基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法与流程

本发明涉及光载无线(radio-over-fiber,缩写为rof)通信系统和自由空间激光通信系统技术领域，具体是指基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法。

背景技术：

随着云时代的来临，大数据(bigdata)也吸引了越来越多的关注。“大数据”在互联网行业指的是这样一种现象：互联网公司在日常运营中生成、累积的用户网络行为数据。这些数据的规模是如此庞大，以至于不能用g或t来衡量。截止到2012年，数据量已经从tb(1024gb＝1tb)级别跃升到pb(1024tb＝1pb)、eb(1024pb＝1eb)乃至zb(1024eb＝1zb)级别。ibm的研究称，整个人类文明所获得的全部数据中，有90％是过去两年内产生的。而到了2020年，全世界所产生的数据规模将达到今天的44倍。因此，需要将“卫星云”与“地面云”结合起来，把卫星应用作为特色，提供“云上云服务”，为大数据时代的出现做好技术和平台上的准备。

目前卫星通信主要是微波通信，随着航天技术应用的逐步深入，微波通信中的频率资源已经显得越来越紧张，且经常性出现频率干扰问题，数据量越来越大，传统的微波通信已经不能满足未来航天通信的需求，因此急需开发新的通信手段来弥补未来通信的不足。卫星与卫星之间的无线激光通信是一项崭新的卫星通信体制，相对于现有的卫星通信技术而言，无线激光通信具有以下技术特点和优势：通信速率高(激光通信通信速率能达到10gbps或者更高)；体积小、重量轻、功耗低；不存在频率干扰问题(由于卫星与卫星之间采用点对点无线激光通信，因此基本上不存在干扰问题)；隐蔽通信和抗干扰能力更强(由于卫星激光通信具有极窄的束散角，不容易被侦察和被干扰)；作用距离更远，是未来深空高速数据传输的理想技术手段。由于激光通信应用于卫星和卫星之间通信时不受大气的影响，可以很好地发挥大容量长距离的优势。但是自由光链路不能通过云层传输，这样激光通信应用于星地通信时会导致网络传输效率大幅度降低。因此，激光通信无法满足未来星地通信的全球范围、全天候、全天时的快速响应和空间信息的时空连续通信支撑。而无线毫米波通信是一种全天候、高速、稳定的通信载体。通过采用空分、频分、极化和轨道角动量复用方式，能极大地提高传输速率。同时，采用高频毫米波传输将能大大提高传输容量。尤其是作为更高频毫米波的w波段(75-110ghz)，不仅可以支持更大的传输带宽和速率，还能够穿透云层实现全天候通信。因此为了实现“卫星云”与“地面云”的有效结合，需要研究星间自由空间激光通信和星地毫米波通信的融合技术。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供链路间切换自由、兼容无线毫米波通信和自由空间相干光激光通信和实现全天候通信的基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法，

a)在光子辅助毫米波链路下行方向：

一个单模激光器一提供的光载波经由一个光调制器一被下行数据调制后，与另一个单模激光器二提供的光载波经由一个光耦合器一耦合在一起；

耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经由一个单端光电二极管一外差拍频后生成携带下行数据的无线毫米波信号；

生成的携带下行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器一放大后，通过一个发送端天线一被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线一接收到的携带下行数据的无线毫米波信号被送入一个无线毫米波接收机一中进行处理，以恢复出原始的下行数据；

b)在光子辅助毫米波链路上行方向：

一个单模激光器三提供的光载波经由一个光调制器二被上行数据调制后，与另一个单模激光器四提供的光载波经由一个光耦合器二耦合在一起；

耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经由一个单端光电二极管二外差拍频后生成携带上行数据的无线毫米波信号；

