CN113078957A - 一种基于空间坐标变换技术的uwoc系统信道特征mcns方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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(UnderwaterWireless Optical Communication，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(Monte Carlo Numerical Simulation，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Monte Carlo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Monte Carlo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Monte Carlo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。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明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。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

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Monte Carlo仿真平台产生于x₁-y₁发射平面上的初始单个光子坐标(X_pre,Y_pre,Z_pre)，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ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1，则需要根据第k次碰撞与散射的方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k来求得；同时结合ηx_k、ηy_k、ηz_k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(X_k',Y_k',Z_k')，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u_z3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，W_pre表示光子散射前的权重，W_post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ηx_k、ηy_k、ηz_k，光子后续发生第k+1次碰撞与散射的方向余弦ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1的计算公式如下：

当|ηz_k|≤第一阈值时，光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角；

当|ηz_k|＞第一阈值时，光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角，sign(*)为符号函数。

作为优选方案，光子第k次碰撞与散射后的原坐标系下的坐标(X_k',Y_k',Z_k')计算公式如下：

式中，(X_k-1',Y_k-1',Z_k-1')为原始坐标系中光子发生第k-1次散射后的位置坐标，l为光子的随机的运动步长，ηx_k、ηy_k、ηz_k为第k次碰撞与散射的方向余弦。

作为优选方案，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，其结果计算公式如下：

光子第k次碰撞与散射后的坐标(X_k',Y_k',Z_k')在新坐标系x₃-y₃-z₃下的坐标值计算公式如下：

其中，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；

光子第k次碰撞与散射后的方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k在新坐标系x₃-y₃-z₃下的方向余弦计算公式如下：

接收平面Z轴距离在新坐标系x₃-y₃-z₃下的坐标值计算公式如下：

z″＝z′/cosβ。

有益效果：本发明提供的一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，通过坐标变换将原不对称结构的UWOC系统构造成对称UWOC收发系统，从而获得信道特性的精确仿真结果。

本发明涉及水下无线光通信(UWOC)系统接收信号强度蒙特卡洛(Monte Carlo)数值仿真问题。具体而言则是，针对接收机平面相对于入射光轴的法平面存在一定的倾斜角、且接收机存在不同接收视场角(FOV)的特殊应用环境，提出了一种适合于该场景的接收强度Monte Carlo估算方法，弥补了现有方法无法适用于该情形进行仿真的缺陷。

本发明从根本上解决了传统方法中因接收机倾斜且带视场角FOV时，系统结构不对称导致的无法准确判决光子接收状态这一关键性问题。相比于传统的接收机平面相对于光轴无有倾斜、带或不带FOV的接收机模型，该方法能够完成更符合实际环境的，亦即带FOV约束的接收机可能处于倾斜情况下的，UWOC系统Monte Carlo信道特性的快速、准确计算，弥补了传统仿真算法的不足。

附图说明

图1分别为收发机“对准”和“不对准”两种场景下的示意图；

图2为本发明方法的流程示意图；

图3分别为“对准”和“不对准”两种场景下接收面发生倾斜时坐标变换示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

本文采用三维笛卡尔坐标系来构建收发系统，此外我们假设该系统位于清澈海洋水质环境。不失一般性，我们假设光子初始发射平面为X-Y平面，光束沿Z轴正方向传输，单个光子的初始重量为1，光子的权重门限值为10^-4。

如图2-3所示，一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法，即在原收发系统非对称的空间直角坐标系x₁-y₁-z₁下模拟光子的碰撞与散射运动过程，然后将每一步的光子运动结果经坐标变换技术变换到新的收发系统对称的空间直角坐标系x₃-y₃-z₃下来判断光子是否满足运动终止条件、是否被接收机正确接收，最终统计接收的光子总重量以求得用以表征UWOC系统信道特征的接收强度值。其具体实现方法包括如下步骤：

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Monte Carlo仿真平台产生于x₁-y₁发射平面上的初始单个光子坐标(X_pre,Y_pre,Z_pre)，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ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1，则需要根据第k次碰撞与散射的方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k来求得；同时结合ηx_k、ηy_k、ηz_k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(X_k',Y_k',Z_k')，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(需保持光子移动方向不变)、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u_z3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。

