專利名稱：一種基于后向散射估計的fso動態(tài)組網方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信領域，尤其涉及一種基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法。
背景技術：
由于安裝傳輸線纜的成本較高且在實際應用時施工周期長，自由空間光通信系統(tǒng) (Free Space Optics，簡稱FS0)能夠靈活的提供方便、快捷的應用模式，在點對點的臨時通 信方面具有較大的優(yōu)勢。I960年休斯公司研制出第一臺激光器后即轉入了應用研究，建立 了第一條大氣激光通信系統(tǒng)。但由于大氣散射和不可預測的氣候干擾，通信質量較差，難以 實用化。近年來，隨著氣象預測系統(tǒng)及通信技術的快速發(fā)展，F(xiàn)SO系統(tǒng)逐漸商用化，通常其 傳輸碼率在Gb/s量級，傳輸距離也在逐漸增大。FSO通信系統(tǒng)的應用范圍已從軍用和航天 逐漸邁入民用領域，其技術本身也在不斷的完善中。FSO系統(tǒng)在組網時非常靈活，該系統(tǒng)能 夠支持 E1/T1、E3/DS3、0C-3/STM-1、ATM、FDDI、Fast Ethernet 等多種協(xié)議。但是，由于大氣信道的隨機性，信號在空間的傳輸具有較大的不確定性，對于傳輸 性能通常無法預先獲知。雖然在采用相干探測技術后大幅度提高了 FSO接收機的靈敏度以 及中繼距離。然而，由于空氣中的隨機微粒存在，后向散射的方向和強度也是各向異性，對 發(fā)射機產生較大的干擾，從而對信號判決造成不良影響。通常發(fā)射機部分采用外光調制方 式將原信號以調幅、調相或調頻的方式調制到光載波上，再經濾波器和光放大器傳輸出去。 傳輸到達接收機時，信號光首先與一本振光信號進行相干混頻，然后由探測器進行探測。光 電探測器對信號光和本振光的差頻分量響應，輸出一個光電流，從光信號的高頻域轉換到 電信號的中頻域。與傳統(tǒng)的微波通信相比，用激光束作為信息載體的自由空間激光通信頻 率高，空間和時間相干性好，發(fā)射波束窄，因此具有碼率高、通信容量大、天線尺寸小、功耗 低、體積小和保密性高等，便于構建天基寬帶網?？臻g光通信系統(tǒng)通過對目標的捕獲、跟蹤 和瞄準(Acquisition，Tracking，Pointing，簡稱ATP)的作用是接收對方發(fā)射的信標光，并 對之進行捕獲、跟蹤，然后返回信標光到對方的接收端，以完成點對點的鎖定，在兩點之間 建立通信連接，所以ATP系統(tǒng)的性能和跟蹤精度對通信的成功與否有著至關重要的影響。 信標光在ATP子系統(tǒng)中的主要作用是完成系統(tǒng)光端機間方位誤差信號的提取，經過處理驅 動控制系統(tǒng)實現(xiàn)初對準。信標光發(fā)射機發(fā)射的激光功率與接收機所接收到激光功率之間的 關系由視距方程所確定。綜上所述，出于網絡的抗毀性考慮，F(xiàn)SO網絡組網時，沒有類似于集中式的網管 節(jié)點存在，每個節(jié)點既是服務接受者同時又是服務提供者，通過相互之間分發(fā)定位消息分 組實現(xiàn)自適應方位校準功能，減少對于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡稱 GPS)定位的需求，避免由于衛(wèi)星等外空間定位設施失效而引發(fā)整個系統(tǒng)癱瘓。所選擇路由 的優(yōu)劣將直接決定FSO網絡的性能優(yōu)劣，在網絡層需要考慮基于能耗的路由方式，避開瓶 頸節(jié)點，盡可能使網絡中所有的節(jié)點的能量趨于平均化?？紤]到前述情況，存在克服相關技 術中不足的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施例解決的技術問題是提供一種基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方 法，通過對于后向散射交疊區(qū)域的位置和范圍估計，在發(fā)送端進行補償，通過信標方式完成 消息傳遞，在接收端實現(xiàn)與發(fā)送端相對應的信號恢復。