基于日盲紫外光通信的自組織網絡技術研究

摘 要:日盲紫外光通信技術是一種新興的基于大氣散射和吸收的無線光通信技術，非常適用于近距離高速通信和中距離低速傳感器信息傳輸的場合。介紹了視距和非視距紫外光通信的特點以及影響紫外光散射通信的主要大氣因素;分析了日盲紫外光散射信道的鏈路模型和發射功率衰減規律;研究了日盲紫外自組織網絡的關鍵技術和大氣信道模型、網絡接入技術和網絡路由技術，這些技術將會在民用和軍事領域得到廣泛的應用。

關鍵詞:日盲; 紫外光通信; 自組織網絡; 自由空間光通信

中圖分類號:TN915.01; TP393文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)06-2204-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.06.059

Research on technologies in solar blind ultraviolet Ad hoc network

ZHAO Taifei， KE Xizheng

(Faculty of Automation Information Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an 710048， China)

Abstract:The solar blind ultraviolet communication is a new technology which bases on atmosphere scatter and absorption. The wireless ultraviolet (UV) communication technology has received great attention for either shortrange high datarate services or mediumtolarge range lowrate sensing applications. This paper described the characteristics and the main atmospheric factors affecting LOS (line of sight) and NLOS communication. Then described the principle and properties of UV communication link. Established the geometric and mathematic models of NLOS link of UV communication system and analyzed the receiving energy of a detector in UV communication system.It studied several important problems of the solar blind ultraviolet Ad hoc networks. These problems included atmospheric characteristics of UV communication， network access control technologies and network routing technologies. These technologies will be widely applied in the commercial and military sectors.

Key words:solar blind; ultraviolet communication; Ad hoc networks; free space optical communication

0 引言

自由空間光(free space optical， FSO)通信是光通信與無線通信相結合的產物，以光為載體在真空或大氣中傳遞信息，不需要任何有線信道為傳輸媒介的一種通信技術。FSO和其他無線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻帶寬、成本低廉、保密性好、低誤碼率、安裝快速、抗電磁干擾、組網方便靈活等優點。FSO產品目前最高速率可達2.5 G，最遠可傳送4 km，在近距離高速網的建設中大有用武之地，也可以廣泛應用于展覽會、短期租用的建筑、野外的臨時工作場所或地震等突發事件的現場等臨時通信場合。當然，FSO在應用過程中也存在一定的瓶頸，主要是會受到大氣狀況或物理障礙的影響，如其光束在傳輸中極易受大霧等惡劣天氣、物理阻隔或建筑物的晃動/地震的影響。

紫外光通信是利用紫外光在大氣中的散射來進行信息傳輸的一種新型通信模式。紫外光指波長為10~400 nm的射線，一般把紫外輻射紫外光劃分為A射線、B射線和C射線(簡稱UVA、UVB 和UVC)，波長分別為400~315 nm、315~280 nm和280~10 nm[1]。大氣臭氧在紫外波段有兩個吸收帶:一個是吸收能力很強的哈特萊(Hartley)吸收帶(200~320 nm)，吸收系數的極大值在255.3 nm;另一個是吸收能力較弱的哈根斯(Huggins)吸收帶(320~360 nm)。紫外光通信主要采用波長為200~280 nm的UVC波段光波作為傳輸介質，由于位于這個譜段的太陽輻射被大氣平流層的臭氧分子強烈吸收，使得在近地面對流層內太陽背景低于10-13 W/m2，尤其在近地太陽光譜中幾乎沒有該紫外光波段[2]，通常稱為日盲區。因此利用日盲紫外光進行通信時的背景噪聲小，具有良好的抗干擾能力，并能全天候工作。由于大氣中存在大量的粒子，紫外輻射在傳輸過程中存在較大的散射現象，這種散射特性使紫外光通信系統能以非視距(nonlineofsight， NLOS)傳輸信號，從而能適應復雜的地形環境，克服了其他自由空間光通信系統必須工作在視距(line of sight， LOS)方式的弱點[3]。與傳統自由空間光通信方式相比，日盲紫外光通信具有以下優點:a)數據傳輸的保密性高;b)系統抗干擾能力強;c)可用于非視距通信;d)無須ATP(acquisition、tracking、pointing，捕獲、跟蹤、對準)跟蹤。

