一种基于光编码的空间-时间混合分集FSO通信系统

一种基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统
技术领域
1.本发明属于通信技术改进领域，尤其涉及一种基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统。


背景技术：

2.基于光缆已被窃听的事实，光纤通信系统中光信息传输的安全性问题已刻不容缓亟待解决。光信息的安全传输要求其通信系统具有好的安全性，应具有抗毁、抗截获、抗攻击、能身份认证和进行隐藏的功能。
3.传统的光网络安全性采用网络上层协议的数据加密，并假设物理层已提供畅通且无差错的传输。但是，所有基于算法的加密手段都已经被证明是可以破解的。例如，2009年，日本、法国和德国的研究团队破解了768 比特的rsa加密算法。基于物理的“测不准”和“不可分割”原理的量子密码通信具有绝对安全性，但由于受物理机制的限制，目前的量子通信技术仅适合于低速率的信号传输。
4.光网络物理层安全的主要技术方案有：混沌光通信、光码分多址
5.(optical code division multiple access,ocdma)和量子噪声随机编码 (quantum noise randomized cipher,qnrc)]等。ocdma通信系统具有多种防护功能，可实现光信息的安全传输。1)抗截获，“棱镜门”事件已暴露出了有200多条光缆被窃听，使信息传输安全受到严重威胁。ocdma 系统基于时频域变换的扩频机理及安全体系，使其具有较强的抗截获的功能。2)抗攻击，面对恶意入侵，ocdma系统可以采用跳频编码或码字重构等措施，有效避开入侵光信号的影响，保障系统正常运行，从而具有抗攻击能力，确保信息通信的安全。3)身份认证，ocdma系统对每个用户赋予一个唯一的光域地址码，非授权用户不能获取到系统中所传输其他用户的信号，确保用户只能接收本身的信号，通过动态可重构地址码，系统可以随时确认每个用户的身份，确保信息的可信传输。4)隐匿性，对机密性要求高的信息传输，采用隐匿传输，增加被发现的技术难度，从而增加其安全性。ocdma系统利用其扩频扩时特性，将所传输的信号变为类噪声，隐匿在常规传输系统中，甚至隐匿于背景噪声中。
6.ocdma技术本身具备一定的安全性和保密性，但是，在面对一些较具针对性，强有力的窃听策略如能量检测、蛮力搜索、码字拦截、差分检测窃听时，这些基本的安全保障还是不够的。例如，用户数据信息以ook 调制的ocdma系统中，窃听者无需知道地址码字信息，仅以编码信号中每个比特能量多少做判决准则即可成功恢复信道中的数据信息。因此， ocdma物理层加密能提高现有fso通信系统的安全性，但不能保证绝对的安全性，也存在码字破解的可能，因此需要与其他技术结合来提升系统的性能。
7.fso通信系统存在可靠性和安全性的问题。解决可靠性问题的常用方法是空间分集和时间分集技术。但空间分集需要发射/接收端透镜之间有足够的距离，在场地受限的情况下，不能通过增加分集数来提升系统的可靠性，同时，对于多入多出的空间分集系统，空间分集并不能提高物理层安全性。而时间分集需要各支路之间有足够的时延且相关性最
小，当分集数增加时会增加多址干扰，这会降低合法用户的信噪比，从而降低合法用户的可靠性。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统，旨在解决上述的技术问题。
9.本发明是这样实现的，一种基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统，所述基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统包括发送端、大气信道及接收端，发送端将用户数据调制后发送经大气信道传输给接收端恢复成原始信号展示给用户，所述发送端包括发射机、时/码分集光编码模块及光码空间分集光发射模块，所述发射机的输出端连接所述时/码分集光编码模块的输入端，所述时/码分集光编码模块的输出端连接所述光码空间分集光发射模块的输入端；所述光码空间分集光发射模块的输出端将耦合信号经由多个准直发射透镜发射到大气信道中；所述接收端包括接收机、时/码分集光解码模块及光码空间分集光接收模块，所述光码空间分集光接收模块的输出端连接所述时/码分集光解码模块的输入端，所述时/码分集光解码模块的输出端连接所述接收机的输入端。
10.本发明的进一步技术方案是：在发送端，数据信号在所述时/码分集光编码模块中分别进入不同光编码器进行编码，通过分别给予不同的延时给各路编码信号实现时/码分集编码，利用耦合器将各路编码信号合路发送至光码空间分集光发射模块，通过多路的fso链路进行发送，实现光码空间