同時，通過系統(tǒng)高層協(xié)議保障系統(tǒng)運 行的流順序以及可靠性傳輸。本發(fā)明通過信標光傳遞信息及測量參數，完成大氣信道的動態(tài)監(jiān)控，根據對FOV 區(qū)域的測量及估計，實時調整脈沖的發(fā)射強度及脈沖寬度，同時利用自適應編碼技術提高 信道的利用效率。本發(fā)明在實現(xiàn)過程中，具體包括FSO動態(tài)組網系統(tǒng)的設備結構。主要包含了粗對準、精對準系單元、波前控制器件 及重構、測量單元、支持動態(tài)組網的混合設備連接、支持共享波長變換的動態(tài)組網內部節(jié)點 結構等結構單元。FSO系統(tǒng)對于光信道的自動后向檢測方法，通過信標光傳遞控制信息指令及測量 參數，對于發(fā)射器與后向散射光僅在接收范圍之內部分才能夠形成有效的干擾的FOV區(qū)域 進行評估和測算。系統(tǒng)采用自適應功率控制方法調節(jié)發(fā)送信號強度及相應的協(xié)調機制，通過反饋信 號確定傳輸信號是否偏離波束傳輸方向。在高層通過路由協(xié)議完成網絡中的負載分攤，通 過調整發(fā)射功率實現(xiàn)網絡拓撲結構的重構，克服由于單個發(fā)送節(jié)點或者某個核心節(jié)點造成 的瓶頸。在網絡層，處理的消息以報文為基本單位，針對不同的報文長度建立合理的優(yōu)化模 型。利用鏈路層快速調整和網絡層定期調整相結合的技術實現(xiàn)層間的優(yōu)化，解決FSO系統(tǒng) 的動態(tài)組網所面臨的問題.此外，在FSO系統(tǒng)進行動態(tài)組網時，能夠自動進行路由重選及優(yōu)化，通過信道估 算，綜合考慮大氣環(huán)境，對雨雪霧等多種因素進行統(tǒng)一處理。當環(huán)境的變化或者中間遮擋造 成鏈路時，啟用路由重選功能，為該故障鏈路重選優(yōu)化路由。通過構建智能化計算單元，無 需GPS的輔助實現(xiàn)快速初始鏈路連接。據節(jié)點最大提供能量，源/宿節(jié)點間的轉發(fā)路徑，報 文轉發(fā)量，最大化全網的工作時間，增強網絡健壯性。從以上技術方案中可以看出，本發(fā)明通過對于后向散射的處理和分析，獲取當前 的信道參數，并進一步確定是否通過對于信號處理還是采用機械機構完成補償。在無法補 償時，則采用高層協(xié)議進行控制，完成波束偏轉，重選路由。同時，由于本發(fā)明采用的為自適 應實現(xiàn)方案，具有很好的擴展性，在后續(xù)技術升級時具有較為明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變 得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解，本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點可通過在所寫的說明 書、權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。


結合描述了本發(fā)明的各種實施例的附圖，根據以下對本發(fā)明的各發(fā)明的詳細描 述，將更易于理解本發(fā)明的這些和其它特征，其中圖1示意性示出了具有動態(tài)組網功能的FSO系統(tǒng)結構；圖2示意性示出后向散射干擾場距范圍的確定機制；
圖3描述了支持動態(tài)組網的混合設備連接方法；圖4示意性示出了動態(tài)組網節(jié)點內部結構；圖5示意性示出了支持共享波長變換的動態(tài)組網節(jié)點內部結構；圖6描述了動態(tài)組網時的節(jié)點內部處理流程；圖7給出了 FSO多層協(xié)調節(jié)點邏輯功能結構；
