基于OPNET 的紫外光非視距通信建模與仿真

陳 謀，李曉毅，王申濤，韓 輝，馬寶紅

（重慶通信學(xué)院 重慶400035）

基于OPNET 的紫外光非視距通信建模與仿真

陳 謀，李曉毅，王申濤，韓 輝，馬寶紅

（重慶通信學(xué)院 重慶400035）

為解決如何在OPNET仿真軟件中對(duì)紫外光非視距通信進(jìn)行仿真，論文分析了紫外光通信鏈路模型，針對(duì)單次散射模型及定向扇區(qū)掃描方式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并在OPNET軟件中實(shí)現(xiàn)了建模過(guò)程。論文最后結(jié)合DTRA協(xié)議在不同拓?fù)湎聦?duì)紫外光非視距三種通信方式進(jìn)行了對(duì)比仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)紫外光非視距通信組網(wǎng)提出了相應(yīng)建議。

紫外光通信；非視距通信；單次散射模型建模；OPNET

無(wú)線光通信（紅外光、可見(jiàn)光及紫外光）由于擁有無(wú)需授權(quán)的帶寬資源且抗干擾能力強(qiáng)，因而一直受到研究人員的持續(xù)關(guān)注[1]。但無(wú)線光通信中大部分需要在視距（LOS，Line-of-Sight）條件下進(jìn)行通信，某些實(shí)際情形，例如在高樓大廈遍布的城市中或其他障礙物較多的區(qū)域里，并不能滿足視距通信，因而通信效果會(huì)受到不利影響。然而紫外光通信作為一種利用大氣散射進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞剑粌H能夠采用視距通信方式，還能夠跨過(guò)障礙物實(shí)現(xiàn)非直視（NLOS，Non-Line-of-Sight）通信，且抗干擾能力強(qiáng)，保密性高[2]，因此成為無(wú)線光通信研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)紫外光通信相關(guān)技術(shù)的研究從最初的傳輸信道模型分析[3]，到光源、光電探測(cè)器件的選取以及光信號(hào)的調(diào)制解調(diào)方式[4]，再逐步深入到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]，現(xiàn)已開(kāi)始了對(duì)紫外光通信組網(wǎng)的仿真研究。OPNET是目前公認(rèn)使用較廣的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[6]，但目前在OPNET仿真軟件中并沒(méi)有直接可用的紫外光非直視通信底層模型，因此若要用OPNET軟件對(duì)此種通信方式進(jìn)行仿真，首先需對(duì)底層進(jìn)行建模，然后才能在仿真中使用此種模型。

1　紫外光非視距通信方式

紫外光NLOS通信有如圖1所示3種傳輸方式[7]：NLOS（a）采用全向發(fā)送全向接收的模式，因而節(jié)點(diǎn)間可以很方便的進(jìn)行信息交互，但其傳輸距離有限。NLOS（b）采用定向發(fā)送全向接收的模式，通過(guò)定向傳輸增加通信距離，利用全向接收簡(jiǎn)化協(xié)議。NLOS（c）采用定向發(fā)送定向接收模式，這種方式使得傳輸距離增加，協(xié)議更能抗干擾，3種模式之間可通過(guò)改變收發(fā)仰角進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

圖1　紫外光非視距通信3種工作模式

在不考慮多次散射的情況下三維坐標(biāo)軸中的紫外光單次散射模型如圖2所示[8]：

圖2　紫外光單次散射模型

發(fā)送端發(fā)射的紫外光子通過(guò)自由空間衰減到達(dá)散射區(qū)域V，接收端則通過(guò)收集單次散射后的光子完成非視距通信。文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明，當(dāng)通信距離L小于200 m時(shí)，紫外光非直視通信單次散射模型比較接近實(shí)際通信情形，因此論文便基于單次散射模型進(jìn)行建模。

2　單次散射模型在OPNET軟件中建模

2.1節(jié)點(diǎn)通信模型

設(shè)A為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，B為接收節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。θT為發(fā)送仰角，?T為發(fā)散角，θR為接收仰角，?R為接收視場(chǎng)角，rA為A節(jié)點(diǎn)發(fā)射光錐的軸心線，rB為B節(jié)點(diǎn)接收視場(chǎng)區(qū)域的軸心線。θs為散射角，可得出θs=θT＋θR。以節(jié)點(diǎn)A，B所處的水平面為XY平面，建立好坐標(biāo)軸后，空間上的任意一點(diǎn)便對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)。

