[发明专利]一种基于空间坐标变换技术的UWOC系统信道特征MCNS方法

说明书

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。

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1(a))；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1(b))，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MonteCarlo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