紫外光通信大气信道模型研究

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光通信中的信道建模与信道容量分析

光通信中的信道建模与信道容量分析光通信是一项现代通信技术，它采用光作为信号传输介质，其速度快、带宽宽、并且不受电磁干扰的特点使得其在很多应用场景中得到了广泛的应用。

如何对光通信中的信道进行建模和分析，是光通信领域的研究热点之一。

本文将阐述光通信中的信道建模和信道容量分析的相关内容。

一、光通信中的信道建模信道建模是对通信信道的特性进行描述和抽象的过程。

在光通信中，信道包含光纤、空气等传输介质。

光纤是光通信中最常用的传输介质之一。

根据信道的不同特点，光通信中的信道建模可以分为线性模型和非线性模型两种。

在光纤通信中，信道传输会受到各种噪声的影响，包括热噪声、自发噪声等。

为了对光纤通信中的信道进行建模，研究者通常采用线性模型。

线性模型是将光纤通信中的信号当成一个线性系统，其输入输出过程满足线性定理。

基于线性模型，研究者通常采用瑞利衰落模型或高斯白噪声模型进行分析，瑞利衰落模型适用于描述室内环境或者非常短距离的光纤传输，而高斯白噪声模型适用于描述长距离的光纤传输。

基于线性模型的推导，可以得到光强度和相位的三级统计特性，包括均值、方差和自相关函数等。

在某些情况下，非线性模型可能更适合描述光纤通信中的信道特性。

例如在光纤的高功率传输中，非线性效应会给信道带来一定影响。

非线性模型通常可以建立在薛定谔方程的基础上，对于一些常见的非线性效应，例如半波电流调制效应、自相位调制效应等，都可以采用非线性模型进行建模。

二、光通信中的信道容量分析信道容量是指单位时间内，发送端和接收端之间可以传输的有效信息量。

在光通信中，信道容量分析是评估光通信系统传输性能的重要指标。

光通信中信道容量分析的方法包括香农容量计算法和基于信息论的分析方法。

香农容量是指在理想情况下，对于一定的信道带宽和信道传输速率，通信系统可以最大化信息传输速率的极大值。

在光通信中，香农容量可以通过奈奎斯特公式进行计算。

该公式指出，当信道带宽为B，信号的传输速率为R时，理论最大的信息传输率C为2B log2 (1+SNR)。

紫外光通信技术发展及应用研究

目前在紫外光信道仿真及关键技术取得了较大进展尤其是实现了高速业务通信的紫外光通信技术尤其是紫外光通信系统试验样机的制作成功这为实不但可发挥其抗干扰力强保密性能好可全向收发现紫外通信系统在工程化和使用化方面起到了重要的可跨越障碍物和通信传输速率高等技术优势同时可推动作用
ａ叶技２０１４年第２７卷第８期
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｏｌａｒｂｌｉｎｄｒｅｇｉｏｎ；ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌｉｇｈｔ — ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ（ＵＶＥＤ）；ｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＬＩＵＸｉａｏｇｕａｎｇ．ＷＵＺｈｏｎｇｌｉａｎｇ
（１．Ｒ＆Ｄ，Ｎｏ．７０１ＦａｃｔｏｒｙｏｆＰＬＡ（Ｎ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒ＆ＤＢｅｉｊｉｎｇ，Ｘｉ ’ ａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＲａｄｉｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣＡＳＴ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８６，Ｃｈｉｎａ）
在复杂战场环境中，无线电通信设备不仅互相之间产
生干扰，且会受敌方的强电磁辐射干扰。（２）无线电
通信的保密性较低，其发射的电磁波可在较远的地方
ａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｇｏｏｄｓｅｃｕｉｒｔｙ，ｐｏｗｅｆｒｕｌａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ，ｎｏｎ — ｌｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔ（ＮＬＯＳ）ａｎｄＯｍｎｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｄｉｉｃｆｕｌｔｔｏｂｅｄｅｔｅｃｔｅｄａｎｄｉｎｔｅｒｃｅｐｔｅｄ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｃｌｏｓｅ－ｊａｍｍｉｎｇｍｉｌｉｔａｙｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ

