一種中繼傳輸紫外光通信信號系統及方法與流程
2023-05-30 08:25:41 2
本發明屬於通信技術領域，具體地說，涉及一種中繼傳輸紫外光通信信號系統及方法。
背景技術：
目前國內外無線通信的成熟技術，主要還是採用無線電通信和無線雷射通信，兩者各有優勢，但又存在不足：無線電通信方式的頻譜資源重疊佔用現象嚴重，易受強電磁波輻射幹擾，保密性較低，其發射的電磁波可在較遠的地方監聽、幹擾、探測。無線雷射通信方式雖具有較強的通信抗幹擾性及保密性，但由於雷射是沿直線傳播的，不能跨越障礙物進行通信，因此不適合在複雜地形環境中使用。
常規的無線通信系統對於不在通信範圍之內的節點通信，通常自組區域網，採用車載臺或者基地轉發臺做為中繼設備來擴大通信覆蓋範圍，這些中繼設備龐大、複雜、投資高、機動靈活性差，不適應軍事、安全通信需求。
紫外光通信數據傳輸保密性高，輻射的紫外光信號擴散在大氣層中被大氣吸收，這種信號場強的衰減指數是距離的函數，根據通信距離的要求來調整系統的輻射功率，使其在通信範圍之外的輻射功率減至最小，從而使對方很難截獲紫外光通信信號。
紫外光通信抗幹擾能力強，紫外光的輻射功率可根據通訊距離的要求減至更小，因此常規的無線電設備很難幹擾紫外光通信信號。
紫外光通信可用於非視距通信，由於大氣中存在大量的粒子，在傳輸的過程中紫外光輻射存在較大的散射現象，這種散射特性使紫外光通信遇見障礙物能跨越，以非視距方式傳輸信號，紫外光通信更適應近距離的、隱蔽的、地形複雜的環境。
日盲波段的紫外光單級通信距離半徑有限，要達到一定距離範圍內的通信目的，就必須自組建具有中繼功能的區域網路紫外光通信系統。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述技術存在的不足及紫外光單級通信距離半徑有限的問題，提供一種中繼傳輸紫外光通信信號系統及方法，該系統的副機具有中繼傳輸功能，實現紫外光自組區域網多跳遠程通信。
其具體技術方案為：
一種中繼傳輸紫外光通信信號系統，包括一個主機和若干個具有中繼傳送功能的副機，所述副機包括中間副機和目的副機，主機與副機之間採用點對多點或點對點的半雙工通信鏈路、副機與副機之間採用點對點的半雙工通信鏈路，藉助中間副機中繼功能實現自組區域網多跳遠程通信。
目的副機不在主機單級通信傳輸距離範圍內，主機與目的副機之間無有效路徑，首先建立路由，主機將路由請求(RREQ)報文通過紫外光通信信號向中間副機廣播發送。
中間副機接收單元將紫外光信號光學收集、紫外光探測器檢測、光電信號轉換、去除PD的直流偏置信號、可變增益放大、濾波除去雜散光、模數信號轉換，中繼管理單元(ARM+FPGA)對信號進行採集、解調、解碼(所採用的解調、解碼方法與主機相對應)，控制撥碼開關狀態(輸出波特率、地址、時鐘同步等)設置，信號調製為直流脈衝信號，並通過控制發射單元高速開關、光電耦合器將數字直流脈衝信號耦合於紫外LED驅動基準電源上，驅動陣列紫外LED光源模塊中繼發射紫外光通信信號，中繼管理單元根據相關拓撲網絡等信息，確定向相鄰中間副機中繼傳送直到目的副機或者中繼直達目的副機的路徑，同時建立反向路由。電源管理單元一部分調壓後直流電作為陣列紫外LED發射的驅動基準電源，一部分降壓後的直流電作為各單元電路使用電源。
目的副機接收的路由請求(RREQ)經中繼管理單元處理，通過發射單元將路由應答(RREP)信息按原路徑反饋主機，主機根據傳輸時間長度最短，中間副機跳數最少確定到達目的副機的最佳路由，DATA數據信息按此建立路由，通過中間副機中繼傳輸功能向目的副機發送紫外光通信信號，實現多跳遠程通信。
主機與副機的架構組成基本相同，本發明詳細說明副機的架構，每個副機由中繼管理單元、發射單元、接收單元、電源管理單元組成。