生成的携带上行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器二放大后，通过一个发送端天线二被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线二接收到的携带上行数据的无线毫米波信号被送入一个无线毫米波接收机二中进行处理，以恢复出原始的上行数据；

c)在自由空间光链路下行方向：

一个单模激光器一提供的光载波经由一个光调制器一被下行数据调制后此部分与全双工无线毫米波链路的下行方向共用，再通过一个发送端光放大器一进行放大；

放大后的携带下行数据的光信号通过一个发送端天线三被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线三接收到的携带下行数据的光信号通过一个接收端光放大器一放大后，被送入一个外差式相干光接收机一中进行处理，以恢复出原始的下行数据，外差式相干光接收机一所使用的本振光源为全双工无线毫米波链路上行方向提供未调制光载波的单模激光器一；

d)在自由空间光链路上行方向：

一个单模激光器三提供的光载波经由一个光调制器二被上行数据调制后此部分与全双工无线毫米波链路的上行方向共用，再通过一个发送端光放大器二进行放大；

放大后的携带上行数据的光信号通过一个发送端天线四被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线四接收到的携带上行数据的光信号通过一个接收端光放大器二放大后，被送入一个外差式相干光接收机二中进行处理，以恢复出原始的上行数据，外差式相干光接收机二所使用的本振光源为全双工无线毫米波链路下行方向提供未调制光载波的单模激光器三；

e)在所述的混合光无线链路整体架构中：

在提供携带下行数据的光信号的单模激光器一和光调制器一后面有一个转换开关一，以实现光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光链路下行方向对此单模激光器一和光调制器一的共享；

在提供携带上行数据的光信号的单模激光器二和光调制器二后面有一个转换开关二，以实现光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路上行方向对此单模激光器二和光调制器二的共享；

在为光子辅助毫米波链路下行方向提供未调制光载波的单模激光器三后面有一个转换开关三，以实现光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光激光链路上行方向的外差式相干光接收机对此单模激光器三的共享；

在为光子辅助毫米波链路上行方向提供未调制光载波的单模激光器四后面有一个转换开关四，以实现全双工无线毫米波链路上行方向和全双工自由空间相干光激光链路下行方向的外差式相干光接收机二对此单模激光器四的共享。

本发明与现有技术相比的优点在于：相较于现有技术，本发明提出了一种基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法。该混合光无线链路架构可以在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换，兼容了无线毫米波通信和自由空间相干光激光通信的双重优势，可以实现全天候通信。并且，在该混合光无线链路架构中，全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路实现了激光器和光信号的共用，由此简化了混合光无线链路的整体架构。

作为改进，该架构中的全双工无线毫米波链路采用基于两个单模激光器一的外差拍频技术生成无线毫米波信号，这两个单模激光器一的频率间隔位于40ghz～110ghz这个频段中。

作为改进，下行数据可以采用光的ook，qpsk，8qam，16qam等调制格式，上行数据可以采用光的ook，qpsk，8qam，16qam等调制格式，并且，上行数据可以采用与下行数据相同或不同的光的调制格式。

作为改进，该架构中的光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光路下行方向共用提供携带下行数据的光信号的单模激光器一和光调制器一，该架构中的光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路下行方向共用提供未调制光载波的单模激光器一。

作为改进，该架构中的光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路上行方向共用提供携带上行数据的光信号的单模激光器二和光调制器二，该架构中的全双工无线毫米波链路下行方向和全双工自由空间相干光激光链路上行方向共用提供未调制光载波的单模激光器二。

作为改进，在提供携带上行和下行数据的光信号的单模激光器一和光调制器一后面以及提供未调制光载波的单模激光器一后面均有一个转换开关四，以实现光子辅助毫米波通信和自由空间光通信之间的自由切换。

本发明所述的基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法包括：

1)混合光无线链路架构中的全双工无线毫米波链路下行传输部分：

一个提供本振光载波的单模激光器一；

一个用于实现提供本振光载波的单模激光器一在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换的转换开关一；

一个提供信号光载波的单模激光器二；

一个光调制器一，用于将下行数据调制到信号光载波上，以生成携带下行数据的光信号；

一个用于实现提供光信号的单模激光器二和光调制器一在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换的转换开关一；

