的操作步骤如下：
S61、当光无线通信传输中继接收端集合中/>、/>、/>至/>对应的/>、、/>至/>均符合小于或等于/>，则按照光无线通信传输中继接收端编号有序筛选出/>、/>、/>至/>光无线通信传输中继接收端中通信信号容量衰减量最小数值对应的中继接收设备端/>、中继接收设备端/>、中继接收设备端/>至中继接收设备端/>；
S62、将发射端、目标接收端对应的发射设备端身份编号、目标接收设备端身份编号/>分别添加到中继接收设备端/>的前端以及中继接收设备端/>的后端，构建生成光无线通信传输路径数据/>。
优选的，所述依据所述光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业的操作步骤如下：
S71、依据S61中生成的光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
一种实现所述的自由空间光通信方法的基于双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统。
（三）有益效果
本发明提供了一种自由空间光通信方法。具备以下有益效果：
一、通过光无线通信信号容量衰减量计量单元通过光无线通信发射端、目标接收端的通信信号容量结合数学公式精确计量出光无线通信传输过程衰减量数据，实现基于双极性编码和密集波分复用的光无线通信信号干扰强度量化处理；光无线通信方式筛选单元利用光无线通信信号容量衰减量与安全容量衰减量进行数值比对，精确分析出光无线通信干扰状态并依据通信干扰状态为光无线通信智能分类匹配出安全通信传输方式，提高了自由空间光通信的适用性。
二、通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量采集单元精确采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据，实现光无线通信传输中继接收端通信信号在线传输状态测量；光无线通信传输中继接收端选择单元通过光无线通信传输发射端、中继接收端通信信号容量数据相互组合，高效准确分析计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值并识别出最小安全通信信号容量衰减差值以及对应的中继接收设备端，保证光无线通信发射端到目标接收端选择的中继接收端受到信号干扰程度最小，提高了自由空间光通信的抗干扰能力和通信可靠性。
三、通过光无线通信传输中继接收端排序单元将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序，实现中继接收端通信路径自主生成处理；光无线通信传输路径构建单元和光无线通信传输路径执行单元相互配合利用从不同中继接收端筛选出的中继接收设备端准确添加发射设备端和目标接收设备端，自动生成光无线通信传输路径数据用于执行光无线通信作业，实现基于双极性编码和密集波分复用的自由空间光通信的通信质量和通信智能化。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统的功能模块组成图；
图2为本发明提供的一种自由空间光通信方法的运行流程图。
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。
该一种自由空间光通信方法的实施例如下：
请参阅图1－图2，一种自由空间光通信方法，方法包括如下步骤：
S1、采集光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据；
S2、通过光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值并生成光无线通信信号容量衰减量数据；
S3、将光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式；
S4、依据构建的光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据；
S5、通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端；
S6、将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序并添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据；
S7、依据光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
进一步的，请参阅图1－图2，采集光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据的操作步骤如下：
S11、分别通过光无线通信发射设备端和光无线通信目标接收设备端，在线采集光无线通信发射设备端发射的光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收设备端接收的光无线通信目标接收端通信信号容量数据/>，光无线通信信号是使用双极性编码和密集波分复用方法生成的。
通过光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值并生成光无线通信信号容量衰减量数据的操作步骤如下：
S21、采用数学作差公式计算光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值，将光无线通信发射端通信信号容量数据与光无线通信目标接收端通信信号容量数据/>进行作差计算处理后生成光无线通信信号容量衰减量数据/>，其中/>。
将光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式的操作步骤如下：
