混合大气激光通信系统中链路切换控制装置及切换方法

摘要

本发明提供一种混合大气激光通信系统中链路切换控制装置及切换方法，主要解决现有混合大气激光通信系统切换时间长的问题。其切换装置包括链路控制单元(202)、开关单元(203)、链路冗余单元(201)、激光链路质量探测单元(204)，该激光链路质量探测单元(204)产生激光链路质量探测包，并对接收到的经由链路冗余单元(201)处理后的探测包进行统计，对激光链路质量进行评估，将评估的结果通过链路控制消息传送回链路控制单元(202)；该链路控制单元(202)根据回传的链路控制消息携带的激光链路评估结果控制无线射频链路的通断。本发明可根据业务类型灵活配置切换时间，具有通信质量好的优点，可用于高速隐蔽通信、光纤链路备份和各种应急通信。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术邻域，涉及大气激光通信，特别涉及混合大气激光通信系统中的链路切换，可用于高速隐蔽通信、光纤链路备份和各种应急通信或临时通信。

背景技术

大气激光通信利用小功率红外激光束为载体，以大气为媒质，可以在站点之间实现高速通信。因为激光的波束宽度很小，通常只有零点几到几个毫弧度，使得信号光束难以被截获、窃听，可以实现隐蔽通信；大气激光通信具有良好的抗电磁干扰的能力，可以在复杂的电磁环境下工作；另外大气激光通信设备还具有体积小、重量轻，组网快速灵活的特点。因此，大气激光通信对军事通信和民用通信都具有重要的应用价值。例如在军事通信领域，可用于岸岛、岛屿之间的高速隐蔽通信，无人机编队内部的数据传输、地空激光通信、以及星际激光通信等；在民用通信领域，应用于光纤链路备份、各种应急通信或临时通信等，特别是近年来随着第三代移动通信(3G)技术的部署，大气激光通信也用于3G网络的数据传输。

然而大气激光通信的通信质量随着通信距离的增加越来越容易受到天气，例如晴天时的大气湍流、雾、雨、雪等的影响。试验表明，目前典型的大气激光通信系统当通信距离大于1km时，遇到浓雾、暴雨等极端天气时就会发生通信中断，而随着通信距离的增加，天气导致的通信中断概率会大大增加；即使在晴朗的天气条件下，大气湍流会引起光强的起伏，导致接收端误码率升高。当大气湍流很强烈时(例如雨过天晴)，同样也会引起激光通信短暂中断。另外，当把大气激光通信系统应用于移动环境中时，由于激光的波束宽度很小，方向性很强，为了保障通信，需要采用复杂的瞄准、捕获和跟踪PAT系统，当载体移动变化超出PAT系统的响应范围时，也会导致激光通信暂时中断。上述情况都会影响大气激光通信的应用。

当通信距离较远时，为了减少天气变化对大气激光通信系统的影响，目前大多数大气激光通信系统采用混合方式工作，即在激光链路之外再配备一个定向收发的无线射频，例如微波、毫米波链路，激光链路作为主传输链路，无线射频链路作为备份传输链频，例如微波、毫米波链路，激光链路作为主传输链路，无线射频链路作为备份传输链路。当天气状况良好时，使用激光链路传输数据，而一旦激光链路通信中断则切换到无线射频链路上，使用无线射频链路传输数据；当激光链路恢复后，则从无线射频链路切换回激光链路，再次使用激光链路传输数据。采用混合方式工作的大气激光通信系统可以大大降低通信中断的概率，从而提高了大气激光通信系统的可靠性。然而现有的混合大气激光通信系统中，主要采用比较接收端实时接收功率和预设的最小接收功率门限的方法作为激光和无线射频链路切换条件，该方法使得激光链路和无线射频链路之间切换时间很长，通常为秒级，对于数据等非实时业务而言，秒级的切换时延还是可以忍受的，但是对话音、视频等实时性业务而言，通常只能是毫秒级，例如＜50ms的切换时间，秒级的切换时间将会引起话音和视频的中断，导致通信质量下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种混合大气激光通信系统中链路切换控制装置及切换方法，以减小激光链路与无线射频链路之间切换时间，提高通信质量。

