CN111756440A - 无线紫外光非视距通信网络的连通方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无线紫外光非视距通信网络的连通方法，根据发射光束发散角、接收视场角和发送接收角度不同所形成的重叠散射区域特性，采用UV‑NLOS通信方式，UV‑NLOS通信采用定向发送‑定向接收类通信方式。本发明主要阐述了空间角度对无线紫外光非视距(UV‑NLOS)通信系统连通概率的影响，采用NLOS类通信方式时，收发仰角均为小角度时，网络连通时性能参数更佳，采用PPM调制方式网络连通效率更高，定向发送‑定向接收场景下，收发端仰角均为小角度时各网络连通效果更好。

Description

无线紫外光非视距通信网络的连通方法
技术领域
本发明涉及一种无线紫外光非视距通信网络的连通方法。
背景技术
紫外光通信是无线通信与光通信相结合的一种较新的通信技术，以光为载体，并不通过任何有形实体介质进行信息传输，在现有几种解决“最后一公里”问题的技术中有很大的优势。
紫外光通信分为视距和非视距两种工作模式。其紫外光通信还具有低窃听、低位辨、全方位和抗干扰能力强等优点。近年针对紫外光通信网络的连通性研究也很多，主要是在固定网络收发端装置的仰角条件下研究网络连通概率，但是为了更好地确保网络的连通性，随时调整收发端仰角来调整网络的连通效果尤为重要。因此，研究紫外光通信中使网络处于连通状态时网络性能参数变化的规律是很有必要的。
发明内容
为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种网络连通效果好的无线紫外光非视距通信网络的连通方法。
本发明提供如下技术方案：
无线紫外光非视距通信网络的连通方法，根据发射光束发散角、接收视场角和发送接收角度不同所形成的重叠散射区域特性，采用UV-NLOS通信方式，UV-NLOS通信采用定向发送-定向接收类通信方式。
A为网络覆盖面积，设节点密度为ρ，节点传输距离为r0，节点的数目为n，节点密度ρ＝n/A，则紫外光多跳通信网络的连通概率P为
Figure BDA0002609659190000021
在一个多跳紫外光网络中，每个节点的最小节点度(dmin≥k)的概率为：
Figure BDA0002609659190000022
当任意两个节点之间都有路径时，网络是连通的，同样，当任意两个节点之间存在k个相互独立的路径，网络就是k-连通的(k≥1)，k＝1是紫外光网络连通的最低要求，因此以k＝1为基础进行研究，即
P(G is connected)=P(dmin≥1) (3)。
在无线紫外光多跳通信网络中，节点的度d(u)是和该节点相连接的边的条数，孤立节点的节点度为空节点度，网络的最小节点度用dmin表示，网络中任意一对节点之间都有路径，网络就是全连通的。
在无线紫外光通信过程中，网络节点覆盖范围取决于调制和编码方式，采用PPM调制方式，节点覆盖范围为：
Figure BDA0002609659190000023
其中，M为码长，λ为波长；ζ为光电倍增管的响应；ηPMT为光电倍增管量子效率，η＝ηPMT·ηf，其中ηPMT＝0.3，ηf为光学滤波器效率；
Pt为发送功率；Rb为数据传输效率；Pe为误码率。
根据不同θ1和θ2角度下的α和ζ的值，α和ζ影响着网络节点所能达到的覆盖范围r0，并由式(1)可知，其影响网络连通的概率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要阐述了空间角度对无线紫外光非视距(UV-NLOS)通信系统连通概率的影响，采用NLOS类通信方式时，收发仰角均为小角度时，网络连通时性能参数更佳，采用PPM调制方式网络连通效率更高，定向发送-定向接收场景下，收发端仰角均为小角度时各网络连通效果更好。
附图说明
图1为本发明定向发送-定向接收类通信方式示意图。
图2为本发明NLOS通信系统信道模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明的无线紫外光非视距通信网络的连通方法，根据发射光束发散角、接收视场角和发送接收角度不同所形成的重叠散射区域特性，采用UV-NLOS通信方式，UV-NLOS通信采用定向发送-定向接收类通信方式，
图2所示，NLOS通信系统信道模型，其中TX为发送端，RX为接收端，φ1为发散角，θ1为发送仰角，φ2为视场角，θ2为接收仰角，V为有效散射体，r为通信距离，r1和r2分别为发送端到有效散射的距离和有效散射体到接收端的距离。TX在φ1和θ1范围内向空间发射光信号，光信号在有效散射体内散射后，RX以φ2和θ2进行光信号接收。
