CN205792594U - 一种紫外光通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外光通信装置，属于无线光通信技术领域。该装置包括：发射节点包括电光转换模块和多个发射天线子阵列，每个发射天线子阵列中包含多个发射天线，电光转换模块分别与每个发射天线连接，电光转换模块输出紫外光信号；接收节点的数量与发射天线子阵列的数量相等，接收节点与发射天线子阵列一一对应进行通信，每个接收节点均包括接收天线和光电转换模块，接收天线与所述光电转换模块连接；发射天线子阵列中的每个发射天线均与对应的接收节点的接收天线光通信连接。该装置将紫外光通信与MIMO多天线技术相结合，利用多天线技术中的空间分集和空间复用策略，同时满足通信范围扩大和多用户通信的需求。

Description

一种紫外光通信装置

技术领域

本实用新型涉及无线光通信技术领域，特别涉及一种紫外光通信装置。

背景技术

自由空间光通信是一种发展前景良好的通信手段。太阳辐射的光谱按照波长从大到小依次为红外光、可见光和紫外光，它们都可以作为通信中信息的载体。

红外光通信的缺点在于通信设备对发射端与接收端的对准要求非常严格，在很多情况下无法满足，尤其是收发两端之间有障碍物时；可见光在通信时受到背景光的影响比较严重，因此接收端的信噪比较低；而紫外光恰恰能够克服红外光与可见光在通信时表现出来的缺点，它不但能够放宽发射端与接收端的对准要求进行非直视通信，而且在利用200nm～280nm的“日盲”波段紫外光进行通信时，由于背景噪声极小，在接收端能够获得较高的信噪比，但是由于紫外光波长较短，大气对紫外光的吸收和散射作用较强，使得紫外光的能量衰减很快，在一定的覆盖范围之外无法探测。

综上所述，现有的紫外光通信存在覆盖范围小的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种紫外光通信装置，可以解决现有技术中，存在紫外光通信覆盖范围小的问题。

本实用新型实施例提供一种紫外光通信装置，包括：发射节点和多个接收节点；

所述发射节点包括电光转换模块和多个发射天线子阵列，每个所述发射天线子阵列中包含多个发射天线，所述电光转换模块分别与每个所述发射天线连接，所述电光转换模块将电信号转换为紫外光信号，并将所述紫外光信号输出至每个所述发射天线；

所述接收节点的数量与所述发射天线子阵列的数量相等，所述接收节点与所述发射天线子阵列一一对应进行通信，每个所述接收节点均包括接收天线和光电转换模块，所述接收天线与所述光电转换模块连接；

所述发射天线子阵列中的每个所述发射天线均与对应的所述接收节点的接收天线光通信连接，所述接收天线接收所述紫外光信号后由所述光电转换模块转换为相应的电信号。

较佳地，所述电光转换模块输出的光波长为200nm～280nm。

本实用新型实施例中，提供一种紫外光通信装置，该装置为了扩大紫外光通信的覆盖范围，将紫外光通信与MIMO多天线技术相结合，利用多天线技术中的空间分集和空间复用策略，能同时满足通信范围扩大和多用户通信的需求；进一步，在点到点紫外光通信的基础上，应用MIMO定向天线进行定向通信可以增加紫外光非直视通信系统的容量以及网络的频率利用率，通过与SDMA技术的结合，利用紫外光信号不同的空间传输路径，可以有效区分相同时隙，相同频率，相同地址码的紫外光信号，将MIMO技术与“日盲”紫外光通信系统相结合，可以大大弥补紫外光通信的固有缺陷。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种紫外光通信装置结构示意图。

图2为本发明实施例提供的基于紫外光通信信道模型的单节点与多节点之间的通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1为本实用新型实施例提供的一种紫外光通信装置结构示意图。如图1所示，该装置包括：发射节点和多个接收节点。

具体地，发射节点包括电光转换模块和多个发射天线子阵列，每个发射天线子阵列中包含多个发射天线，电光转换模块分别与每个发射天线连接，电光转换模块将电信号转换为紫外光信号，并将紫外光信号输出至每个发射天线。