具体而言，所述步骤2中x₁-y₁发射平面上的初始单个光子坐标计算公式为：

上式中，φ₀为光子的初始散射方位角，φ₀＝2π·rnd1，

为半径采样值，其中rnd1、rnd2皆为0～1之间均匀分布的随机数，w₀为波束宽度。

所述步骤3中原坐标系x₁-y₁-z₁下光子运动后的方向余弦，获取步骤如下：

光子运动第一步的初始全局方向余弦计算公式为：

其中：ηx₁、ηy₁、ηz₁分别为光子X、Y、Z轴方向的初始方向余弦；θ₀为光子的散射极角，即为光子散射后的新方向与原来方向之间的夹角。

当判断光子没有到达接收平面同时光子的权重又大于阈值时，需要继续追踪光子的散射，需要随机产生一个运动步长、本地散射极角θ和本地散射方位角φ。

之后，需要根据光子运动第k步的X、Y、Z轴方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k的大小来更新光子第k+1步全局方向余弦ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1,k取大于1的自然数。

当|ηz_k|≤0.99999时，即前一跳光子偏离Z轴运动，发生散射现象，此时产生的散射角和方位角都是基于前一跳光子的运动方向，那光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角。

当|ηz_k|＞0.99999时，即前一跳光子是几乎沿着Z轴运动的，那光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角，sign(*)为符号函数。

所述步骤3中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是海水中光波长，ξ取(0，1)之间均匀分布的随机数。

所述步骤3中在原始坐标系中光子发生散射后坐标更新公式为：

式中，(X_k',Y_k',Z_k')为原始坐标系中光子发生第k次散射后的位置坐标，(X_k+1',Y_k+1',Z_k+1')为原始坐标系中光子发生第k+1次散射后的坐标。

所述步骤5中光子碰撞后的权重的计算公式为：

式中，W_pre表示光子散射前的权重，W_post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，即散射与总损耗之比，在清澈海洋水质环境下该值为0.5333。其中，a(λ)是吸收系数，满足等式c(λ)＝a(λ)+b(λ)，λ是光束波长，b(λ)是散射系数。

借助图3，我们首先完成光子坐标和方向余弦在“新-旧”坐标系下转换公式的推导。假设初始坐标系x₁-y₁-z₁中接收机和发射光源是互相对准的，它们之间的链路距离为z'；由于海底活动的存在，接收机平面发生倾斜，接收机平面的倾斜角记为β，β代表接收机平面与X-Y平面之间的夹角，接收机平面中心点所对准的垂直直线与y₁轴的交点记为o₂，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，不难得到此时的平移坐标变换公式为

式中，(X₂,Y₂,Z₂)为原始坐标系中的点(X₁,Y₁,Z₁)在新坐标系x₂-y₂-z₂下的坐标值。

随后，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，此时z₃轴的正方向正好对准接收机平面，在x₃-y₃-z₃坐标系中收发机的链路距离变为z'/cosβ。为求出最终的旋转坐标变换表达式，先求出x₃、y₃、z₃轴的正方向在x₂-y₂-z₂坐标系下的单位坐标向量，分别记为

继而x₃-y₃-z₃与x₂-y₂-z₂乃至x₁-y₁-z₁之间旋转坐标变换公式为

上式中，(X₃,Y₃,Z₃)为初始坐标系x₁-y₁-z₁中的点(X₁,Y₁,Z₁)在最终平移和旋转后新坐标系x₃-y₃-z₃下的坐标值。

故而公式(10)即为光子坐标的变换公式，其完成了坐标点值从原始坐标轴x₁-y₁-z₁到最终坐标轴x₃-y₃-z₃的映射。

此外，光子方向余弦的变换亦与上式类似。不过需要特别注意的是，必须保持光子的移动方向在坐标变换前后是一致的，而不是简单地将其向量坐标套用公式进行坐标映射。下面对光子方向余弦的坐标转换流程加以说明。

如图3所示，我们记某一光子在原始坐标系x₁-y₁-z₁下发生碰撞后碰撞点的方向余弦为(u_x1,u_y1,u_z1)。首先将其平移至以o₁为初始点的方向矢量，在原始坐标系下其起点坐标为(0,0,0)，而矢量终点坐标为(u_x1,u_y1,u_z1)；注意此时若直接对该方向余弦值进行公式(10)的坐标转换则会导致光子的移动方向发生改变，因而需将方向余弦矢量先沿y₁轴正方向平移z'tanβ单位，使得光子的方向矢量起点变为o₃，该矢量起点在原始坐标系下的坐标为(0,z'tanβ,0)，而矢量终点坐标变为(u_x1,u_y1+z'tanβ,u_z1)，这时再对该矢量的终点坐标值进行公式(10)的坐标变换就不会改变光子的下一步方向。由以上分析不难求出光子的方向余弦的坐标变换公式为：