为了实现上述目的，本发明的链路切换控制装置包括：

激光链路质量探测单元，用于生成激光链路质量探测包，并对接收到的探测包进行分析，对激光链路质量进行评估，评估的结果通过链路控制消息传送回链路控制单元；

链路冗余单元，用于生成待发数据包的副本和对从数据接口A和B接收的包进行冗余处理；

链路控制单元，用于处理链路控制消息，根据回传的链路控制消息控制开关单元中无线射频链路的通断；

开关单元，用于实现无线射频链路的开通和关断；

该链路冗余单元分别与激光链路质量探测单元、数据接口和链路控制单元双向连接，该链路控制单元与开关单元单向连接。

上述链路切换控制装置，其中所述的激光链路质量探测单元，包括：

定时器模块，用于定时的驱动探测包产生模块产生激光链路质量探测包；

探测包产生模块，用于生成激光链路质量探测包，并把生成的探测包发送给链路冗余单元；

激光链路质量评估模块，用于判断链路冗余单元传送的探测包的丢失，对激光链路质量进行评估；

控制消息设置模块，用于根据激光链路评估的结果，设置控制消息，并把设置后的控制消息发送给链路冗余单元。

上述链路切换控制装置，其中所述的链路冗余单元包括：

冗余标签产生模块，用于产生冗余标签，并将其传给冗余包处理模块；

冗余包处理模块，用于对来自本地用户的数据生成冗余包，并将冗余标签插入到该冗余包中，将冗余包分别发送到数据接口A和B上；对来自数据接口A和B上的冗余包，根据冗余标签摘除冗余包，并把去掉冗余的数据包发给上一层用户；

控制消息转发模块，用于控制消息的转发。

上述链路切换控制装置，其中所述的链路控制单元包括：

定时器模块，用于定时的驱动控制消息产生模块产生控制消息；

控制消息产生模块，用于控制消息的生成，并把生成的控制消息发送给链路冗余单元；

控制消息处理模块，用于将控制消息中携带的切换条件评估结果与预设的切换门限进行比较，当满足切换条件时，生成切换指示信号；

链路控制信号产生模块，用于根据切换指示信号产生链路控制信号，驱动开关单元开通或关断无线射频链路。

为了实现上述目的，本发明的切换控制方法，包括如下步骤：

(1)开始阶段，等待控制消息到来；

(2)通信节点判断是否接收到控制消息，如果收到控制消息，则执行步骤(3)，否则返回步骤(1)；

(3)将当前控制消息的序号与本地存储的上次接收控制消息的序号进行比较，如果当前控制消息的序号小于之前的消息序号，执行步骤(4)，反之执行步骤(5)；

(4)丢掉该控制消息，返回步骤(1)；

(5)判断当前系统的状态，如果系统处于“主”传输模式，则执行步骤(6)，否则执行步骤(8)；

(6)判断控制消息携带的激光链路评估结果是否满足探测包的连续丢失数量超过预设门限M，如果超过M，执行步骤(7)，否则执行步骤(10)，M根据实验获取；

(7)开通无线射频链路，将系统状态更新为“备份”传输模式，用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤(11)；

(8)判断控制消息携带的激光链路评估结果是否满足激光链路连续正确接收的探测包数量超过预设门限值N，如果超过N，执行步骤(9)，否则执行步骤(10)，N根据实验获取；

(9)关闭无线射频链路，同时将系统状态更新为“主”传输模式，用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤(11)；

(10)保持状态不变，用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤(11)；

(11)销毁控制消息，并且返回步骤(1)，等待下一个控制消息的到来。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明由于链路切换控制装置中各单元采用模块化设计，可以通过硬件、软件或软硬结合的方式实现，能够很好的嵌入到混合大气激光通信节点中。

