一种采用物理层网络编码的中继系统、方法及芯片与流程

本发明涉及激光通信领域，尤其涉及一种采用物理层网络编码的中继系统、方法及芯片。

背景技术：

当两个源节点即第一源节点和第二源节点之间需要互相通信但受到发射功率覆盖范围的限制时，往往需要通过中继节点来交换数据，相比于传统的中继传播方案系统，采用物理层网络编码的中继系统的数据吞吐量有明显的提高；且自由空间光通信是以激光作为载波，在真空或大气中传递信息的技术，它具有良好的保密安全性，不需要微波频段许可证，且信息容量大，数据速率高。

因此，如何将中继系统与激光进行结合来进行来实现第一源节点和第二源节点之间的互相通信是业内亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用物理层网络编码的中继系统、方法及芯片。

本发明的一种采用物理层网络编码的中继系统的技术方案如下：

一种采用物理层网络编码的中继系统，包括一个中继节点、第一源节点、第二源节点，所述中继节点包括映射模块，所述第一源节点和第二源节点分别包括一个异或模块；

将所述第一源节点所要发送的第一数据sa和所述第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，其中，a＝aacos(ω1t)，b＝abcos(ω1t)；

所述中继节点接收所述第一数据激光信号a和第二数据激光信号b生成总接收数据信号yr(t)：

yr(t)＝sa(t)+sb(t)＝(aa+ab)cos(ωt)，其中，aa∈{0,1},ab∈{0,1}；

将所述总接收数据信号yr(t)进行解调后得到yr＝aa+ab，所述映射模块通过物理层网络编码将yr＝aa+ab映射为映射数据ar：

再将映射数据ar在第二激光上进行ook调制，生成总发送数据激光信号sr：

sr＝arcos(ω2t)，

并将其分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点；

所述第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar，相应的异或模块再分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，分别得到所述第二数据sb和所述第一数据sa；

其中，ω1表示所述第一激光的频率，ω2表示所述第二激光的频率，t表示时间。

本发明的一种采用物理层网络编码的中继系统的有益效果如下：

将第一源节点所要发送的第一数据sa和第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号和第二数据激光信号，并经中继节点接收后生成总接收数据信号yr(t)，并对总接收数据信号yr(t)解调以及通过物理层网络编码将映射为映射数据ar，进而将映射数据ar分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点，再由第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调，并分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，使第一源节点得到第二源节点发送的第二数据sb，使第二源节点得到第一源节点发送的第一数据sa，即基于第一激光和第二激光实现了第一源节点与第二源节点之间的互相通信，极大提高了通信效率，且第一源节点和第二源节点通过对映射数据ar进行异或操作，就可得到第二数据sb和第一数据sa，更为简单。

在上述方案的基础上，本发明的一种采用物理层网络编码的中继系统还可以做如下改进。

进一步，所述中继节点还包括第一光学天线、第二光学天线和用于发射所述第一激光的第一激光器；

所述第一源节点还包括第一猫眼光学系统、第一分色镜、第一数据源、第一调制器、第一光敏面；

所述第二源节点还包括第二猫眼光学系统、第二分色镜、第二数据源、第二调制器、第二光敏面；

所述第一激光依次通过所述第一光学天线、所述第一猫眼光学系统、所述第一分光镜后至所述第一调制器，所述第一调制器将所述第一数据源所发送的所述第一数据sa在所述第一激光上进行ook调制生成所述第一数据激光信号a，所述第一数据激光信号a经所述第一光敏面反射后再依次通过所述第一分光镜、所述第一猫眼光学系统返回至所述第一光学天线；

所述第一激光还依次通过所述第二光学天线、所述第二猫眼光学系统、所述第二分光镜后至所述第二调制器，所述第二调制器将所述第二数据源所发送的所述第二数据sb在所述第一激光上进行ook调制生成第二数据激光信号b，所述第二数据激光信号b经所述第二光敏面反射后依次再通过所述第二分光镜、所述第二猫眼光学系统返回至所述第二光学天线。