自由空间紫外光通信系统中LED光传输模型研究

ｐｏｅｔｓｍｏｅｓｔｅｅｉｅｙｔｅｃｍｂｎｔｎｏｉｈ — ａｃｉｇｃｒｅＴｈｅｕｔｗｉｒｐｒｉｄｌｉｈｎｄｒｖｄｂｈｏｅｉａｉｆ１ｔｍｔｈｎｕｖ．ｏｇｅｒｓｌｌｌ
提出了修正方案；在单次散射原理基础上对大气中直射和斜射散射光传输特性进行了详细推
导，结合ＬＤ配光曲线得出紫外ＬＤ光的大气传输解析模型。研究结果为紫外自由空间光通ＥＥ
信系统的设计提供参考。
关键词：紫外通信；ｏｇｅ定律；输特性；单次散射；ＥＢｕｕｒ传ＬＤ中图分类号：２．２文献标识码：ＴＮ９９１Ａｄｉ０３６／．ｓ０５５３．０２０．１ｏ：１．９９ｊｉｒ１０ —６０２１．３００ｓＬ
ｐｏａａｉｎｒｐｒｉｓｏＶＥＤｏｔｃｌａｉｔｎｔｅｆａｏｐｉｃｐｅｏｕｕｒｓｒｐｇｔｐｏｅｔｆＵｏｅＬｐｉａｒｄａｉ，ｈｌｗｆｒｎｉｌｆＢｏｇｅｉｏ
ａａｙｅａｅｏｒｄａｉｅｒｎｆｒｈｏｙＡｎｔｅｍｐｏｅｍｅｈｄａｅｒｓｎｅｎｌｚｄｂｓｄｎａｉｔｔａｓｅｔｅｒ．ｖｄｈｉｒｖｄｔｏｓｒｐｅｅｔｄａｔｒｒｓｆｅｗａｄ．Ｔｈｒｐｇｔｎｐｏｅｔｓｏｉｅｔｓａｔｒｄｌｈｎｂｉｕｎｉｅｃｃｔｅｅｅｐｏａａｉｒｐｒｉｆｒｃｃｔｅｅｉｔａｄｏｌｅｉｃｄｎｅｓａｔｒｄｏｅｄｇｑｌｈｒｈｏｅｉａｌｅｕｅｎｄｔｉｂｓｄｏｈｒｎｉｌｆｓｎｌｃｔｅ．Ｐｒｐｇｔｏｉｔａｅｔｅｒｔｃｌｄｄｃｄｉｅａｌａｅｎｔｅｐｉｃｐｅｏｉｇｅｓａｔｒｇｙｏａａｉｎ

探析紫外光通信技术原理及应用

探析紫外光通信技术原理及应用紫外光通信系统是一种新型的通信手段，与常规的通信系统相比，有很多优势。

由于紫外线主要以散射方式传播，并且传播路径有限，采用紫外光通信系统具有一定的绕过障碍物的能力，非常适用于近距离抗干扰的通信环境。

紫外光通信具有灵活、低窃听、全方位、非视距通信的独特优势，主要应用于短距离的、保密的通信是常规通信的一种重要补充。

紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础的。

紫外光通信基于两个相互关联的物理现象：一是大气层中的臭氧对波长在200nm到280nm之间的紫外光有强烈的吸收作用，这个区域被叫做日盲区，到达地面的日盲区紫外光辐射在海平面附近几乎衰减为零；另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。

