本发明专利技术公开了一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，基于坐标变换技术的，接收机平面相对于入射光轴存在一定倾斜角且具FOV的UWOC系统信道特性Monte Carlo仿真方法。该方法借助平面解析几何中“坐标旋转”的思想，构造光子的等价对称收发体系，即在原非对称坐标系中发射光子，却通过坐标旋转方法将光子的判决转换到新的对称坐标系中进行的方法，本方法可以巧妙地解决上述无法精准判决的问题。本发明专利技术提供了UWOC系统Monte Carlo信道特性的快速、准确的计算方法，弥补了传统仿真算法的不足。
【技术实现步骤摘要】
一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法
本专利技术涉及一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，属于无线光通信
技术介绍
近年来随着无线通信技术的快速发展和各国对海洋资源探索的日渐深入，人们对水下高速、可靠无线通信的需求越来越迫切。在此背景之下，水下无线光通信(UnderwaterWirelessOpticalCommunication，UWOC)以其远较传统水声和短距离射频通信的高传输速率、大带宽、低延迟等巨大优势而吸引了众多科研工作者的关注，并逐渐成为无线通信领域新的研究热点与技术探索前沿。在UWOC系统众多亟待解决的技术问题中，海洋环境下无线光通信信道的模拟就是这么一个重要且迫切的难点，该问题的有效解决将对UWOC系统接收机的设计、乃至整个物理层的性能评估产生重要影响。基于模拟光子在传输介质中的吸收与散射运动轨迹的蒙特卡洛数值仿真方法(MonteCarloNumericalSimulation，MCNS)，是一种近年来才开始广泛运用于海洋等水下环境进行UWOC系统信道传输特性模拟的有效方法。其基本原理即把光源发出的光束在海水中的传输，看成是由众多光子在水中沿传输方向进行前向或后向运动的物理过程。由于这些光子在传输时不可避免地与水中的诸如叶绿素、无机盐等微粒发生碰撞，进而呈现出不同程度的散射和吸收的情况，故而于接收端通过统计这些接收光子的数量、损耗、运动路径等信息即可得到包括信道冲激响应、相对接收强度等关键信道特征。据调研，传统的基于MonteCarlo方法来研究UWOC系统信道特性的论文，基本上只考虑了接收机与发射机位于同一光轴，且接收平面垂直于入射光方向的所谓“对准”情形(见图1a)；而对于“不对准”的情形，则设置接收机和发射光束中心之间存在一定的水平位置偏移(见图1b)，但接收平面仍然垂直于发射光束主轴。这样设置的好处，一是判决光子是否到达接收机平面比较容易；二是，也就是最关键的优势是，当接收机存在一定接收视场角FOV时，由于接收机接收面的对称性，从碰撞点的方向余弦简单反变换求得的光子与Z轴的夹角即可判断光子是否落在FOV范围内。然而，实际的接收机极有可能相对于入射光轴是倾斜的，甚至带有一定的接收视场角FOV(如图3所示)。在这种情形下进行传统MonteCarlo信道特性仿真时就会碰到一个问题，即无法准确判断接收光子是否已经到达接收平面，以及是否落在FOV内。这是因为倾斜后的接收机圆平面上的各点相对于发射平面的距离不再是固定值，尤其是当接收机的FOV值不是180度时，入射光子的入射方向与接收机FOV中线之间的夹角不再满足对称性，将会令传统的通过计算光子与发射轴亦即Z轴方向余弦的方法失效。又据我们调研，不论是早期研究已经比较深入的陆地无线光通信(WOC)还是近年来新兴的UWOC系统，其采用MonteCarlo法仿真信道特性时所涉及的文献中，都没有提到对这一接收面倾斜且具FOV特点的接收机进行仿真的具体方法。因此，有必要提出一个简便且准确的算法来刻画这一接收模型，进而获得研究或实验所需要的UWOC系统信道特性。事实上，该问题之所以难以建模的根本原因在于，接收机平面发生倾斜后的UWOC收发系统是空间不对称的。所以，如何对接收机平面发生倾斜后的UWOC系统信道特性进行仿真，就成为本领域技术人员急需要解决的技术问题。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，基于坐标变换技术的，接收机平面相对于入射光轴存在一定倾斜角且具FOV的UWOC系统信道特性MonteCarlo仿真方法。该方法借助平面解析几何中“坐标旋转”的思想，构造光子的等价对称收发体系，即在原非对称坐标系中发射光子，却通过坐标旋转方法将光子的判决转换到新的对称坐标系中进行的方法，本方法可以巧妙地解决上述无法精准判决的问题。