无线紫外光通信技术与应用 科学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

无线光通信是一种新型的通信技术，同时具有光纤通信和移动通信的优势。光的直线传播使无线光通信的应用范围受到了一定的，而"日盲"紫外光可以利用大气散射实现非直视通信，能够有效克服其他无线光通信的不足。针对无线紫外光通信传输衰减大和发射功率受限等问题，可以采用多跳中继的组网通信方式以更低的发射功率获得同样的覆盖范围，因而具有较强的应用价值。本书详细分析了"日盲"紫外光通信的散射链路特性，研究无线紫外光路径损耗模型，对紫外光通信中的分集接收技术进行了分析和讨论，采用蒙特卡洛方法仿真紫外光通信基本原理，提出紫外光通信系统设计方案，研究直升机助降中无线紫外光引导方法和装甲编队中无线紫外光隐秘通信技术。

目录

前言

第1章 无线紫外光通信理论基础 1

1.1 无线紫外光通信 1

1.2 无线紫外光通信的研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 无线紫外光通信原理 5

1.3.1 无线紫外光散射通信 5

1.3.2 无线紫外光通信方式 8

1.3.3 无线紫外光通信技术 10

1.4 无线紫外光组网通信的关键技术 13

1.4.1 无线Mesh网络结构 13

1.4.2 无线紫外光通信链路性能与信道带宽 14

1.4.3 无线紫外光通信节点模型 15

1.4.4 无线紫外光分集接收技术 16

参考文献 18

第2章 无线紫外光大气散射信道特性分析 21

2.1 无线“日盲”紫外光 21

2.2 大气的特点 22

2.3 大气信道中影响无线紫外光通信的主要因素 22

2.3.1 大气吸收 23

2.3.2 大气散射 24

2.4 基于LOWTRAN的大气无线紫外光传输特性仿真与分析 27

2.5 无线紫外光单次散射覆盖范围模型 33

2.5.1 NLOS方式的覆盖范围 33

2.5.2 LOS方式的覆盖范围 39

参考文献 39

第3章 无线紫外光通信散射信道模型 41

3.1 共面单次散射传输模型 41

3.2 非共面单次散射传输模型 45

3.2.1 基于椭球坐标系的非共面单次散射信道模型 45

3.2.2 基于球面坐标系的非共面单次散射信道模型 50

3.3 基于蒙特卡罗方法非共面多次散射信道模型 53

3.3.1 蒙特卡罗光子轨迹直接模拟法 54

3.3.2 蒙特卡罗光子轨迹指向概率法 56

3.3.3 蒙特卡罗方法下脉冲响应的仿真 60

3.4 基于蒙特卡罗方法脉冲展宽效应研究 60

3.4.1 多次散射对脉冲展宽的影响 61

3.4.2 收发仰角对脉冲展宽的影响 64

3.5 采用蒙特卡罗方法研究非直视无线紫外光通信的覆盖范围 78

3.5.1 无线紫外光散射覆盖范围蒙特卡罗方法模拟 78

3.5.2 基于蒙特卡罗的无线紫外光非直视散射覆盖范围分析 79

参考文献 86

第4章 不同大气环境下无线紫外光信道特性分析 88

4.1 晴朗天气下无线紫外光通信系统性能分析 88

4.1.1 路径损耗分析 88

4.1.2 脉冲响应分析 90

4.1.3 系统3dB 带宽 93

4.1.4 信道容量仿真预测 95

4.1.5 无线紫外光通信可行性实验分析 97

4.2 大气湍流对无线紫外光通信性能的影响 98

4.2.1 大气湍流理论介绍 99

4.2.2 高斯光束模型与性能分析 104

4.2.3 短距离无线紫外光通信在弱湍流下的性能分析 107

参考文献 110

第5章 无线紫外光网络通信链路性能分析 112

5.1 无线紫外光非直视通信链路间干扰 112

5.1.1 无线紫外光路径损耗模型 112

5.1.2 无线紫外光通信的误码率 115

5.1.3 无线紫外光通信的信噪比 118

5.1.4 无线紫外光非直视通信链路间干扰模型 118

5.2 角度感知的无线紫外光通信模型 121

5.2.1 研究背景 121

5.2.2 角度感知的无线紫外光通信节点模型 122

