無線紫外光通信及其組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自由空間光通信是一種發(fā)展前景良好的通信手段。太陽輻射的光譜按照波長從大到小依次為紅外光、可見光和紫外光，它們都可以作為通信中信息的載體。紅外光通信的缺點在于通信設(shè)備對發(fā)射端與接收端的對準要求非常嚴格，在很多情況下(尤其是收發(fā)兩端之間有障礙物時)無法滿足；可見光在通信時受到背景光的影響比較嚴重，因此接收端的信噪比較低。而紫外光恰恰能夠克服紅外光與可見光在通信時表現(xiàn)出來的缺點，它不但能夠放寬發(fā)射端與接收端的對準要求進行非直視通信，而且，在利

2、用200nm-280mn的“日盲”波段紫外光進行通信時，由于背景噪聲極小，在接收端能夠獲得較高的信噪比。但是紫外光通信也有其自身的缺點。由于大氣的強烈吸收與散射作用，使得紫外光的能量衰減很快，在一定的覆蓋范圍之外無法探測。紫外光的這種通信局限性限制了它的應(yīng)用。為了擴大紫外光通信的覆蓋范圍，將紫外光點到點通信進行組網(wǎng)通信的擴展無疑是一個較好的解決方法，它可以利用無線網(wǎng)絡(luò)的多跳特性來延長紫外光的通信距離。
　　 目前，國內(nèi)對于紫外光

3、通信及其組網(wǎng)技術(shù)還處在研究的初級階段，關(guān)于大氣因素的影響、通信鏈路模型及組網(wǎng)的規(guī)則、協(xié)議等問題都需要進一步深入探索。本文結(jié)合國內(nèi)外對于紫外光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對上述問題進行了系統(tǒng)的研究，主要完成了以下幾項工作：
　　 1，根據(jù)米氏散射理論的概念，詳細推導(dǎo)了米氏散射中的米氏散射系數(shù)和米氏角散射系數(shù)的遞推公式，進而將推導(dǎo)結(jié)果應(yīng)用到紫外光通信單一分散系下米氏散射相函數(shù)的計算中去。通過仿真計算了不同尺寸的氣溶膠粒子對紫外光的散射相函

4、數(shù)，并得到了這樣的結(jié)論：無論是霾粒子還是霧滴粒子，隨著散射粒子半徑的增大，其對紫外光的前后向散射逐漸增強，且前向散射與后向散射的強度差逐漸增大。另一方面，在其他散射角度上，散射強度隨著粒子的增大而減小，且比前后向散射的強度微弱的多，散射粒子越大，其強度衰減越劇烈。
　　 2，把紫外光非直視通信的過程看作是紫外光子非直視傳輸?shù)倪^程，詳細闡述了紫外光子在非直視單次散射傳輸路徑上經(jīng)歷的全部過程，及過程中紫外光子在各個階段的能量變化；推

5、導(dǎo)了紫外光單次散射鏈路模型中，發(fā)射發(fā)散角與接收視場角相交而得到的共同散射體體積積分公式及各重積分的上下限；最后，分析了當(dāng)發(fā)射端與接收端處于不同高度時的鏈路模型，得到了此種情況下如何設(shè)置收發(fā)機收發(fā)仰角來得到較好的接收功率，避免了不能通信的角度出現(xiàn)。
　　 3，提出了紫外光通信與Adhoc或Mesh網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的思想，以期利用網(wǎng)絡(luò)的多跳特性來彌補紫外光通信距離有限的弱點；在無線紫外光通信網(wǎng)絡(luò)中，提出了基于三邊測量的無線紫外光通信網(wǎng)絡(luò)的

6、定位算法。當(dāng)MAC層與路由層知道網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點與其鄰居節(jié)點的位置信息，才能判斷鄰居節(jié)點是否在此節(jié)點的通信范圍內(nèi)，因而對需送到目的節(jié)點的信息傳輸進行一跳或多跳的規(guī)劃。在此定位算法中，一個未知節(jié)點與三個已知節(jié)點的距離計算是其核心思想。最后通過仿真計算，得到了此算法產(chǎn)生的誤差在紫外光通信能夠接受的范圍之內(nèi)，因而可以應(yīng)用在無線紫外光網(wǎng)絡(luò)中進行定位計算。
　　 4，考慮到節(jié)點接入無線紫外光通信網(wǎng)絡(luò)的公平性，在傳統(tǒng)二進制指數(shù)退避算法的基礎(chǔ)上提

7、出了兩種新的MAC層協(xié)議退避算法，兩種新算法的主要思想是合理調(diào)整節(jié)點接入信道需要退避的計數(shù)器值，以此來獲得較高的接入公平性。通過對新算法與傳統(tǒng)算法的仿真與比較，驗證了兩種新算法在改善節(jié)點接入公平性方面的有效性，兩種新算法均能夠在犧牲較小吞吐量的情況下獲得較高的公平性。
　　 5，調(diào)研了現(xiàn)階段光源等器件的市場情況，選出了適合本課題的光源、濾光片和光電探測器；設(shè)計了發(fā)射端光源的驅(qū)動電路和接收端的探測電路，實現(xiàn)了利用“日盲”紫外光傳輸