1、_作者简介：罗畅（1982 年生），男，博士研究生，主要从事无线通信和信号处理方面的研究。Email：导师简介：李霁野，男，研究员，主要从事军用通信设备等方面的研究。陈晓敏，女，研究员，任神舟飞船、探测双星、嫦娥卫星等型号主任设计师及中国绕月探测工程软件专家组成员。*通信联系人；E-mail: 无线紫外通信信道分析罗畅 1,2 李霁野 1 陈晓敏 1 (1 中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190)(2 中国科学院研究生院，北京 100190 )摘要 利用大气散射效应，无线紫外通信能够提供非视距的无线光通信。对无线紫外通信信道的研究，现阶段主要还局限于能量衰减模型的探讨。本文首次推
2、导了紫外无线通信信道的脉冲响应近似解析表达式，以此研究紫外信道的特性。得出了信道记忆长度，码间干扰和信道误码率与收发机光学几何结构，数据速率的关系。研究表明信道带宽和时延扩展主要取决于大气条件，即是大气衰减系数，同时得到了信道容量与衰减系数，通信距离的关系。结果表明紫外通信系统对收发机光学结构敏感，带宽低，码间干扰严重，适合于低速近距离保密通信。相关结论对收发机光学结构的设计与定量分析紫外通信系统的性能起到一定的指导作用。关键词 光通信；紫外光通信；信道；脉冲响应；码间干扰；频谱；中图分类号 TN929.12 文献标识码 A Analysis of the Channel of Wireles
3、s Ultraviolet CommunicationLuo Chang1，2 Li Jiye1 Chen Xiaomin1 (1 Center for Space Science and Applied Research Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)(2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)Abstract Ultraviolet communication system can provide non-line-o
4、f-sight links by exploiting atmospheric scattering of light. Path loss model has mainly been studied at present. The analytic expression of the channel impulse response received signals is derived, and then we had studied channel characteristic using the results. The relationships between channel le
5、ngths, inter symbol interference and bit error rate and bit rate and system geometry Configuration are got. The results indicate that the channel bandwidth mainly rest on the attenuation coefficient and channel capability is affected by the communication range and attenuation coefficient. Ultraviole
6、t communication system is sensitive to system geometry Configuration and has very narrow bandwidth and severe inter symbol interference. It will suitable for low bit rate, short range and secret communication. The derivation results will give important guidance on the designs of the wireless ultravi
7、olet communication system. Keywords optical communication; ultraviolet communication; channel; impulse response; inter symbol interference; frequency response OCIS 编码 060.2605 060.4510 060.00601 引言紫外光散射通信(简称紫外通信)是利用大气中的粒子、气凝胶、灰尘等微粒对日盲波段紫外光的散射作用进行信息传输的一种2新型的通信方式。大气中的微粒对紫外光有很强的散射作用，所以紫外光通信可以进行非视距光通信，这
8、是红外通信部可比拟的优点。大气散射必然导致多路径接收脉冲展宽，由此带来非常严重的码间干扰，这是紫外光通信最大特点之一。紫外通信的研究还局限于大气条件对通信性能的影响 1，能量衰减特性 2，调制技术 3，信道模型 4的研究，另外作者还第一次探讨了紫外通信自适应信号检测问题 5。对信道脉冲响应的研究除了文献4,对信道其他方面的研究文章很少。本文将首次研究紫外无线通信信道基础问题，首次推导了紫外无线通信信道的脉冲响应近似解析表达式，这个结论和文献4不同，是从另一个角度的分析。然后以此为基础第一次研究了紫外无线通信信道的脉冲响应，频谱特性，信道容量，码间干扰问题。2 紫外光通信非视距单散射模型紫外光在