紫外線為高能量光子，吸收一定紫外光子的能量就有可能發生光化學反應從而導致有機體碳—氮鍵切斷。現代醫學證明紫外光是一種對人體有損害的光波[4]，所以自由空間紫外光通信必須嚴格控制紫外光源的發射功率和嚴格限制人眼睛和皮膚的暴露時間。國際組織ICNIRP(International Commission on NonIonizing Radiation Protection)對UVC頻段光波的安全使用范圍有詳細的規定，在沒有任何保護措施的情況下人眼睛和皮膚在UVC紫外光所允許持續暴露8 h的安全光強和波長的關系如圖1所示[5]，可以看出在波長為270 nm時達到了最小值光強3 mJ/cm2，而在波長為200 nm和280 nm時對應光強分別是100 mJ/cm2和3.4 mJ/cm2。因此，日盲紫外光通信系統的發射功率必須控制在比較小的范圍之內，系統有效通信距離也將受到很大的限制。另外，地球表面對流層內(尤其地面附近)的大氣分子和氣溶膠微粒對“日盲”紫外光吸收作用仍然很強，該波段工作的發射信號可以被探測到的距離往往被限制在幾公里之內，但UVC頻段的光波并沒有國際統一的標準管理，潛在的數據傳輸速率要高于紅外波段的傳輸速率。

紫外光波長較短，在傳輸過程中受到大氣的散射作用很強，日盲紫外光在大氣中傳播時主要受到Rayleigh散射和Mie散射的影響，衰減非常快，但散射傳播路徑可繞過人造和自然障礙物，實現非視距NLOS通信[6]。日盲紫外光非視距通信的原理框圖如圖2所示。由圖可知，太陽光中的UVC頻段被大氣臭氧充分吸收，該頻段在近地范圍背景干擾很小，在氣溶膠顆粒和大氣分子的散射作用下實現非視距通信，發射光束發散角和接收視場角決定了通信的有效范圍。

日盲紫外光通信中發射功率、散射信道和大氣吸收等因素決定了只能進行近距離的通信，如何擴大通信覆蓋范圍，多跳的、自治的、不需要固定中心接入點的Ad hoc自組織網絡技術能很好地滿足日盲紫外光組網的需求。無線Ad hoc網絡是一種特殊的無線通信網絡，它由一組帶有無線收發裝置的節點組成，所有節點的地位平等，無須固定基站的支持，網絡中的每個節點都具備主機和路由器的功能[7]。圖3為一個典型的無線Ad hoc網絡。將日盲紫外光通信與Ad hoc網絡相結合就是日盲紫外Ad hoc網絡，能在近距離的、隱蔽的、地形復雜的通信環境，保證通信的安全與暢通，滿足隱蔽性強、移動靈活特點的現代通信需求;另外，無須預先架設線路，可以快速組網，滿足近距離區域保密通信的需求[3]。

1 日盲紫外光通信的鏈路模型

本文研究的紫外光通信系統多工作在脈沖方式，可以用以下數學模型來描述[8]:

Cpp=∑Δλ1.33×1018[Winη(λ)Δλ]×

NATM[KSCATT(h)，KABS(h)，p(Ψ)，θ，Ω，β]×M(λ)(1)

其中:Cpp為每脈沖的接收光子數;Win為紫外光源平均輸入電功率;η(λ)為紫外光源在寬波段上電能轉換為光輻射的效率密度分布;η(λ)Δλ為在波長λ處，寬Δλ范圍內光輻射的效率;NATM為大氣傳輸函數;KSCATT(h)為大氣散射系數;KABS(h)為大氣吸收系數;p(Ψ)為一次散射相位函數;θ為探測器視場的函數;Ω為發射源視場的函數;β為探測器與發射源軸線的夾角;M(λ)為與探測器有關的品質因素。從上述模型可以看出，紫外光通信的性能主要與以下三個因素有關，即光源的紫外輻射發射功率、紫外輻射在大氣中的傳輸特性以及探測系統的性能。

1.1 LOS光鏈路模型

在通常的自由空間激光通信中，都要求發射端和接收端之間不能有阻礙光線前進的障礙物，一般稱為視距通信方式，如紅外通信或激光通信。在一般視距通信的情況下，比較注重光在大氣中的透射傳輸，日盲紫外光通信中還要關注發射光束發散角和接收視場角的關系。根據發射光束發散角和接收視場角的大小不同，日盲紫外光的視距通信可以分為以下三種情況，即寬發散角發送—寬視場角接收、窄發散角發送—寬視場角接收和窄發散角發送—窄視場角接收。具體情況如圖4所示。