S31、建立安全容量衰减量数据和光无线通信传输路径方式数据；
S32、光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据/>进行数值比较并匹配输出光无线通信传输方式；
当≤/>，说明光无线通信发射端到目标接收端的信号容量衰减量满足通信安全需求，则输出光无线通信传输方式1；此时只需正常执行光无线通信作业即可；
当>/>，说明光无线通信发射端到目标接收端的信号容量衰减量无法满足通信安全需求，需要借助中继接收端满足通信安全需求，则输出光无线通信传输方式2。
通过光无线通信信号容量衰减量计量单元通过光无线通信发射端、目标接收端的通信信号容量结合数学公式精确计量出光无线通信传输过程衰减量数据，实现基于双极性编码和密集波分复用的光无线通信信号干扰强度量化处理；光无线通信方式筛选单元利用光无线通信信号容量衰减量与安全容量衰减量进行数值比对，精确分析出光无线通信干扰状态并依据通信干扰状态为光无线通信智能分类匹配出安全通信传输方式，提高了自由空间光通信的适用性。
进一步的，请参阅图1－图2，依据构建的光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据的操作步骤如下：
S41、建立光无线通信传输中继接收端集合，其中/>、/>、/>至/>分别表示第1层光无线通信传输中继接收端、第2层光无线通信传输中继接收端、第3层光无线通信传输中继接收端、第/>层光无线通信传输中继接收端，/>且取整数；/>、/>、/>至/>分别表示第1层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第2层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第3层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号、第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号，/>、/>、/>至/>均表示中继接收设备端身份编号的数值，/>、/>、/>至/>的数值依次增加，/>表示第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号，在物理空间分布层面/>、/>、/>至/>逐渐远离发射设备端，/>、/>、/>至/>逐渐靠近目标接收设备端；
S42、当执行光无线通信传输方式2，依据光无线通信传输中继接收端集合首先采集光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合。
通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端的操作步骤如下：
S51、获取S42步骤中的层中继接收端通信信号容量数据集合/>；
S52、按照S21步骤逐一计算出光无线通信发射端通信信号容量数据与/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>中/>层中继接收端通信信号容量数据的通信信号容量衰减差值，生成光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>；
S53、采用数据搜索算法在光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>且执行S32步骤判断/>是否在安全容量衰减量数据/>范围内，其中数据搜索算法执行搜索最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>的操作步骤如下：
S531、初始化基本控制参数：信号容量衰减量识别蛾群体规模Q，最大迭代次数T；
S532、初始化信号容量衰减量识别蛾群种群：在信号容量衰减量识别蛾群初始化阶段，在维光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>的搜索空间中，信号容量衰减量识别蛾种群数目为Q，随机生成的Qx只信号容量衰减量识别蛾将遵循以下的数学公式：/>,初始化信号容量衰减量识别蛾群个体在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索空间位置；其中/>表示第/>个信号容量衰减量识别蛾在/>维搜索空间中位置，即第个信号容量衰减量识别蛾在/>维光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示随机函数，/>和/>分别表示在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中算法的上界和下界；
S533、根据目标函数计算适应度值，即在光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中获取数值最小的光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据的适应度值，开始算法迭代过程；
S534、根据探路信号容量衰减量识别蛾位置，进行探路信号容量衰减量识别蛾的位置更新，目标函数计算探路信号容量衰减量识别蛾个体的数值最小的光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据适应度值，与初始种群适应度值作比较，选择数值最匹配的信号容量衰减量识别蛾个体作为光源，即引导信号容量衰减量识别蛾群主体的移动；