2.本发明由于用激光链路质量探测包代替传统的数字序列对激光链路的质量进行探测，不用设计专门的激光链路数字序列发生电路，简化了大气激光通信系统的复杂度。

3.本发明由于采用对接收到的激光链路质量探测包丢失的状况进行评估的方式对激光链路质量优劣进行判断，使激光链路的质量直接和探测包传输相关，避免了因激光波束对准以及发射功率调整引起的接收功率波动导致的判决时间较长的问题，减小激光链路与无线射频链路之间切换时间，提高了通信质量。

4.本发明由于根据实际通信的业务情况配置链路切换条件，可以灵活控制链路切换时间，对于实时业务，可以将链路切换时间控制到较短的毫秒级，这将有利于话音、视频等实时业务服务质量的改善；而对于数据等非实时业务，为了减少链路切换的频率，可以控制将链路切换时间控制到较长的秒级。

5.本发明具有良好的通用性，不仅适用于以太网链路，而且可用于同步数字体系(IP over Ethernet over SDH)等。

附图说明

图1是现有混合大气激光通信系统的示意图；

图2是本发明提供的链路切换控制装置结构示意图；

图3是本发明装置中激光链路质量探测单元结构示意图；

图4是本发明装置中链路冗余单元结构示意图；

图5是本发明装置中链路控制单元结构示意图；

图6是本发明链路切换方法中使用的控制消息格式；

图7是本发明链路切换方法中使用的激光链路质量探测包格式；

图8是本发明链路切换方法中数据包中附加的冗余标签格式；

图9是本发明激光和无线射频链路切换过程示意图。

具体实施方式；

图1所示为混合大气激光通信系统示意图，在混合大气激光通信节点10和节点11之间存在一条激光链路12和一条无线射频链路13，其中激光链路12为主通信链路，无线射频链路13为备份通信链路。通信双方分别通过链路14、15与节点10和11相连接。本发明提供的链路切换控制装置200被嵌入到节点10和11中。

参照图2，本发明的链路切换控制装置200，主要由链路冗余单元201、链路控制单元202、开关单元203、激光链路质量探测单元204、数据接口A，B以及上层数据接口205组成，其中：

链路冗余单元201的结构如图3所示，它主要由冗余标签产生模块、冗余包处理模块和控制消息转发模块构成。该冗余标签产生模块产生如图8所示的冗余标签，对于来自本激光链路质量探测单元204传来的激光链路质量探测包和上层用户传来的数据包，该冗余包处理模块生成其副本，并将冗余标签产生模块生成的冗余标签插入到冗余包中，然后将冗余包分别发送到数据接口A和B上；对来自数据接口A和B上的冗余包，该冗余包处理模块根据冗余标签摘除冗余包，并把去掉冗余的数据包根据包类型发给激光链路质量探测单元204或上层数据接口205；对于来自链路质量探测单元204或链路控制单元202的控制消息，该控制消息转发模块只负责转发。

链路控制单元202结构如图4所示，它主要由定时器模块、控制消息产生模块、控制消息处理模块和链路控制信号产生模块构成。该定时器模块定时驱动控制消息产生模块产生如图6所示的控制消息；该控制消息产生模块将生成的控制消息发送给链路冗余单元201；该控制消息处理模块收到链路冗余单元201传来的控制消息，对控制消息中携带的切换条件评估结果与预设的切换门限进行比较，当满足切换条件时，生成切换指示信号；该链路控制信号产生模块根据切换指示信号产生链路控制信号，驱动开关单元203开通或着关断无线射频链路。

