一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紫外光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非直視紫外光通信單次散射過程 路徑損耗計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紫外光通信就是把紫外光作為信息傳輸?shù)妮d體，將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d到紫外光 上，以實現(xiàn)信息的發(fā)送和接收。在無線激光通信中，采用的是直視的通信方式，即發(fā)射端與 接收端必須對準(zhǔn)。非直視通信是指發(fā)射端發(fā)射出的紫外光子在大氣中傳輸時，由于紫外光 波長很短，被大氣粒子散射而能夠繞過障礙物到達(dá)接收端的過程。只要發(fā)射端發(fā)散角能夠 與接收端接收視場角在空中形成公共散射體，那么非直視(non-line_of-sight，NLOS)通信 就變得可能。當(dāng)直視通信無法實現(xiàn)時，NLOS通信則能保證發(fā)射端和接收端之間通信的暢通。
[0003] 關(guān)于NLOS紫外光大氣傳輸?shù)睦碚撃Ｐ同F(xiàn)在采用的主要方法有單次散射近似法和 蒙特卡羅(Monte Carlo，MC)方法。經(jīng)典的單次散射模型通過三重積分求通信系統(tǒng)的路徑損 耗(path loss，PL)，但是，在仿真過程中復(fù)雜的三重積分很難實現(xiàn)。如果用簡化公式來代替 三重積分，要求公共散射體是閉合的，發(fā)散角和接收視場角比較小。MC方法是一種以概率統(tǒng) 計理論為基礎(chǔ)的計算方法，可以通過MC方法來對單次散射傳輸過程進(jìn)行仿真，但是存在計 算量大，耗時久的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，解 決了現(xiàn)有的經(jīng)典單次散射模型仿真困難和MC算法仿真時間過長的問題。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算 方法，具體按照以下步驟實施：
[0006] 步驟1:設(shè)定發(fā)射端和接收端的參數(shù)，定義區(qū)域V'，公共散射體廠CT，求出V'的范 圍；
[0007] 步驟2:將區(qū)域，分為若干個微元V"，在球坐標(biāo)系中，得到微元的坐標(biāo)；
[0008] 步驟3:遍歷區(qū)域疒分割成的若干個微元V"，判斷微元V〃是否在公共散射體V內(nèi)，如 果在公共散射體V內(nèi)計算被微元V"散射后被Rx接收到的能量，將被微元V"散射后被Rx接收 到的能量相加，計算得到Rx接收到的總能量，求出路徑損耗。
[0009] 本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
[0010] 步驟1具體為：
[0011]在紫外光NLOS通信中，Ct和Cr分別表示發(fā)射端Tx的發(fā)散角圓錐和接收端Rx的視場 角FOV圓錐，點(diǎn)T為Ct的頂點(diǎn)，點(diǎn)1?為&的頂點(diǎn)，點(diǎn)H為Ct的任意橫切面的圓心，點(diǎn)LSC r的任意 橫切面的圓心，即TH為Ct的中心軸線，RL為Cr的中心軸線，發(fā)射端發(fā)散半角為約，發(fā)射仰角為 TH和其在XOY平面投影的夾角0*，坐標(biāo)原點(diǎn)〇與點(diǎn)T重合，接收端視場半角為.，接收仰角為 RL和其在XOY平面投影的夾角0r，TH在XOY平面的投影與X軸的夾角at是Ct的偏軸角，RL在XOY 平面的投影與X軸的夾角ar是Cr的偏軸角，d是點(diǎn)T到點(diǎn)R的直線距離，（0t，at)和（0 r，ar)確定 了Ct和Cr的方向；
[0012]發(fā)散角圓錐和FOV圓錐的公共區(qū)域為公共散射體V，即V = Ct Π Cr，點(diǎn)S為公共散射體 V內(nèi)的散射點(diǎn)，發(fā)射端發(fā)射一個光子，光子在點(diǎn)S被散射，在以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，由方位角、 頂角和距離構(gòu)成球面坐標(biāo)系下，OS與Z軸的夾角Θ為光子入射的頂角，OS在XOY平面的投影與 X軸的夾角a為方位角，從發(fā)射端T到點(diǎn)S的距離為r，光子的入射方向和指向接收端的散射方 向構(gòu)成的夾角為散射角隊乂為散射點(diǎn)S和點(diǎn)R的連線與RL構(gòu)成的夾角，r'是從點(diǎn)S到接收端R 的距離；
[0013] 光子在傳輸?shù)倪^程中，遇到V內(nèi)的體積微元δν發(fā)生散射，到達(dá)Rx的能量dEr為：
[0014] (T)
[0015] 其中?,=2π( I-COS%)是Rx的立體角，Et是發(fā)射光束能量，Ar是接收探測面面積，P (C〇Si3s)是散射相函數(shù)，ke是消光系數(shù)，吸收系數(shù)ka和散射系數(shù)k s之和構(gòu)成了通信過程中大 氣的消光系數(shù)ke，即ke = ks+ka;