5.2.3 角度感知的无线紫外光通信性能分析 127

参考文献 132

第6章 无线紫外光网络接入协议 134

6.1 无线紫外光非直视通信定向MAC协议 134

6.1.1 网络假设与模型 134

6.1.2 UV-NLOS-DMAC协议描述 136

6.1.3 UV-NLOS-DMAC协议仿真结果与分析 138

6.2 无线紫外光多信道接入协议 142

6.2.1 研究背景 142

6.2.2 多信道的MAC协议及问题 143

6.2.3 无线紫外光非直视多信道多接口通信模型 144

6.2.4 无线紫外光非直视多信道多接口通信仿真与分析 147

参考文献 160

第7章 无线紫外光通信系统设计与实现 161

7.1 发送端的设计与实现 161

7.1.1 光源的选择 161

7.1.2 调制驱动电路设计 164

7.2 接收端的设计与实现 164

7.2.1 滤光片的选择 165

7.2.2 光电探测器的选取 166

7.2.3 接收端的电路设计 167

7.3 PPM调制系统的FPGA设计 167

7.4 无线紫外光通信实验结果与性能分析 169

7.4.1 无线紫外光语音通信实验与结果分析 169

7.4.2 无线紫外光数据通信实验与结果分析 171

7.4.3 无线紫外光PPM调制系统实验与结果分析 177

7.5 无线紫外光大气传输性能实验 181

7.5.1 无线紫外光大气传输性能实验硬件平台 182

7.5.2 实验条件及方法验证 182

7.5.3 收发端共面情形下的实验结果及分析 184

7.5.4 非共面路径损耗实验结果及分析 186

参考文献 192

第8章 直升机助降中无线紫外光引导方法 193

8.1 无线“日盲”紫外光直升机引导方法 193

8.1.1 计算参数的获取 194

8.1.2 在直升机降落中风对无线紫外光通信性能的影响 195

8.1.3 无线“日盲”紫外光直升机降落调整方法 196

8.2 直升机起降中无线紫外光ULC-LT码引导方法研究 199

8.2.1 无线紫外光辅助起降 199

8.2.2 ULC-LT码 202

8.2.3 直升机辅助起降无线紫外光通信传输策略 205

8.2.4 仿真结果分析 207

8.3 分步式UEP-LT码研究 212

8.3.1 非均等数据保护的LT码 212

8.3.2 SUEP-LT码编码方法及步骤 216

8.3.3 仿真结果分析 219

参考文献 225

第9章 装甲编队中无线紫外光隐秘组网通信技术 227

9.1 无线紫外光组网通信节点的设计 227

9.2 无线紫外光节点定位通信实施方案 228

9.3 组网节点间无线紫外光收发装置的捕获、对准和跟踪 231

9.3.1 捕获、对准和跟踪的定义 231

9.3.2 实现主从节点捕获、对准和跟踪的方法 231

9.3.3 捕获性能仿真分析 235

9.4 无线紫外光移动自组网链路间的干扰 236

9.4.1 多条链路间干扰模型 236

9.4.2 仿真分析 238

9.5 无线紫外光移动自组网节点间的定位方法 246

参考文献 248

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    靠前章 无线紫外光通信理论基础

    通信技术在人们的日常生活中是很好重要的。通信的优选目标是实现任何人、任何时间、任何地方以任何通信方式的通信。在地形地貌比较复杂的场合，传统的无线通信和有线通信方式已经不能满足军事通信的需求。随着信息科技的发展，为了更好地满足战争需要，各国都在寻找更新颖、更隐蔽、更安全和抗干扰能力更强的通信方式。无线紫外光通信就是在这种需求下产生的。早在20世纪五六十年代，人们就开始研究紫外光探测技术[1]。紫外光火灾侦测技术、紫外光消毒技术、紫外光防伪技术等被应用于民用和军事领域[2]。紫外光学技术在军事上还有其独特的应用，主要有紫外光通信、紫外告警、紫外侦查和紫外制导等[3]。利用无线紫外光进行通信是近些年才开始的。根据紫外光本身的一些物理效应和环境的特点，主要将其应用在军事通信上。

