專利名稱：一種基于后向散射估計的fso動態組網方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，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 (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。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，隨著氣象預測系統及通信技術的快速發展，FSO系統逐漸商用化，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系統在組網時非常靈活，該系統能 夠支持 E1/T1、E3/DS3、0C-3/STM-1、ATM、FDDI、Fast Ethernet 等多種協議。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。空間光通信系統通過對目標的捕獲、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子系統中的主要作用是完成系統光端機間方位誤差信號的提取，經過處理驅 動控制系統實現初對準。信標光發射機發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，FSO網絡組網時，沒有類似于集中式的網管 節點存在，每個節點既是服務接受者同時又是服務提供者，通過相互之間分發定位消息分 組實現自適應方位校準功能，減少對于全球定位系統(Global Positioning System，簡稱 GPS)定位的需求，避免由于衛星等外空間定位設施失效而引發整個系統癱瘓。所選擇路由 的優劣將直接決定FSO網絡的性能優劣，在網絡層需要考慮基于能耗的路由方式，避開瓶 頸節點，盡可能使網絡中所有的節點的能量趨于平均化。考慮到前述情況，存在克服相關技 術中不足的需要。
發明內容
本發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動態組網方 法，通過對于后向散射交疊區域的位置和范圍估計，在發送端進行補償，通過信標方式完成 消息傳遞，在接收端實現與發送端相對應的信號恢復。同時，通過系統高層協議保障系統運 行的流順序以及可靠性傳輸。本發明通過信標光傳遞信息及測量參數，完成大氣信道的動態監控，根據對FOV 區域的測量及估計，實時調整脈沖的發射強度及脈沖寬度，同時利用自適應編碼技術提高 信道的利用效率。本發明在實現過程中，具體包括FSO動態組網系統的設備結構。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、支持動態組網的混合設備連接、支持共享波長變換的動態組網內部節點 結構等結構單元。FSO系統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區域 進行評估和測算。系統采用自適應功率控制方法調節發送信號強度及相應的協調機制，通過反饋信 號確定傳輸信號是否偏離波束傳輸方向。在高層通過路由協議完成網絡中的負載分攤，通 過調整發射功率實現網絡拓撲結構的重構，克服由于單個發送節點或者某個核心節點造成 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層間的優化，解決FSO系統 的動態組網所面臨的問題.此外，在FSO系統進行動態組網時，能夠自動進行路由重選及優化，通過信道估 算，綜合考慮大氣環境，對雨雪霧等多種因素進行統一處理。當環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化路由。通過構建智能化計算單元，無 需GPS的輔助實現快速初始鏈路連接。據節點最大提供能量，源/宿節點間的轉發路徑，報 文轉發量，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，則采用高層協議進行控制，完成波束偏轉，重選路由。同時，由于本發明采用的為自適 應實現方案，具有很好的擴展性，在后續技術升級時具有較為明顯的優勢。本發明的其它特征和優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，或者通過實施本發明而了解，本發明的目的和其它優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和獲得。
結合描述了本發明的各種實施例的附圖，根據以下對本發明的各發明的詳細描 述，將更易于理解本發明的這些和其它特征，其中圖1示意性示出了具有動態組網功能的FSO系統結構；圖2示意性示出后向散射干擾場距范圍的確定機制；
圖3描述了支持動態組網的混合設備連接方法；圖4示意性示出了動態組網節點內部結構；圖5示意性示出了支持共享波長變換的動態組網節點內部結構；圖6描述了動態組網時的節點內部處理流程；圖7給出了 FSO多層協調節點邏輯功能結構；
具體實施例方式下面將結合附圖對本發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系統功能圖。整個FSO系統由幾個基 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的傳輸容量； 102主要負責信號的放大，補償系統的損耗；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為收發信機，負責光信號發送和來自大 氣中的光信號接收，光發射機包括了信號調制器、色散調節模塊、光放大器。光發射機主要 用于信號脈沖在FSO信道上的發送，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信機的旋轉，主要目的在于能夠根據信號的質量動態 選擇具體是避開高散射區還是重選路由進行連接；109通常可以具體細分為波前傳感器、 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校正的光束送 入系統接收機，進行光電轉換，從而獲得原信號。110為FSO系統的數據下路器件，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 成發射的信號被錯誤的收發信機所接收，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 )。可以采用象函數P = ^^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，當發射端高 于接收端并且發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動態組網方法，其特征在于包括以下內容FSO動態組網系統的設備結構；FSO系統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發送信號強度及相應的協調機制；FSO系統動態組網時的路由優化及重選；FSO多層協調節點邏輯功能；
2.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態組網方法，其特征在于所述 FSO動態組網系統的設備結構，具體包括粗對準、精對準系統單元； 波前控制器件及重構、測量單元； 支持動態組網的混合設備連接； 支持共享波長變換的動態組網內部節點結構；
3.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態組網方法，其特征在于所述 FSO系統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，當發射端高于接 收端并且發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，FOV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動態組網方法，其特征在于所述自 適應功率控制方法調節發送信號強度及相應的協調機制，具體包括確定是否偏離波束傳輸方向的方法；通過路由協議完成網絡中的負載分攤，通過調整發射功率實現網絡拓撲結構的重構， 克服由于單個發送節點或者某個核心節點造成的瓶頸；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層間的優化，解決FSO系統 的動態組網所面臨的問題；
5.根據權利要求1所述的基于后向散射估計的FSO動態組網方法，其特征在于所述 FSO系統動態組網時的路由優化及重選，具體包括通過信道估算，綜合考慮大氣環境，對雨雪霧等多種因素進行統一處理； 當環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化 路由；構建智能化計算單元，可無需GPS的輔助實現快速初始鏈路連接；據節點最大提供能量，源/宿節點間的轉發路徑，報文轉發量，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動態組網方法，其特征在于所述 FSO多層協調節點邏輯功能，具體包括 動態組網時的節點內部處理流程； FSO大氣信道預測反饋處理機制； 高層協議完成數據的流控制、糾錯處理、編解碼等操作。
全文摘要
本發明涉及通信領域，本發明實施例公開了一種基于后向散射估計的FSO動態組網方法。本發明實施例方法包括FSO動態組網系統的設備結構；FSO系統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發送信號強度及相應的協調機制；FSO系統動態組網時的路由優化及重選；FSO多層協調節點邏輯功能。同時，通過系統高層協議保障系統運行的流順序以及可靠性傳輸。系統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區域進行評估和測算。在高層通過路由協議完成網絡中的負載分攤，通過調整發射功率實現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報文發送方式，解決目前FSO系統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 優先權日2010年11月8日
發明者喻松, 王天一, 陳志曉, 顧畹儀, 駱驄 申請人:北京郵電大學