ꢀ‑
时间混合分集发送。
11.本发明的进一步技术方案是：在发送端通过光分路器将未编码的光脉冲信号分为w路，各路采用不同的光编码器进行编码，同时各路根据码字之间的相关性和大气信道的相关时间给予不同的时延，最后通过耦合器将 w路编码信号合路，发送至光码空间分集传输模块。
12.本发明的进一步技术方案是：在接收端的时/码分集光解码模块中，通过光分路器将接收到的光编码信号分为w路，各路分别采用对应的匹配解码器，同时给予互补延时，互补延时的作用是对齐w路的解码信号，将光解码后的信号耦合后，由光接收机实现光电转换，经判决恢复出用户数据信号，从而实现基于光编码的空间-时间混合分集机制。
13.本发明的进一步技术方案是：所述时/码分集光编码模块通过时间分集方式对用户数据进行物理层时间分集光编码，在不同支路使用不同光编码器，根据码字构造和大气湍流相干时间设置相对延时，对多路编码数据进行合路。
14.本发明的进一步技术方案是：所述光码空间分集光发射模块将各支路经过不同编码后合路信号经由多个准直发射透镜发射到大气中，根据环境情况灵活选择透镜对的数量。
15.本发明的进一步技术方案是：所述光码空间分集光接收模块通过多个准直接收透镜接收光信号经耦合器进行合路，完成光码空间分集接收。
16.本发明的进一步技术方案是：所述时/码分集光解码模块通过时间分集的方式进行光解码，将不同支路的光信号利用不同的匹配光解码器进行匹配解码，经不同互补延时使得不同支路的光解码信号完全对齐完成时/码分集光解码。
17.本发明的进一步技术方案是：相对延时必须大于大气信道的相干时间，并保证不
同支路之间的多址干扰最小。
18.本发明的进一步技术方案是：时间分集光解码器之间的相对时延，与发送端的相对时延为互补关系。
19.本发明的有益效果是：由于在发送端采用了时/码分集光编码模块，对于窃听用户而言，接收到的信号是多个不同编码信号耦合之后的结果，对比单一的编码信号，能提高fso通信系统的安全性。同时，对于合法用户，由于同时采用了时/码分集光编/解码模块和光码空间分集光发射/接收模块进行传输，即同时采用了时/码分集和空间分集，有效降低了湍流带来的影响，增加了合法用户的可靠性。因此，通过同时采用基于光编码的时/ 码分集和空间分集的混合分集fso通信系统，能同时提升系统的可靠性和安全性。
附图说明
20.图1是本发明实施例提供的基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统的单用户系统架构图。
21.图2是本发明实施例提供的系统总体方案架构图。
22.图3是本发明实施例提供的fso通信系统发送端时/码分集光编码模块原理框图。
23.图4是本发明实施例提供的fso通信系统接收端时/码分集光解码模块原理框图。
24.图5是本发明实施例提供的2分集的时/码分集光编码模块结构图。
25.图6是本发明实施例提供的两个码字的互相关图。
具体实施方式
26.如图1所示，本发明提供的基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统，所述基于光编码的空间-时间混合分集fso通信系统包括发送端、大气信道及接收端，发送端将用户数据调制后发送经大气信道传输给接收端恢复成原始信号展示给用户，所述发送端包括发射机、时/码分集光编码模块及光码空间分集光发射模块，所述发射机的输出端连接所述时/码分集光编码模块的输入端，所述时/码分集光编码模块的输出端连接所述光码空间分集光发射模块的输入端；所述光码空间分集光发射模块的输出端将耦合信号经由多个准直发射透镜发射到大气信道中；所述接收端包括接收机、时/码分集光解码模块及光码空间分集光接收模块，所述光码空间分集光接收模块的输出端连接所述时/码分集光解码模块的输入端，所述时/码分集光解码模块的输出端连接所述接收机的输入端。
27.在发送端，数据信号在时/码分集光编码模块分别进入不同的光编码器进行编码后，通过分别给予不同的延时给各路编码信号，实现时/码分集编码；然后，利用耦合器将各路编码信号合路发送至光码空间分集光发射模块，通过多路的fso链路进行发送，实现光码空间-时间混合分集发送。接收端，光码空间分集的接收信号是多个编码信号的混合信号，时/码分集光解码模块和接收机从该信号中恢复出对应的数据信息。
