CN112187357A

CN112187357A - 基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法和系统

Info

Publication number: CN112187357A
Application number: CN202010966182.3A
Authority: CN
Inventors: 马建设; 山涛; 苏萍; 沈赞秋
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-01-05

Abstract

本发明提供一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法和系统。该方法包括：初始化区域的光子接收概率分布矩阵；根据发射端光源的辐射强度分布采样产生具有确定初始发射方向的模拟光子；根据模拟光子在介质中自由传输的距离分布采样得到各模拟光子单次运动的距离，并根据各模拟光子的初始发射方向得到各模拟光子发生散射的位置；在散射位置处，根据散射相函数和各模拟光子初始的运动方向采样得到各模拟光子经过散射之后的运动方向；根据散射后模拟光子的运动情况判断是否更新光子接收概率分布矩阵。本发明考虑多次散射在全向通信中的影响，并且考虑光子在整个区域内的接收情况，提高了全向通信模型的精度并简化了信道估计的流程。

Description

基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法和系统

技术领域

本发明涉及无线光通信信道建模技术领域，尤其涉及一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法和系统。

背景技术

深紫外光是指波长范围在200～280nm内的紫外光，由于大气中的臭氧层对于该波段范围内的紫外光有强烈的吸收作用，因此该波段在近地面具有极低的环境噪声。同时得益于大气颗粒和气溶胶对紫外光波的强烈散射，使得短距离的非视距两点通信以及全向通信成为可能。在大气强烈散射和吸收作用下，紫外光功率随传播距离迅速衰减，因此深紫外通信不易被窃听，保密性良好。此外，由于深紫外通信是建立在大气散射的基础之上，因此恶劣天气状况对深紫外通信性能的影响较小，甚至有利于通信性能的提高。所以，深紫外通信在军事领域和民用领域都具有广泛的应用前景。

但是，在现有技术中，深紫外通信信道建模主要集中在两点间通信的场景下，对于全向范围内的通信信道缺乏直接的信道分析模型。直接利用两点通信的模型在区域内进行逐点扫描的方式需要大量的运算资源和仿真时间。如何准确确定某种收发几何结构下的区域内光信号功率的分布情况，以及在某种路径损耗下的实际通信覆盖范围，已经成为了深紫外通信信道模型的关键点和盲区。

因此开发一种深紫外的全向通信信道模型，对于实际通信系统的搭建具有重要的指导意义，并能够为紫外通信网络中的子节点的分布设计提供重要基础。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法和系统，用于非视距散射光通信信道的精确建模。

