一种基于频分多址的多用户共振光通信系统及方法与流程

1.本发明涉及共振光通信领域，特别是涉及一种基于频分多址的多用户共振光通信系统及方法。


背景技术：

2.为了满足未来通信发展的需求，实现高速的宽带无线通信，势必要向高频段开发新的频谱资源。由于光波的波长较短且具有几百thz的频率，将光作为无线通信的载体势必会成为未来无线通信的重要技术手段。利用共振腔形成稳定的光束，并将其作为载体实现无线通信是一种新兴的无线光通信技术，该种技术在具有较高传输速率的同时，也具有较好的移动性，是一种可以突破无线光通信技术发展瓶颈的技术。
3.但当涉及到多个用户同时与基站进行通信时，每个用户如何接收/发送自己所需的信息成为了共振光通信中的难点。多址技术是实现多用户通信的关键技术，其可以扩大通信系统容量，并使不同用户的信号互不干扰地被分别接收和解调。在目前的多用户共振光通信系统中，缺乏对多址技术的研究，这制约着共振光通信的发展。因此，提出一种合适的多址技术，来使各个用户无干扰地接收/发送信息，是发展多用户共振光通信技术势必要解决的问题。
4.频分多址是射频通信中一种常见的多址方式，该种方式具有每个用户使用一个载频，基站需要使用很多的共同设备，系统稳定等特点。而如何将频分多址技术与共振光的特点相结合以将该种技术应用到多用户共振光通信中，是发展多用户共振光通信技术的一个可行方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于频分多址的多用户共振光通信系统及方法，通过对增益带宽的划分，实现了多个用户在同一时间与基站无干扰地进行通信，为共振光通信在多用户场景中的应用提供了便利。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于频分多址的多用户共振光通信系统，包括基站和移动端，所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；所述基站包括第一回复反射器、第一增益介质、第一电光调制器、第一分束器、频率分集模块、第二光电探测器、第一同步装置和多个分集处理装置，每一个分集处理装置均包括第一光电探测器和第一信号处理板；来自任意一个收发信机的共振光经第一电光调制器、第一增益介质后传输到第一回复反射器，经回复反射器按原路径反射，这部分光经过第一增益介质和第一电光调制器后传输给该收发信机；第一分束器将第一回复反射器透射出的共振光分为一束透射光和一束反射光，透射光入送入到频率分集模块中，频率分集模块将共振腔中一束由不同频率的组成光，分成
若干束频率不同的光，每一个频率的光对应于一个分集处理装置，频率分集模块将输出的光传输到对应的分集处理装置中；在每一个分集处理装置中，第一光电探测器对频率分集模块的输出进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板中，第一信号处理板对接收到的信号进行解调，以恢复出不同用户的信息；反射光输入到第二光电探测器中，第二光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置中，第一同步装置对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，产生待发送信息，并将其输入到第一电光调制器中，第一电光调制器将输入信息加载到不同频率的共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。
7.进一步地，所述第一回复反射器采用反射率为90%，透射率为10%的回复反射器。
8.所述收发信机包括第二回复反射器、第二增益介质、第二分束器、第三光电探测器、耦合器、第二信号处理板、第二同步装置和第二电光调制器；来自于所述基站的共振光，经第二电光调制器传输到第二分束器，由第二分束器分束得到一束透射光和一束反射光，分束得到的透射光经第二增益介质传输给第二回复反射器，由第二回复反射器反射后，依次通过第二增益介质、第二分束器和第二电光调制器传输给基站；分束得到的反射光传输给第三光电探测器，第三光电探测器将探测得到的电信号传输给耦合器；耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到信号处理板中用于解调信息，另一路信号输入到同步装置中；同步装置对输入信号进行实时检测，根据检测结果产生待发送信号并将其输入到第二电光调制器中，由第二电光调制器将待发送信号调制到来自分束器的共振光中传输给基站。
9.所述第二回复反射器采用反射率100%，透射率0%的回复反射器。
10.一种基于频分多址的多用户共振光通信方法，包括：s1.根据用户的收发信机与基站建立连接的顺序对用户进行编号；s2.将增益介质的带宽划分为若干个等长的子带宽；其中子带宽的个数与用户个数相等；根据子带宽中心频率与增益介质中心频率的差值绝对值大小来为子带宽编号，编号规则为：差值绝对值越小，编号越小；若差值绝对值相等，则子带宽中心频率越小，编号较小；s3.将具有相同编号的子带宽和用户匹配；每个用户根据自己被分配到的子带宽对应的中心频率，选择具有相同中心频率的增益介质，因此当自由空间中的光子在基站的回复反射器和每个用户的回复反射器之间进行往复运动时，便会在每个用户的共振腔内产生频率不同的共振光；s4.基于对增益带宽的分配，实现基站与用户收发信机之间的通信。
11.步骤s4中所述的基站与移动端之间的通信的每一帧数据均由同步头和信息数据组成，通信过程包括以下步骤：s401.下行通信：在基站，第一分束器将第一回复反射器透射出的共振光分成两部分：一部分送入到频率分集模块中，将共振腔中一束由不同频率的组成光，分成若干束频率不同的光；第一光电探测器对频率分集模块的输出进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板中；第一信号处理板对接收到的信号进行解调，以恢复出不同用户的信息；