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細描述。圖1示意性示出了具有可調控功能的FSO系統(tǒng)功能圖。整個FSO系統(tǒng)由幾個基 本單元組成分別為WDM復用器101、摻餌光纖放大器EDFA 102、光交叉單元103、精對準單 元(Fine Pointing Assembly，簡稱FPA) 104、收發(fā)信機105、FS0通信信道106、粗對準單元 (CoarsePointing Assembly，簡稱CPA) 107、機械旋轉機構108、波前校正單元109、WDM解復 用器110。其中101負責將光脈沖信號單元復用為單個傳輸信號以增大系統(tǒng)的傳輸容量； 102主要負責信號的放大，補償系統(tǒng)的損耗；103能夠對FSO實際傳輸的信號單元組進行靈 活地選擇；104主要完成接入信號的位置微調；105為收發(fā)信機，負責光信號發(fā)送和來自大 氣中的光信號接收，光發(fā)射機包括了信號調制器、色散調節(jié)模塊、光放大器。光發(fā)射機主要 用于信號脈沖在FSO信道上的發(fā)送，調制器用于進行幅度調制或者相位調制。在光放大器 和調制器之間的色散調節(jié)模塊用于改變光脈沖寬度；106為FSO大氣信道，通常傳輸信道 質量具有較大的隨機性且隨天氣變化明顯；107為粗對準模塊，用于信號的快速同步、搜索 等；108機械旋轉結構用于控制收發(fā)信機的旋轉，主要目的在于能夠根據信號的質量動態(tài) 選擇具體是避開高散射區(qū)還是重選路由進行連接；109通?？梢跃唧w細分為波前傳感器、 波前控制器以及波前校正器三部分。通常光發(fā)射信號經過大氣湍流后，在波前傳感器完成 波前測量，通過波前恢復算法重構波前信息，波前控制器通過控制算法驅動波前校正器改 變波前形狀，校正大氣中的擾動對于激光光束的影響。經過自適應光學系統(tǒng)校正的光束送 入系統(tǒng)接收機，進行光電轉換，從而獲得原信號。110為FSO系統(tǒng)的數據下路器件，用于從高 速數據流中提取出各個子波長通道。圖2示意性示出后向散射干擾場距范圍的確定機制。由于光束的偏移可能會造 成發(fā)射的信號被錯誤的收發(fā)信機所接收，同時由于光束在空氣中的反射和散射會造成后向 光散射，與發(fā)射光信號形成了交疊，從而產生交調干擾。在所形成的場距范圍(Field of View，簡稱F0V)內造成干擾，在遠場的散射波是一個以散射物體為中心的球面波，經過散 射物體后的散射波的傳播方向與入射波方向夾角為θ。假定入射光的輻射強度為10，則在
微粒后一個較長的距離!·處，散射光的輻射強度I可以表示為，其中為散
射圖像，k為波數(k = 2 π / λ )?？梢圆捎孟蠛瘮礟 = ^^描述散射圖像與散射物體的
大小關系。散射體的大小Cs。a定義為一個模擬的橫截面接，在該面積上各個方向上散射的
能量等效于入射波在散射截面上的能量，即匸_= + \F(e,(p)dco，其中積分為各個方向上
的微元代數和，徹=sin卻表示立體角。類似地，定義吸收截面Cabs和消光截面Cext，Cext = Cs。a+Cabs，無論是吸收還是由于散射所造成的損耗都構成了光的能量衰減么，對于非吸收物體有Crart = Csca0發(fā)射器與后向散射光僅在接收范圍之內部分才能夠形成有效的干擾，當發(fā)射端高 于接收端并且發(fā)射角寬灼小于接收角寬代時，圖中所示陰影部分為有效接收能量，于是兩個 交點用(z，x)的形式表示為
權利要求
一種基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于包括以下內容FSO動態(tài)組網系統(tǒng)的設備結構；FSO系統(tǒng)對于光信道的自動后向檢測方法；自適應功率控制方法調節(jié)發(fā)送信號強度及相應的協(xié)調機制；FSO系統(tǒng)動態(tài)組網時的路由優(yōu)化及重選；FSO多層協(xié)調節(jié)點邏輯功能；
2.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于所述 FSO動態(tài)組網系統(tǒng)的設備結構，具體包括粗對準、精對準系統(tǒng)單元； 波前控制器件及重構、測量單元； 支持動態(tài)組網的混合設備連接； 支持共享波長變換的動態(tài)組網內部節(jié)點結構；
