非视线紫外通信大气传输特性的蒙特卡罗模拟

基于蒙特卡罗方法建立了紫外光非视线传输多次散射模型,利用单次散射近似法和实验方法验证了模型的有效性,并利用该模型完成了非视线紫外光通信大气传输特性的模拟.模拟时光波长取紫外光通信的最佳工作波段(250 nm附近),分析了不同传输距离下能见度、风、雨、雾等参量对系统能量透射比的影响.结果指出,系统能量透射比随传输距离增大而剧烈减小,在天气较差传输条件下能量衰减得更快;风力大小的变化对通信系统影响不大.较近距离通信传输时(一两百米),通信系统受天气条件的影响较小.     

Multipath dispersion of pulse signals in a non-line-of-sight optical scattering channel

Multipath-induced pulse broadening in a non-line-of-sight (NLOS) optical scattering channel is investigated. Expressions for impulse response and digital signal-to-noise ratio (DSNR) penalty induced by inter-symbol interference (ISI) of a NLOS ultraviolet (UV) scattering communication are introduced based ona single-scattering model, and simulated results for some typical atmospheric condition and configurationof geometry are given in the paper. It is shown that the multipath dispersion is one of the most importantfactors limiting the system performances, and return-to-zero (RZ) format is more suitable for the opticalscattering communications than non-return-to-zero (NRZ) format. The method proposed here can be usedto predict available bandwidth and data rate of the communication system operating in a NLOS opticalscattering channel.     

天气对光散射传输影响的仿真分析

天气对光散射传输影响分析具有很好的实践指导意义。目前均用单次散射模型研究非视线光传输信道特性,但该方法在天气条件差或者传输距离较远时误差很大。利用蒙特卡罗方法进行了基于多次散射的非视线光传输模拟,对多种天气条件下(晴、阴、雨和雾等)不同距离光散射传输进行仿真。结果表明,中远距离散射传输时,大气衰减起主导作用,信号传输质量由晴、阴、雨、雾依次降低;近距离散射传输时,受到大气衰减和散射的共同作用,天气对光散射传输的影响较小。因此,大气光散射传输技术可作为短距离条件下实现全天候通信的一种新方式。     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

非直视紫外光通信单次散射传输模型研究

依据Lambert定律建立了非直视紫外光通信系统单次散射传输模型。模型表明:大气传输中的两次斜向传输引入的大气透射比衰减,大气散射衰减和距离平方反比衰减是导致接收光功率随距离增加迅速衰减的主要因素。为便于实际计算,对建立的散射传输模型做了合理的计算简化,经实验验证简化后的传输模型计算结果与实验结果吻合较好。利用简化后的传输模型可以方便有效地计算出非直视紫外光通信接收机在不同距离下的接收功率和路径传输损耗,进而可以迅速、有效地计算和评估已知参数的非直视紫外光通信系统的极限工作距离。     

无线紫外光散射通信中多信道接入技术研究

针对无线紫外光散射通信MAC层多信道接入技术的特点,结合紫外光散射通信的基本原理,对紫外光非直视通信的三种工作方式进行分析,在通信节点处配置多套紫外收发器的情况下,建立了紫外光通信的节点模型和信道模型,进行多信道的接入研究。利用NS2仿真软件,对紫外光非直视的三种多信道通信方式在不同的拓扑结构下进行了仿真,结果表明,该紫外光多信道接入技术能在一定程度上利用多个信道同时进行通信,大大增加网络的有效吞吐量。     

散射大气对脉冲紫外光传输时间特性研究

介绍基于椭球坐标系的单次散射近似模型基础上,定量分析脉冲紫外光在散射大气中传输特性,具体讨论了传输距离及能见度等因素对脉冲紫外光传输特性的影响。最后开展了脉冲紫外光展宽初步实验研究,其实验结果与单次近似结果符合较好,从而指导了紫外光信息传输系统的设计工作。     

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10 km时紫外光通信系统有最佳性能。     

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10 km时紫外光通信系统有最佳性能。     

Monte Carlo方法模拟非直视紫外光散射覆盖范围

针对大气中紫外光散射通信的特点, 用Monte Carlo方法对紫外光非直视(NLOS) 通信三种工作方式的覆盖范围进行分析, 建立了基于Monte Carlo方法的NLOS紫外光传输模型.利用Monte Carlo模拟方法对三种NLOS散射方式的单次和多次散射路径损耗及覆盖范围进行模拟研究, 结果表明, 多次散射和单次散射的路径损耗基本一致, NLOS(a) 类全向发送全向接收通信方式覆盖范围最小但全方位性好, NLOS(b) 类定向发送全向接收通信方式的覆盖范围较大但有一定方向性, NLOS(c) 类定向发送定向接收通信方式的覆盖范围最大但有很强的方向性.     

