一种光电混合网络中多址接入方法及系统与流程

本发明涉及无线光通信和射频通信混合网络技术领域，尤其涉及一种光电混合网络中多址接入方法及系统，是一种针对无线光通信大气湍流信道中多用户非正交多址接入的技术方案。

背景技术：

随着日益增长的通信质量，通信带宽的需求，无线光通信系统作为一种优异的通信技术，是目前高速通信的研究热点之一。相比于传统的射频通信技术，无线光通信具有高带宽，尺寸小，抗电磁干扰以及保密性好等优点。然而，无线光通信系统面临一些现实难点，主要包括由于光通信非广播信道引起的捕获、瞄准、跟踪的困难；大气湍流效应的影响以及发射功率和传输距离有限。因此，一种新的通信系统，无线光通信射频混合通信系统被提出，而且受到了比较多的关注。

现有的无线光通信射频混合系统大多指的是在不同路径采用不同的通信技术手段，具体而言，在接入网利用射频通信，在接入网和骨干网络中采用无线光通信技术。例如，在两跳的无线光通信射频混合系统中，第一跳为发射端到中继，采用射频链路，第二跳为中继到中心节点，采用无线光通信链路。采用这种系统的主要目的和优势有：1)无线光通信能够提供更高的通信速率，因此单链路的无线光通信系统能够提供多条射频链路的接入；2)相比于两跳链路都采用射频通信的系统，本系统能够提供更高的容量；3)与传统的射频通信网络比较，由于两条链路分别采用射频通信和无线通信，因此不会带来额外的干扰；4)采用了两跳系统，极大的扩大了通信网络的覆盖区域。

目前针对射频无线光通信混合系统，研究者主要针对单用户接入的方式进行分析。虽然，有极少数的研究者在射频无线混合网络中考虑了多用户的接入，但是一般认为混合网络中无线光通信链路为点对点接入，没有考虑其多址接入问题。而现有研究已经表明，射频通信系统中非正交多址接入能够提供更高的容量，能够满足大规模的接入。但是，针对光电混合网络，如何实现有效多址接入，提升网络性能尚缺乏理想的技术方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种射频通信和无线光通信混合网络(光电混合网络)中多址接入的技术方案，针对光电混合网络专供多址接入问题，在射频链路采用非正交多址接入方式，在无线光通信链路也采用非正交多址接入方式。相比于传统的射频无线光混合网络，本发明针对的场景更为普适，不仅包括射频端多址接入的问题，而且也包括无线光通信链路多址接入问题。进一步的，本发明提供的非正交多址接入在无线光通信系统中具有技术优势，能够提供更好的系统性能。

本发明的原理是：现有的射频无线光混合网络中射频链路多址接入采用的是正交多址接入，从而限制了系统的性能和大规模接入。基于此，在本发明中，混合网络的射频链路多址接入采用非正交多址接入。本发明针对的系统是多用户通信系统，考虑k个用户的系统。k个用户分布在不同的小区中，每个小区中的用户采用同一个中继。首先，中继将各自小区内的信息接收，然后通过大气信道传输至中心节点。在传输过程中，用户到中继采用射频通信链路，而中继到中心节点之间采用无线光通信链路。由于无线光通信链路能够提供更好的通信速率，因此可以作为中继到中心节点的解决方案。在每个小区中，用户通过非正交多址接入中继，同时不同的中继采用光非正交多址接入方案接入中心节点。