9、大气中的传播是一个非常复杂的过程，非视距（non-line-of-sight,下面简称 NLOS）单散射模型 6是最常用。紫外光通信主要应用于短距离的通信，模型中主要考虑一次散射效应，即发射端发出的光子只经过一次大气散射就可到达接收器。对于非视距通信系统，发射机和接收机的配置结构如图 2 所示。发射和接收机处于非视距方式，光束的公共区域的光才有可能通过散射到达接收机，发射光束孔径角、接收机视场角、发射机和探测接收机仰角决定了重叠公共区域的大小与形状，从而影响信道的性质。非视距光的传输问题，采用长球面坐标系来分析是常用的方法 6,7，如图 1 所示。其中， 。12()/r()YXrr/)(21主
10、轴1F2FSrr0XZ1F2FTRmaxin发射机 接收机假设系统配置如下， 是发射立体t角，r 是收发间距， 和 是公共重叠区域分1r2别到发射机和接收机的距离， 是接收机半R视场角， 是接收机顶角， 是发射光束发RT散角， 是发射机顶角， 是发射脉冲的能TtE量， 分别是大气散射系数，吸收系eask,图 1 长球面坐标系Fig.1 prolate-spheroidal coordinates图 2 非视距散射通信线路Fig.2 non-line-of-sight communication3数，衰减系数， 是散射角， 是散射相s)(p位函数， 是接收天线表面积。上面角度单rA位是弧度，能量
11、单位是焦耳，衰减系数是单位/每米，立体角单位是球面度，距离是米。假设在时间 t=0 时发出一个能量为 的脉tE冲，假设能量均匀分布在发射立体角内，则接收机接收到的辐照度是 6： 0),(22)exp()( )(2tt 1grkcEes(1)maxini)(dPS )cos(i)si()co(s)co( 11RRc,22g(2) ),(sin)(sin21R是 坐标的积分限。),(23 无线紫外通信信道响应特性3.1 信道脉冲响应从上面单散射模型的推导可以知道，将其代如式(1)得到 E(t)，其实rct/E(t)刚好就是信道的脉冲响应，但是该计算表达式过于复杂，所以下面我们将其化简。在散射体积比
12、较小的时候， 是一个常)(cos数，根据文献6， 在某些情况下也就,(2是一个常数，同时这种假设虽然会丢失一些精确性，但分析它的性能特点是足够的。现在式(1)的一个关键问题是坐标 积分限的选取。根据文献6：(3)(,min)(axmaxin2211 TR通过分析发现， 是关于 的单调函数，在 取较小的值的时候，也就是信道响应的初始阶段，我们得到： , 。RT1， RT,2一般情况下，信道响应初始阶段是起决定性作用的，所以我们得到 的积分限是。对式(1)积分运算，并且将RT,21，代入得到脉冲响应：rct/tckmthTes1)2/(in16xp)(222)ln(rtc-)osl 22trtR(
13、4)c(ln22rttT其中 m 是一个常数，为便于分析，可取值为1。取函数 ln()的泰勒展开式，可知有一个多项式衰减部分。相比室内红外信道的指数衰减模型 8，紫外信道还有多项式衰减部分，可以证明，t 在趋于无穷时，多项式部分是趋于 0 的。同时还有指数衰减部分，指数衰减系数有一个常数光速 c, 所以指数部分的衰减是非常大的,能量与距离 r 的关系也非常复杂，对距离的依赖关系没有无线电通信和视距光通信大，在大于一定距离后，随距离 r4的变化不是很明显。ln()函数项和 1/t 项衰减速度远小于前面的指数衰减项，所以在分析的时候可以只保留指数衰减项。文献2的另一种近似方法也得到了类似的结论，结
14、合上面的分析：(5)cos1)(sin4exp)(32TTeRsrtkkth3.2 信道长度无线紫外通信信道相对稳定，是一个时不变信道。定义信道长度为 L(以时间为单位)，从图 1，图 2 可以计算出 的范围，从而得到信道长度 6。L)cos()cos(TRr(6)()(1TR从上式知信道长度与 r 成正比，距离越长，码间干扰越大，同时信道长度与收发机配置密切相关。r=500m , ，3/TR， ，12/T6/R，脉冲响应如图149.074.0kmkse，3。该图表明信道是一个 FIR 信道，并且信道展宽较大,码间干扰较为严重。图 4 描述了在半视场角为一确定值的情况下，收发机轴顶角，发射光发
15、散角与信道长度的关系，假定收发机顶角相等,收发机顶角，发射光发散角增加将导致信道长度增加。图 5 表明在收发机顶角一定时，半视场角与发射光发散角的增加将引起信道长度的增加。图 7 说明在视场角与发射光发散角一定时，发射机与接收机顶角的增加将使得信道长度的增加。上面的结论说明，在设计实际系统时，收发机角度配置是十分重要的。从图 6，信道长度的变化可以达到 10-4 s,如果数据率为 1Mb/s，那么在不同收发机配置结构时，信道长度的变化可有 100 个码元周期，这将对通信系统的性能造成巨大影响。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2x 10-51234567x 104信 道 响 应 时