日盲区的存在，为工作在该波段的紫外光通信系统提供了一个良好的通信背景。

紫外光在大气中的散射作用使紫外光的能量传输方向发生改变，这为紫外光通信奠定了通信基础，但吸收作用带来的衰减使紫外光的传输限定在一定的距离内。

因此紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。

选择紫外“日盲”波段光波进行传输信号时，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。

由于紫外辐射在大气中由瑞利散射所造成的光能损失是红外线的1000倍以上，使得工作于紫外波段的系统与红外系统相比具有很大的不同。

它是信息传输实现非视距工作方式的基础，同时也克服了其他自由空间信息传输系统在视距方式工作时的弱点。

与常规通信方式相比，紫外光通信有其特有的优势：1、高保密的数据传输性和强抗干扰能力；紫外光通信主要基于大气对紫外光的散射和吸收作用。

紫外光信号在大气传输过程中会呈现指数倍的衰减，传输距离一般不超过10公里，信号难以监听和截获。

另外，紫外光通信系统的辐射功率可根据通信距离减至最小，无线电设备很难对其进行干扰和精确定位。

2、可用于非直视通讯；紫外光在大气传输过程中会发生散射现象，散射特性可以使紫外。

紫外LED散射通信信道特性与传输研究

ＧｎＯＱｉｕｓｈｉ，ＨｅＮｉｎｇ，ＨｅＺｈｉｙｉ
（Ｓｃｈｏｏ１ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ）
．
ｒａｔｏｒｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＵＶ— ＬＥＤｗｉｔｈａｎａｎｇｌｅｏｆｖｉｅｗ８０。ａｎｄｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆａｎａ — ｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｔｅｓｔｅｄｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ５～８ｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎａｓｐｅｃｉｆｉｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｃａｔｔｅｒｅｒｉｓｕｓｅｄａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ
郭求实。何宁。何志毅
５４１００４）（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林摘要：利用ｍｏｄｔｒａｎ大气传输模型对低空信道紫外光传输特性进行分析，研究了近地短距离传输的大气吸收和散射的数学模型。在实验室环境下，系统采用视场角为８Ｏ。的紫外ＬＥＤ（发光二极管）发射，在传输距离为５～８ｍ的情况下进行了模拟信号

紫外光通信大气传输特性及理论模型探讨

度和浓度［。紫外光的散射类型根据介质中粒子的尺寸对散射的影响可以归结为瑞利散射、氏散射和４］米非线性散射等三种。１２１瑞利散射．．当散射粒子尺寸ｄ远小于波长时的散射即为瑞利散射，瑞利散射的散射相函数Ｐ为
Ｐ（）一３（＋１
磁振荡并向各个方向传播，由此形成光的散射。正
是由于大气对紫外光的散射作用，使得紫外光能才
够绕过障碍物形成非视线传播的特点。
一
般来说，尺度与光波长越接近的大气粒子对
光的散射强度越大，１给出了常见大气粒子的尺表
图３传输距离ｌｒｋｎ时不同臭氧浓度下的传输衰减
Ｆｉ．Ｔｒｎｍｉｓｏｔｅｕｔｎｉｉｅｅｔｏｏｅｇ３ａｓｓｉｎａｔｎａｉｄｆｒｎｚｎｏｎｆｃｎｅｔａｉｎｗｉｋｄｓａｃｒｎｍｉｓｏｏｃｎｒｔｔｌｍｉｔｎｅｔａｓｓｉｎｏｈ
ｍａｏｈｏｅｉｌｄｌａｄｒｓａｃｔｏｓｒｉｕｓｄｊｒｔｅｒｔａｍｏｅｓｎｅｅｒｈｍｅｈｄｅｄｓｓｅ．Ｔｈｏｔｎｃｓａｄｔｎｅｃｆｃａｃｅｂｔｌｅｋｎｄｎｙｏｅｅ
ｔｅＵＶｏｈｃｍｍｕｉａｉｎｉａｓｎｅｔｇｔｄｎｃｔｓｌｏｉｖｓｉａｅ．ｏ
撞，故会发生非线性散射，散射光的频率与入射光的频率有差别。介质的光学不均匀性越强，非线性散射