28.使用了时/码分集光编/解码模块，在发送端，通过光分路器将光脉冲信号分为w路，各路采用不同的光编码器进行编码，同时各路根据码字之间的相关性和大气信道的相关时间给予不同的时延，最后通过耦合器将w 路编码信号合路，发送至光码空间分集发射模块；为了实现时间分集，时间分集光编码器之间的相对时延必须满足两个条件：(1)大于fso信道的相干时间(ms级)；(2)保证码字之间的互相关值最小，以降低多址干扰，提高信噪
比和可靠性。然后，光码空间分集光发射模块通过多路的fso链路进行发送，实现光码空间分集。随后，通过时/码分集的方式进行光解码，用于将用户传输的编码光信号还原为原始光信号。最后，将解码光信号发送至光接收机通过光电检测、放大、滤波和抽样判决后，恢复成原始信号。
29.在接收端的时/码分集光解码模块中，通过光分路器将接收到的光编码信号分为w路，各路分别采用对应的匹配解码器，同时给予互补延时，互补延时的作用是对齐w路的解码信号。时间分集光解码器之间的相对时延，与发送端的相对时延为互补关系。然后，将光解码后的信号耦合后，由光接收机实现光电转换，经判决恢复出用户数据信号，从而实现基于光编码的空间-时间混合分集机制。
30.在接收端，接收信号是多个空间链路的混合编码信号，在时/码分集光解码器模块中，经过光分路器输入到时/码分集光解码器进行匹配解码，并给予互补延时，然后将解码后的信号耦合后，光接收机恢复出对应的数据信息。
31.所述时/码分集光编码器包括依次相连的1
×
w的光分路器、w个不同的光编码器、(w-1)个不同的光延时线和w
×
1光耦合器。光分路器可以将原始光信号分为w份相同的光信号，每路光信号进行不同的光编码，不同的光编码器采用不同的码字。然后，每路光编码信号进行不同的延时，相对时延必须满足两个条件：(1)大于fso信道的相干时间；(2)保证码字之间的互相关值最小，以降低多址干扰。最后，将w个光编码信号经耦合器耦合，构成时/码分集光编码器模块。同样，在时/码分集光解码器端，通过分路器，w路相同的编码光信号经由对应的匹配解码器解码，并通过并行的互补延时线将解码信号对齐，最后合路至耦合器输出。
32.所述光发射机用于将用户数据的原始电信号转换为光信号；
33.所述时/码分集光编码模块用于通过时间分集方式对用户数据进行物理层的光编码，实现时间分集编码。不同支路采用不同的光编码器，同时需要根据码字构造和大气湍流相干时间设置适当的延时。相对延时必须大于大气信道的相干时间，并保证不同支路之间的多址干扰最小。
34.所述光码空间分集光发射模块将各支路经过不同编码后的耦合信号经由多个准直发射透镜发射到大气中。根据天气情况和场地大小，可以灵活选择透镜对的数量。同时，在场地受限，天气恶劣情况下，可以通过增加时间分集数来代替空间分集数的增加，以此来保证系统的可靠性。
35.所述光码空间分集光接收模块采用多个准直接收透镜接收光编码信号，然后经耦合器进行合路，从而实现光码空间分集接收。然后，经光分路器分为不同的支路光信号。
36.所述时/码分集光解码模块通过时间分集的方式进行光解码，不同支路的光信号，采用不同的光解码器，并分别进行匹配解码。然后，经互补延时，使得不同支路的光解码信号完全对齐，将用户传输的编码光信号还原为原始光信号，实现时/码分集解码。
37.相对延时必须大于大气信道的相干时间，并保证不同支路之间的多址干扰最小。
38.时间分集光解码器之间的相对时延，与发送端的相对时延为互补关系。
39.所述光接收机用于将解码光信号通过光电检测、放大、滤波和抽样判决后，恢复成原始信号。
40.在本发明中，在发送端，合法用户1先将数据通过发射机转换为光信号，然后进行
时/码分集光编码。以二分集为例，光信号经耦合器分为相同的两部分，并分别进行不同的光编码，同时给予其中一路延时，相对时延必须满足两个条件：(1)大于fso信道的相干时间；(2)保证码字之间的互相关值最小，以降低多址干扰。然后将编码后的数据进行耦合并，实现时/码分集光编码。然后，分为相同的两部分通过两个准直发射透镜发射到大气中。当准直透镜对之间有足够的距离或延时大于大气湍流相干时间，大气湍流对信号的影响不相关，因此可以增加系统的可靠性。在接收端，对应的两个准直接收透镜接收光信号后经耦合器进行合路，实现空间分集fso-cdma。然后，进行时/码分集光解码。经光分路器分为相同的两部分，分别进行各自的匹配解码，同时给予对应支路互补延时。最后，将解码后的信号进行耦合发送到合法用户2。同时，假定在合法用户之间存在一个窃听用户,窃听用户在靠近接收端的地方窃取一定比例的信号，但由于窃听用户不知道合法用户的具体码字，因此只能采用非匹配解码。由于在发送端采用了时/码分集光编码，窃听用户获取的信息是两个不同编码信号耦合之后的结果，窃听者破解的难度增大，进而提升了系统的物理层安全性。同时，对于合法用户，由于同时采用时/码分集和空间分集技术，进一步提高了系统的可靠性。因此，本专利提出的基于光编码的空间-时间混合分集 fso系统方案，能同时提高现有的fso通信系统的可靠性与安全性。