16、间 t/s光功率/(W/m2)10 20 30 40 50 60 70 800.20.40.60.81x 10-5收 发 机 轴 顶 角 /(o)信道长度/(s)T=1oT=30oT=60o图 3 无线紫外通信信道脉冲响应应 Fig.3 UV communication channel图 4 信道长度与收发机顶角，发射角关系Fig.4 relationships with beam divergence angle,apex angle and channel length50 10203040 50607080 900.20.40.60.81x 10-5半半R/(o)信道长度/(s)T=1o
17、T=30oT=60o0 10 20 30 40 50 60 700.20.40.60.81x 10-4接 收 机 顶 角 R/(o)信道长度(s)T=30oT=60oT=70o3.2 信道误码率无线紫外通信信道误码率的分析是基于加性高斯白噪声信道，不考虑信号衰落等其他因数，也不考虑收发滤波器，只考虑大气物理信道。在光通信中 OOK 调制方式下，在信噪比较高时，在码间干扰存在时，误码率是 9：(7)12(20hDSNRQBEMM 是离散信道“尾巴”长度，如果码间干扰只发生在相邻比特之间，那么 M=1。 是信0道归一化系数向量的第一个值，紫外通信信噪比较高，在信噪比较高时，主要受它的影响。根据式(
18、7), 如果 0.5，才可能取得比较低的误码率， 越0h 0h大，误码率越小。在图 7 分析中，我们假定没有过采样，接收信噪比是 20dB，发射光发散角 10 度，半视场角 30 度，距离 r=200 米，数据率 1M/s。图 7 描述了收发机顶角与 ，衰减系数0h的关系。在收发机顶角比较小的时候，误码率较30354045505 60657000.20.40.60.81收 发 机 轴 顶 角 /(o)hoNke=0.05m-1ke=0.01m-1ke=0.015m-10 20 40 60 80 1000.20.40.60.81数 据 速 率 /(kb/s)hoN小，且随顶角，衰减系数变化不大，
19、因为这图 5 信道长度与视场角，发射角的关系 Fig.5 relationships with beam divergence angle,field of view and channel length图 6 信道长度与发射顶角，接收顶角关系Fig.6 relationships TR apex angle, RE apex angle and channel length 图 7 收发机轴顶角，衰减系数与 关系hFig.7 vs apex angle with different 0hattenuation coefficient图 8 数据速率与的 关系hFig.8 vs bit rat
20、e06时信道长度较短，码间干扰不严重。在大于一定角度后，信道长度快速增加，误码率快速增大。从图中还可以看出，在顶角大于 60度时，误码率太大，没法进行速率 1M 的通信，只有降低码率，无线紫外通信是一种低码率通信系统。图 8 说明数据速率与误码率的关系密切，数据速率越大，在信道不变的情况下，发生干扰码元数量就越多，必然引起误码率的增加。和图 7 类似，在顶角大于一定角度后，信道长度快速变长，如果数据率比较高，那么干扰码元增加越大，所以误码率会更高。紫外通信系统数据速率几乎不可能达到 500kb/s。为了提高性能，在紫外通信中，通过信道估计采用自适应编码和均衡技术是必要的。4 无线紫外通信信道频
21、谱，带宽与信道容量对式(5)进行傅立叶变换并取模的平方，得到信道的幅频响应： 2322 )cos1)(sin4)( TTRrkfH)(expexp22maxminfktktee(8) 22inaxaxin4)( )(cos2fttce与 是信道响应时间范围。信道的带宽maxtin可以用幅频函数的 3dB 截止频率来表示。等式(8)中，余弦项的变化值是(-1,1),而分母f 值的变化十分巨大，所以余弦函数值随 f 的变化可以不计，由此得到单边带宽：(9)2/ckfe我们得到信道带宽主要受衰减系数影响，即是带宽主要受物理大气特性影响，与收发机配置结构关系不大。如果衰减系数是1.2km-1,那么截止
22、频率是 0.57105Hz，这带宽是十分窄的，信号传输速率十分有限，所以也从理论上证明了紫外是一种短距离低码率传输系统。衰减系数越大，带宽越大，这是因为衰减系数大，干扰码元的能量相对变小，码间干扰变变小的缘故。假定 r=500m,收发机顶角为 60o,发射光发散角和半视场角 15o。图 9 说明在信噪比比较高的时候，随着衰减系数增加，信道容量也是增加的。这是因为衰减系数增加，引起信号能量减小，但因为噪声功率比较小，信号能量的减小对信噪比影响不大，这时起主要作用的是信道带宽，而信道带宽随衰减系数增加而增加。而在低信噪比时，图 10 表明信道容量随衰减系数的增加先是增加而后减小。虽然噪声功率比较大
23、，但在衰减系数比较小时，信号能量随衰减系数的变化非常小，所以对信噪比影响不大，这时带宽起主要作用。而在衰减系数比较大时，信号能量随衰减系数增加而快速减小，引起信噪比降低，所以信道容量减小。图 11 是在高信噪比时得到的，说明信道容量随距离的变化非常大，但小于距离的变化率。随着距离增加，信道容量减小率是逐渐减小的，这表明在距离大于一定值后，信道容量变化比较小，对距离变化不再敏感。同时可以看出，数据速7率可以达到几百 kb/s,但不会超过 1Mb/s。图12 是在低信噪比时的结论，如果信噪比较低，数据速率最多达到几十 kb/s。终上，紫外通信系统性能随相关参数的变化比较大。 0 0.5 1 1.5