大氣光通信LOS鏈路中紫外光光功率是呈指數衰減的，在自由空間的路徑損耗與傳輸距離的平方成正比;另外，接收功率還跟大氣衰減和接收孔徑有關。綜合以上所有因素，紫外光LOS鏈路的接收光功率的表達式為[9]

Pr，LOS=Ptλ4πr2e-Ker4πArλ2=PtAr4πr2e-Ker(2)

其中:r為通信距離;λ為波長;Pt為發送功率;Ke為大氣信道衰減系數;Ar為接收孔徑。從式(2)可看出，紫外光通信系統的接收孔徑一旦設定，大氣衰減和通信距離是影響LOS鏈路紫外光接收功率的主要因素，因此LOS鏈路對大氣條件變化十分敏感。

1.2 NLOS光鏈路模型

非視距通信就是指傳輸的光信息可以繞開通信兩端之間障礙物的通信模式，日盲紫外NLOS光鏈路主要是利用紫外輻射在大氣中的傳輸過程存在較大散射的特性來實現的。當紫外輻射入射到低空大氣后，將引起大氣中的分子和氣溶膠粒子作受迫振動，這些受迫振動的頻率與入射紫外光相同。由惠更斯原理可知，這些受迫振動的分子和粒子將成為新的點光源，向外輻射次級子波，這些次級子波在均勻介質是相干的;但是在低空大氣中這些子波間的固定相位關系被破壞，結果使得各個方向均有紫外光的傳播，這些各個方向的光具有原來光的頻率，與前一級次波源有固定的相位差，形成了紫外光的散射傳播。在非視距紫外通信傳輸中，雖然從發射點到接收點每個子波的光程可能不一樣，但是在傳輸速率較低的條件下，這些散射信號的統計特性仍能保持加載在紫外輻射上的有效信息，實現非視距通信。大氣中的分子和氣溶膠由于尺寸大小的不同，決定了它們具有不同的散射特性，根據傳輸的紫外光波長與散射粒子直徑的關系，可以將散射分為三種，即瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射和非線性散射。當光波波長遠大于散射微粒尺寸時主要是瑞利散射，當散射微粒的尺寸與光波波長相比擬時主要產生米氏散射，當光波波長遠小于散射微粒尺寸時產生非線性散射。

由于紫外光的散射過程是隨機的，光信號可能經多次散射后到達探測器，這種隨機性主要取決于系統結構設計和大氣條件。但是，實際的紫外光通信由于大氣衰減和發射功率限制，主要應用于3 km以內的近距離通信場合，模型中主要考慮單次散射效應。單次散射近似就是假定光在大氣介質中傳輸從發射源到達接收器的過程中只經過一次散射，忽略了其過程中多次散射的影響，單次散射模型具有計算速度快、操作性強等優點。1979 年Reilly等人[10]引入了橢球坐標系建立了基于單次散射近似非視距光傳輸模型，非視距單散射信道模型很好地滿足了大角度散度源和大視場角探測器情況的信道傳輸分析。MIT Lab和BAE System等單位研究非視距紫外通信均采用單次散射模型近似研究紫外光非視距傳輸信道的特性，在一定條件下能較好地描述非視距光傳輸時信號的能量衰減和時間特性。非直視單散射模型是利用基于橢球坐標來分析的[11]，它是由橢圓平面繞長軸和短軸旋轉得到的，如圖5所示。位于橢球內的每一點可以由徑向坐標ξ、角坐標η、方位角坐標惟一確定，若發射端和接收端分別位于橢球面的兩個焦點上，則某一給定橢球面ξ上的任意一點與兩個焦點之間的距離之和為一常數，從而這個長球面就可以看做是一個等時延面。

根據發射光束發散角、接收視場角、發送接收角度不同所形成的重疊散射區域特性，日盲紫外光的非視距通信可以分為圖6所示的三種情況。其中:圖6(a)對發射接收點的位置方向要求最低，信道的時延擴展比較大，獲取信道帶寬比較小;(b)只針對發送端有方向和散射角的要求，信道的時延擴展一般，獲取信道帶寬中等;(c)對發送端和接收端都有角度和方位的要求，可以獲取繞過障礙物的最小信道時延擴展，能獲取高的信道帶寬。