根据本发明的第一方面，提供了一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模的方法。该方法包括：

初始化区域的光子接收概率分布矩阵，允许接收端位于区域内的任意位置并设置接收端指向发射端所在的竖轴；

根据发射端光源的辐射强度分布采样产生具有确定初始发射方向的模拟光子；

根据模拟光子在介质中自由传输的距离分布采样得到各模拟光子单次运动的距离，并根据各模拟光子的初始发射方向得到各模拟光子发生散射的位置；

在散射位置处，根据散射相函数和各模拟光子初始的运动方向采样得到各模拟光子经过散射之后的运动方向；

根据散射后模拟光子的运动情况判断是否更新所述光子接收概率分布矩阵。

在一个实施例中，在散射阶次和/或光子的存活概率满足设置条件的情况下，对一模拟光子执行以下步骤：

根据光子在介质中自由传输的距离分布采样得到该模拟光子单次运动的距离，进而根据该模拟光子的初始发射方向得到该模拟光子第一次发生散射的位置；

在散射位置处，根据散射相函数和该模拟光子的初始的运动方向采样得到该模拟光子经过散射之后的运动方向；

若散射后光子向地面运动，并且光子的空间位置位于预抵达位置的接收端的视场之内，则更新代表预抵达位置所属子区域的接收概率分布矩阵元素。

在一个实施例中，所述散射阶次用于限定光子单次行进距离的采样和光子散射角度的采样的迭代次数。

在一个实施例中,将所述模拟光子的数量设置为亿次的数量级。

在一个实施例中，所述光子接收概率分布矩阵每一个元素代表相应子区域内的任意位置两点传输通信信道的信号功率衰减程度。

在一个实施例中，所述散射相函数包括瑞利散射和米氏散射。

根据本发明的第二方面，提供一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模的系统。该系统包括：

发射模块：用于根据发射端光源的辐射强度分布采样产生具有确定初始发射方向的模拟光子；

传输模块：用于根据模拟光子在介质中自由传输的距离分布采样得到各模拟光子单次运动的距离，并根据各模拟光子的初始发射方向得到各模拟光子发生散射的位置；以及在散射位置处，根据散射相函数和各模拟光子初始的运动方向采样得到各模拟光子经过散射之后的运动方向；

接收模块：用于根据散射后模拟光子的运动情况判断是否更新光子接收概率分布矩阵。

与现有技术相对，本发明的优点在于：所提供的基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法，通过对大量光子在整个区域内接收过程的模拟，可以得到在整个区域内不同位置接收光功率的变化，得到光信号功率的区域分布，降低了紫外全向信道建模方法的复杂度，减少了计算量，简化了分析流程。此外，由于考虑了多次散射的情景，也提高了全向通信模型的准确性。利用本发明推导出的通信有效覆盖面积是紫外通信组网中的重要基础和前提，并且能够为紫外系统的搭建提供定量的指导性建议。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的深紫外全向通信模式的几何结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法的仿真流程图；

附图中，1-发射端；2-接收端。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模的技术方案，用于分析深紫外全向通信的信道特性和光信号功率的分布。

对于全向通信系统，接收端在水平方向上实现全向接收，且具有一定垂直方向的视场，而发射端在水平各向上均匀，参见图1示意的深紫外全向通信模式的几何结构。

在一个实施例中，本发明提供的一种深紫外全向通信信道建模系统包括：发射模块(或称光子的发射模块)、传输模块(或称光子在介质中传输和散射模块)和接收模块。

发射模块用于根据实际的发射端(光源)的辐射强度分布，在仿真中产生符合发射端特性的模拟光子群。

传输模块用于根据光子在介质中自由传输的距离分布采样得到各模拟光子单次运动的距离，同时结合初始发射方向可以得到各光子发生散射的位置，通过对散射相函数进行采样，再根据某模拟光子抵达散射位置的原方向，得到散射之后光子的新运动方向。

接收模块用于接收经传输和散射后的光子。例如，首先判决光子散射后的运动方向是否指向地面，若指向地面则再判断光子是否在预抵达位置的接收端的视场之内。若光子在接收端视场之内，则计算光子经过自由传播抵达接收端的概率，利用此概率的值更新代表预抵达位置所属子区域的矩阵元素。

在本发明实施例中，若一个光子经历了m次散射抵达接收端，则意味着此光子经历了传输模块m次。此外，本发明还引入光子存活概率的概念，每次光子经历过散射之后，其存活概率都会降低，当存活概率低于某个存活概率的阈值或者散射次数达到设定上限之后，则终止此光子的散射流程，开始下一个光子的模拟。经过N个光子(N为亿的数量级)的模拟之后，即可以得到在全向通信场景中整个区域内的光信号功率分布。如果限定某种接收端的光信号功率的接收阈值，可以得到此种接收端的在全向通信中的有效使用范围，即全向通信系统的有效覆盖面积。

应理解的是，本发明提供的深紫外全向通信信道建模系统中的各模块可采用软件或专用硬件实现，并且模块的划分方式不限于上述实施例，在实现本发明功能的前提下，本领域技术人员可作适当变型或改变。

另一方面，本发明还提供一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模方法，参见图2并结合图3所示，具体包括以下步骤：