優選地，所述的副機中繼管理單元由處理器(ARM+FPGA)，RTC時鐘源、撥碼開關、對外接口硬體組成。處理器是由ARM為主處理與FPGA為從處理組成，ARM模塊是整個中繼管理單元的核心模塊，負責處理和協調各個模塊之間的工作，通過ARM實現信息處理流程、信息中繼、路由建立、時鐘同步、數字信息整理、解調、解碼(解調、解碼方法與主機調製、編碼的方式相對應)、編碼、組裝等。FPGA模塊負責ARM與接收、發射單元的信息交互，並具有信息緩存、分時提取、信息調製、控制接收、發射單元信息的傳輸。ARM與FPGA之間通過數據總線和地址總線進行通信，RTC時鐘源提供本機收發報文的定時時間，撥碼開關用於狀態(輸出波特率、地址、時鐘同步等)設置，對外接口帶有調試、藍牙、WLAN、USB等人機互動接口。
優選地，所述的副機發射單元由光電耦合器、高速開關、陣列紫外LED光源模塊組成。光電耦合器是將調製後的直流脈衝信號耦合到紫外LED驅動基準電源上，高速開關調節陣列紫外LED光源模塊的發射時序，陣列紫外LED光源模塊經過紫外LED驅動基準電源驅動，發射耦合了直流脈衝信號的紫外光。
優選地，所述的副機接收單元由光學集光器、自製紫外光探測器、可變增益放大器(VGA)、帶通濾波器(BPF)、數模轉換(ADC)模塊、對外接口組成。外機發射來的微弱紫外光經光學集光器收集、自製紫外光探測器檢測、光電信號轉換、去除直流偏置信號、可變增益放大器(VGA)使電信號增益放大、帶通濾波器(BPF)去除雜散光、模數轉換(ADC)模塊將模擬電信號轉換為數位訊號，對外接口帶有WIFI、藍牙、USB等人機互動接口。
優選地，所述電源管理單元由高能量鋰離子電池、直流調壓器(DC/DC)、充電接口組成。高能量鋰離子電池具有供電、充電功能，一部分調壓後直流電供給陣列紫外LED發射的驅動基準電源，一部分降壓後直流電供給各單元電路使用電源，通過充電接口與外電源實現電能補充。
一種中繼傳輸紫外光通信信號方法，包括以下步驟：
步驟1、目的副機不在主機單級通信傳輸距離範圍內，主機與目的副機之間無有效路徑，首先建立路由。主機通過紫外光通信信號向中間副機廣播發送路由請求(RREQ)。每個節點(包括主機和副機)都有自己的序列號和廣播ID，主機每發送一次路由請求(RREQ)便把自己的序列號和廣播ID記錄到路由請求(RREQ)中，如果中間副機中繼一次路由請求(RREQ)，廣播ID自動加1，AOVD路由協議利用目的副機序列號確定所有路徑沒有環路，沒有重疊、沒有交叉，所有路由信息都是新的。
步驟2、中間副機中繼管理單元只在第一次接收到該路由請求(RREQ)信息時進行處理，以後接收到同樣的路由請求(RREQ)信息便丟棄，若發現路由請求(RREQ)報文不是發給本副機，又沒有目的副機的信息時，就會根據網絡拓撲信息繼續向相鄰中間副機中繼傳送路由請求(RREQ)，直至到達目的副機為止，同時建立反向路由。此路由需要保存到路由請求(RREQ)穿越網絡，直到目的副機路由應答(RREP)反饋到主機為止，反向路由包括中間副機上下節點信息。當路由鏈路出現斷鏈，在修復時間內不可修復，路由出錯(RRER)廣播通知其上遊中間副機此路不通，直到主機收到路由出錯(RRER)然後重新按步驟1進行路由請求(RREQ)過程。
步驟3、如果路由請求(RREQ)是分組到達目的副機，目的副機就會分組回復路由應答(RREP)，不在路由上的中間副機因生存時間超時而被刪除，主機如果接收多條到達目的副機的路由應答(RREP)信息時，就會根據主機至目的副機傳輸時間長度最短，中間副機跳數最少確定到達目的副機的最佳路由，至此路由就建立了。