可以將大氣光通信NLOS鏈路中紫外光的單次散射過程分為三個階段:首先從發射端到散射體路徑r1可以當做一段LOS鏈路處理;然后紫外光在散射體的散射情況;最后從散射體到接收端路徑r2同樣當做一段LOS鏈路處理。綜合以上過程，紫外光NLOS鏈路的接收光功率的表達式為[9]

Pr，NLOS=PtΩ1e-Ker1r21×Ks4πpsV×λ4πr22e-Ker24πArλ2(3)

其中:r為通信直線距離;λ為波長;pt為發送功率;Ke為大氣信道衰減系數;Ar為接收孔徑;Ω1是發送立體角;Ks為大氣散射系數;V是重疊散射區域體積;Ps是一個與發送角度和接收角度以及散射特性有關的系數。文獻[10]還指出當根據散射信道的幾何關系對式(3)進行簡化時，最終的表達式與直線通信距離r成反比。從式(3)可以看出，決定紫外光NLOS鏈路特性的因素除了與LOS鏈路一樣外，信道的散射特性也是一個非常重要的因素。

1.3 散射光鏈路幾何空間分析

當通信系統給定設備、背景噪聲和大氣信道特性時，發送接收端所處位置組成的幾何空間將決定通信的效果，因此，必須針對紫外光鏈路的散射信道進行幾何分析。視距傳輸和非視距傳輸的幾何圖形如圖7所示。其中:圖7(a)中發送端和接收端進行視距傳輸，發射端光源以發散角1向空間發出光信號，接收器以視場角2進行接收，兩個角度共同的重疊區域為有效散射區域V，實際的通信過程中有許多光子并不經過散射而是直接到達接收端實現通信，因此視距通信的信道容量比較大;(b)發射端光源以發散角1和發射仰角θ1向空間發出光信號，接收器的視場角2和接收仰角θ2進行光信號接收，發射光束與接收視場在空間的重疊區域V的大氣形成一個收發連接的散射體，發射光信號經過大氣的衰減到達散射體，接收器收集來自該散射體對光信號的散射，這樣就完成了信號的非視距傳送。通常散射光都很微弱，由圖7分析可知通過增大接收視場以便接收到更多的散射光，來增加有效通信范圍。

2 日盲紫外Ad hoc網絡技術

過去針對日盲紫外光通信的研究多是集中在點到點的通信系統，利用紫外光通信技術組網的研究目前還很少見到。Ad hoc網絡由于是一種特殊的對等網絡，具有無中心、自組織、可快速展開、可移動和多跳等特點[12]，如果將日盲紫外光通信與Ad hoc網絡技術相結合，可以大大彌補紫外光散射通信的發射功率低、大氣衰減嚴重、存在大量單向信道等固有缺陷。

2.1 大氣信道特性研究

紫外光輻射的散射特性成就了紫外光非視距通信方式，一般來說，與紫外光波長越接近的大氣粒子對其散射強度越大，表1顯示了海平面大氣中幾種主要散射粒子的半徑和濃度[3]。當散射粒子的直徑遠小于波長時的散射就是Rayleigh散射。大氣分子對紫外光的散射可以用Rayleigh散射理論來處理，但是只有在晴朗天氣(能見度Rv=20 km)中Rayleigh散射才是主要的;另外，大氣中存在大量氣溶膠粒子，氣溶膠微粒對光波的散射遠大于Rayleigh散射，此時需要用Mie散射理論處理，但是Mie理論過于復雜，一般采用計算機仿真的方法解決。常用的大氣仿真軟件有LOWTRAN和MODTRAN。

表1 大氣散射粒子的半徑和濃度

類型半徑/μm濃度/cm-3

空氣分子10-41019

Aitken 核10-3~10-210-4~102

霾粒子10-2~1103~10

霧滴1~10100~10

云滴1~10300~10

雨滴102~10410-2~10-5

本文利用LOWTRAN針對大氣中紫外波段透射比進行仿真。隨著海拔高度的增加，空氣變得稀薄，對于同樣的傳輸距離、同樣的能見度，由于水平和垂直方向的空氣分布程度的差異造成透射比的不同，對水平路徑、垂直路徑和傾斜路徑進行仿真，結果如圖8所示。