另一部分光被输入到第二光电探测器中，第二光电探测器对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置中，第一同步装置对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，产生待发送信息输入到第一电光调制器中；第一电光调制器将输入信息加载到不同频率的共振光上后，发送给每一个用户的收发信机；s402.上行通信：每个用户的收发信机使用第二分束器将腔内的光束反射出一部分到第三光电探测器中，使用设定频率的光电探测器在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器中；耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第二信号处理板中用于解调信息，另一路信号输入到第二同步装置中；第二同步装置对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并将其输入到第二电光调制器中，第二电光调制器将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站。
12.本发明的有益效果是：通过对增益带宽的划分，实现了多个用户在同一时间与基站无干扰地进行通信，为共振光通信在多用户场景中的应用提供了便利。
附图说明
13.图1为本发明的原理示意图；图2为收发信机的原理示意图；图3为增益带宽的划分示意图;图中，1
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基站，11
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第一回复反射器，12
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第一增益介质，13
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第一电光调制器，14
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第一分束器，15
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频率分集模块，16
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第一光电探测器，17
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第一信号处理板，18
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第二光电探测器，19
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第一同步装置，2
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移动端，21
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第二回复反射器，22
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第二增益介质，23
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第二分束器，24
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第三光电探测器，25
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耦合器，26
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第二信号处理板，27
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第二同步装置，28
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第二电光调制器。
具体实施方式
14.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
15.如图1所示，一种基于频分多址的多用户共振光通信系统，包括基站1和移动端2，所述移动端包括位于不同用户处的收发信机；所述基站与每一个收发信机之间形成共振腔；所述基站包括第一回复反射器11、第一增益介质12、第一电光调制器13、第一分束器14、频率分集模块15、第二光电探测器18、第一同步装置19和多个分集处理装置，每一个分集处理装置均包括第一光电探测器16和第一信号处理板17；来自任意一个收发信机的共振光经第一电光调制器13、第一增益介质12后传输到第一回复反射器11，经第一回复反射器11按原路径反射，这部分光经过第一增益介质12和第一电光调制器13后传输给该收发信机；
第一分束器14将第一回复反射器11透射出的共振光分为一束透射光和一束反射光，透射光入送入到频率分集模块15中，频率分集模块15将共振腔中一束由不同频率的组成光，分成若干束频率不同的光，每一个频率的光对应于一个分集处理装置，频率分集模块15将输出的光传输到对应的分集处理装置中；在每一个分集处理装置中，第一光电探测器16对频率分集模块的输出进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板17中，第一信号处理板17对接收到的信号进行解调，以恢复出不同用户的信息；反射光输入到第二光电探测器18中，第二光电探测器18对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置19中，第一同步装置19对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，产生待发送信息，并将其输入到第一电光调制器13中，第一电光调制器13将输入信息加载到不同频率的共振光上后，发送给每一个用户的收发信机。