S535、在勘探信号容量衰减量识别蛾阶段随着迭代次数增加，勘探信号容量衰减量识别蛾数目减少，勘探信号容量衰减量识别蛾绕探路信号容量衰减量识别蛾阶段找到的光源按照公式，其中/>表示在/>次迭代次数中第/>个信号容量衰减量识别蛾光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示在/>次迭代次数中第/>个信号容量衰减量识别蛾在光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置，/>表示在/>次迭代次数中光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>搜索空间中位置；/>为螺旋形状常数定义信号容量衰减量识别蛾盘旋的形状，其取值范围为[r，1]之间的随机数，/>，其中/>当前迭代次数，/>表示最大迭代次数，/>表示/>的对数值，本算法中每只信号容量衰减量识别蛾的分类是随着迭代次数的变化而变化的，每只信号容量衰减量识别蛾找到光源强度比较好的位置时，将有可能变换为探路信号容量衰减量识别蛾，在这个阶段会产生新的光源；信号容量衰减量识别蛾依据光源对数螺旋线飞行，计算目标函数适应度值，如果适应度值优于光源位置的适应度值，勘探信号容量衰减量识别蛾将转化为探路信号容量衰减量识别蛾；/>
S536、随着勘探信号容量衰减量识别蛾数目的减少，观察信号容量衰减量识别蛾的数目增多，观察信号容量衰减量识别蛾阶段观察信号容量衰减量识别蛾以高斯游走和学习机制来更新位置，将更新的位置根据目标函数计算适应度函数值，与勘探信号容量衰减量识别蛾阶段计算的适应度值作比较，较优的观察信号容量衰减量识别蛾转化为勘探信号容量衰减量识别蛾，较差的作为探路信号容量衰减量识别蛾；
S537、当达到最大迭代次数满足算法的终止条件，则转到S537，否则进入S533继续进入下一代搜索；
S538、当满足最大迭代次数，获取光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>；
当≤/>，说明光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端的信号容量衰减量满足通信安全需求，筛选出/>对应的光无线通信/>层中继接收端内信号容量衰减量最小的中继接收设备端/>，同时按照光无线通信传输中继接收端集合将/>层光无线通信传输中继接收端的中继接收设备端/>发射通信信号到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端；采集/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>；继续执行S42步骤、S51步骤、S52步骤、S53步骤直至执行完成光无线通信传输中继接收端集合/>中/>、/>、/>至/>层光无线通信传输中继接收端，筛选出全部符合安全容量衰减量数据/>的中继接收设备端/>、中继接收设备端、中继接收设备端/>至中继接收设备端/>；
当>/>，说明光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端的信号容量衰减量无法满足通信安全需求，停止光无线通信作业，同理当最小光无线通信/>层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或最小光无线通信层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或直至最小光无线通信/>层的前一层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>，则停止光无线通信作业。
二、通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量采集单元精确采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据，实现光无线通信传输中继接收端通信信号在线传输状态测量；光无线通信传输中继接收端选择单元通过光无线通信传输发射端、中继接收端通信信号容量数据相互组合，高效准确分析计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值并识别出最小安全通信信号容量衰减差值以及对应的中继接收设备端，保证光无线通信发射端到目标接收端选择的中继接收端受到信号干扰程度最小，提高了自由空间光通信的抗干扰能力和通信可靠性。
进一步的，请参阅图1－图2，将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序并添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据的操作步骤如下：
S61、当光无线通信传输中继接收端集合中/>、/>、/>至/>对应的/>、、/>至/>均符合小于或等于/>，则按照光无线通信传输中继接收端编号有序筛选出/>、/>、/>至/>光无线通信传输中继接收端中通信信号容量衰减量最小数值对应的中继接收设备端/>、中继接收设备端/>、中继接收设备端/>至中继接收设备端/>；
S62、将发射端、目标接收端对应的发射设备端身份编号、目标接收设备端身份编号/>分别添加到中继接收设备端/>的前端以及中继接收设备端/>的后端，构建生成光无线通信传输路径数据/>。
依据光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业的操作步骤如下：
S71、依据S61中生成的光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
三、通过光无线通信传输中继接收端排序单元将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序，实现中继接收端通信路径自主生成处理；光无线通信传输路径构建单元和光无线通信传输路径执行单元相互配合利用从不同中继接收端筛选出的中继接收设备端准确添加发射设备端和目标接收设备端，自动生成光无线通信传输路径数据用于执行光无线通信作业，实现基于双极性编码和密集波分复用的自由空间光通信的通信质量和通信智能化。