基于高度的紫外光NLOS单次散射链路模型的研究

基于高度的紫外光NLOS单次散射链路模型的研究何华;柯熙政;赵太飞【摘要】为了更精确、更全面地研究紫外光的通信性能,使之更适合于实际空间中的3维应用,在2维紫外光单次散射链路模型的基础上融入高度信息,并利用仿真计算了在添加高度信息与否的两种情况下接收功率误差的大小.结果表明,高度对于发射仰角和接收仰角潜在的影响直接引起接收功率的改变,甚至在某些情况下不能进行通信.高度信息的考虑对通信设备在实际空间中的应用给予了正确的指导.%In order to study the ultraviolet communication characteristics accurately and comprehensively so that it can be adopted in actual 3-D space application, with the height information synthesized in the single scattering link model, the error was computed with the height information or not.The result shows that potential interference of height on the transmitting angle and receiving angle will lead to receiving power changes, even lead to communication failure under some circumstances.Thus, it provides a good guideline to real application of the ultraviolet communication settings.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】4页(P495-498)【关键词】光通信;紫外光通信;单次散射;高度;非视距【作者】何华;柯熙政;赵太飞【作者单位】西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048;西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048;西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048【正文语种】中文【中图分类】TN929.12引言无线光通信利用波长范围从红外光、可见光到紫外光范围内的光波进行信息传输。

基于单LED的无线紫外光通信系统设计与实现

的散射称为Ｍｉ散射。这种散射主要由大气中的微粒，烟、ｅ如尘埃、水滴及气溶胶等引起。在复杂天气情况下，气中气小大溶胶微粒对光波的散射远大于大气分子散射。此时需要用Ｍｉ射理论处理。因此，对复杂环境风沙天气、雾、ｅ散针海雨天、天等，研究过程中主要考虑Ｍｉ散射。Ｍｉ射的辐雪在ｅｅ散射强度与波长的二次方成反比，射在光线向前的方向比向散后的方向更强，向性比较明显。方
点阵作为光源，在样机上实现通信Ⅲ 重庆大学光电研究试并；验室在２００６年也完成了基于紫外光的语音系统设计与实
施，系统在反映灵敏度及抗干扰方面都有着不错的表现啊与该。收稿日期：０１０一４２１－３ｌ稿件编号：０１３７２ｌ００５
３２调制方式．
调制就是把信号叠加到载波上。紫外光通信系统中的调
制器是一种电光转换器，使输出光束的某个参数（度、它强频
率、位、振等）电信号变化，成光的调制过程。制方相偏随完调式分为内调制和外调制２。把被信息信号调制了的电信号类
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＴｅｃａａｔｒｓｉｓｏＶｏｈｈｒｃｅｔｆＵｃｍｍｕｉａｉｎａｄｔｅｃｍｍｕｉａｉｎｃａｎｌａｅｉｔｏｕｅｎｔｉｐｐｒｉｃｎｃｔｎｈｏｏｎｃｔｈｎｅｒｎｒｄｃｄｉｈｓａｅ．ＷｅｏｄｓｇｉｅｅｓＵｄｇｔｌｃｍｍｕｉａｉｎｓｓｅｅｉｎａｗｒｌｓＶｉｉｏａｎｃｔｙｔｍｔｈＶＥｓｔｅｌｈｏｒｅａｄｔｅｐｏｏｌｐｉｒｔｂｓｏＩｔｅＵＬＤｓａｉｔｓｕｃｎｈｔｍｕｔｌｕｅａｌｈｇｈｉｅ