采用上述进一步方案的有益效果是：在自由空间光通信时，为使两个终端进行对准，需要安装较为复杂的瞄准捕获跟踪系统(pointingacquisitiontracking，pat)，使得一端的体积、质量和功耗大大增加，这限制了其在小型设备上的应用，而本申请中，在第一源节点设置第二调制器和第二光敏面，第二调制器和第二光敏面即为调制反射器，将第一数据sa在所述第一激光上进行ook调制生成所述第一数据激光信号a，并使第一数据激光信号a原路返回至第一光学天线，将第二数据sb在所述第一激光上进行ook调制生成第二数据激光信号b，并使第二数据激光信号b原路返回至第二光学天线，避免使用pat系统，降低重量、体积和功耗使本申请中的一种采用物理层网络编码的中继系统在小型卫星、无人机等小型设备组网上的应用具有重要的意义。

进一步，所述中继节点还包括合束器、第一环形器、第二环形器和第三解调器；

所述第一数据激光信号a和所述第二数据激光信号b分别通过所述第一环形器和所述第二环形器至所述合束器，并经所述合束器合并后生成总接收数据信号yr(t)，所述第三解调器将所述总接收数据信号yr(t)进行解调后得到yr＝aa+ab。

采用上述进一步方案的有益效果是：说明了生成总接收数据信号yr(t)的过程。

进一步，所述中继节点还包括第三调制器和用于发射所述第二激光的第二激光器，所述第三调制器将将所述映射数据ar在第二激光上进行ook调制，生成所述总发送数据激光信号sr。

采用上述进一步方案的有益效果是：说明了生成所述总发送数据激光信号sr的过程。

进一步，所述第一源节点还包括第一解调器，所述第二源节点还包括第二解调器，所述总发送数据激光信号sr依次通过所述第一环形器、所述第一光学天线、所述第一猫眼光学系统，并经所述第一分色镜反射至所述第一解调器，所述第一解调器对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar；

所述总发送数据激光信号sr还依次通过所述第二环形器、所述第二光学天线、所述第二猫眼光学系统，并经所述第二分色镜反射至所述第二解调器，所述第二解调器对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar。

采用上述进一步方案的有益效果是：说明了第一源节点和第二源节点得到映射数据ar的过程。

进一步，还包括：所述第一激光的波长为1550nm，所述第二激光的波长为1450nm。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用不同波长的第一激光和第二激光，便于分光镜对第一激光和第二激光进行分束。

进一步，还包括：所述第一光敏面位于所述第一猫眼光学系统的焦平面处，所述第二光敏面位于所述第二猫眼光学系统的焦平面处。

采用上述进一步方案的有益效果是：将第一光敏面置于所述第一猫眼光学系统的焦平面处，所述第二光敏面置于所述第二猫眼光学系统的焦平面处，便于第一猫眼光学系统和第二猫眼光学系统将第一激光分别在第一光敏面和第二光敏面聚焦后反射。

本发明的一种采用物理层网络编码的中继方法的技术方案如下：

包括如下步骤：

s1、将所述第一源节点所要发送的第一数据sa和所述第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，其中，a＝aacos(ω1t)，b＝abcos(ω1t)；

s2、利用所述中继节点接收所述第一数据激光信号a和第二数据激光信号b生成总接收数据信号yr(t)：

yr(t)＝sa(t)+sb(t)＝(aa+ab)cos(ωt)，其中，aa∈{0,1},ab∈{0,1}；

s3、将所述总接收数据信号yr(t)进行解调后得到yr＝aa+ab，并通过通过物理层网络编码将yr＝aa+ab映射为映射数据ar：

再将映射数据ar在第二激光上进行ook调制，生成总发送数据激光信号sr：

sr＝arcos(ω2t)，

并将其分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点；

s4、利用所述第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar，再分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，分别得到所述第二数据sb和所述第一数据sa；

