傳感器網絡中紫外大氣散射通信研究.pdf

1、無線光通信具有不需申請頻譜、信息容量大、功耗低、安全性好等優(yōu)點，已成為無線傳感器網絡(WSN，Wireless Sensor Network)應用中備受關注的一種通信手段。但無線傳感器網絡中傳感節(jié)點分布范圍廣，數量大，位置復雜，外界環(huán)境多樣，這就要求無線光通信必須解決外界光源干擾和視線(LOS，Line-of-Sight)傳輸的問題。紫外光大氣通信選用日盲區(qū)光波進行通信，一方面克服了太陽光和人工光源的干擾，另一方面可以利用大氣中懸浮粒子

2、的散射實現非視線(NLOS，Non-Line-of-Sight)通信。近年來，紫外大氣散射通信在WSN中的應用已受到國內外很多學者的重視。本學位論文在分析大氣光學特性的基礎上，研究了紫外光大氣散射傳輸模型及適用于傳感器網絡的光調制方式，搭建了一個基于紫外LED的大氣散射通信實驗系統(tǒng)并進行了研究。
　　 論文的主要工作如下：
　　 1．研究了光波在近地大氣中傳播的特性
　　 深入研究了大氣對流層、平流層、中間層、熱

3、層和散逸層的光波傳播特性，分析了地表附近低空大氣中臭氧分子的作用，利用200～280nm范圍的紫外光在近地范圍內傳播時不受太陽輻射的影響、吸收損耗較小以及可充分利用大氣分子的散射實現非視線傳播等特點，提出以紫外光為傳播媒介構建無線光通信系統(tǒng)并將其應用于傳感器網絡的方案。
　　 2．研究了紫外光大氣散射傳輸模型
　　 分析了傳統(tǒng)的建立在長球坐標系上的紫外光大氣非視線單次散射模型，指出該模型未考慮大氣中懸浮粒子的尺寸及由此引

4、起的光波散射的差異。為此，引入了大氣粒子尺寸、分布及散射相函數，改進了非視線單次散射傳輸模型；基于該改進模型，對不同的通信距離、收發(fā)仰角、光源束散角和接收視場角、天氣條件下日盲區(qū)紫外光的大氣散射傳輸特性等進行了仿真研究，結果指出，紫外光大氣散射可實現非視線通信，比較適合于短距離場合使用。
　　 3．研究了紫外光大氣散射通信中的調制方案
　　 綜合考慮人體安全、傳感器節(jié)點能源限制、大氣的吸收與散射會造成接收光功率的急劇下降

5、等特點，指出紫外光通信的發(fā)射功率不宜過大，而采用適當的調制方式可以提高系統(tǒng)的功率利用率。為此，提出了一種新型的調制方式——分離雙脈沖位置調制(SDPPM，Separated Double Pulse Position Modulation)，開與已有的方式進行比較。結果表明，所提調制方式比OOK、PPM等方式在功率需求和帶寬需求方面有較好的折中：比DPPM、DPIM等方式有調制時隙長度固定的優(yōu)勢，能夠簡化調制與解調電路。此外，該調制方式

6、的特殊結構使接收端可進行軟判決解調，在保持多脈沖位置調制的高信息傳輸速率的同時，進一步改善了系統(tǒng)的誤碼性能。
　　 4．研制了紫外光大氣散射通信實驗系統(tǒng)
　　 設計了一個基于LED紫外光散射通信系統(tǒng)，通過對比各種日盲區(qū)紫外光源的性能，指出目前紫外LED是無線傳感器網絡中進行光通信的最佳光源；討論了兩種常用的紫外光檢測器的性能及特點，指出紫外光電倍增管技術成熟可靠，適合目前使用，雪崩增益光檢測器在紫外波段尚不成熟，但將來會