一种水下自适应时分双工激光通信系统及方法

本发明涉及水下无线光通信，尤其涉及一种水下自适应时分双工激光通信系统及方法。

背景技术：

1、水下无线光通信依托蓝绿波段激光低水体衰减特性，具备传输速率高、传输时延小、无电磁干扰等优势，广泛适用于水下机器人协同通信、海底观测数据高速回传、水下近距离文件与图像传输场景。当前水下双向光通信普遍采用tdd（time division duplex，时分双工）半双工架构实现收发分时工作，依靠强度调制/直接检测完成光电信号转换。

2、现有水下tdd激光通信方案存在明显技术缺陷，如下：

3、时隙与时序参数固化，适配性差。系统出厂预设固定保护间隔、固定上下行时隙配比、固定单帧数据长度，无法跟随水下信道实时状态动态调整。水体浑浊度升高、水中散射粒子、气泡扰动、收发端光轴偏移会造成接收光强剧烈波动，引发随机误码、突发连续误码、整帧丢失。固定保护间隔无法消除发射残留光、后向散射、模拟接收电路恢复带来的时隙串扰；固定时隙分配无法匹配图像、文件传输上下行非对称数据流量，时隙资源浪费严重，信道有效传输效率大幅下降。

4、链路质量评估机制单一，调度滞后。现有方案缺少rs（reed-solomon，里德-所罗门纠错码）译码纠错、crc（cyclic redundancy check，循环冗余校验）帧校验、ack反馈多维度联合链路状态监测手段，仅依靠单一丢帧统计判断链路好坏，链路退化识别不及时，无法精准定位误码根源，难以针对性调整通信参数。

5、主控架构算力与实时性无法兼顾。传统方案采用单一处理器或纯fpga（field-programmable gate array，‌现场可编程门阵列）逻辑实现全部功能，若仅使用处理器，基带调制解调、同步、编解码高速物理层处理实时性不足；若仅使用fpga，复杂mac（mediaaccess control，介质访问控制层）分片、链路统计、自适应调度算法实现难度大、协议拓展灵活性差。

6、数据传输可靠性低，业务恢复能力弱。面对退化水下信道，固定帧长极易出现大面积校验错误，频繁触发数据重传；且缺少标准化数据分片封装机制，图像、大文件分片丢失后无法快速缓存重组，数据完整恢复成功率低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水下自适应时分双工激光通信系统及方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种水下自适应时分双工激光通信系统及方法，包括主通信节点、从通信节点和上位机模块；

3、主通信节点、从通信节点均为收发一体化通信端机，二者硬件结构相同，主从身份可配置；主通信节点、从通信节点均包含依次连接的异构soc（system on chip，片上系统）主控模块、光发射模块、光学收发模块、光接收模块，还包括电源管理模块和通信接口模块；

4、异构soc主控模块包含处理器系统端、可编程逻辑端，处理器系统端与可编程逻辑端通过片上axi（advanced extensible interface，高级可扩展片上总线）总线互连；

5、可编程逻辑端用于完成物理层基带处理、同步检测、调制解调、rs纠错编解码、crc数据校验、半双工收发时序控制；

6、处理器系统端用于完成业务数据分片、mac层组帧、ack反馈解析处理、链路状态统计、tdd通信参数自适应调度；

7、处理器系统端依据链路状态信息判定水下光链路质量，动态更新tdd通信参数，并将更新后的tdd通信参数下发至本地可编程逻辑端与对端通信节点，实现闭环自适应tdd半双工双向激光通信；

8、上位机模块经以太网接口与通信节点交互业务数据，通过串口通信监测链路状态，并展示发送及接收还原的图片或文本。

9、优选的，tdd通信参数包含保护间隔、上下行时隙比例、单帧有效数据长度三类可调参数；

10、通信接口模块包含千兆以太网rj45接口、uart调试串口。

11、优选的，链路状态信息包含可编程逻辑端输出的rs译码纠错统计、crc错误帧统计，以及处理器系统端解析得到的有效帧计数、帧接收状态、ack反馈状态中的一种或多种；ack反馈状态由处理器系统端解析对端回传反馈帧获取。

12、优选的，可编程逻辑端分为发送数据链路模块、接收数据链路模块、tdd时序控制模块；

13、发送数据链路模块依次完成crc校验字段添加、rs编码、数据交织、信号加扰、物理层组帧、nrz-ook（non-return-to-zero on-off keying，不归零开关键控调制）调制；