光通信系统中的光纤信道建模研究

光通信系统中的光纤信道建模研究在现代通信技术中，光通信系统已经成为了主流的通信方式，它使用光纤传输大量的数据，保证了数据传输的速度和稳定性。

在光通信系统中，光纤信道承担了很重要的作用，良好的光纤信道设计可以有效地提高信号的传输速度和传输质量，因此，光纤信道建模成为了光通信系统中的重要研究领域。

1、光纤信号传输原理简介在光通信系统中，LED或者激光器将电信号转换成光信号，通过光纤进行传输，接收端的探测器可以将光信号转换成电信号，实现数据的解码和处理。

对于光纤信道，数据的传输速度和传输质量主要受到以下几个因素的影响：传输距离，传输距离越远，光信号在光纤中的衰减就越大，数据的传输速度和传输质量都会受到影响。

传输带宽，光信号在光纤中的传输带宽是有限的，为了提高传输速度和传输质量，可以增加传输带宽，但是这也会增加传输成本。

光纤的损耗，包括衰减和非线性损耗。

衰减是光功率在光纤中传播过程中不断削弱的过程，非线性损耗则是由于光信号传播到一定距离后，光的强度大幅度下降，失去了传输质量。

为了对光纤信道进行研究，需要对光纤信号传输进行建模。

一般采用的数学方法有以下几种：基于非线性薛定谔方程的模型，这是一种对光纤信号传输和光信号变形的一种经典模型，可以反映出光纤传输中的各种非线性效应。

基于传输矩阵和多端口S矩阵的数学建模方法，这种方法主要用于描述多核光纤、多模光纤和微纤光纤的光学特性。

基于蒙特卡罗方法的模型，这种方法可以使用数值仿真的方式得到光纤中的各种参数，例如光纤的损耗和传输质量等。

3、影响光纤信道的主要因素光纤信道受到的影响有很多，一般来说涉及以下几方面的因素：光纤材料的特性，不同材料的光学特性不同，光在其中传输的速度也不同，这就影响了信号的传输速度和传输质量。

光信号在传输过程中会出现各种失真，例如群时延失真、色散失真、非线性失真等，在传输过程中，这些失真会逐渐累积，导致传输过程中信号质量的下降。

光纤的损耗是影响光纤信道传输质量的常见问题，每种光纤的损耗都是不同的，不同传输长度会造成光纤纤芯的不同损耗。

紫外光通信特点和信道模型的介绍及紫外光通信系统的设计与实现

紫外光通信特点和信道模型的介绍及紫外光通信系统的设计与实现紫外光波长10~400nm,是光谱中波长最短部分，主要由太阳辐射出来，又称紫外线，紫外光传输性能与传输范围内大气的品质密切相关，如大气中的O3浓度、散射粒子的浓度、大小、均匀性、几何尺寸等。

研究大气中分子和粒子的散射时主要考虑Rayleigh 散射和Mie散射。

与此同时，紫外光的传播方式以散射为主，虽然传输过程中衰减严重，但可绕过一定障碍物，这两点决定了紫外光通信系统可以实现全天候的非视距通信（Non Line Of Sight,NLOS）。

随着国内日盲段紫外LED生产线的投产，紫外光通信的实现将更具可行性。

1 研究背景紫外光作为通信手段被提出最早在上个世纪初，当时美国军方提出用于海军海上通信。

国内近两年在此领域研究的也有一些，其中国防科技大学在2007年研究了一款直升机紫外光通信系统，在这项研究中是国内首次使用日盲段LED点阵作为光源，并在样机上实现通信；重庆大学光电研究试验室在2006年也完成了基于紫外光的语音系统设计与实施，该系统在反映灵敏度及抗干扰方面都有着不错的表现。

与此同时，在业界领先的美国加州大学Center for UbiquitousCommunication by Light实验室，在2007年实现了在使用光功率为0.5mW的10个24单元阵列LED为紫外光光源，00K调制方式下紫外光通信的数据传输速率达到了如表1所示，包括视距通信（Line Of Sight,LOS）和非视距通信两种方式。

表1 不同距离，误码率下紫外光视距和非视距通信的数据传输速率2 大气散射信道由于紫外光是在大气中进行无线传输，大气信道的质量直接关系到通信质量，传输距离等重要通信指标。

当散射粒子的直径远小于波长时就发生Rayleigh散射，大气分子对紫外光的散射就用Rayleigh散射理论来处理，但是只有在晴朗天气（能见度Rv≥20 km）中Rayleigh散射才是主要的。

