[發(fā)明專利]一種基于空間坐標(biāo)變換技術(shù)的UWOC系統(tǒng)信道特征MCNS方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110283327.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-16
• 公開（公告）號(hào): CN113078957B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史宏強(qiáng);李岳衡;黃平;劉陜陜;譚躍躍;居美艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/80
• 分類號(hào): H04B10/80;H04B10/07
• 代理公司: 南京縱橫知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 母秋松

本發(fā)明公開了一種基于空間坐標(biāo)變換技術(shù)的UWOC系統(tǒng)信道特征MCNS方法，基于坐標(biāo)變換技術(shù)的，接收機(jī)平面相對(duì)于入射光軸存在一定傾斜角且具FOV的UWOC系統(tǒng)信道特性Monte Carlo仿真方法。該方法借助平面解析幾何中“坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)”的思想，構(gòu)造光子的等價(jià)對(duì)稱收發(fā)體系，即在原非對(duì)稱坐標(biāo)系中發(fā)射光子，卻通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方法將光子的判決轉(zhuǎn)換到新的對(duì)稱坐標(biāo)系中進(jìn)行的方法，本方法可以巧妙地解決上述無(wú)法精準(zhǔn)判決的問(wèn)題。本發(fā)明提供了UWOC系統(tǒng)Monte Carlo信道特性的快速、準(zhǔn)確的計(jì)算方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)仿真算法的不足。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于空間坐標(biāo)變換技術(shù)的UWOC系統(tǒng)信道特征MCNS方法，屬于無(wú)線光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展和各國(guó)對(duì)海洋資源探索的日漸深入，人們對(duì)水下高速、可靠無(wú)線通信的需求越來(lái)越迫切。在此背景之下，水下無(wú)線光通信(UnderwaterWireless Optical Communication，UWOC)以其遠(yuǎn)較傳統(tǒng)水聲和短距離射頻通信的高傳輸速率、大帶寬、低延遲等巨大優(yōu)勢(shì)而吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，并逐漸成為無(wú)線通信領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)與技術(shù)探索前沿。在UWOC系統(tǒng)眾多亟待解決的技術(shù)問(wèn)題中，海洋環(huán)境下無(wú)線光通信信道的模擬就是這么一個(gè)重要且迫切的難點(diǎn)，該問(wèn)題的有效解決將對(duì)UWOC系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)、乃至整個(gè)物理層的性能評(píng)估產(chǎn)生重要影響。

基于模擬光子在傳輸介質(zhì)中的吸收與散射運(yùn)動(dòng)軌跡的蒙特卡洛數(shù)值仿真方法(Monte Carlo Numerical Simulation，MCNS)，是一種近年來(lái)才開始廣泛運(yùn)用于海洋等水下環(huán)境進(jìn)行UWOC系統(tǒng)信道傳輸特性模擬的有效方法。其基本原理即把光源發(fā)出的光束在海水中的傳輸，看成是由眾多光子在水中沿傳輸方向進(jìn)行前向或后向運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程。由于這些光子在傳輸時(shí)不可避免地與水中的諸如葉綠素、無(wú)機(jī)鹽等微粒發(fā)生碰撞，進(jìn)而呈現(xiàn)出不同程度的散射和吸收的情況，故而于接收端通過(guò)統(tǒng)計(jì)這些接收光子的數(shù)量、損耗、運(yùn)動(dòng)路徑等信息即可得到包括信道沖激響應(yīng)、相對(duì)接收強(qiáng)度等關(guān)鍵信道特征。

據(jù)調(diào)研，傳統(tǒng)的基于Monte Carlo方法來(lái)研究UWOC系統(tǒng)信道特性的論文，基本上只考慮了接收機(jī)與發(fā)射機(jī)位于同一光軸，且接收平面垂直于入射光方向的所謂“對(duì)準(zhǔn)”情形(見圖1(a))；而對(duì)于“不對(duì)準(zhǔn)”的情形，則設(shè)置接收機(jī)和發(fā)射光束中心之間存在一定的水平位置偏移(見圖1(b))，但接收平面仍然垂直于發(fā)射光束主軸。這樣設(shè)置的好處，一是判決光子是否到達(dá)接收機(jī)平面比較容易；二是，也就是最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)接收機(jī)存在一定接收視場(chǎng)角FOV時(shí)，由于接收機(jī)接收面的對(duì)稱性，從碰撞點(diǎn)的方向余弦簡(jiǎn)單反變換求得的光子與Z軸的夾角即可判斷光子是否落在FOV范圍內(nèi)。然而，實(shí)際的接收機(jī)極有可能相對(duì)于入射光軸是傾斜的，甚至帶有一定的接收視場(chǎng)角FOV(如圖3所示)。在這種情形下進(jìn)行傳統(tǒng)MonteCarlo信道特性仿真時(shí)就會(huì)碰到一個(gè)問(wèn)題，即無(wú)法準(zhǔn)確判斷接收光子是否已經(jīng)到達(dá)接收平面，以及是否落在FOV內(nèi)。這是因?yàn)閮A斜后的接收機(jī)圓平面上的各點(diǎn)相對(duì)于發(fā)射平面的距離不再是固定值，尤其是當(dāng)接收機(jī)的FOV值不是180度時(shí)，入射光子的入射方向與接收機(jī)FOV中線之間的夾角不再滿足對(duì)稱性，將會(huì)令傳統(tǒng)的通過(guò)計(jì)算光子與發(fā)射軸亦即Z軸方向余弦的方法失效。

又據(jù)我們調(diào)研，不論是早期研究已經(jīng)比較深入的陸地?zé)o線光通信(WOC)還是近年來(lái)新興的UWOC系統(tǒng)，其采用Monte Carlo法仿真信道特性時(shí)所涉及的文獻(xiàn)中，都沒有提到對(duì)這一接收面傾斜且具FOV特點(diǎn)的接收機(jī)進(jìn)行仿真的具體方法。因此，有必要提出一個(gè)簡(jiǎn)便且準(zhǔn)確的算法來(lái)刻畫這一接收模型，進(jìn)而獲得研究或?qū)嶒?yàn)所需要的UWOC系統(tǒng)信道特性。事實(shí)上，該問(wèn)題之所以難以建模的根本原因在于，接收機(jī)平面發(fā)生傾斜后的UWOC收發(fā)系統(tǒng)是空間不對(duì)稱的。所以，如何對(duì)接收機(jī)平面發(fā)生傾斜后的UWOC系統(tǒng)信道特性進(jìn)行仿真，就成為本領(lǐng)域技術(shù)人員急需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容