Reflection assisted beam propagation model for obstructed line-of-sight FSO links

A non-line-of-sight (NLOS) infra-red reflection based beam propagation model is proposed as a supplement to conventional terrestrial free space optical (FSO) communication system. This ray propagation model lets tactically positioned optical reflectors to smartly exploit the aggregated advantages of mirror characteristics to bridge the existent communication gap between two FSO nodes due to inclined or obstructed line-of-sight view. Additionally, a numerical framework of the proposed system is presented that analytically explores the optical losses induced by harmonic distortions and the resultant beam divergence at the receiver. The impact of the different reflectors on the traversing beam is then investigated through an experimental FSO test-bed set in an outdoor environment in terms of phase shifts, divergence loss, noise margin and maximum achievable link length. Matlab based simulations, based on the experimental outcomes, envisages that concave reflectors can effectively compensate the turbulence induced signal fading and restrict the beam divergence loss; thereby, improving the maximum achievable NLOS FSO link length.     

基于UVC LED的小型化紫外无线通信技术

紫外光通信技术具有低窃听、低位辨、全方位、全天候、抗干扰等优点,而基于紫外光灯的通信系统存在光源体积大、易碎、调制困难、通信速率低、功耗大等问题。设计了一种基于紫外C波段(UVC)LED的小型化无线通信系统方案,并对系统性能进行了理论分析。系统光源采用UVC LED,探测器采用日盲光电倍增管(PMT)和窄带紫外滤光片,通信系统采用开关键控(OOK)和脉冲位置调制(PPM)调制方案。仿真结果表明所设计的紫外无线通信系统可在200mW发射光功率情况下实现直径200m范围内的非视距语音通信和100mW发射光功率情况下实现250m的64Kbps准视距通信。     

大气信道对红外激光通信系统性能影响的实验研究

针对近地面、准水平红外激光大气通信系统的应用,利用微脉冲激光雷达、大口径激光闪烁仪在济南市区进行了为期一周的昼夜连续观测,获得了影响红外激光通信系统性能的关键大气参量的信息.着重分析了大气衰减信道、大气湍流信道对一公里通信链路系统性能的影响,考查了通信设备在复杂大气条件下应用的可行性及可靠性.最后就减弱大气信道对通信性能影响的方法进行了总结和探讨.     

Fast-speed self-powered PEDOT: PSS/α-Ga2O3 nanorod array/FTO photodetector with solar-blind UV/visible dual-band photodetection

The $\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ nanorod array is grown on FTO by hydrothermal and annealing processes. And a self-powered PEDOT:PSS/$\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ nanorod array/FTO (PGF) photodetector has been demonstrated by spin coating PEDOT:PSS on the $\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ nanorod array. Successfully, the PGF photodetector shows solar-blind UV/visible dual-band photodetection. Our device possesses comparable solar-blind UV responsivity (0.18 mA/W at 235 nm) and much faster response speed (0.102 s) than most of the reported self-powered $\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ nanorod array solar-blind UV photodetectors. And it presents the featured and distinguished visible band photoresponse with a response speed of 0.136 s at 540 nm. The response time is also much faster than the other non-self-powered $\beta $-Ga$_{2}$O$_{3 }$ DUV/visible dual-band photodetectors due to the fast-speed separation of photogenerated carries by the built-in electric field in the depletion regions of PEDOT:PSS/$\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ heterojunction. The results herein may prove a promising way to realize fast-speed self-powered $\alpha $-Ga$_{2}$O$_{3}$ photodetectors with solar-blind UV/visible dual-band photodetection by simple processes for the applications of multiple-target tracking, imaging, machine vision and communication.     

雾对无线激光通信系统的影响

从雾的物理特性出发,对激光在雾媒质中的传播衰减特性进行了理论研究。分别给出了无线激光通信系统的信号模型、噪声模型和透过率,并给出了不同激光波长、能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统的影响。最后,以工作波长为10.6μm的激光为例,利用衰减率与透过率之间的关系,给出了平流雾及辐射雾中激光雾衰减随能见度、接收器视场角等的变化关系。数值分析表明：激光波长、雾的能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统均有较大的影响。     