由于實(shí)際場(chǎng)景中紫外光的有效傳輸距離是有限的[10]，因此令rA的長(zhǎng)度為L(zhǎng)A。若且，則可知M點(diǎn)在發(fā)射光錐內(nèi)部。從而可以求出在A節(jié)點(diǎn)發(fā)射光錐內(nèi)的所有點(diǎn)，記為集合A{a1（x1，y1，z1），a2（x2，y2，z2），…，an（xn，yn，zn）}；同理可求出在B節(jié)點(diǎn)接收視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，記為集合B{b1（x1，y1，z1），b2（x2，y2，z2），…，bn（xn，yn，zn）}。

對(duì)于實(shí)際的通信情形，要想實(shí)現(xiàn)可靠且穩(wěn)定的通信，首先發(fā)射光錐需與接收視場(chǎng)區(qū)域存在重合。在模型中則是A，B集合中有公共點(diǎn)，即card（A∩B）≠0，其次按照紫外光NLOS鏈路的接收光功率的表達(dá)式[11]可知，

對(duì)于給定值P0，Pr，NLOS＞P0才能達(dá)到穩(wěn)定的通信效果。

綜上所訴，只有card（A∩B）≠0且Pr，NLOS＞P0時(shí)，才可判定此時(shí)A，B兩節(jié)點(diǎn)可以通信。

2.2扇區(qū)掃描模型

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要與多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，就需要考慮紫外光波束切換問(wèn)題。波束切換天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，目前已在車載和無(wú)人機(jī)等小型移動(dòng)平臺(tái)上廣泛應(yīng)用[12]。現(xiàn)已有研究人員借鑒無(wú)線電通信中波束切換天線的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)出了一種在紫外光網(wǎng)絡(luò)中用于定向光束切換的收發(fā)裝置[13]，該裝置由多個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元可以定向發(fā)送或接收紫外光信號(hào)。

圖3即是陣元數(shù)為S的理想紫外光束切換系統(tǒng)示意圖，光束在平面上形成了S個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)寬度由系統(tǒng)陣元數(shù)確定。節(jié)點(diǎn)可跟處于扇區(qū)內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，扇區(qū)角為。

當(dāng)A節(jié)點(diǎn)進(jìn)行扇區(qū)掃描時(shí)，αA，βA，φA的值隨時(shí)間變化，但θT在掃描過(guò)程中保持不變。令圖2中為t=0時(shí)刻，則

假設(shè)節(jié)點(diǎn)從t=t0時(shí)刻開(kāi)始扇區(qū)掃描，當(dāng)t=t0時(shí)，如圖4所示。

設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為（xA，yA，zA），B點(diǎn)坐標(biāo)為（xB，yB，zB），由圖2可知zA=zB=0。

設(shè)直線rA與X，Y，Z軸的正方向夾角分別為αA，βA，φA，直線rB與X，Y，Z軸的正方向夾角分別為αB，βB，φB。

設(shè)空間任意一點(diǎn)M坐標(biāo)為（x0，y0，z0），z0＞0。過(guò)點(diǎn)A和點(diǎn)M的直線l方程為

直線rA的方程為

因此直線l與直線rA的夾角為

圖3　理想光束切換裝置示意圖

圖4　坐標(biāo)系中的扇區(qū)掃描模型

Q為發(fā)射光錐軸線上的一點(diǎn)，P點(diǎn)為Q點(diǎn)在XY平面的投影點(diǎn)，過(guò)P點(diǎn)作X軸垂線交X軸于H。根據(jù)立體幾何知識(shí)可知PH⊥AH，QH⊥AH。∠PAH為扇區(qū)切換角，設(shè)扇區(qū)數(shù)為S，則t=t0，2t0，3t0，…，nt0時(shí)，∠PAH=（n·）mod360°。

由圖4可知，

因此按2.1節(jié)中判別節(jié)點(diǎn)是否可通信方法可得出在t=t0時(shí)刻A，B兩節(jié)點(diǎn)是否可以通信，同理類推從而可得出t= t0，2t0，3t0，…，nt0各時(shí)刻兩節(jié)點(diǎn)是否可以通信。

3　OPNET仿真與分析

在OPNET中，使用無(wú)線信道建模，采用無(wú)旁瓣的定向天線來(lái)模擬發(fā)射光束。OPNET軟件中自帶的無(wú)線收發(fā)信機(jī)管道包括14個(gè)管道階段[14]，若要使用建立的紫外光單次散射模型，需按論文2.1節(jié)中的建模思路修改第2個(gè)階段即閉合階段中的程序代碼。在pipeline stage中的closure文件里，使用軟件自帶的函數(shù)op_td_get_dbl獲取節(jié)點(diǎn)位置，按照2.1節(jié)中的數(shù)學(xué)公式編寫(xiě)代碼，最后將建立閉合階段的條件修改為2.1節(jié)中建立通信的條件，從而即可實(shí)現(xiàn)建模。