在无线紫外光多跳通信网络中，节点的度d(u)是和该节点相连接的边的条数(即在其范围内的邻节点的数目)，孤立节点的节点度为空节点度，网络的最小节点度用dmin表示。网络中任意一对节点之间都有路径，网络就是全连通的。
A为网络覆盖面积，当网络完全连通时节点密度越小，网络覆盖面积越大。设节点密度为ρ，节点传输距离为r0，节点的数目为n，节点密度ρ＝n/A，则紫外光多跳通信网络的连通概率P为
Figure BDA0002609659190000041
在一个多跳紫外光网络中，每个节点的最小节点度(dmin≥k)的概率为：
Figure BDA0002609659190000042
当任意两个节点之间都有路径时，网络是连通的。同样，当任意两个节点之间存在k个相互独立的路径，网络就是k-连通的(k≥1)。k＝1是紫外光网络连通的最低要求，因此以k＝1为基础进行研究，即
P(G is connected)＝P(dmin≥1) (3)。
在无线紫外光通信过程中，网络节点覆盖范围取决于调制和编码方式，采用PPM调制方式，节点覆盖范围为：
Figure BDA0002609659190000051
其中，M为码长，λ为波长，λ＝250m；ζ为光电倍增管的响应，ξ＝62A/W；ηPMT为光电倍增管量子效率，η＝ηPMT·ηf，其中ηPMT＝0.3，ηf为光学滤波器效率，ηf＝0.15；Pt为发送功率；Rb为数据传输效率；Pe为误码率，Pe＝10-6。
α和ζ的值取决于发送端发散角φ1、发送仰角θ1、接收端视场角φ2、接收仰角θ2。
由于发送端仰角θ1和接收端仰角θ2发生变化而使有效散射体体积以及网络节点传输距离发生变化，进而使路径损耗发生变化。根据不同θ1和θ2角度下的α和ζ的值，α和ζ影响着网络节点所能达到的覆盖范围r0，并由式(1)可知，其影响网络连通的概率。当网络连通概率为1时，网络处于连通状态。
本文研究角度范围内，θ1与θ2均为20°时，网络连通所能达到的网络节点覆盖范围r0最大，数据传输速率Rb最大，所需发送功率Pt最小，节点密度ρ也最小，即网络利用率较高。
在紫外光通信中，影响网络连通性的主要性能参数有噪声模型、节点密度、发送功率和误码率等。
本发明主要阐述了空间角度对无线紫外光非视距(UV-NLOS)通信系统连通概率的影响，采用NLOS类通信方式时，收发仰角均为小角度时，网络连通时性能参数更佳，采用PPM调制方式网络连通效率更高，定向发送-定向接收场景下，收发端仰角均为小角度时各网络连通效果更好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.无线紫外光非视距通信网络的连通方法，其特征在于：根据发射光束发散角、接收视场角和发送接收角度不同所形成的重叠散射区域特性，采用UV-NLOS通信方式，UV-NLOS通信采用定向发送-定向接收类通信方式。
2.根据权利要求1所述的无线紫外光非视距通信网络的连通方法，其特征在于：A为网络覆盖面积，设节点密度为ρ，节点传输距离为r0，节点的数目为n，节点密度ρ＝n/A，则紫外光多跳通信网络的连通概率P为
Figure FDA0002609659180000011
在一个多跳紫外光网络中，每个节点的最小节点度(dmin≥k)的概率为：
Figure FDA0002609659180000012
当任意两个节点之间都有路径时，网络是连通的，同样，当任意两个节点之间存在k个相互独立的路径，网络就是k－连通的(k≥1)，k＝1是紫外光网络连通的最低要求，因此以k＝1为基础进行研究，即
P(G is connected)＝P(dmin≥1) (3)。
3.根据权利要求2所述的无线紫外光非视距通信网络的连通方法，其特征在于：在无线紫外光多跳通信网络中，节点的度d(u)是和该节点相连接的边的条数，孤立节点的节点度为空节点度，网络的最小节点度用dmin表示，网络中任意一对节点之间都有路径，网络就是全连通的。
4.根据权利要求2所述的无线紫外光非视距通信网络的连通方法，其特征在于：在无线紫外光通信过程中，网络节点覆盖范围取决于调制和编码方式，采用PPM调制方式，节点覆盖范围为：
Figure FDA0002609659180000021
其中，M为码长，λ为波长；ζ为光电倍增管的响应；ηPMT为光电倍增管量子效率，η＝ηPMT·ηf，其中ηPMT＝0.3,ηf为光学滤波器效率；
Pt为发送功率；Rb为数据传输效率；Pe为误码率。
5.根据权利要求2所述的无线紫外光非视距通信网络的连通方法，其特征在于：根据不同θ1和θ2角度下的α和ζ的值，α和ζ影响着网络节点所能达到的覆盖范围r0，并由式(1)可知，其影响网络连通的概率。
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