傳感器網(wǎng)絡(luò)中紫外大氣散射通信研究.pdf

1、無(wú)線光通信具有不需申請(qǐng)頻譜、信息容量大、功耗低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)應(yīng)用中備受關(guān)注的一種通信手段。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點(diǎn)分布范圍廣，數(shù)量大，位置復(fù)雜，外界環(huán)境多樣，這就要求無(wú)線光通信必須解決外界光源干擾和視線(LOS，Line-of-Sight)傳輸?shù)膯?wèn)題。紫外光大氣通信選用日盲區(qū)光波進(jìn)行通信，一方面克服了太陽(yáng)光和人工光源的干擾，另一方面可以利用大氣中懸浮粒子

2、的散射實(shí)現(xiàn)非視線(NLOS，Non-Line-of-Sight)通信。近年來(lái)，紫外大氣散射通信在WSN中的應(yīng)用已受到國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的重視。本學(xué)位論文在分析大氣光學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究了紫外光大氣散射傳輸模型及適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的光調(diào)制方式，搭建了一個(gè)基于紫外LED的大氣散射通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了研究。
　　 論文的主要工作如下：
　　 1．研究了光波在近地大氣中傳播的特性
　　 深入研究了大氣對(duì)流層、平流層、中間層、熱

3、層和散逸層的光波傳播特性，分析了地表附近低空大氣中臭氧分子的作用，利用200～280nm范圍的紫外光在近地范圍內(nèi)傳播時(shí)不受太陽(yáng)輻射的影響、吸收損耗較小以及可充分利用大氣分子的散射實(shí)現(xiàn)非視線傳播等特點(diǎn)，提出以紫外光為傳播媒介構(gòu)建無(wú)線光通信系統(tǒng)并將其應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案。
　　 2．研究了紫外光大氣散射傳輸模型
　　 分析了傳統(tǒng)的建立在長(zhǎng)球坐標(biāo)系上的紫外光大氣非視線單次散射模型，指出該模型未考慮大氣中懸浮粒子的尺寸及由此引

4、起的光波散射的差異。為此，引入了大氣粒子尺寸、分布及散射相函數(shù)，改進(jìn)了非視線單次散射傳輸模型；基于該改進(jìn)模型，對(duì)不同的通信距離、收發(fā)仰角、光源束散角和接收視場(chǎng)角、天氣條件下日盲區(qū)紫外光的大氣散射傳輸特性等進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果指出，紫外光大氣散射可實(shí)現(xiàn)非視線通信，比較適合于短距離場(chǎng)合使用。
　　 3．研究了紫外光大氣散射通信中的調(diào)制方案
　　 綜合考慮人體安全、傳感器節(jié)點(diǎn)能源限制、大氣的吸收與散射會(huì)造成接收光功率的急劇下降

5、等特點(diǎn)，指出紫外光通信的發(fā)射功率不宜過(guò)大，而采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式可以提高系統(tǒng)的功率利用率。為此，提出了一種新型的調(diào)制方式——分離雙脈沖位置調(diào)制(SDPPM，Separated Double Pulse Position Modulation)，開(kāi)與已有的方式進(jìn)行比較。結(jié)果表明，所提調(diào)制方式比OOK、PPM等方式在功率需求和帶寬需求方面有較好的折中：比DPPM、DPIM等方式有調(diào)制時(shí)隙長(zhǎng)度固定的優(yōu)勢(shì)，能夠簡(jiǎn)化調(diào)制與解調(diào)電路。此外，該調(diào)制方式

6、的特殊結(jié)構(gòu)使接收端可進(jìn)行軟判決解調(diào)，在保持多脈沖位置調(diào)制的高信息傳輸速率的同時(shí)，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的誤碼性能。
　　 4．研制了紫外光大氣散射通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LED紫外光散射通信系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比各種日盲區(qū)紫外光源的性能，指出目前紫外LED是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行光通信的最佳光源；討論了兩種常用的紫外光檢測(cè)器的性能及特點(diǎn)，指出紫外光電倍增管技術(shù)成熟可靠，適合目前使用，雪崩增益光檢測(cè)器在紫外波段尚不成熟，但將來(lái)會(huì)