式中，(u_x3,u_y3,u_z3)为光子原始坐标系中的方向余弦(u_x1,u_y1,u_z1)在x₃-y₃-z₃新坐标系下的坐标。

考虑到实际水下环境中海底地震、海洋湍流的存在，使得具FOV特点的接收机不可避免地出现倾斜，对于这一可能发生的情形，我们若使用传统蒙特卡洛仿真方法进行研究则会无法精准判决光子有无被接收机正确接收，继而对后续基于此的UWOC系统信道特征建模的有效性产生极大的影响。

针对这一难点，目前尚未有公开文献对此进行研究分析。本文基于平面解析几何中“坐标变换”的思想来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，但却通过坐标变换方法将光子的判决转换到新的对称坐标系中进行，从而可以巧妙地解决上述问题，同时还完善了UWOC系统信道建模体系，为后续诸如系统误码率、信道容量等性能分析环节奠定了基础。

基于坐标变换技术的UWOC系统信道特性Monte Carlo仿真算法流程：

(1)对原坐标轴进行平移，旋转，使得新坐标轴下收发系统呈对称；

(2)于原坐标系下产生位于初始发射平面上光子的坐标(X_pre,Y_pre,Z_pre)；

(3)在原坐标系下随机生成光子的下一步方向余弦(u_x1,u_y1,u_z1)以及光子步长；

(4)计算出光子移动后于原坐标轴下的坐标(X₁,Y₁,Z₁)，并将光子坐标连同方向余弦变换到新坐标系下分别得(X₃,Y₃,Z₃)，(u_x3,u_y3,u_z3)；

(5)更新光子重量并判断其是否大于门限值，若大于则继续步骤6，否则抛弃该光子；

(6)将光子新坐标系下的z轴坐标值Z₃与新坐标轴下接收面z轴距离z'/cosβ进行比较，判断光子有无超出倾斜的接收面，超过则继续步骤7，未到达则存储相关数据并重复执行步骤3～6；

(7)对于越过接收面的光子，计算其原坐标系下最后碰撞点(如果是一步穿越就是初始发射点)的坐标于新坐标系的变换坐标，并与最终(X₃,Y₃,Z₃)联立求得光子运动直线与接收面相交的交点，判断其有无落在接收机孔径范围内，在孔径内则继续步骤8，否则停止追踪该光子；

(8)根据光子新坐标系下的z轴方向余弦值u_z3反解求出入射极角，继而判断其是否在接收机FOV内，在FOV内则该光子最终被正确接收，并保存相应数据，否则抛弃该光子；

(9)迭代剩余的光子，重复执行步骤2～8。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

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Monte Carlo仿真平台产生于x₁-y₁发射平面上的初始单个光子坐标(X_pre,Y_pre,Z_pre)，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ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1，则需要根据第k次碰撞与散射的方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k来求得；同时结合ηx_k、ηy_k、ηz_k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(X_k',Y_k',Z_k')，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u_z3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：

式中，W_pre表示光子散射前的权重，W_post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。

4.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：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。

5.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：根据光子运动第k步的X、Y、Z轴方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k，光子后续发生第k+1次碰撞与散射的方向余弦ηx_k+1、ηy_k+1、ηz_k+1的计算公式如下：

当|ηz_k|≤第一阈值时，光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角；

当|ηz_k|＞第一阈值时，光子下一步的方向余弦计算公式如下：

其中，θ为本地散射极角，φ为本地散射方位角，sign(*)为符号函数。

6.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：光子第k次碰撞与散射后的原坐标系下的坐标(X_k',Y_k',Z_k')计算公式如下：

式中，(X_k-1',Y_k-1',Z_k-1')为原始坐标系中光子发生第k-1次散射后的位置坐标，l为光子的随机的运动步长，ηx_k、ηy_k、ηz_k为第k次碰撞与散射的方向余弦。

7.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：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，其结果计算公式如下：

光子第k次碰撞与散射后的坐标(X_k',Y_k',Z_k')在新坐标系x₃-y₃-z₃下的坐标值计算公式如下：

其中，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；

光子第k次碰撞与散射后的方向余弦ηx_k、ηy_k、ηz_k在新坐标系x₃-y₃-z₃下的方向余弦计算公式如下：

接收平面Z轴距离在新坐标系x₃-y₃-z₃下的坐标值计算公式如下：

z″＝z′/cosβ。

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