本发明提供的技术方案是：

一种光电混合通信网络中多址接入方法，考虑多用户系统(即多个用户接入同一个中心节点的系统)，用户将各自的通信信号传输至同一个中心节点；从用户到中继采用射频通信技术，从中继到中心节点采用无线光通信技术。具体的技术方案为：

a.用户安装有射频天线，用于射频信号的发射。

用户可以为移动的或者固定的终端，例如手机等。

b.多个用户分布在不同的小区；每个小区内的用户接入同一个中继，采用第一跳链路(射频链路)非正交多址接入方案，即用户的信息占用同一个时间-频率资源。

在同一个小区中，用户的发射功率要根据具体的信道信息进行调整，实现功率控制。

不失一般性，本发明考虑固定功率分配方案，第i个用户的发射功率为

其中，表示第i个用户的发射功率，表示第一个用户在中继需求的接收功率，irf表示第i个用户到中继的链路衰减，υ表示功率衰减步进，单位是db。

c.中继分别安装有射频接收天线，信号处理模块以及光发射天线。射频天线用来接收本小区所有用户发射的信息。信号处理模块用于信号的解码，功率控制以及光调制模块。光发射天线将调制后的光波发送入大气信道。中继已知第一跳链路(即射频链路)的信道信息。

中继接收到同一个小区中所有用户发射的信息之后，采用串行干扰消除方案。

串行干扰消除方案具体为：首先将用户根据信号功率大小的顺序进行排序。对接收功率最强的用户进行解码，解码时将别的用户的信息当成干扰。根据判决得到的结果减去功率最强的用户带来的多址干扰，再依次逐个对用户进行判决。每判决出一个用户就同时减去该用户的信息带来的多址干扰。这样一直进行循环操作，直到所有的用户判决完成。

d.同一个小区内用户的信息在中继串行干扰消除之后进行解码；之后，通过强度调制或者相位调制加载到无线光通信链路的光载波上传输到中心节点。同一个小区内的用户的信息在无线光通信链路(第二跳链路)采用时分多址方案，即不同用户的信息在不同的时隙内。

e.不同中继到中心节点的传输方式采用功率域的非正交多址方案。也就是说不同小区的用户之间采用非正交多址方案。特别的，本发明中非正交多址方案是指功率域的非正交多址。

每个中继已知第二跳(即无线光链路)的信道信息。每个中继发射的功率根据具体的信道信息进行功率控制。功率具体控制为：

其中，pi表示第i个中继的发射功率，paim表示第一个用户在中心节点接收端需求的发射功率，li表示第i个中继到中心节点的链路衰减，ζ表示功率衰减步进，单位是db。根据不同的需求可以对ζ进行设定，一般可以设定为2-5db的数值。

f.中心节点包括光接收天线和信号处理模块。并且，中心节点处已知第二跳链路(即无线光通信链路)信道信息。

光接收天线将所有中继发射的光信号进行接收，耦合入光纤中。

g.中心节点根据中继的调制方式采用不同的解调方案。如果中继采用的是强度调制，则中心节点将光信号直接用光电探测器探测转化到电域。如果中继采用的是相位调制，则中心节点采用相干解调方案进行解调，首先将接收到的光和本地(中心节点)的激光进行干涉，之后通过平衡探测器探测将光域信号转换为电域的信号。

中心节点的信号处理模块主要完成信号的判决。判决时，采用串行干扰消除方案，可以得到最终需要的信号。

本技术方案中，物理节点(包括用户，中继，以及中心节点)需要信道信息，即用户已知第一跳链路信道信息，中继已知第一跳链路和第二跳链路的信道信息，中心节点已知第二跳链路信道信息。在实际系统中，信道信息可以通过导频序列获得。但是信道信息的获取并不局限于采用导频序列方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明涉及一种无线光通信和射频通信混合网络中光非正交多址接入系统，属于无线光通信领域。本发明针对的系统是多用户通信系统。多个用户分布在不同的小区，每个小区中的用户采用同一个中继。用户通过射频通信链路将信息发送至小区中继。其中，同一个小区内的多用户接入相同的中继采用非正交多址接入。中继在接收到小区内用户发送的信息之后，通过串行干扰消除解码并通过点对点无线光通信链路传输至中心节点。同一个小区内的不同用户的信息通过不同的时隙，经无线光通信链路传输。不同中继采用光非正交多址接入中心节点。该系统能够充分利用无线光通信高容量的优点，而且采用无线光通信作为中继和中心节点的接入链路，能够减小信号之间的干扰。在无线光通信链路采用光非正交多址接入，能够进一步提高链路的容量，同时，对于湍流较强的信道，较传统技术方案优势更明显。