41.如图2所示，在发送端，n个用户数据在各自调制后，先经不同组的m 个ocdma编码和(m-1)个不同的相对延时，实现时/码分集光编码。然后，各自通过l个准直发射透镜实现空间分集，发送到大气链路中，实现光码空间分集fso-cdma。在接收端，用户先通过l个准直接收透镜进行对应的光码空间分集接收，然后通过对应的时/码分集光解和互补延时，实现空间
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时间混合分集接收。最后，将对齐后的信号进行耦合至光接收机判决，还原为用户数据。
42.用户数据经过光调制器后，转换为光信号再进行时/码分集光编码，在不知道合法用户地址码的情况下，窃听用户使用非匹配解码无法还原用户数据。同时，由于在发送端使用了时/码分集，不同光编码信号耦合后，增加了对窃听用户的干扰，使得信息更难破解。当多用户存在时，影响会更为显著。各用户耦合之后的光信号，经准直发射透镜组实现光码空间分集发射到大气中，为保证接收信号的质量，各准直透镜对之间应有足够的距离，且根据天气状况和场地大小可以灵活的调节准直透镜对的数量。
43.在混合分集系统中，每个用户采用m个不同的光编码和m-1个延时(即时间分集数为m)，同时采用l个准直透镜发射(即空间分集数为l)。时间分集数和空间分集数均可以通过需要来灵活调整，如当系统对安全性的要求较高时，可以增加时间分集数。虽然时间分集数的增加会产生多址干扰，影响合法用户的可靠性，但对比单一的时间分集，混合分集系统增加的空间分集使得系统的可靠性得到了提升；而当系统对可靠性要求较高时，则可以增加空间分集的数量。对比单一的空间分集，适当的时间分集不仅可以提升系统的安全性，同时也可以提升可靠性。当系统资源受限时，对比单一的时间分集或空间分集，混合分集系统更加灵活，可以应对各种需要，在相同的分集数时，混合分集能提供更好的性能。
44.时/码分集光编码的延时说明如下：大气湍流的相干时间间隔为 0.1ms-10ms。因此，为保证两路信号完全不相关，各路相对延时应该大于相干时间，此时两路信号所经历的大气湍流完全不相关。而各路编码信号之间的互相关干扰则取决于两个光地址码的相对延时。下面用(40,3,1,1) 的光正交码来说明，时间分集两支路的码字分别为(1,5,13)(1,8,
21)，两个码字的互相关图如图6所示。可以看出，不同切普宽度的时延会导致不同的互相关，如延时3时，互相关为1，延时为4时，互相关为0。因此，当时/码分集数增加时，由于编码器的增多，不可避免的会产生多址干扰，从而降低系统的可靠性，因此，时/码分集系统并不是分集数越高越好。为了进一步提高fso-cdma通信系统的可靠性，采用本专利提出的空间-时间混合分集的方式是十分有必要的。
45.如图3所示，在发送端时，光信号经由光分路器分为两路，并给予两路不同的光编码，同时给予两路不同的延时。最后经由耦合器输出耦合后的时/码分集信号。如图4所示，在接收端，接收到的时/码分集编码信号经由光分路器分为两部分分别进行各自的匹配解码，同时给予其中一路互补延时，最后由耦合器输出耦合后的光信号。相对时延必须满足两个条件： (1)大于fso信道的相干时间；(2)保证码字之间的互相关值最小，以降低多址干扰。
46.图5为二分集的时/码分集光编码模块结构图。发射端调制后的光信号经耦合器分成两路之后，其中一路信号经过通过耦合器将信号一分为三，分别经过不同的延时后再耦合形成一路光编码信号；另外一路则是先通过τ1＝10ms和τ2＝0.025ns的延时后在进行不同的光编码。最后，将两路编码后的信号合并完成时/码分集光编码。需要说明的是，不同用户的光编码必须采用不同的地址码，以降低多址干扰的影响。
47.在本发明中，由于在发送端采用了时/码分集光编码，对于窃听用户而言，接收到的信号是两个不同编码信号耦合之后的结果，从而提高了fso 通信系统的安全性。同时对于合法用户，同时采用空间分集和时/码分集光编码的方法进行传输，增加了合法用户的可靠性。因此，通过基于光编码的空间-时间分集的混合分集fso通信系统，能同时提升系统的可靠性和安全性。本发明特别适合对通信可靠性和安全性均有要求但不方便架设光纤的地区，如城市大厦之间的互联、跨山谷通信、灾后通信建立、海岛之间的通信连接等，具有急迫的市场需求和广阔应用前景。
48.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。