具体地，接收节点的数量与发射天线子阵列的数量相等，接收节点与发射天线子阵列一一对应进行通信，每个接收节点均包括接收天线和光电转换模块，接收天线与光电转换模块连接；

具体地，发射天线子阵列中的每个发射天线均与对应的接收节点的接收天线光通信连接，接收天线接收紫外光信号后由光电转换模块转换为相应的电信号。

需要说明的是，发射天线子阵列内的发射天线采用空间分集技术对同一信号进行多路同时传输；发射天线子阵列间的发射天线采用空间复用技术实现一个发射节点与多个接收节点同时通信，其中，发射节点的发射发散角与对应的接收节点的接收视场角在空中产生共同散射体。

较佳地，电光转换模块输出的是波长为200nm～280nm的“日盲”波段紫外光，在利用200nm～280nm的“日盲”波段紫外光进行通信时，背景噪声极小，在接收端能够获得较高的信噪比。

需要说明的是，发射天线子阵列的波束方向与对应的接收天线相向相对设置，可以实现空间分集的定向通信。

需要说明的是，发射天线子阵列中的每个发射天线的水平维度方向一致，区别在于垂直维度不同，即每个发射天线的波束成形到不同的高度上。

需要说明的是，在每个紫外光通信节点上安装多天线系统，多天线系统将根据需要，完成空间分集与空间复用的目的。

具体地，空间分集技术可以对同一信号进行多路同时传输，可以有效地规避通信链路的中断，避免所有路信号同时受到大气衰落的严重影响。空间分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输的可靠性。它是一项利用信号的基本参量在时域、频域与空域中，如何分散又如何收集起来的技术。在接收端取得若干条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。该紫外光MIMO多用户系统采用等增益合并接收分集，仅对信号的相位偏移进行校正而幅度不进行校正。它的输出结果是各路信号幅值的叠加。

需要说明的是，发射分集是在发射端使用多个发射天线发射相同的信息，在接收端获得比单天线高的信噪比。

具体地，空间复用技术主要是为了提高系统的传输速率，通过在发射端发射相互独立的信号，并通过预编码进行干扰抑制。发射天线和接收天线之间的间距大于相关距离是实现空间复用的必要条件，这样才能保证收发端各子信道是独立衰落的不相关信道。若各收发天线对其之间的路径衰落是相互独立的，则可以构建多个并行的空间子信道，在这些并行的子信道间传送不同的信息流，数据传输率就可以得到提升。空间复用在发射端和接收端均使用多根天线，充分利用空间传播中的多径分量，使多个数据信道的发射信号只占用一条频带，从而使得信道容量随着天线数目的递增而线性增加。这种信道在不占用额外带宽而增加信道容量的同时，也不会消耗额外的发射功率，因此是一种提高信道容量和系统性能的有效方案。

需要说明的是，空间复用是通过在不同的天线上同时发射相互独立的信号来实现MlMO系统的高数据率以及高频谱利用率.发射的高速数据流被分成几个并行的低速数据流，在同一个频带从多个天线同时发射出去.由于多径传播，每个发射天线对于接收机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立的数据流，最后再恢复成原始数据流.可以成倍提高数据传输速率。

进一步，空间复用可以使某一节点与多个节点同时进行通信，只要发射节点的发射发散角能够与对应的接收节点的接收视场角在空中产生共同散射体，就可以通信。

需要说明的是，SDMA是空分多址接入(Spatial Divided Multiple Access)的简称。

图2为本发明实施例提供的基于紫外光通信信道模型的单节点与多节点之间的通信示意图。如图2所示，举例说明本发明实施例提供的一种紫外光通信装置通信原理。

假设，已知节点A、B、C、D的位置信息，那么，可以将A节点上分配到节点B的子天线阵列利用波束成形，将该子天线阵列波束的方向调整到朝向B节点，而B节点将自己的接收天线朝向A节点。这样，A节点与B节点就实现了定向通信，且实现了空间分集的定向通信。在节点A与节点B进行空间分集定向通信时，A分配给B的天线子阵列将该阵列天线的波束成形方向调整到B方向上，子阵列上的每个天线单元的水平维度方向一致，区别在于垂直维度，子阵列上的每个天线单元上的波束成形到不同的高度上，如此形成的信道模型如图2所示，发送节点A与接收节点B、C、D均在空中形成了共同散射体。