其中，ω1表示所述第一激光的频率，ω2表示所述第二激光的频率，t表示时间。

本发明的一种采用物理层网络编码的中继方法的有益效果如下：

将第一源节点所要发送的第一数据sa和第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，并经中继节点接收后生成总接收数据信号yr(t)，并对总接收数据信号yr(t)解调以及通过物理层网络编码将映射为映射数据ar，进而将映射数据ar分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点，再由第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调，并分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，使第一源节点得到第二源节点发送的第二数据sb，使第二源节点得到第一源节点发送的第一数据sa，即基于第一激光和第二激光实现了第一源节点与第二源节点之间的互相通信，极大提高了通信效率，且第一源节点和第二源节点通过对映射数据ar进行异或操作，就可得到第二数据sb和第一数据sa，更为简单。

本发明的一种芯片的技术方案为：所述芯片用于执行上述的一种采用物理层网络编码的中继方法。

本发明的一种芯片的有益效果是：芯片将第一源节点所要发送的第一数据sa和第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，并经中继节点接收后生成总接收数据信号yr(t)，并对总接收数据信号yr(t)解调以及通过物理层网络编码将映射为映射数据ar，进而将映射数据ar分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点，再由第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调，并分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，使第一源节点得到第二源节点发送的第二数据sb，使第二源节点得到第一源节点发送的第一数据sa，即基于第一激光和第二激光实现了第一源节点与第二源节点之间的互相通信，极大提高了通信效率，且第一源节点和第二源节点通过对映射数据ar进行异或操作，就可得到第二数据sb和第一数据sa，更为简单。

附图说明

图1为本发明实施例的一种采用物理层网络编码的中继系统的结构及工作原理示意图；

图2为本发明实施例的一种采用物理层网络编码的中继方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例的一种采用物理层网络编码的中继系统，如图1所示，包括一个中继节点、第一源节点、第二源节点，

其中，中继节点包括映射模块、第一光学天线、第二光学天线、合束器、第一环形器、第二环形器、第三解调器、第三调制器、用于发射第一激光的第一激光器和用于发射所述第二激光的第二激光器，且第一激光的波长为1550nm，第一激光的频率为ω1，第二激光的波长为1450nm，第二激光的频率为ω2；

第一源节点包括异或模块、第一猫眼光学系统、第一分色镜、第一数据源、第一调制器、第一光敏面和第一解调器，第一光敏面位于第一猫眼光学系统的焦平面处；

第二源节点包括异或模块、第二猫眼光学系统、第二分色镜、第二数据源、第二调制器、第二光敏面和第二解调器，第二光敏面位于第二猫眼光学系统的焦平面处；

第一激光器同时发射第一激光，第一激光依次通过第一光学天线、第一猫眼光学系统、第一分光镜后至第一调制器，第一调制器将第一数据源所发送的第一数据sa在第一激光上进行ook调制生成第一数据激光信号a，a＝aacos(ω1t)，第一数据激光信号a经第一光敏面反射后再依次通过第一分光镜、第一猫眼光学系统返回至第一光学天线，其中t表示时间。

第一激光还依次通过第二光学天线、第二猫眼光学系统、第二分光镜后至第二调制器，第二调制器将第二数据源所发送的第二数据sb在第一激光上进行ook调制生成第二数据激光信号b，b＝abcos(ω1t)，第二数据激光信号b经第二光敏面反射后依次再通过第二分光镜、第二猫眼光学系统返回至第二光学天线；

第一数据激光信号a和第二数据激光信号b分别通过第一环形器和第二环形器至合束器，并经合束器合并后生成总接收数据信号yr(t)：

yr(t)＝sa(t)+sb(t)＝(aa+ab)cos(ωt)，其中，aa∈{0,1},ab∈{0,1}；

所述第三解调器将所述总接收数据信号yr(t)进行解调后得到yr＝aa+ab，所述映射模块通过物理层网络编码将yr＝aa+ab映射为映射数据ar：

所述第三调制器将将所述映射数据ar在第二激光上进行ook调制，生成所述总发送数据激光信号sr：

sr＝arcos(ω2t)；

所述总发送数据激光信号sr依次通过所述第一环形器、所述第一光学天线、所述第一猫眼光学系统，并经所述第一分色镜反射至所述第一解调器，所述第一解调器对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar；