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，包括如下步骤：步骤1：对原空间直角坐标轴x1-y1-z1平移、旋转，形成新坐标系x3-y3-z3，使得在新坐标系下UWOC收发系统呈对称性；步骤2：利用MonteCarlo仿真平台产生于x1-y1发射平面上的初始单个光子坐标(Xpre,Ypre,Zpre)，然后随机生成该光子发生碰撞与散射后的运动步长；步骤3：在原坐标系x1-y1-z1下根据初始散射极角θ0与初始散射方位角φ0来计算光子发生第1次碰撞与散射的初始方向余弦ηx1、ηy1、ηz1；光子后续发生第k+1次碰撞与散射的方向余弦ηxk+1、ηyk+1、ηzk+1，则需要根据第k次碰撞与散射的方向余弦ηxk、ηyk、ηzk来求得；同时结合ηxk、ηyk、ηzk和第k次的步长来计算光子第k次碰撞与散射后的原坐标系下的坐标(Xk',Yk',Zk')，k取大于等于1；步骤4：更新第k次碰撞与散射后该光子的权重，判断其是否大于门限值，若大于则跳到步骤5，否则抛弃该光子，返回步骤2；步骤5：将光子第k次碰撞与散射后的坐标连带该光子的方向余弦、以及接收平面Z轴距离，经坐标变换算法变换到对称的新坐标系x3-y3-z3下；步骤6：在新坐标系x3-y3-z3下，根据光子新坐标判断光子的位置是否已到达新坐标轴下的接收面，未到达则k+1返回步骤3；若到达，则进一步在新坐标系下判断其有无落在接收机孔径内，以及根据光子z轴方向余弦值uz3反解求出的入射极角是否在接收机FOV内，若以上条件均满足则判决光子被正确接收，否则就停止追踪该光子；步骤7：重复执行步骤2～6以仿真剩余的光子；步骤8：统计接收的光子总重量，根据光子总重量求得用以表征UWOC系统信道特征的接收强度值。作为优选方案，所述步骤1具体步骤如下：将初始坐标系x1-y1-z1沿y1轴正方向平移z'tanβ单位形成以o2为原点的新坐标系x2-y2-z2；z'为x1-y1-z1中接收机和发射光源之间链路距离，β代表接收机平面与X-Y平面之间的夹角；o2为接收机平面中心点所对准的垂直直线与y1轴的交点；再以x2为旋转轴，在y1-z1平面内将y2-z2坐标轴逆时针旋转β角得到x3-y3-z3坐标系。作为优选方案，所述第k次碰撞与散射后光子的权重计算公式如下：式中，Wpre表示光子散射前的权重，Wpost表示散射后的权重，1-a(λ)/c(λ)表示光子在海水中的单次散射反照率，a(λ)是吸收系数，c(λ)＝a(λ)+b(λ)，λ是光束波长，b(λ)是散射系数。作为优选方案，光子的随机的运动步长计算公式为：式中，c(λ)是海水的衰减系数，λ是光束波长，ξ取(0，1)之间均匀分布的随机数。作为优选方案，根据光子运动第k步的X、Y、Z轴方向余弦ηxk、ηyk、ηzk，光子后续发生第k+1次碰撞与散射的方向余弦ηxk+1、ηyk+1、ηzk+1的计算公式如下：当本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1：对原空间直角坐标轴x
【技术特征摘要】
1.一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对原空间直角坐标轴x1-y1-z1平移、旋转，形成新坐标系x3-y3-z3，使得在新坐标系下UWOC收发系统呈对称性；
步骤2：利用MonteCarlo仿真平台产生于x1-y1发射平面上的初始单个光子坐标(Xpre,Ypre,Zpre)，然后随机生成该光子发生碰撞与散射后的运动步长；
步骤3：在原坐标系x1-y1-z1下根据初始散射极角θ0与初始散射方位角φ0来计算光子发生第1次碰撞与散射的初始方向余弦ηx1、ηy1、ηz1；光子后续发生第k+1次碰撞与散射的方向余弦ηxk+1、ηyk+1、ηzk+1，则需要根据第k次碰撞与散射的方向余弦ηxk、ηyk、ηzk来求得；同时结合ηxk、ηyk、ηzk和第k次的步长来计算光子第k次碰撞与散射后的原坐标系下的坐标(Xk',Yk',Zk')，k取大于等于1；
步骤4：更新第k次碰撞与散射后该光子的权重，判断其是否大于门限值，若大于则跳到步骤5，否则抛弃该光子，返回步骤2；
步骤5：将光子第k次碰撞与散射后的坐标连带该光子的方向余弦、以及接收平面Z轴距离，经坐标变换算法变换到对称的新坐标系x3-y3-z3下；
步骤6：在新坐标系x3-y3-z3下，根据光子新坐标判断光子的位置是否已到达新坐标轴下的接收面，未到达则k+1返回步骤3；若到达，则进一步在新坐标系下判断其有无落在接收机孔径内，以及根据光子z轴方向余弦值uz3反解求出的入射极角是否在接收机FOV内，若以上条件均满足则判决光子被正确接收，否则就停止追踪该光子；
步骤7：重复执行步骤2～6以仿真剩余的光子；
步骤8：统计接收的光子总重量，根据光子总重量求得用以表征UWOC系统信道特征的接收强度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，其特征在于：所述步骤1具体步骤如下：
将初始坐标系x1-y1-z1沿y1轴正方向平移z'tanβ单位形成以o2为原点的新坐标系x2-y2-z2；z'为x1-y1-z1中接收机和发射光源之间链路距离，β代表接收机平面与X-Y平面之间的夹角；o2为接收机平面中心点所对准的垂直直线与y1轴的交点；
再以x2为旋转轴，在y1-z1平面内将y2-z2坐标轴逆时针旋转β角得到x3-y3-z3坐标系。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，其特征在于：所述第k次碰撞与散射后光子的权重计算公式如下：
【专利技术属性】
技术研发人员：史宏强，李岳衡，黄平，刘陕陕，谭跃跃，居美艳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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