24、 2x 10-32468x 105衰 减 系 数 ke/(m-1)信道容量/(bit/s)功功功功=10-18W功功功功=10-17W功功功功=10-16W0 0.5 1 1.5 2x 10-30.511.522.53x 104衰 减 系 数 ke/(m-1)信道容量(bit/s)功功=10-15W功功=10-14W功功=10-13W0 0.5 1 1.5 2x 10-312345678x 105衰 减 系 数 ke/(m-1)信道容量(bit/s)r=50mr=50mr=100mr=200m0 20 40 60 80 10012345x 105距 离 r/(m)信道容量/(bit/s)功功=
25、10-15W功功=10-16功功=10-17W5 无线紫外通信信道时延扩展下面采用信道延时扩展来分析码间干扰，这种模根据文献9 的计算方法，紫外信道均方根延时扩展：(10)ckDe21而信道相干带宽是 ，这和上节得到带/e宽的结论是一致的。延时扩展和带宽决定了数据无差错传输的最高速率。在不同的信道参数下(不同的衰减系数)，均方根时延扩展值有很大的差距。这也说明紫外信道在不同情况下的变化较大。时延扩展越大，信道误码率就越高，若信道相干带宽小于信号带宽，则信道是频率选择性信道，信号将发生畸变。紫外通信中常采用强度调制与直接检测的通信方式，发射信号为脉宽不变的矩形脉冲信号，如果衰减系数是常用的 0.
26、0012m-1，那么信号最高速率是 57kb/s，信号速率非图 9 高信噪比时衰减系数与信道容量的关系Fig.9 channel capacity vs attenuation coefficient with high SNR图 10 低信噪比时衰减系数与信道容量的关系Fig.10 channel capacity vs attenuation coefficient with low SNR图 11 信道容量与距离，衰减系数的关系Fig.11 channel capacity vs attenuation coefficient with different ranges图 12 信道容量
27、与距离，噪声功率的关系Fig.12 channel capacity vs ranges with different SNR8常低，所以必须采用优良的信号处理技术提高信息速率，但是受限于物理信道实际特点，信号速率不会太高。6 结论无线紫外通信的研究还不太成熟，是一种新型的通信技术，为了提高通信性能，对通信信道脉冲响应的研究十分必要。但是现在对通信信道的研究主要集中在紫外光能量在大气中衰减模型的探讨，只有几篇文章研究信道脉冲响应。不同于这几篇文章，本文从单散射模型出发，推导了紫外信道脉冲响应的简化近似数学表达式，以此研究紫外信道的特性。得出了信道记忆长度，码间干扰和信道误码率与收发机光学几何结
28、构，数据速率的关系。研究表明信道带宽和时延扩展主要取决于大气条件，即是大气衰减系数，同时得到了信道容量与衰减系数，通信距离的关系。结果表明紫外通信系统对收发机光学结构敏感，带宽低，码间干扰严重，适合于低速近距离保密通信。这些结论都是第一次得到，相关结论对收发机光学结构的设计与定量分析紫外通信系统的性能起到一定的指导作用。参考文献1 Tao Feng_, Fei Xiong, Gang Chen, Zujie Fang. Effects of atmosphere visibility on performances of non-line-of-sight ultraviolet commun
29、ication systems J. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, Volume 119, Issue 13, October 2008, Pages 612-617.2 Xu Zhengyuan, Ding Haipeng, Sadler. Brian M. Analytical performance study of solar blind non-line-of-sight ultraviolet short-range communication links J. Optics Letters,
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34、 a decision feedback equalizer J. JOSA A, Vol. 22 Issue 8, pp.1646-1654 (2005).文章创新点：1.无线紫外通信的研究还不太成熟，是一种新型的通信技术，紫外通信信道的研究主要集中在光信号能量衰减模型的探讨，对信道响应的研究较少。本文首次推导得到简化近似的紫外通信信道脉冲响应数学解析式，便于系统分析与设计。2.利用推出的信道响应公式，首次得到紫外信道带宽数学表达式。3.利用信道响应和带宽的表达式，分析研究了信道记忆长度，码间干扰，信道误码率，信9道带宽和延时扩展，信道容量与收发机配置，大气条件，数据速率的关系，这些结论是第一次得出。对通信系统设计与分析有指导意义。