所述总发送数据激光信号sr还依次通过所述第二环形器、所述第二光学天线、所述第二猫眼光学系统，并经所述第二分色镜反射至所述第二解调器，所述第二解调器对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar；

第一源节点和第二源节点中的异或模块再分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，使第一源节点得到第二源节点发送的第二数据sb，使第二源节点得到第一源节点发送的第一数据sa，具体如下表1所示，可以看出：

1)当第一数据sa为0、第二数据sb为1时，映射数据ar为1，相应的，aa为0，ab为1，aa+ab＝0，第一节点的异或模块根据第一数据sa对映射数据ar进行异或操作后得到第二数据sb即1，第二节点的异或模块根据第二数据sb对映射数据ar进行异或操作后得到第一数据sa即0；

2)当第一数据sa为1、第二数据sb为1时，映射数据ar为0，相应的，aa为1，ab为1，aa+ab＝2，第一节点的异或模块根据第一数据sa对映射数据ar进行异或操作后得到第二数据sb即1，第二节点的异或模块根据第二数据sb对映射数据ar进行异或操作后得到第一数据sa即1；其它情况依次类推，在此不做赘述。

表1：

本申请的一种采用物理层网络编码的中继系统，基于第一激光和第二激光实现了第一源节点与第二源节点之间的互相通信，极大提高了通信效率，且第一源节点和第二源节点通过对映射数据ar进行异或操作，就可得到第二数据sb和第一数据sa，更为简单；且避免使用pat系统，降低重量、体积和功耗使本申请中的一种采用物理层网络编码的中继系统在小型卫星、无人机等小型设备组网上的应用具有重要的意义。

如图2所示，本发明实施例的一种采用物理层网络编码的中继方法，包括如下步骤：

s1、将所述第一源节点所要发送的第一数据sa和所述第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，其中，a＝aacos(ω1t)，b＝abcos(ω1t)；

s2、利用所述中继节点接收所述第一数据激光信号a和第二数据激光信号b生成总接收数据信号yr(t)：

yr(t)＝sa(t)+sb(t)＝(aa+ab)cos(ωt)，其中，aa∈{0,1},ab∈{0,1}；

s3、将所述总接收数据信号yr(t)进行解调后得到yr＝aa+ab，并通过通过物理层网络编码将yr＝aa+ab映射为映射数据ar：

再将映射数据ar在第二激光上进行ook调制，生成总发送数据激光信号sr：

sr＝arcos(ω2t)，

并将其分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点；

s4、利用所述第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调得到所述映射数据ar，再分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，分别得到所述第二数据sb和所述第一数据sa；

其中，ω1表示所述第一激光的频率，ω2表示所述第二激光的频率，t表示时间。

上述关于本发明的一种采用物理层网络编码的中继方法的各步骤，可参考上文中关于一种采用物理层网络编码的中继系统的实施例，在此不做赘述。

本申请的一种芯片，用于执行上述的一种采用物理层网络编码的中继方法。

芯片将第一源节点所要发送的第一数据sa和第二源节点所要发送的第二数据sb均在第一激光上进行ook调制分别生成第一数据激光信号a和第二数据激光信号b，并经中继节点接收后生成总接收数据信号yr(t)，并对总接收数据信号yr(t)解调以及通过物理层网络编码将映射为映射数据ar，进而将映射数据ar分别发送至所述第一源节点和所述第二源节点，再由第一源节点和所述第二源节点对所述总发送数据激光信号sr进行解调，并分别根据所述第一数据sa和所述第二数据sb对所述映射数据ar进行异或操作，使第一源节点得到第二源节点发送的第二数据sb，使第二源节点得到第一源节点发送的第一数据sa，即基于第一激光和第二激光实现了第一源节点与第二源节点之间的互相通信，极大提高了通信效率，且第一源节点和第二源节点通过对映射数据ar进行异或操作，就可得到第二数据sb和第一数据sa，更为简单。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。