2.2 日盲紫外Ad hoc網絡接入技術

紫外光散射通信無論工作在視距方式還是非視距方式，數據傳輸速率和質量與發射接收端的方位和角度都有很大的關系，因此，日盲紫外Ad hoc網絡中定位算法是實現有向性通信的前提。網絡中的節點首先通過網絡中的定位算法了解節點的相對位置信息;然后調整發射和接收的方位角，盡量使節點工作在視距通信方式，當視距通信不可得時調整發射接收仰角，使系統工作在最佳非視距通信狀態，從而完成可靠接入網絡的功能，實現信息在Ad hoc網絡中的快速傳輸。

另外，必須針對能夠有效地適用于日盲紫外光自組織網絡中接入技術進行研究，在保證吞吐量的前提下提高公平性。可以通過減小競爭失敗節點和競爭成功節點退避窗口之間的差距，提高網絡接入的公平性。那么保障公平性的窗口函數需要具有以下特性:在競爭失敗時，退避窗口先緩慢增長，隨失敗次數的增加，退避窗口值會增長得越來越快，直到最大值;在競爭成功時，退避窗口會緩慢減小，直到最小值。

Ad hoc網絡中的單向鏈路主要是由于不同的無線節點設備具有不同的傳輸能力、不同的接入信道、隱藏終端問題、不同的能量控制等因素造成，即使是同一類型的節點，節點的使用率不同引起的電池消耗不同步以及環境的影響，也會引起節點的覆蓋范圍不一致，所以單向鏈路是普遍存在的。在大氣光通信中，由于視距、非視距信道類型的存在和大氣湍流的影響，以及隱藏終端或干擾等問題，往往會導致大量單向光鏈路或者不對稱鏈路的存在，此時兩個節點間只能進行單向通信。這種情況下進行通信，環網技術是不錯的選擇，首先在日盲紫外Ad hoc網絡中進行環網發現機制，選取有效的通信節點形成一個單向的環形回路，這樣可以在環網節點中實現點到點的雙向通信，環網上可以進行單播、組播、廣播等方式的通信;同時還可以實現區分優先級的接入技術，解決單向光路的雙工通信問題。

2.3 日盲紫外Ad hoc網絡路由技術

傳統的無線Ad hoc網絡中的基于信道質量的路由算法主要考慮了帶寬和延時等參數。日盲區紫外光波段并沒有類似于無線電波段的帶寬限制，但是日盲區紫外光的衰減非常快，而且由于大氣分子和大氣中懸浮顆粒的散射，信道的時變性非常強。紫外光傳播條件隨時間和空間不斷改變，信道誤碼率較高，用戶終端頻繁移動等，這就造成了信道不可靠，數據容易丟失，網絡資源波動較大，而且由于紫外光信道對天氣狀況非常敏感，固定的路由算法顯然不能滿足紫外光大氣通信的要求。因此，需要研究日盲紫外波段信道自適應路由算法，通過實時地收集一些參數，如丟包率、延時、誤包率等來判斷信道的質量，根據信道的質量好壞判斷哪個節點是更好的下一跳節點。

紫外光的散射信道進行通信時不需要完全對準，在通信節點間無障礙時實現視距通信變得非常容易，紫外光的視距通信不僅實時性好，通信距離也比較遠，而且提供的通信速率比較高;當視距通信不可得的情況，非視距散射信道可以提供多條散射路徑，寬視場接收可以提高光電檢測的靈敏性，實現低速率的信息可靠傳輸。因此，考慮視距型和非視距型兩種工作方式，可以將語音和圖像業務分配到實時性好的視距型信道上，將數據業務分配到可靠性高的非直視型信道。另外，多播技術實現一點對多點和多點對多點的通信，在日盲紫外Ad hoc網絡中利用多播路由技術就可以實現多播通信，這樣可以大大提高網絡的通信效率。

3 結束語

隨著材料、器件和工藝的發展，利用紫外光實現自由空間光通信成為可能[13]。日盲紫外光不僅可以視距通信，還可以通過散射進行非視距的通信，同時擁有自由空間通信和無線射頻通信的優點，如大的免授權帶寬、低功率發射和微型接收設備、高的抗電磁干擾能力、潛在的高速傳輸信息的能力等。但是，紫外光散射通信也有發射功率低、通信覆蓋范圍小、大氣衰減嚴重、存在大量單向信道等固有缺陷，Ad hoc網絡技術正好可以彌補紫外光散射通信的缺陷。因此日盲紫外Ad hoc網絡技術是紫外光通信中的重要技術之一，其中大氣信道模型、網絡接入技術和網絡路由技術必定會成為研究的熱點。

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