与单中继系统相比较，本发明中多中继的采用能够提高系统的通信性能。同时针对多中继系统带来的多址接入问题，本发明提出了光域的非正交多址方案，能够有效的实现中继的多址接入，而且性能优于正交多址接入。考虑到无线光通信链路能够提供更高的通信速率，具体实施时，本发明在第二跳(中继到中心节点)采用无线光通信技术，不仅提高了系统的通信速率，而且降低了系统的干扰，能够有效的改善用户体验。

附图说明

图1为本发明提供的混合网络中光非正交多址接入系统的结构和信息传输示意图。

图2为本发明提供的混合网络中光非正交多址接入方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种无线光通信和射频通信混合网络(光电混合网络)中非正交多址接入系统和方法。光电混合网络系统中，从用户到中继采用射频通信方案，从中继到中心节点采用无线光通信方案。为了使本发明的目的、技术方案以及优点清楚，具体的技术方案为：

考虑多用户系统，用户将各自的信号传输至同一个中心节点。用户可以为移动的或者固定的终端，例如手机等。用户安装有射频天线，用于射频信号的发射。

多个用户分布在不同的小区，每个小区内的用户接入同一个中继，采用的是射频链路。

在同一个小区中，用户接入同一个中继，采用的是非正交多址接入方案。

在同一个小区中，用户的发射功率要根据具体的信道信息进行调整，实现功率控制。

中继分别安装有射频接收天线，信号处理模块以及光发射天线。射频天线用来接收本小区所有用户发射的信息。信号处理模块用于信号的解码，功率控制以及光调制模块。光发射天线将调制后的光波发送入大气信道。中继已知第一跳链路(即射频链路)的信道信息。

中继接收到同一个小区中所有用户发射的信息之后采用串行干扰消除。

串行干扰消除方案具体为：首先将用户根据信号功率大小的顺序进行排序。对接收功率最强的用户进行解码，解码时将别的用户的信息当成干扰。根据判决得到的结果减去功率最强的用户带来的多址干扰，再依次逐个对用户进行判决。每判决出一个用户就同时减去该用户的信息带来的多址干扰。这样一直进行循环操作，直到所有的用户判决完成。

同一个小区内用户的信息在中继进行解码之后，通过强度调制或者相位调制加载到光载波上进行传输。同一个小区内的用户的信息在无线光通信链路采用时分多址方案，即不同用户的信息在不同的时隙内。

不同中继到中心节点的多址方式采用功率域的非正交多址方案。也就是说不同小区的用户之间采用非正交多址方案。特别的，本发明中非正交多址方案是指功率域的非正交多址。

每个中继已知第二跳(即无线光链路)的信道信息。每个中继发射的功率根据具体的信道信息进行功率控制。功率具体控制为

其中pi表示第i个中继的发射功率，paim表示第一个用户在接收端需求的发射功率，li表示第i个中继到中心节点的链路衰减，ζ表示功率衰减步进，单位是db。根据不同的需求可以对ζ进行设定，一般可以设定为2-5db的数值。

在中心节点，包括光接收天线和信号处理模块。并且，中心节点处已知第二跳链路(即无线光通信链路)信道信息。

光接收天线将所有中继发射的光信号进行接收，耦合入光纤中。

根据中继的调制方式采用不同的解调方案。如果中继采用的是强度调制，则将光信号直接用光电探测器探测转化到电域。如果中继采用的是相位调制，则需要用相干解调方案进行解调，首先将接收到的光和本地的激光进行干涉，之后通过平衡探测器探测将光域信号转换为电域的信号。