[0016] 散射相函數(shù)P(C〇Si3s)是瑞利散射相函數(shù)PR(C〇si3 s)和米氏散射相函數(shù)PM(C〇si3s)的 加權(quán)蘋
[0017] (2)
[0018] 其中，ksR是瑞利散射的散射系數(shù)，ksM是米氏散射的散射系數(shù)，k s = ksR+ksM;瑞利散 射相函數(shù)?\(3 08&)為：
[0019]
[0020]
[0021] (4)
[0022] 其中，γ、g和f是模型參數(shù)；
[0023] 在球坐標(biāo)系中，體積微元為δν = Γ28；?ηθδθδαδ；Γ，
[0024] 則，被公共散射體V散射后被Rx接收到的總能量Er為：
[002
(5)[0026] 定義區(qū)域￥/，范圍為[91^，0111￡?]、[(111^，(1 111￡?]、[1^，1'111￡?]，使[/^",[0027]
[0029] 過點(diǎn)H做線GH平行于XOY平面，G點(diǎn)為線GH與Ct的交點(diǎn)，G點(diǎn)在XOY平面的投影為G'，在線TH上選取任意一點(diǎn)E，E點(diǎn)在XOY平面的投影為E '，應(yīng)用三角定理，
[0028] (6) (7)
[0031] 對于共面的情況，公共散射體的體積是最大的，TP是發(fā)散角圓錐的中心軸線，RQ是 FOV圓錐的中心軸線，P點(diǎn)在XOY平面的投影為P'，Q點(diǎn)在XOY平面的投影為Q'，點(diǎn)K、M、U、W為Ct 和Cr的四個交點(diǎn)，Z PTP' = Θt，Z QRQ' = 0r，Z UTP和Z PTM等于朽，Z KRQ和Z QRM等于f r，所 以
對于 AUTR，由正弦函數(shù)可得，UT為：
[0032] (_8)
[0033] _4] m
[0035] 另
[0036] rmin=min[UT，MT]，rmax=max[WT，KT](10)
[0037]對于無界的公共散射體V，rmax-°°，
[0038] 至此，區(qū)域r的范圍可得。
[0039] 步驟2具體為：
[0040] 設(shè)置3個整數(shù)隊、仏、詠，區(qū)域[1^，1'111￡?]、|>11^，€[ 111￡?]和[011^，0111￡?]分別被分為隊、仏、 Ne等份，因此區(qū)域y被分為了NrNaNe個微元V"，另Nr、Na、Ne均等于N，那么區(qū)域，就被分為了N 3 個微元V 〃，假設(shè)3個整數(shù)i、j、k，且1^」，1^^為區(qū)域匕_^_]被分的第1份，」為區(qū)域 [amin，a max]被分的第j份，k為區(qū)域[Qmin，0max]被分的第k份，[i，j，k]代表一個微元V"，A、B、C、 D為區(qū)域疒內(nèi)的一微元V"的四個頂點(diǎn)，點(diǎn)S是V"的中心，設(shè)置3個變量ru，au，0U，BC的長度r u = (rmax-rmin)/N; Z ATB = (0max-0min)/N = 0U;點(diǎn)B和點(diǎn)D在XOY平面的投影分別為B ' 和D '，Z B' TD7 =(amax-amin) /N=au，在球坐標(biāo)系中，點(diǎn)S、A、B、C、D的坐標(biāo)可由如下公式得到：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 在笛卡爾坐標(biāo)系中，點(diǎn)S的坐標(biāo)可由如下公式得到：
[0047] [xs,yS,zs]=[rs sin(qs)cos(as),rs sin(qs)sin(as),rs cos(qs)] (12)〇
[0048] 步驟3具體為：
[0049] 已知點(diǎn)T的坐標(biāo)為(0,0,0)，點(diǎn)R的坐標(biāo)為(d，0,0)，定義[T-E]和[R^F]是點(diǎn)T到點(diǎn) E和點(diǎn)R到點(diǎn)F的單元方向矢量，定義[T-S ]和[R^S ]是點(diǎn)T到點(diǎn)S和點(diǎn)R到點(diǎn)S的矢量，公式如 下所示：
[0050] [T^E] = [ Cosqtcosat, Cosqtsinat, s inqt]
[0051] [R^F] = [ cosqrcosar, cosqrsinar, sinqr ] (13)
[0052] [T^S] = [xs,ys,zs]
[0053] ΓR^Sl = Γx^-d .VR. 7λ1
[0054]
[0055] (Η)
[0056]
[0057] 如果（ZSTE < p,)n(ZSRF <外.)為真，那么中心點(diǎn)s在區(qū)域V內(nèi)；[0058] 因為微元V"非常小，可以將微元近似認(rèn)為就是點(diǎn)S，則散射角&近似為：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 其中，（=251^^，= |1?45|;
[0064] 遍歷區(qū)域V'分割成的N3個微元V〃，如果（ZSTE < % )n(Z：SRF <