链路质量探测单元204结构如图5所示，它主要由定时器模块、探测包产生模块、激光链路质量评估模块以及控制消息设置模块构成。该定时器模块定时驱动探测包产生模块产生激光链路质量探测包；该探测包产生模块产生如图7所示的激光链路质量探测包，并将生成的激光链路质量探测包发送给链路冗余单元201；该激光链路质量评估模块接收链路冗余单元201传来的激光链路质量探测包，通过对激光链路质量探测包丢失情况的进行统计并对激光链路质量进行评估，评估结果传送给控制消息设置模块，该控制消息设置模块根据评估结果设置控制消息，并把设置后的控制消息发送给链路冗余单元201。

参照图6，本发明设计的控制消息，包括：

类型域，其长度为1字节，用来标识控制消息的类型；

长度域，其长度为1字节，用于标识控制消息的长度，控制消息最长为12字节；

序号域，其长度为2字节，用于区分消息产生的先后次序，防止新旧消息之间产生混乱，通常最大序号数为2¹⁶-1已经能够保证系统中不会出现相同序号的消息，系统初始化时，序号域置为0，以后周期性的每发送一个控制消息，序号域模2¹⁶加1；

状态域，其长度为1字节，用于指示当前系统的状态，即系统当前处于“主”模式还是“备份”模式，系统状态的更新由是否满足切换条件决定，当满足切换条件时，链路控制单元202会纪录下切换后的系统状态，否则保持当前的系统状态。当一个新的控制消息产生时，控制器设置新控制消息的状态域为当前的系统状态。

切换条件域，其长度为12字节，用于携带激光链路质量探测单元的评估结果。切换条件域中携带的评估结果可根据实际的传输网络类型和业务需求灵活设置，例如利用切换条件域携带包丢失率评估的结果。

上述控制消息由链路控制单元202周期性地产生，当链路控制单元202产生一个控制消息，并根据当前的系统状态对类型、序号、状态域进行设置后，立即将其传给激光链路质量探测单元204。激光链路质量探测单元204一旦接收到该控制消息，先将最新的激光链路的评估结果写入到控制消息的切换条件域中，然后将其发给链路控制单元202。链路控制单元202根据当前的系统状态和控制消息中携带的信息，通过与预设的门限比较决定无线射频链路的通/断。当链路控制单元202处理完接收到的控制消息，记录下序号域和状态域的信息后，该控制消息即被链路控制单元202销毁。

参照图7，本发明设计的激光链路质量探测包，包括：

类型域，其长度为1字节，用来标识探测包的类型；

序号域，其长度为4字节，用来区分不同的探测包，系统初始化时，序号域置为0，激光链路质量探测单元204每生成一个探测包，序号增加1，并按照序号模2³²的方式设置序号域；

状态域，其长度为1字节，用于指示当前系统的状态，即系统当前处于“主”模式还是“备份”模式，该域内容与控制消息中状态域的内容始终一致；

填充域，其长度为40字节，随机填充数据，用来探测信道的传输错误。

该激光链路质量探测包的长度是固定的46个字节，考虑100Mbps的激光以太链路，假设每1ms发送一个激光链路质量探测包，相应的传输帧长度为64字节，大约引入512Kbps的链路开销。

激光链路质量探测包由激光链路质量探测单元204周期性地产生。探测包发送周期的长短可根据实际通信和业务情况灵活配置。在激光链路质量探测单元204发送激光链路质量探测包之前，根据当前的系统状态对类型、序号、状态域进行设置后，立即将其传给链路冗余单元201，链路冗余单元201接收到该包后，添加冗余标签，然后分别发送到激光和无线射频链路上。在“主”传输模式下，无线射频链路处在“断”的状态，接收方的链路冗余单元201只会收到来自激光链路的激光链路质量探测包，此时，链路冗余单元201将去掉冗余标签，并把激光链路质量探测包发给本端的激光链路质量探测单元204；在“备份”传输模式下，接收方的链路冗余单元201会收到来自两个链路上的激光链路质量探测包，此时，该链路冗余单元201将根据冗余标签中的链路标识，丢掉无线射频链路上的激光链路质量探测包，只把激光链路上收到的激光链路质量探测包发给本端的激光链路质量探测单元204。在以上两种情况下，激光链路质量探测单元204对接收到的激光链路探测包进行分析，对激光链路质量进行评估。评估的内容和方法取决于设定的切换条件和切换时间。