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式中 ξ=ct/r；tmin、tmax分别为到达交叉部分最小矢
径、最大矢径的时间。对g[φ(ξ, η)]积分，得到交叉
部分总散射体散射的能量。光源发射能量经衰减后
的能量与散射体散射能量的乘积在时间范围内积
分，可得到探测器探测到的总能量。
r a. βT=βR=90º
(考虑到实际系统，θT一般取小于45º)时，得到与前面相同的结论。βR、βT取不同值时，仍可得到同样的结论。理论上，根据非视距单散射模型、斜收发情况下，最小矢径高度降低，信道容量增大，接收能量增加，损耗降低，与仿真结果吻合。因此在紫外光通信系统设计过程中，在保密通信距离内，应采用斜收发的情况，减少系统传输损耗，降低对光源与探测器的要求。
P(θs)为单散射相位函数；g[φ(ξ, η)]为有效散射信道
收稿日期：2006 − 09 − 06 作者简介：张静(1982 − )，女，硕士生，主要从事紫外光通信方面的研究.
200
电子科技大学学报
第 36 卷
容量。探测器接收到的总能量为：
∫ ER =
tmax
E(ct / r)dt
(2)
tmin
Abstract Ultraviolet (UV) communication bases on atmosphere scatter and absorption. The structure parameters of system are important to UV system. The relationship between transmitter, receiver apex angle, beam divergence, and the value of loss-time delay are simulated by model developed by Luegtten. Energy distributing is elicited in the fixed angles. The value of loss and time-delay is given by simulation calculating in different conditions.
θT在(1º, 45º)内间隔1º变化。通过仿真可得出损耗延时与接收孔径角的关系如图3所示，损耗与接收孔径角的关系如图4所示。
第2期
张静等: 紫外光通信大气信道模型研究
201
L/d B
τ/μs
由图中可以得出：接收孔径角固定，发射孔径角增大时，延时、损耗都在减小。发射孔径角固定时，接收孔径角与延时、损耗关系相同。理论上，根据非视距单散射模型，当发射与接收孔径角增大时，信道容量增大，最小矢径值减小；信道容量增大时，接收能量增大，损耗减少。延时与最小矢径大小有关，最小矢径值减小时，延时减小，与图3、图4的仿真结果相一致。因此，紫外光系统设计过程中，应选取大光束孔径进行传输，降低传输损耗，减小延时。
202
电子科技大学学报
第 36 卷
3 000 −192 38.60 6.5 −135 15.20 4.6 −123 11.5 2.2
从以上三个方面的仿真可以得出结论：为了减小系统的传输损耗，在系统设计过程中，发射机和接收机应采用斜收发(仰角取值均小于90º)；光束孔径角的选择应尽可能大，这样将减少系统传输损耗和脉冲延时，便于探测器接收；距离的增大，将增加传输损耗和脉冲延时，在实际通信过程中应根据不同的传输距离选取结构参数。
以及传输距离等。其中，发射机和探测接收机的仰
角分别为βT、βR(0≤βT、βR≤ π )；光束孔径角为θR、 θT (0≤θR≤ π ，0≤θT≤ π /2)；传输距离为r。
探测接收机接收到的能量是通过计算位于交叉
部分经大气散射光信号的数量得出的。本文通过非
视距单散射模型[3]计算探测接收机接收到的能量。
1 紫外光通信大气信道理论分析
图1所示为三种不同单对单传输系统模式[2]。由
图可以看出，光信号只有通过发射仰角和接收仰角
交叉部分的散射体散射后，才能到达接收机。光信
号离开光源到达接收机的数量是由系统的几何结构
和大气散射因子(ks)、衰减因子(ke)决定的。几何结构主要包括光束孔径角、发射机和探测接收机仰角
×10−6 12
10
8
6
4
2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θT/(º)
图3 时延与θT关系图(θR=15º)
−112 −114
−116
−118
−120 −122
−124 −126
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θT/(º)
图4 损耗与θT关系图(θR=15º) 2.3 不同距离特定角度下能量分布图
