無(wú)線(xiàn)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(yáng)輻射的光譜按照波長(zhǎng)從大到小依次為紅外光、可見(jiàn)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(diǎn)在于通信設(shè)備對(duì)發(fā)射端與接收端的對(duì)準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，在很多情況下(尤其是收發(fā)兩端之間有障礙物時(shí))無(wú)法滿(mǎn)足；可見(jiàn)光在通信時(shí)受到背景光的影響比較嚴(yán)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(jiàn)光在通信時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的缺點(diǎn)，它不但能夠放寬發(fā)射端與接收端的對(duì)準(zhǔn)要求進(jìn)行非直視通信，而且，在利

2、用200nm-280mn的“日盲”波段紫外光進(jìn)行通信時(shí)，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(diǎn)。由于大氣的強(qiáng)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(wú)法探測(cè)。紫外光的這種通信局限性限制了它的應(yīng)用。為了擴(kuò)大紫外光通信的覆蓋范圍，將紫外光點(diǎn)到點(diǎn)通信進(jìn)行組網(wǎng)通信的擴(kuò)展無(wú)疑是一個(gè)較好的解決方法，它可以利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的多跳特性來(lái)延長(zhǎng)紫外光的通信距離。
　　 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于紫外光

3、通信及其組網(wǎng)技術(shù)還處在研究的初級(jí)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(wèn)題都需要進(jìn)一步深入探索。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)于紫外光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要完成了以下幾項(xiàng)工作：
　　 1，根據(jù)米氏散射理論的概念，詳細(xì)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(jìn)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(jì)算中去。通過(guò)仿真計(jì)算了不同尺寸的氣溶膠粒子對(duì)紫外光的散射相函

4、數(shù)，并得到了這樣的結(jié)論：無(wú)論是霾粒子還是霧滴粒子，隨著散射粒子半徑的增大，其對(duì)紫外光的前后向散射逐漸增強(qiáng)，且前向散射與后向散射的強(qiáng)度差逐漸增大。另一方面，在其他散射角度上，散射強(qiáng)度隨著粒子的增大而減小，且比前后向散射的強(qiáng)度微弱的多，散射粒子越大，其強(qiáng)度衰減越劇烈。
　　 2，把紫外光非直視通信的過(guò)程看作是紫外光子非直視傳輸?shù)倪^(guò)程，詳細(xì)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(guò)程，及過(guò)程中紫外光子在各個(gè)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(chǎng)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(shí)的鏈路模型，得到了此種情況下如何設(shè)置收發(fā)機(jī)收發(fā)仰角來(lái)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(lái)彌補(bǔ)紫外光通信距離有限的弱點(diǎn)；在無(wú)線(xiàn)紫外光通信網(wǎng)絡(luò)中，提出了基于三邊測(cè)量的無(wú)線(xiàn)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(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息，才能判斷鄰居節(jié)點(diǎn)是否在此節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，因而對(duì)需送到目的節(jié)點(diǎn)的信息傳輸進(jìn)行一跳或多跳的規(guī)劃。在此定位算法中，一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)與三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的距離計(jì)算是其核心思想。最后通過(guò)仿真計(jì)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(wú)線(xiàn)紫外光網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行定位計(jì)算。
　　 4，考慮到節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線(xiàn)紫外光通信網(wǎng)絡(luò)的公平性，在傳統(tǒng)二進(jìn)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(diǎn)接入信道需要退避的計(jì)數(shù)器值，以此來(lái)獲得較高的接入公平性。通過(guò)對(duì)新算法與傳統(tǒng)算法的仿真與比較，驗(yàn)證了兩種新算法在改善節(jié)點(diǎn)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(chǎng)情況，選出了適合本課題的光源、濾光片和光電探測(cè)器；設(shè)計(jì)了發(fā)射端光源的驅(qū)動(dòng)電路和接收端的探測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了利用“日盲”紫外光傳輸