例如切换条件是探测包的丢失是否超过预设门限且切换时间不超过50ms，则对于以太链路的情况，设每毫秒发送1个探测包，若激光链路发生探测包丢失或错误的数量超过预设的门限值M，则认为激光链路中断：若激光链路连续正确接收的探测包数量超过预设门限值N，则判为激光链路恢复。门限值M和N根据实际试验情况进行调整，既要考虑切换时延不能超过50毫秒，又要考虑瞬间的快衰落不会导致激光链路和无线射频链路之间的频繁切换。

当混合大气激光通信系统工作在“备份”传输模式的时候，数据既从无线射频链路传输，也从通信质量不完全中断的激光链路传输，这种情况下可能存在数据包的冗余，因此需要在待发送的包中添加冗余标签，以便进行冗余处理。

参照图8，本发明设计的冗余标签，包括：

链路域，其长度为1比特，用来区分数据包是在激光链路还是无线射频链路上传输；

分段域，其长度为1比特，用于分段标识，该位置0表示无分段，置1表示分段；

序号域，其长度为30比特，用于冗余判断，发送方的链路冗余单元201产生冗余帧的时候，设置该域，即相同的两个包中该域的序号是一样的，以后每发送一个包，该序号域模2³⁰加1。接收方的链路冗余单元201只接收比当前序号新的包，小于或等于当前序号的包将被丢弃，每当成功接收一个包以后，当前序号将立即更新为最新接收到的包序号。冗余标签的添加和摘除均在链路冗余单元201中完成。

在有些应用场合，加入的冗余标签可能会使得链路层帧长度超过最大传输单元长度，会引起接收端接收失败，因此当这种情况发生时，需要对链路层的帧进行分段处理，即将上层的数据分段，分别打上冗余标签，然后在链路上传输，接收端根据分段域和序号域对接收到的帧进行重新组合。

参照图9，本发明的混合大气激光通信链路切换方法，包括以下步骤：

步骤1：本地混合激光通信节点中链路控制单元202判断是否接收到激光链路质量探测单元(204)传来的控制消息，如果没有接收到控制消息，则返回步骤1，否则执行步骤2；

步骤2：提取控制消息中的序号，执行步骤3；

步骤3：比较当前控制消息的序号与本地储存的上次接收控制消息序号的大小，如果小于存储的消息序号，意味着该消息比前一次到达的消息旧，已经过期，则丢掉该控制消息，返回步骤1；否则执行步骤4；

步骤4：提取控制消息中的状态域和切换条件域中的信息，执行步骤5；

步骤5：判断当前系统的状态，如果系统处于“主”传输模式，则执行步骤6，如果系统处于“备份”传输模式，则执行步骤8；

步骤6：判断控制消息携带的激光链路评估结果是否满足探测包的连续丢失数量超过预设门限M，如果超过M，意味着此时激光链路的链路质量已经不能满足传输要求，则执行步骤7，否则执行步骤10；

步骤7：链路控制单元202控制开关单元203打开无线射频链路，并更新系统状态为“备份”传输模式；用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤11；

步骤8：判断控制消息携带的激光链路评估结果是否满足激光链路连续正确接收的探测包数量超过预设门限值N，如果超过N，执行步骤9，否则执行步骤10；

步骤9：链路控制单元202控制开关单元203关闭无线射频链路，并更新系统状态为“主”传输模式，用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤11；

步骤10：保持状态不变，用当前接收的控制消息序号更新本地存储的控制消息序号，执行步骤11；

步骤11：链路控制单元销毁该控制消息，并且返回步骤1等待下一个控制消息的到来。