一种实现上述自由空间光通信方法的基于双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统，系统包括光无线通信方式选择模块、光无线通信中继建立模块、光无线通信传输路径规划模块；
光无线通信方式选择模块包括光无线通信发射端通信信号容量采集单元、光无线通信接收端通信信号容量采集单元、光无线通信信号容量衰减量计量单元、光无线通信方式存储单元、光无线通信方式筛选单元；
光无线通信发射端通信信号容量采集单元，用于采集光无线通信发射端通信信号容量数据；光无线通信接收端通信信号容量采集单元，用于采集光无线通信目标接收端通信信号容量数据；光无线通信信号容量衰减量计量单元，通过光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值并生成光无线通信信号容量衰减量数据；光无线通信方式存储单元，用于存储光无线通信传输路径方式数据；光无线通信方式筛选单元，将光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式；
光无线通信中继建立模块包括光无线通信传输中继接收端存储单元、光无线通信传输中继接收端通信信号容量采集单元、光无线通信传输中继接收端选择单元；
光无线通信传输中继接收端存储单元，用于存储光无线通信传输中继接收端；光无线通信传输中继接收端通信信号容量采集单元，依据构建的光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据；光无线通信传输中继接收端选择单元，通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端；
光无线通信传输路径规划模块包括光无线通信传输中继接收端排序单元、光无线通信传输路径构建单元、光无线通信传输路径执行单元；
光无线通信传输中继接收端排序单元，将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序；光无线通信传输路径构建单元，将排序后的中继接收设备端添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据；光无线通信传输路径执行单元，依据光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种自由空间光通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、采集光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据；
S2、通过所述光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收端通信信号容量数据计量光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值，并生成光无线通信信号容量衰减量数据；
S3、将所述光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据、光无线通信传输路径方式数据进行有序数值比对，分析构建出光无线通信传输方式；
S4、依据构建的所述光无线通信传输方式的参数，执行采集存储设定的光无线通信传输中继接收端对应的光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据；
S5、通过光无线通信传输中继接收端通信信号容量数据、光无线通信发射端通信信号容量数据相互组合，计量出发射端到中继接收端、中继接收端到中继接收端的通信信号容量衰减差值，筛选出在安全容量衰减量数据范围内的最小通信信号容量衰减差值，以及对应的中继接收设备端；
S6、将筛选出的中继接收设备端按照筛选顺序进行排序并添加发射设备端和目标接收设备端，构建成光无线通信传输路径数据；
S7、依据所述光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业；
所述S1包括以下步骤：
S11、在线采集光无线通信发射设备端发射的光无线通信发射端通信信号容量数据和光无线通信目标接收设备端接收的光无线通信目标接收端通信信号容量数据；
所述S2包括以下步骤：
S21、采用数学作差公式计算光无线通信传输过程发射端到目标接收端的通信信号容量衰减差值；
所述S3包括以下步骤：
S31、建立安全容量衰减量数据和光无线通信传输路径方式数据
；
S32、光无线通信信号容量衰减量数据与安全容量衰减量数据/>进行数值比较并匹配输出光无线通信传输方式；
当≤/>，正常执行光无线通信作业即可；
当>/>，需要借助中继接收端满足通信安全需求；
所述S4包括以下步骤：
S41、建立光无线通信传输中继接收端集合，其中/>表示第/>层光无线通信传输中继接收端，/>且取整数；
表示第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号；
、/>、/>至/>均表示中继接收设备端身份编号的数值，/>、/>、/>至/>的数值依次增加；
表示第/>层光无线通信传输中继接收端的第/>台中继接收设备端身份编号；
S42、当>/>时，采集光无线通信发射端到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据，并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>；
所述S5包括以下步骤：
S51、获取S42步骤中的层中继接收端通信信号容量数据集合/>；