中心节点的信号处理模块主要完成信号的判决。判决时，采用串行干扰消除方案，可以得到最终的结果。

本技术方案中，物理节点(包括用户，中继，以及中心节点)需要信道信息，即用户已知第一跳链路信道信息，中继已知第一跳链路和第二跳链路的信道信息，中心节点已知第二跳链路信道信息。在实际系统中，信道信息可以通过导频序列获得。但是信道信息的获取并不局限于采用导频序列方法。

如图1所示，该系统为多用户通信系统，多个用户分布在不同的小区，每个小区中的用户采用同一个中继。用户通过射频通信链路将信息发送至小区中继。其中，同一个小区内的多用户接入相同的中继采用非正交多址接入。中继在接收到小区内用户发送的信息之后，通过串行干扰消除解码并通过点对点无线光通信链路传输至中心节点。同一个小区内的不同用户的信息通过不同的时隙，经无线光通信链路传输。不同中继采用光非正交多址接入中心节点。该系统能够充分利用无线光通信高容量的优点，而且采用无线光通信作为中继和中心节点的接入链路，能够减小信号之间的干扰。在无线光通信链路采用光非正交多址接入，能够进一步提高链路的容量，同时，对于湍流较强的信道的技术优势较传统方案更明显。

以下实施例提供的无线光通信和射频通信混合网络采用从多用户到中心节点的双跳系统。针对此系统，从用户到中继采用射频链路，中继到中心节点采用无线光通信链路。由于无线光通信链路能够提高更高的速率，因此，单链路的无线光通信可以提供多条射频链路接入。因此，将多用户划分为多个小区，每个小区有有一个中继。每个小区中的用户通过射频链路将信号传输至同一个中继，中继通过无线光通信链路将本小区多个用户的信息传输至中心节点。其中，每个小区内的用户采用射频非正交多址接入。多个中继采用光非正交多址接入技术。

如附图1所示，系统为多用户系统，包括用户，中继和中心节点三个部分。系统将用户划分成若干个小区，每个小区内有一个中继提供接入。用户可以是移动的或者固定的终端设备，安装有射频天线，目的是将信号传输至中继。用户在各自小区内采用的是非正交多址接入，即在同一个时频域通过功率的大小对用户进行区分。同时，每个用户根据信道特征提供相应的功率控制。用户在不同小区采用的是不同的频带，即在从用户到中继的链路小区间采用的是不同的载波频率。

图2所示为本发明提供的混合网络中光非正交多址接入方法的具体步骤。中继接收本小区内所有用户的信息之后，利用串行干扰消除进行解码，即从功率最大的开始串行解码并消除其自身的多址干扰。中继在将本小区内所有用户的信息解码之后，通过强度调制器或者相位调制器将信号调制在光波上，通过安装在中继的光学发射天线发射至大气信道。

中继在无线光通信链路中，多用户采用时分多址。由于无线光通信链路能够提供更高的通信速率，因此将本小区的不同用户的信息分别分配在不同的时隙进行传输。不同小区的中继采用光非正交多址接入中心节点。

中继根据信道特性对发射光功率进行控制，具体表示为公式1。

中心节点通过宽发散角的天线将来自不同中继的光接收并耦合至光纤中。

对应于中继采用的调制方式，中心节点采用相应的接收方式对接收到的信号进行处理。对于采用强度调制的情况，在中心节点采用光电探测器直接探测，把光信号转变为电信号。对于采用相位调制器的情况，在中心节点采用相干解调，首先将接收到的光信号和本地的激光器进行干涉，之后通过平衡探测器将光域信号转换为电域信号。

中心节点采用串行干扰消除方法在电域对接收到的信号进行处理，得到最终的接收信号。

利用本发明提出的通信系统，对于射频链路，在相同小区内的用户采用的是非正交多址接入，不同小区内的用户采用的是频分多址。对于无线光通信链路，采用的光非正交多址接入。同时，本发明提出的通信系统能够利用射频通信和无线光通信二者的优点，和传统的两跳通信系统相比较，能够有效的提高系统的性能。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。