基于光散射的复合信道模型建立方法技术

本公开是关于一种基于光散射的复合信道模型建立方法。该方法包括：建立光源模型和接收端模型，根据光源模型通过抽样确定光子的初始位置和初始散射方向；建立水下信道散射模型和水下信道随机气泡散射模型；通过逐步设置随机步长对光子进行散射追踪，每次设置随机步长后，判断散射过程中光子是否到达气泡，未到达时，在水下信道散射模型下确定光子新的位置、散射方向和第一权重；到达时，光子在气泡内进行多次折射和反射，对反射的光子通过逐步设置随机步长进行散射追踪，对折射的光子计算其折射后的第二权重；对光源模型中的各光子进行散射追踪，当所有光子达到第一终止条件或第二终止条件终止时，得到复合信道光散射仿真模型。得到复合信道光散射仿真模型。得到复合信道光散射仿真模型。

【技术实现步骤摘要】
基于光散射的复合信道模型建立方法


[0001]本公开涉及水下无线光通信
，尤其涉及一种基于光散射的 复合信道模型建立方法。

技术介绍

[0002]随着海洋资源开发需求的不断增长，水下无线光通信(Underwateroptical wireless communication，UOWC)受到了越来越多的关注，然而 UOWC面临的主要问题为：光子在信道中散射时，不可避免的与水中的粒 子相互作用而产生吸收和散射，严重的削弱了信号能量并导致多径效应， 此外，海洋湍流、气泡、生物运动等也会影响光信号的传输，这些不良的 影响将增加UOWC系统的复杂性。气泡是UOWC仿真中不可回避的仿真 因素之一，水下气泡的光学特性主要是指气泡群对光产生散射、吸收折射 等现象。
[0003]相关技术中，对液体中气泡的光学特性的研究主要由试验和模拟组成， 由于试验存在试验操作复杂，成本高和试验环境单一等问题，对气泡的仿 真也是浮于表面的。而气泡的数值模拟主要分为两类，一类仅仅将气泡作 为遮挡模型进行计算，然而光子在通过气泡后仍有部分光会从气泡中散射 出来，因此该类方法较低的估计了接收端光强；另一类是从声学、光学和 电磁学入手分析单气泡的散射特性，常用的方法为几何光学近似 (Geometrical Optical Approximation，GOA)、有限差分时域(FDTD)、边 界元法等，上述方法的气泡模型主要针对单气泡的光学特性进行分析，而 自然界中气泡会以“群”的方式存在，针对气泡群时上述方法计算复杂且 难度较大。
[0004]因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者 多个问题。
[0005]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公 开背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有 技术的信息。