14、接收数据链路模块依次完成信号同步检测、ook解调、物理层解帧、解扰、去交织、rs译码、crc完整性校验；

15、tdd时序控制模块读取处理器系统端写入的tdd通信参数，控制收发链路切换时序；发送时隙开启光发射链路、关闭光接收链路，接收时隙关闭光发射链路、开启光接收链路，发送时隙与接收时隙之间插入保护间隔隔离收发信号。

16、优选的，处理器系统端按照链路状态匹配对应tdd参数调整策略：

17、当crc错误帧率超过预设阈值，缩短单帧有效数据长度；

18、当rs译码纠错符号数量超过预设阈值，增大保护间隔或降低单周期数据负载；

19、当ack反馈连续丢失、反馈异常，提升反向反馈时隙占比；

20、当有效帧计数不变、各类错误统计值低于预设门限，提升主业务方向时隙占比或增大单帧有效数据长度。

21、优选的，光发射模块包含455nm蓝光激光器、激光器高速驱动电路；光接收模块包含sipm（silicon photomultiplier，硅光电倍增管）光电探测器、跨阻放大整形电路；光学收发模块包含发射准直光学系统、接收聚焦光学系统，接收光路配套滤光片抑制水下杂散光。

22、优选的，处理器系统端对图像、文本、文件类业务数据执行分片封装，单分片帧内置分片序号、总分片数、载荷长度、帧类型、ack请求字段；接收端依据分片序号缓存分片数据，依靠总分片数完成完整业务数据重组恢复。

23、优选的，异构soc主控模块采用zynq芯片，集成双核arm处理器作为处理器系统端、fpga逻辑资源作为可编程逻辑端。

24、一种水下自适应时分双工激光通信方法，包含如下步骤：

25、s1、通信初始化：配置主通信节点为全局调度控制节点、从通信节点为受控通信节点；主通信节点生成初始tdd通信参数并下发至从通信节点，两端同步统一tdd通信周期；

26、s2、正向业务传输：正向发送时隙内，主通信节点依据当前tdd参数对业务数据分片、mac组帧、物理层调制发射；从通信节点全程保持光接收状态；正向时隙结束后依靠保护间隔完成收发链路切换；

27、s3、链路状态采集：从通信节点对接收光信号解调、译码、crc校验恢复业务数据，同步统计生成rs纠错统计、crc错误帧统计、帧接收状态等链路状态信息；

28、s4、反向状态回传：反向发送时隙内，从通信节点将链路状态信息封装至ack反馈帧/状态反馈帧/反向业务帧，通过水下光信道发送至主通信节点，主通信节点切换为接收状态读取反馈内容；

29、s5、自适应参数更新：主通信节点基于接收的链路状态信息评估水下链路质量，调整保护间隔、上下行时隙比例、单帧有效数据长度；更新后的tdd参数同步写入本地可编程逻辑端并下发从通信节点，在下一通信周期启用新参数控制半双工收发时序。

30、优选的，单个完整tdd通信周期由正向业务时隙、保护间隔、反向反馈时隙三部分依次组成；主通信节点下发更新后的tdd参数时，两端不中断当前正在执行的时隙时序，等待通信周期边界统一切换新时序配置，保证主从通信节点收发时序同步。

31、因此，本发明采用上述一种水下自适应时分双工激光通信系统及方法，具有的有益效果为：

32、1、本发明利用rs纠错统计、crc错误帧统计和ack反馈状态对水下光通信链路质量进行表征，并据此动态调整保护间隔、上下行时隙比例和单帧有效数据长度，使系统能够适应水体浑浊、散射增强和光轴偏移等因素引起的链路波动，提高退化信道下的通信稳定性。

33、2、本发明采用处理器系统端与可编程逻辑端协同工作的方式，由可编程逻辑端完成高速基带处理和半双工时序控制，由处理器系统端完成链路状态统计、反馈解析和调度决策，兼顾了实时处理能力与协议调度灵活性。

34、3、本发明结合蓝光激光发射、光电探测和光学收发结构，提高了水下光信号的发射方向性和接收能力；配合自适应tdd调度机制，可降低退化信道下错误帧和重传对数据恢复过程的影响，提高文件恢复成功率和双向半双工通信可靠性。

35、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。