一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法技术

一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，针对实际应用场景，根据紫外光非视距通信系统的发送端束散角和接收端视场角的大小关系，分情况讨论了路径损耗的计算方法，并将发送端光束与接收端视场的交叠区域近似成一摞圆盘子，从而简化了路径损耗的积分表达式，采用Gauss‑Legendre求积方法，进一步得到了路径损耗的闭合表达式，进而可针对不同发射机与接收机的几何设置(包括发射机与接收机的方位角，倾斜角，以及它们之间的间隔距离)，估计接收端可以收到的紫外光能量，从而得到接收端的信噪比，并利于针对紫外光非视距通信系统的实际情况进行合适且有效的通信信号处理设计以及通信协议的规划。

【技术实现步骤摘要】
一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法
本专利技术属于光通信
，涉及紫外光通信中的路径损耗，特别涉及一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法。
技术介绍
紫外光通信是指使用紫外光频段进行通信的技术。非视距链路指的是发送端与接收端不存在直视链路，即发送端和接收端相互无法看见。由于紫外光通信非视距链路通常包含多次散射情况，其路径损耗计算方法复杂，没有准确的理论计算表达式。实验和仿真结果表明，通常情况下，包含多次散射的非视距链路的路径损耗通常由第一次散射导致的路径损耗决定。因此在理论分析中，常常将紫外光通信非视距链路的路径损耗近似为单次散射路径损耗，以便于理论分析。目前，单次散射路径损耗的准确理论表达式包含三重积分，模型比较复杂，且没有闭合表达式，不利于紫外光非视距通信系统分析、规划和设计。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，针对实际应用场景，根据紫外光非视距通信系统的发送端束散角和接收端视场角的大小关系，分情况讨论了路径损耗的计算方法。并将发送端光束与接收端视场的交叠区域近似成一摞圆盘子，从而简化了路径损耗的积分表达式。采用Gauss-Legendre求积方法，进一步得到了路径损耗的闭合表达式。为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，表达式为：其中，PL即路径损耗(pathloss)。路径损耗的计算是通信系统设计第一步，得到单次散射路径损耗后，在实际工程中，可针对不同发射机与接收机的几何设置(包括发射机与接收机的方位角，倾斜角，以及它们之间的间隔距离)，估计接收端可以收到的紫外光能量，从而得到接收端的信噪比。此外，本专利技术提出的单次散射路径损耗的近似计算方法相比现有的精确模型简单，容易定性分析与定量计算路径损耗与发射机和接收机之间几何设置的关系，且计算复杂度低，计算效率高，从而有利于针对紫外光非视距通信系统的实际情况进行合适且有效的通信信号处理设计以及通信协议的规划。与现有技术相比，本专利技术近似计算方法更加简单，计算复杂度低，但精度更高。附图说明图1是紫外光通信系统非视距链路的单次散射示意图。图2是Tx光束的束散角小于等于Rx视场的视场角时的近似模型示意图。图3是Tx光束的束散角大于Rx视场的视场角时的近似模型示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。本专利技术提出了一种新的紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，可以大幅度提高计算效率，并且保证计算精度。如图1所示，紫外光系统包含一个发射机Tx，位于坐标(0,r,0)的位置，以及一个接收机Rx，位于坐标原点。同时假设Tx所发出的光束(Beam)与Rx的视场(FOV)均为一个圆锥，Tx所发出的光束轴线指向的单位方向向量：μT＝[sinθTcosφT,sinθTsinφT,cosθT](1)Rx的视场轴线指向的单位方向向量：μR＝[sinθRcosφR,sinθRsinφR,cosθR](2)θT表示光束轴线的倾斜角，θR表示视场轴线的倾斜角，角度方向从z轴正方向到轴线。φT表示光束轴线的方位角，φR表示视场轴线的方位角，角度方向从x轴正方向顺时针到轴线在xy平面中的投影。βT和βR分别表示Tx光束的束散角和Rx视场的视场角。假设在Tx光束与Rx视场交叠区域内存在一个散射单元Ps，包裹该散射单元的体积为dv，则接收机处单位面积的能量微元可以写成：其中，Qt表示发射机的能量；ks表示大气散射系数；ke表示大气消光系数；r1为从Tx到散射单元的向量，其模长为r1＝|r1|；同理，r2为从散射单元到Rx的向量，其模长为r2＝|r2|；ΩT表示光束的立体角，定义为2π[1-cos(βT/2)]；θs为散射偏转角，其余弦值定义为P(μ)为散射相函数；ζ为散射单元到Rx的连线与Rx轴线之间的夹角，其余弦值定义为下面分成两种情况讨论：1、当Tx光束的束散角βT小于等于Rx视场的视场角βR，即βT≤βR：认为整个Tx的光束与Rx视场交叠的体积近似成由一摞圆形的薄盘子构成的圆柱体，每个薄盘子垂直于Tx轴线，如图2所示，则ds和dr1为积分微元形式，ds表示圆柱体截面积，dr1表示圆柱体高度；且假设每个薄盘子上具有相同的μ和C，故μ和C仅与r1有关，并结合(4)式，(3)可以进一步写成则接收机处的总能量可以写成其中：此时，r1和r2可以分别写成r1＝[r1sinθTcosφT,r1sinθTsinφT,r1cosθT](7)r2＝-r-r1＝[-r1sinθTcosφT,-r-r1sinθTsinφT,-r1cosθT](8)其中，r＝|r|，r为r的模长，r为Rx到Tx的向量。下一步就是确定r1的积分上下限Tx轴线的参数方程：Rx视场的圆锥曲面方程可以写成：将(9)带入(10)，并化简后有：解(11)式便可以得到Tx轴线与FOV圆锥曲面的交点。由于要求Tx的轴线必须在FOV内，保证Tx轴线与FOV圆锥曲面有两个交点。令：保证Tx轴线与FOV圆锥曲面有两个交点即要求：并且a1≠0。则可以解得r1的解集则：r1min＝min(R1)(14)r1max＝max(R1)(15)由Gauss-Legendre求积公式，(6)式可以写成如下闭合表达式：其中tk为n次Legendre多项式第k个零点，wk为对应的求积系数，可以写成：P′n(tk)表示Pn(t)的一阶导数在tk处的值，t为Pn(t)的输入项，即自变量。2、Tx光束的束散角大于Rx视场的视场角(βT＞βR)认为整个Tx的光束与Rx视场交叠的体积近似成是由一摞圆形的薄盘子构成的圆柱体，每个薄盘子垂直于Rx轴线，如图3所示，则dr2表示圆柱体高度；同时，由于FOV较窄，可近似认为每个薄盘子到Rx的连线与Rx轴重合，即另外，假设每个薄盘到Rx的散射角都相等，则μ仅与r2有关。则(3)式可以写成：所以，接收机处能收到的总能量可以写成其中此时，r1和r2可以分别写成r2＝[-r2sinθRcosφR,-r2sinθRsinφR,-r2cosθR](21)r1＝-r2-r＝[-r2sinθRcosφR,-r2sinθRsinφR-r,-r2cosθR](22)下一步就是确定积分上下界Rx轴线的参数方程：Tx光束的圆锥曲面的方程将(23)带入(24)，Rx轴线与Tx光束的圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，紫外光通信系统包含一个位于坐标(0,r,0)的发射机Tx和一个位于坐标原点的接收机Rx，Tx所发出的光束与Rx的视场均为一个圆锥，Tx所发出的光束轴线指向的单位方向向量为μ