    目前的通信方式主要有无线通信、有线通信、光纤通信和微波通信等[4]。这些通信方式在军事通信中起到了很好重要的作用，但同时也存在些许不足。无线电波和微波通信易于被窃.听、干扰和破坏，也不适合“无线电寂静”的情景。有线和光纤通信需要铺设相应的线路，在通信时不能灵活、机动和快速反应，在军事通信和战场中，极易受到破坏。光纤通信的优点是传输容量大且保密性能好，目前多用于民用通信，它的缺点是机动性差、建设难并且容易遭到破坏[3]。虽然无线激光通信具有很多优点，但也存在一些问题，无线激光通信要求发送端和接收端在进行通信时严格对准，在很好复杂的环境中，通信系统的性能会受到严重的影响。无线紫外光通信具有非直视通信、抗干扰能力强和全天候工作等优点，能够在复杂的通信环境中传播信息，因此受到了人们的重视，已经成为军事通信的一个研究热点。

    1.1 无线紫外光通信

    紫外光是电磁波谱中波长为10～400nm辐射的总称，如图1.1所示。根据波长的变化，将紫外光分为以下四个波段：近紫外，NUV（315～400nm）；中紫外，MUV（200～315nm）；远紫外，FUV（100～200nm）；超紫外，EUV（10～100nm）。波长小于200nm的紫外辐射强烈地被大气中的臭氧吸收，因此只适用于真空条件下的研究与应用，故被称为真空紫外。波长高于280nm的波段，由于辐射太强，多数光学系统性能受到；而波长低于200nm的波段，氧气分子的强吸收作用导致传输严重受限，无法进行通信。因此，无线紫外光通信常指利用中紫外波段（UVC，200～280nm）进行通信。

    图1.1 紫外光光谱图[5]

    无线紫外光通信是一种新型的通信模式，是利用紫外光在大气信道中的散射进行信息传输的。无线“日盲”紫外光通信的原理如图1.2所示。200～280nm波段的太阳辐射被大气平流层的臭氧分子强烈吸收，因此在近地太阳光谱中几乎没有该波段的紫外光，该波段被称为“日盲”波段。利用“日盲”波段的紫外光进行通信时，背景噪声比较小，具有较强的抗干扰能力，并且能进行全天候工作。由于大气中存在大量的大气分子、悬浮颗粒等粒子，紫外光信号在传输过程中存在很强的散射现象，该散射特性能够使无线紫外光通信系统以非直视（non-line-ofsight，NLOS）方式传输紫外光信号，从而能适应复杂环境下的通信。

    图1.2 无线“日盲”紫外光通信原理图

    无线紫外光通信是通过信号在大气中的散射进行通信的，和其他通信方式相比，无线紫外光通信有如下优点[6]。

    窃.听率低：由于大气分子、悬浮颗粒等粒子的散射和吸收作用，紫外光信号在传输过程中的能量衰减很快，信号强度按照指数的规律衰减。信号场强的指数衰减是与通信距离有关的函数。换句话说，若一个无线紫外通信系统的通信距离是2km，那么在2km之外就探测不到紫外光信号，从而可以根据距离的要求调整通信系统的发送功率，敌方就不易截获紫外光信号。

    位辨率低：一方面，紫外光用肉眼很难看到，因此在通信时，难以用肉眼找到发射光源的位置；另一方面，无线紫外光通信是一种散射通信，因此难以从散射信号中判别信号源的位置。

