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紫外光通信系统传输特性研究

作　者: 张海良
导　师: 谭吉春; 常胜利
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 紫外光通信斜程传输无共同散射体绕障碍物传输空分复用连通性互干扰
分类号: TN929.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

紫外光通信具有保密性高、全方位性好、抗干扰能力强等优点，是在要求“无线电静默”条件下进行通信的有效方法，在战术通信中具有重要的应用价值。建立三维的紫外光散射传输信道模型对于研究非视线紫外光通信的传输特性，以及紫外光通信系统的总体设计和分析、性能评估等有重要意义。本论文针对非视线斜程传输、绕障碍传输三维环境下紫外光传输特性问题等进行了研究。主要研究内容如下：一、建立了三维紫外光通信传输模型。已有的模型侧重紫外光通信系统接收端与发射端位于同一水平高度，在传输理论分析中不含有高度影响因素分析，且对障碍物通信环境考虑不足。本论文基于多次散射理论，运用蒙特卡洛方法，建立了三维紫外光传输信道模型，有效解决了如何分析复杂环境下紫外光传输特性的困难。二、根据建立的三维模型，重点分析了发射端与接收端之间斜程传输、无共同散射体以及绕障碍物传输特性，主要包括紫外光信号的脉冲展宽、能量密度、散射次数、传输损耗以及误码率等特性。紫外光通信系统从共同散射体情况变化到无共同散射体情况，接收光强减小3~5个数量级。脉冲响应宽度、接收光强、平均散射次数与距离成指数关系。斜程传输时应减小发射端和接收端之间的高度差，以利于减小平均散射次数，从而增加接收光强。紫外光绕障碍传输时，障碍物越高，最佳发射仰角和接收仰角增大；发射离障碍物越近，最佳接收距离越远，发射端距障碍物的距离从80m变到30m时，障碍物另一侧接收端的最佳接收距离从1m变到50m（障碍物高度80m）。并搭建了室外实验，验证了模拟结果。三、研究了全双工紫外光通信技术和多用户通信网络的连通性与互干扰。基于中心节点圆环面积泊松分布的节点模型，研究了紫外光网络互干扰与连通性。随着节点密度增加（从10/km~2增加到50/km~2），通信用户数增加，使得信噪比降低（从21.2dB降到2.4dB）；减小发射功率可以降低干扰(功率从10W减小到1W)，从而提高信噪比（从2.4dB提高到15.5dB）。但减小发射功率，增加了每个节点的路由跳数，这会带来网络延时和降低网络连通性。功率分别为10W和4W时，网络1-连通性分别为0.90和0.03。误码率越小（从10-3提高到10-6），连通性越差（1-连通性从0.99降低到0.78）。根据无共同散射体传输损耗结论，分析了空分复用技术实现全双工紫外光通信的可行性。传输距离越远，越小的接收仰角更适合全双工通信，当通信距离为200m，接收仰角小于61°时，可实现全双工通信；而当距离为500m时，接收仰角小于37°。本文的研究结论对紫外光通信系统的总体设计和分析、性能评估等有重要的指导意义。

全文目录

摘要  10-12
Abstract  12-14
第一章绪论  14-22
  1.1 课题研究背景及应用  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-20
    1.2.1 紫外光通信技术研究状况  15-17
    1.2.2 国内外紫外光通信模型研究进展  17-19
    1.2.3 目前紫外光通信研究的不足  19-20
  1.3 主要研究内容  20-22
第二章三维紫外光大气传输模型  22-41
  2.1 大气对紫外光的散射  22-30
    2.1.1 大气的成分与分布  22-26
    2.1.2 瑞利散射  26-28
    2.1.3 米散射  28-30
  2.2 紫外光传输的散射理论  30-33
    2.2.1 单次散射理论——椭球坐标法  30-31
    2.2.2 多次散射理论——光辐射传输理论  31-33
  2.3 三维紫外光传输模型  33-38
    2.3.1 三维紫外光传输链路  33-34
    2.3.2 三维多次散射模型建立  34-38
  2.4 模型的验证  38-40
    2.4.1 共面模型比较  39
    2.4.2 非共面模型比较  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第三章紫外光大气传输特性分析  41-57
  3.1 紫外光通信斜程传输特性分析  41-46
    3.1.1 斜程传输的时间特性  41-44
    3.1.2 斜程传输的路径损耗特性  44-46
  3.2 无共同散射体的紫外光通信特性  46-56
    3.2.1 无共同散射体情形时间特性  46-51
    3.2.2 接收光信号的光强特性  51-52
    3.2.3 紫外光散射次数特性  52-53
    3.2.4 实验验证  53-56
  3.3 本章小结  56-57
第四章紫外光绕障碍物传输特性分析  57-67
  4.1 紫外光绕障碍物传输模型  57-58
    4.1.1 绕障碍物传输链路  57
    4.1.2 建立绕障碍物传输模型  57-58
  4.2 障碍物条件下的模拟结果与讨论  58-64
    4.2.1 模拟参数  58-59
    4.2.2 通信系统参数对接收信号的影响  59-64
  4.3 实验结果与分析  64-66
    4.3.1 实验装置与条件  64-65
    4.3.2 实验结果与分析  65-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章多用户紫外光通信传输特性分析  67-85
  5.1 紫外光通信网络  67-68
    5.1.1 紫外光通信非视线工作模式  67
    5.1.2 紫外光通信网络的分类  67-68
  5.2 紫外光全双工通信中空分复用技术  68-71
  5.3 紫外光通信中多用户互干扰特性  71-80
    5.3.1 紫外光通信网络干扰模型  71-74
    5.3.2 紫外光通信网络干扰分析  74-80
  5.4 紫外光通信网络连通性  80-83
    5.4.1 无线网络连通性  80-81
    5.4.2 紫外光通信网络连通性  81-83
  5.5 本章小结  83-85
第六章结论  85-87
  6.1 本文的主要工作  85-86
  6.2 展望  86-87
致谢  87-88
参考文献  88-96
作者在学期间取得的学术成果  96-98
作者在学期间参加的科研项目  98

紫外光通信系统传输特性研究

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