一个光耦合器一，用于实现本振光载波和已调制光载波的耦合，以生成携带下行数据的光毫米波信号；

一个单端光电二极管一，用于实现携带下行数据的光毫米波信号到无线毫米波信号的转变；

一个毫米波放大器一，用于放大携带下行数据的无线毫米波信号；

一个发送端天线一，用于发送携带下行数据的无线毫米波信号到自由空间中；

一个接收端天线一，用于从自由空间中接收携带下行数据的无线毫米波信号；

一个无线毫米波接收机一，用于处理接收到的携带下行数据的无线毫米波信号，以恢复出原始的下行数据；

2)混合光无线链路架构中的全双工无线毫米波链路上行传输部分：

一个提供本振光载波的单模激光器三；

一个用于实现提供本振光载波的单模激光器三在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换的转换开关二；

一个提供信号光载波的单模激光器四；

一个光调制器二，用于将上行数据调制到信号光载波上，以生成携带上行数据的光信号；

一个用于实现提供光信号的单模激光器三和光调制器二在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换的转换开关二；

一个光耦合器二，用于实现本振光载波和已调制光载波的耦合，以生成携带上行数据的光毫米波信号；

一个单端光电二极管二，用于实现携带上行数据的光毫米波信号到无线毫米波信号的转变；

一个毫米波放大器二，用于放大携带上行数据的无线毫米波信号；

一个发送端天线二，用于发送携带上行数据的无线毫米波信号到自由空间中；

一个接收端天线二，用于从自由空间中接收携带上行数据的无线毫米波信号；

一个无线毫米波接收机二，用于处理接收到的携带上行数据的无线毫米波信号，以恢复出原始的上行数据；

3)混合光无线链路架构中的全双工自由空间相干光激光链路下行传输部分：

一个提供信号光载波的单模激光器一(即全双工无线毫米波链路下行传输部分提供信号光载波的单模激光器二)；

一个光调制器一，用于将下行数据调制到信号光载波上，以生成携带下行数据的光信号(即全双工无线毫米波链路下行传输部分提供光信号的光调制器二)；

一个发送端光放大器一，用于放大携带下行数据的光信号；

一个发送端天线三，用于发送携带下行数据的光信号到自由空间中；

一个接收端天线三，用于从自由空间中接收携带下行数据的光信号；

一个接收端光放大器一，用于放大接收到的携带下行数据的光信号；

一个外差式相干光接收机一，用于处理接收到的携带下行数据的光信号，以恢复出原始的下行数据；

一个为外差式相干光接收机一提供本振光源的单模激光器一(即全双工无线毫米波链路上行传输部分提供本振光载波的单模激光器二)；

4)混合光无线链路架构中的全双工自由空间相干光激光链路上行传输部分：

一个提供信号光载波的单模激光器二(即全双工无线毫米波链路上行传输部分提供信号光载波的单模激光器二)；

一个光调制器二，用于将上行数据调制到信号光载波上，以生成携带上行行数据的光信号(即全双工无线毫米波链路上行传输部分提供光信号的光调制器二)；

一个发送端光放大器二，用于放大携带上行数据的光信号；

一个发送端天线四，用于发送携带上行数据的光信号到自由空间中；

一个接收端天线四，用于从自由空间中接收携带上行数据的光信号；

一个接收端光放大器二，用于放大接收到的携带上行数据的光信号；

一个外差式相干光接收机二，用于处理接收到的携带上行数据的光信号，以恢复出原始的下行数据；

一个为外差式相干光接收机二提供本振光源的单模激光器二(即全双工无线毫米波链路下行传输部分提供本振光载波的单模激光器二)。

附图说明

图1是本发明基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法的架构示意图。

如图所示：1、光调制器一，2、单模激光器一，3、转换开关一，4、单模激光器二，5、转换开关二，6、光耦合器一，7、单端光电二极管一，8、毫米波放大器一，9、发送端天线一，10、接收端天线一，11、无线毫米波接收机一，12、光调制器二，13、单模激光器三，14、转换开关三，15、单模激光器四，16、转换开关四，17、光耦合器二，18、单端光电二极管二，19、毫米波放大器二，20、发送端天线二，21、接收端天线二，22、无线毫米波接收机二，23、发送端光放大器一，24、发送端天线三，25、接收端天线三，26、接收端光放大器一，27、外差式相干光接收机一，28、发送端光放大器二，29、发送端天线四，30、接收端天线四，31、接收端光放大器二，32、外差式相干光接收机二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