S52、按照S21步骤逐一计算出光无线通信发射端通信信号容量数据与/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>中/>层中继接收端通信信号容量数据的通信信号容量衰减差值，生成光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合；
S53、在光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>，且执行S32步骤判断/>是否在安全容量衰减量数据/>范围内；
当≤/>，筛选出/>对应的光无线通信/>层中继接收端内信号容量衰减量最小的中继接收设备端/>，同时按照光无线通信传输中继接收端集合/>将/>层光无线通信传输中继接收端的中继接收设备端/>发射通信信号到/>层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端；
采集层光无线通信传输中继接收端中/>至/>中继接收设备端的/>层中继接收端通信信号容量数据，并生成/>层中继接收端通信信号容量数据集合/>；
继续执行S42步骤、S51步骤、S52步骤、S53步骤直至执行完成光无线通信传输中继接收端集合中/>、/>、/>至/>层光无线通信传输中继接收端，筛选出全部符合安全容量衰减量数据/>的中继接收设备端/>、中继接收设备端/>、中继接收设备端/>至中继接收设备端/>；
当>/>，停止光无线通信作业，且当最小光无线通信/>层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或最小光无线通信/>层中继接收端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>或直至最小光无线通信/>层的前一层中继接收端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>>/>，则停止光无线通信作业；
所述S53中搜索出通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>的具体步骤包括：
S531、初始化基本控制参数：信号容量衰减量识别蛾群体规模Q，最大迭代次数T；
S532、初始化信号容量衰减量识别蛾群种群；
S533、根据目标函数计算适应度值；
S534、根据探路信号容量衰减量识别蛾位置，进行探路信号容量衰减量识别蛾的位置更新；
S535、在勘探信号容量衰减量识别蛾阶段随着迭代次数增加，勘探信号容量衰减量识别蛾数目减少，勘探信号容量衰减量识别蛾绕探路信号容量衰减量识别蛾阶段找到的光源；
S536、随着勘探信号容量衰减量识别蛾数目的减少，观察信号容量衰减量识别蛾的数目增多，观察信号容量衰减量识别蛾阶段观察信号容量衰减量识别蛾以高斯游走和学习机制来更新位置，将更新的位置根据目标函数计算适应度函数值，与勘探信号容量衰减量识别蛾阶段计算的适应度值作比较，较优的观察信号容量衰减量识别蛾转化为勘探信号容量衰减量识别蛾，较差的作为探路信号容量衰减量识别蛾；
S537、当达到最大迭代次数满足算法的终止条件，则转到S537，否则进入S533继续进入下一代搜索；
S538、当满足最大迭代次数，获取光无线通信发射端到层中继接收端通信信号容量衰减量数据集合/>中搜索出的通信信号容量衰减量数值最小的最小光无线通信发射端到/>层中继接收端通信信号容量衰减量数据/>；
所述S6包括以下步骤：
S61、当光无线通信传输中继接收端集合中/>、/>、/>至/>对应的/>、/>、/>至/>均符合小于或等于/>，则按照光无线通信传输中继接收端编号有序筛选出/>、/>、/>至/>光无线通信传输中继接收端中通信信号容量衰减量最小数值对应的中继接收设备端/>、中继接收设备端/>、中继接收设备端/>至中继接收设备端；
S62、将发射端、目标接收端对应的发射设备端身份编号、目标接收设备端身份编号/>分别添加到中继接收设备端/>的前端以及中继接收设备端/>的后端，构建生成光无线通信传输路径数据/>。
2.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信方法，其特征在于：所述S7包括以下步骤：
S71、依据S61中生成的光无线通信传输路径数据执行光无线通信作业。
3.一种实现如根据权利要求1-2中任一项所述的自由空间光通信方法的基于双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410034978.3A CN117560077B (zh) | 2024-01-10 | 2024-01-10 | 双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统、方法 |
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| CN202410034978.3A CN117560077B (zh) | 2024-01-10 | 2024-01-10 | 双极性编码的密集波分复用自由空间光通信系统、方法 |
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| KR20120120037A (ko) * | 2011-04-20 | 2012-11-01 | 경희대학교 산학협력단 | 무선 광통신 네트워크 시스템과, 그 시스템에서의 정보 구성 방법 및 중계 경로 결정 방법 |
| CN109039454A (zh) * | 2018-06-05 | 2018-12-18 | 西安理工大学 | 协作军车编队的无线紫外光隐秘通信的中继选择方法 |
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