技术实现思路

[0006]本公开的目的在于提供一种基于光散射的复合信道模型建立方法， 进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或 者多个问题。
[0007]根据本公开实施例，提供一种基于光散射的复合信道模型建立方法， 包括：
[0008]建立光源模型和接收端模型，根据所述光源模型通过抽样确定光子 的初始位置和初始散射方向；
[0009]建立水下信道散射模型，所述水下信道散射模型包括：信道长度、 海水吸收参数、海水散射参数、第一消亡权重阈值；
[0010]建立水下信道随机气泡散射模型，所述水下信道随机气泡散射模型 包括气泡数量、气泡位置、气泡尺寸、第二消亡权重阈值；
[0011]通过逐步设置随机步长对所述光子进行散射追踪，每次设置随机步 长后，判断散射过程中所述光子是否到达气泡；
[0012]当所述光子未到达气泡时，在水下信道散射模型下确定所述光子新 的位置、散射
[0026]根据所述初始方位角和初始散射角θ0得到所述光子的初始散射方 向
[0027]本公开的实施例中，当所述光源为点光源时，通过抽样确定光子的 初始位置和初始散射方向的方法包括：
[0028]在笛卡尔坐标系中，确定光子的初始位置(x0,y0,z0)：
[0029]生成随机数r
a
和r
b
，所述r
a
∈(0,1)，r
b
∈(
‑
1,1)；
[0030]根据随机数r
a
和r
b
生成所述光子的初始方位角和初始散射角 [0031]根据所述初始方位角和初始散射角θ0得到所述光子的初始散射方 向
[0032]本公开的实施例中，在水下信道散射模型下通过HG函数、TTHG 函数、FF函数、SS函数、Haltrin回归相函数中的一种确定所述光子新的 散射方向。
[0033]本公开的实施例中，所述第一终止条件为：满足第一权重小于等于 第一消亡权重阈值、光子到达接收端、光子无法到达接收端、光子消亡 中的任一种；
[0034]所述第二终止条件为：满足第二权重小于等于第二消亡权重阈值。
[0035]本公开的实施例中，通过逐步设置随机步长对所述光子进行散射追 踪时，所述随机步长的确定方法为：
[0036]建立步长函数：p(s)＝1
‑
e
‑
s
；
[0037]设定随机数R(R∈[0.1])，使得p(s)＝R，则s＝
‑
ln(R)
‑
ln(1)＝
‑
ln(R)；
[0038]光子在海水中的随机步长为：其中，c为海水衰减系数， c＝a+b，a为海水吸收参数、b为海水散射参数。
[0039]本公开的实施例中，判断散射过程中所述光子是否到达气泡的方法 为：
[0040]获得气泡球心的位置[a
i
,b
i
]和半径S
r
；
[0041]当所述光子通过所述气泡球心所在平面时，获取所述光子在所述气 泡球心所在平面的位置：[x
i
,y
i
]；
[0042]计算所述光子距所述气泡球心的距离：
[0043]判断D的大小，当D大于S
r
时，所述光子未到达所述气泡，当D 小于等于S
r
时，则所述光子到达气泡。
[0044]本公开的实施例中，当所述光子进入时，所述光子在气泡内进行多 次折射和反射，对所述反射的光子通过逐步设置随机步长进行散射追踪， 对所述折射的光子计算其折射后的第二权重的方法，包括：
[0045]当所述光子到达所述气泡时，判断所述光子是否与所述气泡有两个 交点；
[0046]判断所述光子的入射角θ
i
，当θ
i
≥arcsin(n
bubble
/n
water
)时，所述光子全反 射，不会进入气泡内，其中，n
bubble
为气泡折射率，n
water
为海水折射率；
[0047]当所述光子与所述气泡有两个交点且入射角θ
i
<arcsin(n
bubble
/n
water
)时光 子进入气泡内进行多次反射和折射；
[0048]反射的光子进入水下信道散射模型，通过逐步设置随机步长对所述 反射的光子进行散射追踪
[0049]每次折射后对所述折射的光子计算其折射后的第二权重。
[0050]本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0051]本公开的一种实施例中，通过上述基于光散射的复合信道模型建立 方法，将气泡的散射模型和海水信道的散射模型相结合，建立一种仿真 的复合信道模型，该复合模型合理考虑了光子在气泡中的散射，得到的 复合信道模型更加的接近真实。
[0052]应当理解的是，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光散射的复合信道模型建立方法，其特征在于，包括：建立光源模型和接收端模型，根据所述光源模型通过抽样确定光子的初始位置和初始散射方向；建立水下信道散射模型，所述水下信道散射模型包括：信道长度、海水吸收参数、海水散射参数、第一消亡权重阈值；建立水下信道随机气泡散射模型，所述水下信道随机气泡散射模型包括气泡数量、气泡位置、气泡尺寸、第二消亡权重阈值；通过逐步设置随机步长对所述光子进行散射追踪，每次设置随机步长后，判断散射过程中所述光子是否到达气泡；当所述光子未到达气泡时，在水下信道散射模型下确定所述光子新的位置、散射方向和第一权重；当所述光子到达气泡时，判断所述光子是否进入所述气泡，当所述光子进入时，所述光子在气泡内进行多次折射和反射，对所述反射的光子通过逐步设置随机步长进行散射追踪，对所述折射的光子计算其折射后的第二权重；追踪过程中，每次设置随机步长追踪后对所述光子进行评估，当评估光子在水下信道散射模型下达到第一终止条件时，或当评估光子在水下信道随机气泡散射模型下达到第二终止条件时，终止对光子的追踪；对光源模型中的各光子进行散射追踪，当所有光子达到第一终止条件或第二终止条件终止时，得到复合信道光散射仿真模型。2.根据权利要求1所述基于光散射的复合信道模型建立方法，其特征在于，所述光源模型为高斯光源模型、或平顶光源模型、或点光源模型。3.根据权利要求2所述基于光散射的复合信道模型建立方法，其特征在于，当所述光源为高斯光源时，通过抽样确定光子的初始位置和初始散射方向的方法包括：生成随机数r
a
和r
b
，所述r
a
和r
b
的取值范围为[0,1]；根据随机数r
a
和r
b
生成所述光子的初始方位角和初始散射角其中，λ为高斯光源光的波长，ω0为高斯光源光束的束腰半径；在笛卡尔坐标系下，确定所述光子的随机径向距离r0，r0为光子到坐标原点的距离：其中，r
c
为随机数，取值范围为[0,1]；根据初始方位角初始散射角θ0和随机径向距离r0得到所述光子的初始坐标(x0,y0,z0)：和初始散射方向和初始散射方向4.根据权利要求2所述基于光散射的复合信道模型建立方法，其特征在于，当所述光源为平顶光源时，通过抽样确定光子的初始位置和初始散射方向的方法包括：在笛卡尔坐标系中，根据平顶光源发射端的大小m
×
n，确定初始坐标(x0,y0,z0)：
其中，r为随机数取值范围为(
‑
1,1)；生成随机数r
a
和r
b
，所述r
a
∈(0,1)，r
b
∈(
‑
1,1)；根据随机数r
a
和r
b
生成所述光子的初始方位角和初始散射角根据所述初始方位角和初始散射角θ0得到所述光子的初始散射方向5.根据权利要求2所述基于光散射的复合信道模型建立方法，其特征在于，当所述光源为点光源时，通过抽样确定光子的初始位置和初始散射方向的方法包括：在笛卡尔坐标系中，确定光子的初始位置(x0,y0,z0)：生成随机数r
a
和r
b

【专利技术属性】
技术研发人员：张建磊，寇琳琳，朱云周，杨祎，贺锋涛，王晓波，
申请(专利权)人：西安精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：