结合附图1，基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法，

a)在光子辅助毫米波链路下行方向：

一个单模激光器一2提供的光载波经由一个光调制器一1被下行数据调制后，与另一个单模激光器二4提供的光载波经由一个光耦合器一6耦合在一起；

耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经由一个单端光电二极管一7外差拍频后生成携带下行数据的无线毫米波信号；

生成的携带下行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器一8放大后，通过一个发送端天线一9被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线一10接收到的携带下行数据的无线毫米波信号被送入一个无线毫米波接收机一11中进行处理，以恢复出原始的下行数据；

b)在光子辅助毫米波链路上行方向：

一个单模激光器三13提供的光载波经由一个光调制器二12被上行数据调制后，与另一个单模激光器四15提供的光载波经由一个光耦合器二17耦合在一起；

耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经由一个单端光电二极管二18外差拍频后生成携带上行数据的无线毫米波信号；

生成的携带上行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器二19放大后，通过一个发送端天线二20被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线二21接收到的携带上行数据的无线毫米波信号被送入一个无线毫米波接收机二22中进行处理，以恢复出原始的上行数据；

c)在自由空间光链路下行方向：

一个单模激光器一2提供的光载波经由一个光调制器一1被下行数据调制后此部分与全双工无线毫米波链路的下行方向共用，再通过一个发送端光放大器一23进行放大；

放大后的携带下行数据的光信号通过一个发送端天线三24被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线三25接收到的携带下行数据的光信号通过一个接收端光放大器一26放大后，被送入一个外差式相干光接收机一27中进行处理，以恢复出原始的下行数据，外差式相干光接收机一27所使用的本振光源为全双工无线毫米波链路上行方向提供未调制光载波的单模激光器一2；

d)在自由空间光链路上行方向：

一个单模激光器三13提供的光载波经由一个光调制器二12被上行数据调制后此部分与全双工无线毫米波链路的上行方向共用，再通过一个发送端光放大器二28进行放大；

放大后的携带上行数据的光信号通过一个发送端天线四29被送入自由空间中进行传输；

被一个接收端天线四30接收到的携带上行数据的光信号通过一个接收端光放大器二31放大后，被送入一个外差式相干光接收机二32中进行处理，以恢复出原始的上行数据，外差式相干光接收机二32所使用的本振光源为全双工无线毫米波链路下行方向提供未调制光载波的单模激光器三13；

e)在所述的混合光无线链路整体架构中：

在提供携带下行数据的光信号的单模激光器一2和光调制器一1后面有一个转换开关一3，以实现光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光链路下行方向对此单模激光器一2和光调制器一1的共享；

在提供携带上行数据的光信号的单模激光器二4和光调制器二12后面有一个转换开关二5，以实现光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路上行方向对此单模激光器二4和光调制器二12的共享；

在为光子辅助毫米波链路下行方向提供未调制光载波的单模激光器三13后面有一个转换开关三14，以实现光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光激光链路上行方向的外差式相干光接收机对此单模激光器三13的共享；

在为光子辅助毫米波链路上行方向提供未调制光载波的单模激光器四15后面有一个转换开关四16，以实现全双工无线毫米波链路上行方向和全双工自由空间相干光激光链路下行方向的外差式相干光接收机二对此单模激光器四15的共享。

该架构中的全双工无线毫米波链路采用基于两个单模激光器一2的外差拍频技术生成无线毫米波信号，这两个单模激光器一2的频率间隔位于40ghz～110ghz这个频段中。

下行数据可以采用光的ook，qpsk，8qam，16qam等调制格式，上行数据可以采用光的ook，qpsk，8qam，16qam等调制格式，并且，上行数据可以采用与下行数据相同或不同的光的调制格式。

该架构中的光子辅助毫米波链路下行方向和自由空间光路下行方向共用提供携带下行数据的光信号的单模激光器一2和光调制器一1，该架构中的光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路下行方向共用提供未调制光载波的单模激光器一2。

该架构中的光子辅助毫米波链路上行方向和自由空间光链路上行方向共用提供携带上行数据的光信号的单模激光器二4和光调制器二12，该架构中的全双工无线毫米波链路下行方向和全双工自由空间相干光激光链路上行方向共用提供未调制光载波的单模激光器二4。