【技术特征摘要】
1.一种紫外光通信非视距链路中单次散射路径损耗的近似计算方法，紫外光通信系统包含一个位于坐标(0,r,0)的发射机Tx和一个位于坐标原点的接收机Rx，Tx所发出的光束与Rx的视场均为一个圆锥，Tx所发出的光束轴线指向的单位方向向量为μT：
μT＝[sinθTcosφT,sinθTsinφT,cosθT]
Rx的视场轴线指向的单位方向向量为μR：
μR＝[sinθRcosφR,sinθRsinφR,cosθR]
θT表示光束轴线的倾斜角，θR表示视场轴线的倾斜角，角度方向从z轴正方向到轴线；φT表示光束轴线的方位角，φR表示视场轴线的方位角，角度方向从x轴正方向顺时针到轴线在xy平面中的投影；
其特征在于，所述近似计算的表达式为：



其中，PL表示路径损耗(pathloss)，βT为Tx光束的束散角，βR为Rx视场的视场角；r1为r1的模长，r1＝|r1|，r1为从Tx到散射单元的向量，r2为r2的模长，r2＝|r2|，r2为从散射单元到Rx的向量；tk为n次Legendre多项式第k个零点，wk为对应的求积系数，Pn′(tk)表示Pn(t)的一阶导数在tk处的值，t为Pn(t)的输入项，即自变量；



ks表示大气散射系数；ke表示大气消光系数；ΩT表示光束的立体角，定义为2π[1-cos(βT/2)]；θs为散射偏转角，其余弦...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹天，张洪明，宋健，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11