需要说明的是，具体推算过程如下：

设发射节点A点的坐标为A(x,y)，接收节点B点、C点和D点的坐标分别为B(x_B,y_B)，C(x_C,y_C)和D(x_D,y_D)，并且B点、C点和D点的坐标可以作为以A点为中心的直角坐标系，要得A点分配到各接收子阵列天线的波束成形到B点、C点和D点的方向上，应取对应的角度分别为：

${\mathrm{\θ}}_{BA}=arctan\left(\frac{y_B-y}{x_B-x}\right),{\mathrm{\θ}}_{CA}=arctan\left(\frac{y_C-y}{x_C-x}\right),{\mathrm{\θ}}_{DA}=arctan\left(\frac{y_D-y}{x_D-x}\right).$

A点到B点的信道模型如下：

$r_B=\sqrt{{(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2},$

$r_{B1}=\sqrt{{(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2}\·\frac{{\mathrm{sin\θ}}_{B2}}{{\mathrm{sin\θ}}_{BS}},$

$r_{B2}=\sqrt{{(x_B-x)}^2+{(y_B-y)}^2}\·\frac{{\mathrm{sin\θ}}_{B1}}{{\mathrm{sin\θ}}_{BS}},$

θ_BS＝θ_B1+θ_B2。

其中，H_BA为A点到B点的信道参数；P_t为发射节点的总发射功率；P_s为散射相函数；K_s为散射系数；A_r为接收孔径大小；r_B为A点与B点之间的距离；r_B1为A点与共同散射体的距离；r_B2为共同散射体与B点的距离；V为A点与B点所形成的共同散射体的体积；θ_B1为A点与B点之间A点的发射偏角；θ_B2为A点与B点之间B点的接收偏角；为发射发散角；为接收视场角；n的取值取决于A点分配给B点作分集的子阵列天线的个数。

以此类推，可以获得A点到C点的发射功率H_CA，以及A点到D点的信道参数发射功率。

综上所述，本实用新型实施例提供的一种紫外光通信装置，该装置为了扩大紫外光通信的覆盖范围，将紫外光通信与MIMO多天线技术相结合，利用多天线技术中的空间分集和空间复用策略，能同时满足通信范围扩大和多用户通信的需求；进一步，在点到点紫外光通信的基础上，应用MIMO定向天线进行定向通信可以增加紫外光非直视通信系统的容量以及网络的频率利用率，通过与SDMA技术的结合，利用紫外光信号不同的空间传输路径，可以有效区分相同时隙，相同频率，相同地址码的紫外光信号，将MIMO技术与“日盲”紫外光通信系统相结合，可以大大弥补紫外光通信的固有缺陷。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种紫外光通信装置，其特征在于，包括：发射节点和多个接收节点；

所述发射节点包括电光转换模块和多个发射天线子阵列，每个所述发射天线子阵列中包含多个发射天线，所述电光转换模块分别与每个所述发射天线连接，所述电光转换模块将电信号转换为紫外光信号，并将所述紫外光信号输出至每个所述发射天线；

所述接收节点的数量与所述发射天线子阵列的数量相等，所述接收节点与所述发射天线子阵列一一对应进行通信，每个所述接收节点均包括接收天线和光电转换模块，所述接收天线与所述光电转换模块连接；

所述发射天线子阵列中的每个所述发射天线均与对应的所述接收节点的接收天线光通信连接，所述接收天线接收所述紫外光信号后由所述光电转换模块转换为相应的电信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电光转换模块输出的光波长为200nm～280nm。