在提供携带上行和下行数据的光信号的单模激光器一2和光调制器一1后面以及提供未调制光载波的单模激光器一2后面均有一个转换开关四16，以实现光子辅助毫米波通信和自由空间光通信之间的自由切换。

本发明在具体实施时，混合光无线链路架构中的全双工无线毫米波链路下行传输部分：

下行数据经由光调制器一1调制单模激光器二2提供的光载波，以生成携带下行数据的光信号。携带下行数据的光信号与单模激光器二4提供的光载波经由光耦合器一6进行耦合，以生成携带下行数据的光毫米波信号。转换开关一3用于实现单模激光器二2和光调制器一1在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换，此时需要转换开关一3将单模激光器二2和光调制器一1切换到全双工无线毫米波链路上。转换开关二5用于实现单模激光器二4在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换，此时需要转换开关二5将单模激光器二4切换到全双工无线毫米波链路上。单端光电二极管一7将携带下行数据的光毫米波信号转变成无线毫米波信号。携带下行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器一8放大后，再经由发送端天线一9被发送到自由空间中进行传输。接收端天线一10将从自由空间中探测到的携带下行数据的无线毫米波信号送入无线毫米波接收机一11中进行处理以恢复原始的下行数据。

混合光无线链路架构中的全双工无线毫米波链路上行传输部分：

上行数据经由光调制器二12调制单模激光器13提供的光载波，以生成携带上行数据的光信号。携带上行数据的光信号与单模激光器四15提供的光载波经由光耦合器二17进行耦合，以生成携带上行数据的光毫米波信号。转换开关三14用于实现单模激光器13和光调制器二12在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换，此时需要转换开关三14将单模激光器13和光调制器二12切换到全双工无线毫米波链路上。转换开关四16用于实现单模激光器四15在全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间自由切换，此时需要转换开关四16将单模激光器四15切换到全双工无线毫米波链路上。单端光电二极管二18将携带上行数据的光毫米波信号转变成无线毫米波信号。携带上行数据的无线毫米波信号经由毫米波放大器二19放大后，再经由发送端天线二20被发送到自由空间中进行传输。接收端天线二21将从自由空间中探测到的携带上行数据的无线毫米波信号送入无线毫米波接收机二22中进行处理以恢复原始的上行数据。

混合光无线链路架构中的全双工自由空间相干光激光链路下行传输部分：

此时需要转换开关一3将单模激光器二2和光调制器一1切换到全双工自由空间相干光激光链路上。这样经由单模激光器二2和光调制器一1生成的携带下行数据的光信号通过发送端光放大器23放大后，再经由发送端天线三24被送入自由空间中进行传输。接收端天线三25将从自由空间中探测到的携带下行数据的光信号送入接收端光放大器一26放大后，再接着送入外差式相干光接收机一27中进行处理，以恢复出原始的下行数据。此时需要转换开关四16将单模激光器四15切换到全双工自由空间相干光激光链路上。

混合光无线链路架构中的全双工自由空间相干光激光链路上行传输部分：

此时需要转换开关三14将单模激光器13和光调制器二12切换到全双工自由空间相干光激光链路上。这样经由单模激光器三13和光调制器二12生成的携带上行数据的光信号通过发送端光放大器二28放大后，再经由发送端天线四29被送入自由空间中进行传输。接收端天线四30将从自由空间中探测到的携带上行数据的光信号送入接收端光放大器二31放大后，再接着送入外差式相干光接收机二32中进行处理，以恢复出原始的上行数据。此时需要转换开关二5将单模激光器二4切换到全双工自由空间相干光激光链路上。

总之，本发明所述的基于毫米波通信和自由光通信的混合链路架构方法，在兼容了无线毫米波通信和自由空间相干光激光通信双重优势的同时，还实现了全双工无线毫米波链路和全双工自由空间相干光激光链路之间激光器和光信号的共用，由此简化了混合光无线链路的整体架构，并实现了全天候通信。本发明所述的基于全双工无线毫米波通信和全双工自由空间相干光激光通信的混合光无线链路架构适合于无线毫米波通信和自由空间激光通信融合的未来空间通信。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。