(1. 电子科技大学光电信息学院成都 610054; 2. 电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室成都 610054)
【摘要】紫外光通信是一种新兴的基于大气散射和吸收的无线光通信技术，系统结构参数的选择对系统性能有重要影响。
该文通过利用Luettgen提出的非视距单散射模型，比较了在不同仰角、光束孔径角情况下，损耗、延时、脉冲半宽展宽的变化
−100
−110
−120
L/d B
−130
−140
−150 0
−95
5 10
15 20 25 30 35 40 45 θR/(º)
a. βT=βR=90°
r b. βT=90º，βR＜90º
L/d B
−105 −115
r
c. βT＜90º，βR＜90º
图1 非视距紫外光通信系统
2 仿真分析
在中紫外波段，λ=266 nm时，ks=0.157 km−1； ke=1.23 km−1；P(θS)=1(各向同性散射体)[4]。选取QT = 1 mJ；脉冲宽度为10 ns；探测天线直径为0.2 m。本文通过改变系统结构参数βT、βR、θR、θT和传输距离r,研究系统结构参数对传输损耗L、延时τ、脉冲半宽展宽WP的影响。 2.1 对三种不同收发方式的比较
取θT=15º，r=500 m，θR在(1º,45º)范围内间隔1º 变化。通过仿真可得出，损耗与接收孔径角的关系如图2(与图1系统分别对应)所示。
由图2可得出：发射孔径角固定时，图2c中损耗最小。即斜收发情况下，传输损耗最小，垂直收发损耗最大。接收孔径角固定，改变发射孔径角大小
−125 0
−90
Key words channel model; loss; non-line-of-sight; time-delay; ultraviolet communication
紫外光通信主要采用中紫外波段光波 (200 ～ 280 nm)作为传输介质，由于分子(颗粒)对这一波段的强吸收作用，使得在近地面太阳光谱中没有紫外光波段，属于日盲区，减少了对紫外发射光源干涉带来的干扰。与传统通信方式相比，紫外光通信具有以下优点：(1) 数据传输的保密性高。由于大气的强吸收作用，系统辐射的紫外光通信信号强度按指数规律衰减，这种强度衰减是距离的函数。因此，可根据通信距离的要求来调整系统的辐射功率，使其在通信范围之外的辐射功率减至最小，提高传输保密性[1]。(2) 系统抗干扰能力强。(3) 可用于非视距通信。(4) 无需ATP跟踪。目前，国内外信道模型研究主要采用Luettgen提出的非视距单散射信道模型，对特定角度下能量分布进行了分析，但没有进行信道结构参数对传输性能影响的研究。本文利用非视距单散射模型，对紫外光通信大气信道模型进行了研究。
第 36 卷第 2 期 2007 年 4 月
电子科技大学学报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.36 No.2 Apr. 2007
紫外光通信大气信道模型研究
张静1 ，廖云1，武保剑2，史双瑾2，邱琪1,2
1 000 −137 12.80 5.0 −109 5.06 2.3 −103 3.85 0.8
1 500 −152 19.30 5.6 −117 7.59 3.1 −109 5.77 1.2
2 000 −166 25.70 5.9 −123 10.10 3.6 −113 7.69 1.6
2 500 −179 32.20 6.3 −129 12.60 4.2 −118 9.62 1.9
小矢径值增大时，延时增大，脉冲展宽加宽。与图5、图6和表1的仿真结果相吻合。
表1 传输距离与损耗、延时、脉冲半宽展宽关系表
距离
βR=βT=90º
βT=90º, βR=45º
βR=βT=45º
/km L/dB Τ/μs WP/μs L/dB Τ/μs WP/μs L/dB Τ/μs WP/μs
500 −119 6.44 4.0 −100 2.53 1.4 −96 1.92 0.3
5 10 15 20 25 30 35 40 45
θR/(º) b. βT=90°，βR<90°
−105
Байду номын сангаас
L/d B
−115
−125
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 θR/(º)
c. βT<90°，βR<90°
图2 损耗与θR关系图
2.2 光束孔径角选择对系统的影响仿真中，βT=βR=90º时，取θR=15º，r=500 m，
假设发射机在t=0时刻，发射脉冲能量为QT；发射机
固有圆锥角为ΩT=4 π sin2(θT/2)，则探测器接收到的
能量为：
∫ E(ξ
)
=
QTcks exp(−kerξ) 2πΩT r 2