步驟4、當主機開始向目的副機發送DATA數據報文前，先向目的副機發送RTS(請求發送)信息，目的副機收到RTS後反饋給主機一個CTS(清除發送)消息，主機收到後便開始按此信道，通過中間副機中繼功能發送DATA數據報文，等待DATA數據報文傳送完畢，目的副機反饋給主機一個ACK(應答信號)消息，主機收到這一消息後便恢復信道為空閒狀態，這樣一次中繼傳輸紫外光通信就完成了。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
本發明採用中間副機中繼功能實現自組區域網多跳遠程通信，該系統體積小、重量輕、功耗低、投資少、抗幹擾性強、保密性高、攜帶方便，可用於非視距通信等特點，適合於安全、救災、消防、軍事等領域小分隊通信。
附圖說明
圖1一種中繼傳輸紫外光通信信號系統示意圖。
圖2副機架構示意圖。
圖3一種中繼傳輸紫外光通信信號方法流程。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方案對本發明的技術作進一步詳細地說明。
本發明提供了一種中繼傳輸紫外光通信信號系統的實施方案，該系統包括：一個主機、十個副機(中間副機、目的副機)，主機與副機之間採用點對多點或點對點的半雙工通信鏈路，副機與副機之間採用點對點的半雙工通信鏈路。(見圖1)
主機或副機均由中繼管理單元、發射單元、接收單元、電源管理單元組成。
所述的主機或副機中繼管理單元均有ARM為主處理模塊，FPGA為從處理模塊、撥碼開關、RTC時鐘模塊、對外接口組成。S3C2410ARM核心模塊採用920T內核，FPGA模塊主要由晶片EPISI0、配置晶片EPC2LC20、JTAG接口和PCMCIA接口組成，RTC時鐘採用晶片S29CL80D，撥碼開關採用OOK調製技術，對外接口包括USB接口、調試串口、藍牙接口、WLAN接口，ARM與FPGA之間通過數據總線、地址總線進行通信。
所述的主機或副機發射單元由光電耦合器、高速開關、定製陣列紫外LED光源模塊組成。陣列紫外LED光源模塊是紫外光發射的核心。
所述的主機或副機接收單元由光學集光器(透鏡和SB-AF紫外濾光片組成)、自製紫外光探測器、可變增益放大器、帶通濾波器、數模轉換模塊、對外接口(wifi接口、藍牙接口、USB接口)組成。
所述的主機或副機電源管理單元由高能量鋰離子電池、直流調壓器、充電接口組成，具有供充電功能，一部分調壓後直流電作為陣列紫外LED發射光的驅動基準電源，一部分降壓後3.3V直流電供給各單元硬體電路使用電源。通過充電接口與外電源實現電能補充。(見圖2)
所述的主機採用優化的Ad Hoc網絡通用協議棧，傳輸層採用UDP協議、網絡層採用AODV路由協議、數據鏈路層採用MAC協議(IEEE802.11DCF)，AODV路由協議包括三個基本控制分組報文，路由請求(RREQ)、路由應答(RREP)、路由出錯(RRER)。
優化路由請求(RREQ)報文格式：
RREQ標識和SRC(主機IP位址)一起保證唯一標識的路由請求(RREQ)一次路由建立過程，T1記錄路由請求(RREQ)發出時間。
優化路由應答(RREP)報文格式：
T2記錄路由請求(RREQ)收到時間，T3記錄路由應答(RREP)發出時間，T2-T1是主機經中間副機至目的副機路由請求(RREQ)報文所傳輸的時間，不在路由上的中
間副機因生存時間超時而被刪除，
路由出錯(RRER)報文格式：
優化AODV路由協議中還包括數據結構表：路由表、鄰居中間副機列表和廣播ID表。路由表條目主要有目的副機、下一中繼中間副機、處於激活狀態的中間副機、時鐘偏差、傳輸延時、生存時間等。
優化路由表條目數據結構如下：
Stuct rt_entry
{in_addr rt_nexttip；∥下一中間副機地址
Bool rt_flag；∥標誌位
in_addr re_dst；∥目的副機地址
Char rt_nextmac[б]；
int rt_hop；∥中繼次數
in_addr rt_prelist[10]；∥上一中間副機地址
Re_entry link；∥指向激活的相鄰中間副機