16.进一步地，所述第一回复反射器11采用反射率为90%，透射率为10%的回复反射器。
17.如图2所示，所述收发信机包括第二回复反射器21、第二增益介质22、第二分束器23、第三光电探测器24、耦合器25、第二信号处理板26、第二同步装置27和第二电光调制器28；来自于所述基站1的共振光，经第二电光调制器28传输到第二分束器23，由第二分束器23分束得到一束透射光和一束反射光，分束得到的透射光经第二增益介质22传输给第二回复反射器21，由第二回复反射器21反射后，依次通过第二增益介质22、第二分束器23和第二电光调制器28传输给基站；分束得到的反射光传输给第三光电探测器24，第三光电探测器24将探测得到的电信号传输给耦合器25；耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第二信号处理板26中用于解调信息，另一路信号输入到第二同步装置27中；第二同步装置27对输入信号进行实时检测，根据检测结果产生待发送信号并将其输入到第二电光调制器28中，由第二电光调制器28将待发送信号调制到来自第二分束器23的共振光中传输给基站。
18.所述第二回复反射器21采用反射率100%，透射率0%的回复反射器。
19.在本技术的实施例中，当光经过第一电光调制器13时，若第一同步装置19有信号输入第一电光调制器，则进行电光调制；若没有信号输入，则光直接不经任何处理直接通过第一电光调制器进行输出；同理，当光经过第二电光调制器28时，若第二同步装置27有信号输入第二电光调制器，则进行电光调制，若没有信号输入，则光不经任何处理直接通过第二电光调制器输出。
20.在本技术的实施例中，对于第一分束器14、第二分束器23，需要说明的是，分束器正面的膜和背面的膜不一样，当光从正面打到分束器的膜上时，光会分成反射和透射两部分。而当光从背面打到分束器的膜上时，光则会完全透射。在图1~2中，分束器光滑的一面表示正面，带斜线的一面表示反面。
21.为了解决共振光通信中的多用户通信问题，本发明设计了一种基于频分多址fdma的双向多用户共振光通信方式。在该通信方式中，以共振光在收发信机之间的一次往返作为一帧数据，通过对增益介质的增益带宽进行划分来保证多个用户在同一时间与发射机无干扰地进行通信，图3给出了对增益介质的划分示意图。增益介质只会对频率在特定范围的光产生增益，这个范围被称为增益带宽。除此之外，增益介质对增益带宽内不同频率的光产
生的增益系数是不同的，且增益系数近似服从高斯分布；如图3所示，增益介质的增益带宽被划分为若干个等长的子带宽，且任意两个子带宽之间设有等长的保护间隔以防止相邻子带宽之间发生重叠。需要特别注意的一点是，不同的子带宽对应的增益系数是不同的。
22.在共振光通信中，不同的增益系数将会导致不同的接收光强，进而影响数据速率。若只是简单地将子带宽分配给各个用户，将导致用户的数据速率不同，这是一种不公平的分配方式。因此，本发明设计了一种“先连接先分配”的分配方式以公平地将子带宽分配给不同的用户，然后在此基础上进行通信，具体地：一种基于频分多址的多用户共振光通信方法，包括：s1.根据用户的收发信机与基站建立连接的顺序对用户进行编号，例：将第一个建立连接的用户编号为no.1，第二个建立连接的用户编号为no.2，以此类推对所有用户进行编号；s2.将增益介质的带宽划分为若干个等长的子带宽；其中子带宽的个数与用户个数相等；根据子带宽中心频率与增益介质中心频率的差值绝对值大小来为子带宽编号，编号规则为：差值绝对值越小，编号越小；若差值绝对值相等，则子带宽中心频率越小，编号较小；例：将与增益介质的中心频率相同的子带宽编号为no.1，与其相邻的两个子带宽依次编号为no.2, no.3，依次类推对所有子带宽进行编号；s3.将具有相同编号的子带宽和用户匹配，例如编号为no.1的用户使用编号为no.1的子带宽；每个用户根据自己被分配到的子带宽对应的中心频率，选择具有相同中心频率的增益介质，因此当自由空间中的光子在基站的回复反射器和每个用户的回复反射器之间进行往复运动时，便会在每个用户的共振腔内产生频率不同的共振光；s4.基于对增益带宽的分配，实现基站与用户收发信机之间的通信。
23.步骤s4中所述的基站与移动端之间的通信的每一帧数据均由同步头和信息数据组成，通信过程包括以下步骤：s401.下行通信：在基站1，第一分束器14将第一回复反射器透射出的共振光分成两部分：一部分送入到频率分集模块15中，将共振腔中一束由不同频率的组成光，分成若干束频率不同的光；第一光电探测器16对频率分集模块的输出进行光电转换并将电信号输入到第一信号处理板17中；第一信号处理板17对接收到的信号进行解调，以恢复出不同用户的信息；另一部分光被输入到第二光电探测器18中，第二光电探测器18对输入的光进行光电转换并将电信号输入到第一同步装置19中，第一同步装置19对电信号中的同步头进行实时检测，当检测到同步头刚要结束时，产生待发送信息输入到第一电光调制器13中；第一电光调制器13将输入信息加载到不同频率的共振光上后，发送给每一个用户的收发信机；s402.上行通信：在上行链路中，基站会收到来自所有用户的共振光。为了恢复出来自于不同用户的信息，基站使用不同频率的第一光电探测器16以及相连的第一信号处理板17便可以恢复
出各个频率的共振光上携带的信息。由于频率与用户具有一一对应关系，基站可以区分出来自每个用户的信息，具体地：每个用户的收发信机使用第二分束器将腔内的光束反射出一部分到第三光电探测器24中，使用设定频率的光电探测器在对其进行光电转换后，将输出的电信号输入到耦合器25中；耦合器将输入的电信号分成功率相等或不等的两路信号：一路信号输入到第二信号处理板26中用于解调信息，另一路信号输入到第二同步装置27中；第二同步装置27对输入信号进行实时检测，当检测到电信号的同步头刚好结束时，产生待发送信息并将其输入到第二电光调制器28中，第二电光调制器28将接收到的电信号加载到共振光上，发送给基站1。
24.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。