3.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于所述 FSO系統(tǒng)對于光信道的自動后向檢測方法，具體包括信標光傳遞控制信息指令及測量參數；發(fā)射器與后向散射光僅在接收范圍之內部分才能夠形成有效的干擾，當發(fā)射端高于接 收端并且發(fā)射角寬約小于接收角寬約時，圖中所示陰影部分為有效接收能量，F(xiàn)OV位置坐標 位置
4.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于所述自 適應功率控制方法調節(jié)發(fā)送信號強度及相應的協(xié)調機制，具體包括確定是否偏離波束傳輸方向的方法；通過路由協(xié)議完成網絡中的負載分攤，通過調整發(fā)射功率實現(xiàn)網絡拓撲結構的重構， 克服由于單個發(fā)送節(jié)點或者某個核心節(jié)點造成的瓶頸；在網絡層，處理的消息以報文為基本單位，針對不同的報文長度建立合理的優(yōu)化模型；利用鏈路層快速調整和網絡層定期調整相結合的技術實現(xiàn)層間的優(yōu)化，解決FSO系統(tǒng) 的動態(tài)組網所面臨的問題；
5.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于所述 FSO系統(tǒng)動態(tài)組網時的路由優(yōu)化及重選，具體包括通過信道估算，綜合考慮大氣環(huán)境，對雨雪霧等多種因素進行統(tǒng)一處理； 當環(huán)境的變化或者中間遮擋造成鏈路時，啟用路由重選功能，為該故障鏈路重選優(yōu)化 路由；構建智能化計算單元，可無需GPS的輔助實現(xiàn)快速初始鏈路連接；據節(jié)點最大提供能量，源/宿節(jié)點間的轉發(fā)路徑，報文轉發(fā)量，最大化全網的工作時 間，增強網絡健壯性；
6.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法，其特征在于所述 FSO多層協(xié)調節(jié)點邏輯功能，具體包括 動態(tài)組網時的節(jié)點內部處理流程； FSO大氣信道預測反饋處理機制； 高層協(xié)議完成數據的流控制、糾錯處理、編解碼等操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領域，本發(fā)明實施例公開了一種基于后向散射估計的FSO動態(tài)組網方法。本發(fā)明實施例方法包括FSO動態(tài)組網系統(tǒng)的設備結構；FSO系統(tǒng)對于光信道的自動后向檢測方法；自適應功率控制方法調節(jié)發(fā)送信號強度及相應的協(xié)調機制；FSO系統(tǒng)動態(tài)組網時的路由優(yōu)化及重選；FSO多層協(xié)調節(jié)點邏輯功能。同時，通過系統(tǒng)高層協(xié)議保障系統(tǒng)運行的流順序以及可靠性傳輸。系統(tǒng)對于光信道的自動后向檢測方法，通過信標光傳遞控制信息指令及測量參數，對于發(fā)射器與后向散射光僅在接收范圍之內部分才能夠形成有效的干擾的FOV區(qū)域進行評估和測算。在高層通過路由協(xié)議完成網絡中的負載分攤，通過調整發(fā)射功率實現(xiàn)網絡拓撲結構的重構，采用鏈路層快速調整和網絡層定期調整相結合的技術調節(jié)報文發(fā)送方式，解決目前FSO系統(tǒng)在組網時效率低下的問題。
文檔編號H04L12/24GK101982948SQ20101053422
公開日2011年3月2日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權日2010年11月8日
發(fā)明者喻松, 王天一, 陳志曉, 顧畹儀, 駱驄 申請人:北京郵電大學