Synchronization flag：∥同步完成標誌f
Estimation of clock error：∥時鐘偏差估計σ
Estimation of transmission delay：∥傳輸延時估計D}
鄰居中間副機列表記錄激活狀態的相鄰中間副機和其生存時間，相鄰中間副機數據結構如下：
所述的主機通過控制發射單元紫外光通信信號，廣播發送路由請求(RREQ)報文，中間副機中繼管理單元只在第一次接收到該路由請求(RREQ)信息時進行處理，以後接收到同樣的路由請求(RREQ)信息便丟棄，若發現路由請求(RREQ)報文不是發給本副機，又沒有目的副機的信息時，就會根據網絡拓撲信息繼續向相鄰中間副機中繼傳送路由請求(RREQ)，直至到達目的副機為止，同時建立反向路由，此路由需要保存到路由請求(RREQ)穿越網絡，直到路由應答(RREP)反饋到主機為止，反向路由包括路徑中間副機上下節點信息。當路由鏈路出現斷鏈，在修復時間內不可修復，路由出錯(RRER)廣播通知其上遊中間副機此路不通，直到主機收到路由出錯(RRER)然後重新進行路由發現過程。
如果路由請求(RREQ)是分組到達目的副機，目的副機就會分組回復路由應答(RREP)，不在路由上的中間副機因生存時間超時而被刪除，如果主機接收多條到達目的副機的路由應答(RREP)信息時，主機根據主機至目的副機傳輸時間長度最短，中間副機跳數最少確定到達目的副機的最佳路由，至此路由就建立了。
當主機開始向目的副機發送DATA數據報文前，先向目的副機發送RTS(請求發送)信息，目的副機收到RTS後反饋給主機一個CTS(清除發送)消息，主機收到後便開始按此信道，通過中間副機中繼功能發送DATA數據報文，等待數據報文傳送完畢，目的副機反饋給主機一個ACK(應答信號)消息，主機收到這一消息後便恢復信道為空閒狀態，這樣一次中繼傳輸紫外光通信就完成了。(見圖3)
第一種實施方案是通過1個主機與1個目的副機組成的紫外光通信信號模擬系統。通信鏈路採用的是點對點半雙工迴路，場域位置為室內辦公場所，通信方式為視距，主機和副機紫外發射光源採用單只260nm紫外LED光源，封裝鏡面為球型鏡面，輸入功率100mw，光發射功率大於0.3mw，發射角約為7°，發射距離5m，自製的紫外光LED探測器為接收端光電檢測器，接收視場約為90°，光信號調製方式為OOK，通信速率2.4kbps，主機與副機採用數位訊號通信。
第二種實施方案是通過1個主機與3個副機(2個中間副機+1個目的副機)組成主從結構的中繼紫外光通信信號模擬系統。主機與副機、副機與副機之間採用的是點對點半雙工通信鏈路，場域位置為室內停車場所，通信方式為視距，主機和副機均採用4隻260nm紫外LED矩陣發射光源，封裝鏡面為球型鏡面，輸入功率400mw，光發射功率大於1.2mw，發射角約為10°，總傳輸距離20m。自製的紫外光LED探測器為接收端光電檢測器，接收視場約為90°，光信號調製方式為OOK，通信速率4.8kbps，主機與副機採用數位訊號通信。
第三種實施方案是通過1個主機與10個副機(6個中間副機+4個目的副機)組成一種主從結構區域網路的中繼紫外光通信信號模擬系統，主機與副機之間採用點對多點的半雙工通信鏈路，副機之間採用點對點的半雙工通信鏈路。場域位置為野外，通信方式為非視距，採用自設定製36隻260nm陣列紫外LED光源，封裝鏡面為球型鏡面，輸入功率3.6w，光發射功率大於10.8mw，發射角約為20°，最長傳輸距離100m。自製的紫外光LED探測器為接收端光電檢測器，接收視場約為120°，光信號調製方式為OOK通信速率4.8kbps，主機與副機採用數位訊號通信。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護範圍內。