步骤S210，初始化光子的接收概率分布矩阵、散射阶次和光子的存活概率。

例如，初始化区域的光子接收概率分布矩阵，获取发射端光源以及接收端的参数，允许接收端位于区域内的任意位置，且默认接收端指向发射端所在的竖轴。

接收概率分布矩阵每一个元素代表了相应子区域内的任意位置两点之间传输通信信道的信号功率衰减程度，即路径损耗。其中，仿真覆盖区域的范围和分辨率决定了分布矩阵的初始化。

在一个实施例中，接收概率分布矩阵是否更新需要满足两个判决，包括光子运动方向的判决和光子所在位置的判决。

在此步骤中，初始化过程还包括初始化散射阶次和光子存活概率等。例如，将散射阶次初始化为0，将光子存活概率初始化为1。

散射阶次的定义体现在光子单次行进距离的采样和光子散射角度的采样的迭代次数，例如，一次距离采样加一次散射角度采样为一次散射。

光子的存活概率与光子经历的散射次数相关，光子经历的散射次数越多，其存活概率越低。

步骤S220，按照发射端光源的辐射强度分布采样产生大量具有确定初始发射方向的模拟光子。

例如，首先产生一个光子，按照对发射端光源的辐射强度分布进行采样，随机产生光子的发射方向。

在本发明实施例中，模拟光子的产生和接收同时考虑收发端的几何结构，例如俯仰角和发散角(视场角)，接收端默认指向发射端所在的竖轴。

步骤S230，根据光子在介质中自由传输的距离分布采样得到各模拟光子单次运动的距离，并综合初始发射方向得到各光子发生散射的位置。

步骤S240，在散射位置处，根据散射相函数和各光子初始的运动方向采样得到各光子经过散射之后的运动方向。

在全向通信信道建模中，考虑光子在介质中多次散射的效应，并可以调整光子的散射阶次。光子在介质中的散射考虑瑞利散射和米氏散射，散射相函数例如是瑞利散射和米氏散射两者的组合。

步骤S250，判断是否更新光子的接收概率。

对于经过一次或多次散射，被接收端检测接收的光子，根据其运动方向情况和预抵达位置情况判断是否更新光子的接收概率。

具体地，在散射位置处，根据散射相函数和各光子初始的运动方向采样得到光子经过散射之后的运动方向；若散射后光子向地面运动，并且光子的空间位置位于预抵达位置的接收端的视场之内，则更新代表预抵达位置所属子区域的矩阵元素。

步骤S260，更新光子的存活概率。

经过一次散射之后，更新光子的存活概率。例如，光子的存活概率与光子经历的散射次数负相关。

接下来，光子进入第二次散射，继续光子在介质中传输和散射的运算。直到光子的存活概率小于阈值或光子的散射次数达到了设定的上限。

根据上述步骤(仿真过程可参加图3所示)，经过大量光子(5亿)的模拟后，能够得到光信号功率在区域内的分布矩阵。将模拟光子数设置为亿次的数量级，能够提高覆盖区域的面积和子区域的分辨率。

综上所述，本发明针对非视距散射光通信场景进行全向通信信道建模，考虑了多次散射在深紫外全向通信中的影响，并且直接考虑了光子在整个区域内的接收情况，从而显著提高了全向通信模型的精度并简化了全向通信信道估计的流程。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模的方法，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在散射阶次和/或光子的存活概率满足设置条件的情况下，对一模拟光子执行以下步骤：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述散射阶次用于限定光子单次行进距离的采样和光子散射角度的采样的迭代次数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于,将所述模拟光子的数量设置为亿次的数量级。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光子接收概率分布矩阵每一个元素代表相应子区域内的任意位置两点传输通信信道的信号功率衰减程度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散射相函数包括瑞利散射和米氏散射。

7.一种基于蒙特卡洛方法的深紫外全向通信信道建模的系统，包括：

8.一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。