[發明專利]一種無線光非視距通信鏈路中存在反射面的信道特性分析方法

有效

• 申請號: 202110553061.0
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113177326B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 曹天;張洪明;宋健
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/15
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

1.一種無線光非視距通信鏈路中存在反射面的信道特性分析方法，其特征在于，在所述無線光非視距通信鏈路模型中，接收機Rx位于坐標系原點，發射機Tx位于任意坐標(x_t,y_t,z_t)處；同時假設Tx所發出的光束Beam與Rx的視場FOV均為一個圓錐，則Tx所發出的光束軸線指向的單位方向向量如式(1)所示：

μ_T＝[sinθ_Tcosφ_T,sinθ_Tsinφ_T,cosθ_T] (1)，

Rx的視場軸線指向的單位方向向量如式(2)所示：

μ_R＝[sinθ_Rcosφ_R,sinθ_Rsinφ_R,cosθ_R] (2)，

θ_T和θ_R表示光束軸線與視場軸線的傾斜角，角度方向為從z軸正方向到軸線；φ_T和φ_R表示光束軸線與視場軸線的方位角，角度方向為從x軸正方向逆時針到軸線在xy平面中的投影；β_T和β_R分別表示Tx光束的束散角和Rx視場的視場角；

在空間中假設存在任意平面P，其法向量為n_P＝(x_p,y_p,z_p)，與z軸的交點P_z＝(0,0,h)，則平面的方程被寫為P：x_px+y_py+z_pz＝z_ph；

通過生成大量光子進行模擬光線傳輸的特性分析，從而獲得無線光非視距通信鏈路中存在反射面時的信道特性包括通信鏈路路徑損耗和任意時間段內的通信鏈路信道響應結果，具體包括以下步驟：

步驟1、設置算法初始化的參數，包括系統模型參數：Tx的位置坐標(x_t,y_t,z_t)，θ_T，θ_R，φ_T，φ_R，β_T，β_R，平面P的法向量n_P＝(x_p,y_p,z_p)，以及其與z軸的交點P_z＝(0,0,h)；總共產生光子的個數N_p；光子發生CIE的次數N_c；初始化記錄光子每次發生CIE被接收機探測到的概率矩陣P_r的元素為0,該矩陣的尺寸為N_p行，N_c列；初始化記錄光子每次發生CIE被接收機探測到經過的路徑矩陣L_r的元素為0,該矩陣的尺寸為N_p行，N_c列；光子最低存活能量ξ；光子初始能量ξ₀；光子的消光系數k_e，散射系數k_s，平面P的反射系數ρ；光源空間分布函數f_LED(Ω)，其中Ω為函數變量；光子經過散射事件后的空間分布函數f_sca(Ω)；光子經過平面反射事件后的空間分布函數f_ref(Ω)；接收機的有效探測面積S_R；

步驟2、進入第一層循環，遍歷所有N_p個光子，初始循環變量為k_p＝1；

步驟3、初始化本次循環光子的變量，包括：

v_r：用于記錄光子的位置的變量，此時設置v_r＝(x_t,y_t,z_t)，初始化為發射機Tx的坐標，表示光子正在發射機出等待發送；

μ：用于記錄光子出射的方向的方向向量，初始化為μ_T，即發射機Tx的軸線的方向向量；

d：光子經過的距離，初始化為0；

ξ₀＝1，即歸一化光子出射的能量；

定義標志變量δ，用于指示記錄光子改變方向的原因，δ為0表示從發射機出射，δ為1表示經過散射事件，δ為2表示經過反射事件，此處初始化δ＝0；

步驟4、進入第二層循環，遍歷本次循環光子設定的發生CIE的次數，初始循環變量為k_c＝1；

步驟5、根據δ的值，隨機生成本次光子的出射向量μ，即：

如果δ＝0，則根據分布函數f_LED(Ω)生成隨機的出射向量μ；

如果δ＝1，則根據分布函數f_sca(Ω)生成隨機的出射向量μ；

如果δ＝2，則根據分布函數f_ref(Ω)生成隨機的出射向量μ；

步驟6、根據光子的消光系數k_e隨機生成本次光子的運動距離：d_t；

步驟7、計算新的光子的位置，即v_{r_new}＝v_r+dμ；

步驟8、通過光子前后兩次位置，并結合平面P的方程x_px+y_py+z_pz＝z_ph，判斷光子從v_r運動到v_{r_new}時是否穿過平面：

如果穿過平面：計算該交點，并令v_{r_new}等于該交點的坐標，設置δ＝2；

如果未穿過平面：設置δ＝1；

步驟9、更新變量v_r＝v_{r_new}，d＝d+d_t，L_r(k_p,k_c)＝d+||v_r||，其中L_r(k_p,k_c)表示矩陣L_r的第k_p行，第k_c列的值；||·||表示求向量的模長；

步驟10、計算光子經過CIE后，到達接收機的條件概率：

如果δ＝1，

如果δ＝2，

其中，·表示向量的點乘，arccos表示反余弦函數；

步驟11、如果表示光子在接收機視場內，則記錄此時光子被成功接收的概率；

如果δ＝1，則其中P_r(k_p,k_c)表示矩陣P_r的第k_p行，第k_c列的值；

如果δ＝2，則其中P_r(k_p,k_c)表示矩陣P_r的第k_p行，第k_c列的值；

步驟12、更新光子剩余能量，

如果δ＝1，

如果δ＝2，ξ₀＝ξ₀(1-P_rc)ρ；

步驟13、進行k_c＝k_c+1的操作，如果k_cN_c，則結束第二層循環，進入步驟14，否則返回步驟5；

步驟14、進行k_p＝k_p+1的操作，如果k_pN_p，則結束第一層循環，進入步驟15，否則返回步驟3；

步驟15、計算路徑損耗PL，如下所示：

路徑損耗路徑損耗PL的單位為dB，即分貝；

步驟16、計算從光子從發射機出射時到記錄結束時間t_z內的信道脈沖響應，時間區間步長t_s，包括以下過程：

初始化信道脈沖響應向量CIR為1行，列的0向量，其中表示向上取整；

計算光子傳輸時間矩陣其中c為光速；

計算時間矩陣中元素對應脈沖響應向量CIR中的下標值矩陣，即

通過循環遍歷整個所述下標值矩陣，計算信道脈沖響應向量CIR。

2.根據權利要求1所述的一種無線光非視距通信鏈路中存在反射面的信道特性分析方法，其特征在于，所述通過循環遍歷整個所述下標值矩陣，計算信道脈沖響應向量CIR包括以下子步驟：

子步驟S1：進入第一層循環，遍歷所有N_p個光子，初始循環變量為k_p＝1；

子步驟S2：進入第二層循環，遍歷發生CIE的次數N_c，初始循環變量為k_c＝1；

子步驟S3：CIR(P_{photoTimeIndex}(k_p,k_c))＝CIR(P_{photoTimeIndex}(k_p,k_c))+P_r(k_p,k_c)；

子步驟S4：進行k_c＝k_c+1的操作，如果k_cN_c，則結束第二層循環，進入子步驟S5，否則進入子步驟S3；

子步驟S4：進行k_p＝k_p+1的操作，如果k_pN_p，則結束第一層循環，否則進入子步驟S2；

子步驟S5：對CIR進行歸一化，即