基于车载通信标准街道场景的电磁散射信道模型

针对室外无线信道视距(line of sight,LOS)/非视距(non-line of sight,NLOS)传输环境下的车到车(vehicular-to-vehicular,V2V)通信系统,本文提出了一种基于标准街道散射的统计信道模型,其移动发射机(mobile transmitter,MT)与移动接收机(mobile receiver,MR)处于运动状态,街道两旁分布的散射体固定.由几何模型出发又引入了一种随机的参考信道模型,其散射体有无穷多个,均以平行于街道两侧的散射条纹形式均匀分布在三维(three dimensional,3D)空间的一个二维(two dimensional,2D)矩形内部.在室外街道通信环境下,模型推导了散射信道中发射角(angle of departure,AOD)以及到达角(angle of arrival,AOA)的概率密度函数(probability density functions,PDFs)解析式;研究了多普勒功率谱密度(power spectral density,PSD)及其时间自相关函数(autocorrelation function,ACF);分析了模型多普勒参数以及街道散射体等因素对V2V通信系统性能的影响.与城市、农村的测量信道对比分析,表明本模型仿真的统计特性符合理论与实际,拓宽了室外V2V无线通信信道建模的研究.为评估室外V2V通信系统的传输特性、仿真无线通信系统提供了有力的研究工具.     

室内直达与非直达环境无线传播综合信道建模

本文主要针对室内无线传播信道直达(line of sight, LOS)与非直达(no line of sight, NLOS)环境, 引入参考模型研究其建模设计及其相关统计特性. 文中提出了一种基于几何散射模型的综合改进室内参考信道模型, 假设将无限数量的散射体均匀分布在三维空间的一个二维(two dimensional, 2D)水平面上. 本文推导了电磁波达信号到达角(angle of arrival, AOA) 概率分布函数(probability density function, PDF)、多普勒功率谱密度(power spectral Density, PSD)、 时间自相关函数(autocorrelation function, ACF)的解析表达式, 并分析其重要参数对函数的影响. 此外, 本文还通过非现实参考模型提出了一种高效的SOC(Sum of Cisoids) 信道仿真模型, 同时提出了设计SOC信道仿真模型的两种有效参数计算方法, 并比较两者的计算性能. 仿真结果表明, 信道仿真模型的统计特性与参考模型相匹配, 即室内参考模型可以通过的SOC信道仿真模型来近似, 同时信道仿真模型可以很好的应用于评估室内无线通信系统的性能, 拓宽了室内无线信道建模的研究, 同时减少实现开支.     

雾霾粒子的紫外光散射特性研究

紫外光与雾霾粒子发生散射后,其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息,利用无线紫外光单次和多次散射信道模型,采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响,并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。通过理论及仿真分析,得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。结果表明：紫外光直视通信方式下,路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大,且通信质量差于晴朗天。非直视通信方式中,在短距离通信时,高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度,然而随着通信距离的继续增大,高雾霾浓度下的通信质量急剧下降,低霾浓度下通信质量最终达到最优,且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。当通信距离相同时,三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大并超过90°时,低霾浓度下的散射光强最大。主要原因是虽然散射角继续增大,但是有效散射体体积逐渐减小,因此低霾浓度下的散射光强较大。且当粒子粒径相同时,球形粒子的衰减较非球形粒子大。雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似,证明了仿真结果的正确性,并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。     

Spread spectrum-based ultraviolet communication with experiments

We report experiments of ultraviolet （UV） communication based on spread-spectrum technique. Field measurements via online UV communication are conducted to compare the system performances with and without spectrum spreading. The results indicate that the spread-spectrum technique is capable of suppressing noise in UV atmospheric scattering channel and therefore improve the system performance evidently. Details of implementation are also provided to make the results useful for similar system design in research on optical wireless communications.     

Coverage probability of RIS-assisted mmWave cellular networks under blockages: A stochastic geometric approach

In this paper, we consider a downlink millimeter-wave (mmWave)-based cellular network where some of the objects in the environment that block the links, such as buildings, are equipped with reflective intelligent surfaces (RISs). Leveraging tools from stochastic geometry, we model the locations of the base stations (BSs) using homogeneous Poisson Point Processes and blockages are modeled by line Boolean model. We consider different path loss exponents for the line of sight (LOS) and non-LOS (NLOS) links. A typical user located at the origin can be served directly with LOS or NLOS BS or by using the RIS relay and a BS. By considering the minimum path loss criteria, after deriving the user association probability with RIS or direct link, we derive the coverage probability of the system using stochastic geometry. Simulation results show that using the RIS results in significant performance improvement especially in the case that the density of the blockages is high. The performance increment is even more substantial for high SINR threshold, e.g. the coverage probability for blockage density of 700 blockages per ${\text{km}}^2$ and SINR threshold of 20dB is twice the case that RISs are not employed.