3.1仿真參數(shù)配置

MAC層協(xié)議采用DTRA協(xié)議[15]，仿真場(chǎng)景大小為3 km× 3 km，采用9個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)采用的天線扇區(qū)數(shù)為6。仿真信源采用均勻業(yè)務(wù)。對(duì)于3種傳輸方式，發(fā)散角都為20°，接收視場(chǎng)角都為60°。發(fā)射仰角和接收仰角分別設(shè)置為：NLOS （a）（90°，90°），NLOS（b）（30°，90°），NLOS（c）（30°，20°）。論文對(duì)紫外光非視距的3種通信方式的網(wǎng)絡(luò)性能在不同拓?fù)湎逻M(jìn)行了仿真研究。

3.2仿真結(jié)果與分析

3.2.1鏈狀拓?fù)?/p>

圖5　鏈狀拓?fù)?/p>

圖6　鏈狀拓?fù)渫掏铝?/p>

由圖6的仿真結(jié)果可以看出：①隨著負(fù)載的增加，NLOS （a）和NLOS（c）兩種通信方式的網(wǎng)絡(luò)吞吐量都逐漸增加后趨于平穩(wěn)，而NLOS（b）方式網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在增加到一定值后開(kāi)始逐漸減小；②在節(jié)點(diǎn)負(fù)載較小時(shí)，NLOS（b）方式的吞吐量高于NLOS（a）方式，但當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定值后，NLOS（b）方式的吞吐量小于NLOS（a）方式；NLOS（c）方式的吞吐量始終高于其他兩種通信方式。

3.2.2格型拓?fù)?/p>

圖7　格型拓?fù)?/p>

圖8　格型拓?fù)渫掏铝?/p>

由圖8的仿真結(jié)果可以看出：①在節(jié)點(diǎn)負(fù)載相同的情況下，格型拓?fù)渲?種通信方式的網(wǎng)絡(luò)吞吐量較鏈狀拓?fù)涠加兴黾樱玁LOS（c）方式的吞吐量仍然高于其他兩種通信方式；②在格型拓?fù)淅铮琋LOS（a）和NLOS（c）兩種方式的網(wǎng)絡(luò)吞吐量在趨于平穩(wěn)時(shí)的差值比鏈狀拓?fù)渲写蟆?/p>

從以上的仿真結(jié)果可看出，無(wú)論是格型拓?fù)溥€是鏈狀拓?fù)洌琋LOS（c）方式的吞吐量都優(yōu)于其他兩種方式。對(duì)于NLOS （b）方式，網(wǎng)絡(luò)吞吐量在負(fù)載較小的情況下比NLOS（a）方式高，但隨著負(fù)載增加，定向隱藏終端帶來(lái)的問(wèn)題變得突出，從而吞吐量下降得很快。在紫外光非視距通信組網(wǎng)過(guò)程中，如果需構(gòu)建類似傳感器網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點(diǎn)負(fù)載較小的網(wǎng)絡(luò)，可從簡(jiǎn)化協(xié)議的角度上考慮使用NLOS（a）方式。而對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的網(wǎng)絡(luò)，由于純定向方式具有較高的信道空分復(fù)用率，網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量較高，因此可考慮在組網(wǎng)時(shí)采用NLOS（c）通信方式，且采用格型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)吞吐量相比于鏈狀拓?fù)涓摺?/p>

4　結(jié)束語(yǔ)

文中在分析了紫外光非視距通信鏈路模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)單次散射模型利用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)了非視距通信了建模，仿真結(jié)果也反襯出該建模方案可行。結(jié)合在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下進(jìn)行的對(duì)3種通信方式的網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比仿真，論文對(duì)紫外光非視距通信組網(wǎng)給出了建議，為更深入的組網(wǎng)研究打下了一定基礎(chǔ)。

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Modeling and simulation of NLOS ultraviolet communication based on OPNET

CHEN Mou，LI Xiao-yi，WANG Shen-tao，HAN Hui，MA Bao-hong
（Chongqing Communication Institute，Chongqing 400035，China）

In order to solve how to simulate ultraviolet non-line-of-sight communication using OPNET software，this paper analyze ultraviolet communication link mode and theoretically deduces scattering modeling and orientation scanning mode modeling，then achieves the modeling process in the OPNET software.Combining with the DTRA protocol，this paper simulates three different ways of ultravioletnon-line-of-sight communication in the different topologies.Finally this paper makes a suggestion for ultraviolet non-line-of-sight communication networking according to the simulation results.

ultraviolet communication；non-line-of-sight；single scattering modeling；OPNET

TN23

A

1674－6236（2016）22-0016-04

2016-03-21稿件編號(hào)：201603285

重慶市自然科學(xué)基金資助（CSTS2012jjA40033）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目資助（cstc2014jcyjA40051）

陳 謀（1991—），男，重慶人，碩士。研究方向：光通信技術(shù)。