    抗干扰能力强：无线紫外光通信采用“日盲”波段的紫外光作为信息传输的载体，由于臭氧分子对太阳光中该波段紫外光的强烈吸收，近地低空大气中该波段的光谱很少，因此通信环境可以近似为无背景噪声环境。无线紫外光在大气中的衰减极大，因此敌方不能采用传统意义上的干扰方式对我方进行干扰。

    非直视通信：由于大气分子对无线紫外光信号的散射作用，信号可以通过散射的形式到达接收端，从而可以绕过障碍物通过NLOS方式进行信息传播。无线紫外光通信的非直视特性克服了其他自由空间光通信必须工作在直视（line-of-sight，LOS）方式的弱点。

    多方面全天候工作：无线紫外光不仅可以进行定向通信，也可以通过散射的形式进行非直视通信，从而能够应用在复杂的地形并能绕过山丘和楼宇等障碍物。由于气候和地形地貌的变化，可见光、红外等通信方式的性能受到很大的，但对于无线紫外光通信来说，在复杂多变的地貌或者气候恶劣的条件下都可以顺利进行通信。一般采用200～280nm的波长范围进行无线紫外光通信，地表在这个波段的辐射少，因此日光对通信系统的影响很好小，可以不分昼夜地进行工作。

    无需捕获、瞄准和跟踪：无线紫外光通过散射进行信息传输，发送端以某一角度发射信号，接收端以某一角度接收信号，发送端和接收端在空间会形成一个共同的区域称为有效散射体，信号经过有效散射体的散射后到达接收端。因此，只要接收端在发送端的覆盖范围之内，接收端就可以接收到无线紫外光信号。

    无线紫外光非直视通信适合应用在有障碍物、隐蔽性强和作战环境复杂的场合。因此，世界各大军事强国都很好重视无线紫外光通信系统的研究。

    1.2 无线紫外光通信的研究现状

    1.2.1 国外研究现状

    国外对无线紫外光通信的研究起步比较早，1939年美国就研究了紫外光源、探测器和滤光片的性能。在此后的五六十年间，美国在无线紫外光通信领域的研究取得了很大的进步。1960年，美国海军开始在无线紫外光通信方面进行相关研究。1965年，Koller[7]对紫外光的辐射特性进行了研究。

    1968年，麻省理工学院的学术论文中研究了26km范围内的无线紫外光通信大气散射链路模型，实验的紫外光源采用大功率氙灯，光电探测器采用光电倍增管[8]。

    1985～1986年，美国的Geller等[6]研制了一套无线“日盲”紫外光短距离通信系统，该通信系统可工作在直视和非直视两种方式下。1985年时通信速率为1200bit/s，1986年将通信速率提高到了2400bit/s，误码率小于10-5，直视和非直视的通信距离分别达到了3km和1km。

    2004年，英国BAE系统公司建立了基于无线“日盲”紫外光非直视通信的无人值守地面传感器网络，在通信距离为几百米范围内，通信速率为几百kbit/s，误码率小于10-7[9]。

    2009年，以色列大学研究了无线紫外光波段分别为520nm和270nm的海下通信[10]，在比较清洁的海水和通信速率为100Mbit/s的条件下，两个紫外波段分别实现了通信距离为170m和10m的通信。

    2010年，美国加利福尼亚大学的徐正元团队研究了室外无线紫外光通信网络的接入协议[11]。

    2011年，希腊雅典大学的Vavoulas等仿真分析了无线紫外光多跳网络中孤立节点的概率[12]，同时分析了无线紫外光网络的连通性问题[13]。

    2012年，加拿大麦克马斯特大学的Kashani等研究了基于LEDs的无线通信中串行链路和并行链路中继的优化位置，分析了中继链路数和信道参数的差异对系统性能的影响[14]。

    2013年，美国弗吉尼亚大学的Noshad等[15]采用M阵列的光谱幅度编码方法研究了无线紫外光非直视通信，接收端采用双光电倍增管，研究了数据率和距离的关系。

    1.2.2 靠前研究现状

    靠前对无线紫外光通信的研究起步比较晚，目前的研究大部分还处在理论探讨阶段。靠前对无线紫外光通信的研究主要如下。

    1999年，北京理工大学以低压充气汞灯为发射光源，实现了无线紫外光非直视通信。实验表明，通信距离在500m之内的通信效果良好。

    2005年，国防科学技术大学以低压碘灯为发射光源，研制了一套无线紫外光非直视通信系统实验样机。该样机可以在通信距离为8m内实现语音和高速率通信，通信速率优选达到了48kbit/s[16]。

    2007年，重庆大学研制出了无线紫外光通信系统，其通信距离达到了50m，通信速率达到了1200bit/s[17]。

    2011年，西安理工大学以紫外光LED为光源，实现了点到点的语音和图像通信。同年，国防科学技术大学研究了障碍物对无线紫外光非直视通信链路的影响[18]。

    2012年，北京邮电大学团队将分集接收技术应用在无线紫外光通信系统中，为提高系统的信道容量、传输速率和传输距离提供了有效的方法[19]。2013年，该团队建立了蒙特卡罗仿真模型，通过实验达到了良好的效果[20]。

    2013年，重庆通信学院研究了基于多输入多输出和空时编码技术的无线紫外光通信系统模型，使无线紫外光通信系统的传输性能得到了提高[21]。

    除此之外，电子科技大学、西安光学精密机械研究所和西安电子科技大学等也对无线紫外光通信进行了相关研究。

    1.3 无线紫外光通信原理

    无线紫外光通信具有可以实现非直视通信方式、全天候多方面工作、抗干扰能力强等优点。体积小、费用低、重量轻、可靠性高的无线紫外光电器件的出现，使无线紫外光通信逐渐成为当前无线光网络的一个研究热点。

    1.3.1 无线紫外光散射通信

    无线紫外光信号在信道中经过大气中多种微粒的散射很终到达接收端。接收端接收到的能量大小与多个因素有关，包括大气对光波的散射特性、发送仰角、接收仰角、发送光源的发散角和接收视场角等。此外，无线紫外光信号的传输伴随着多径传输现象，若在发送端和接收端之间光子仅被散射一次，则称为单次散射通信；若发生两次或两次以上散射，则称为多次散射通信。

    1．无线紫外光单次散射通信

    在无线紫外光通信中，紫外光子经过大气的吸收和散射作用很终被接收端接收。紫外光子经过一次散射到达接收端的通信称为单次散射，如图1.3所示。Tx为发送端，Rx为接收端，为发送仰角，为接收仰角，为发送端的发散角，为接收视场角，V为有效散射体，为有效散射体的微分元，为有效散射体微元和接收端的连线与接收光轴的夹角。

    图1.3 无线紫外光单次散射通信链路

    在t=0时刻，发送端以发射功率tE发送无线紫外光信号，信号经过微分元V散射后，接收端接收到的能量为[22]

    （1.1）

    式中，rA是接收孔径的面积；是大气信道衰减系数且是吸收系数，是大气的散射系数；是发送立体角；P(u)是散射相函数[23]。

    为了简化计算模型，假定有效散射体的体积足够小，则接收端的总能量为

    （1.2）

    式中，V为有效散射体的体积。实验光源采用LED[24]，光源的发散角通常比较小，有效散射体的体积近似为两个圆锥体的体积之差，则有效散射体的体积为

    （1.3）

    式中，h1和D1分别为大圆锥体的高和底面半径，且；h2和D2分别为小圆锥体的高和底面半径，且。将式（1.3）代入式（1.2）得到接收端的能量公式为

    （1.4）

    2．无线紫外光多次散射通信

    在实际的无线紫外光通信中，由于通信方式和大气条件等的影响，发送端的

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