新型无线紫外光多中继协作通信网络性能研究_马雅盼.pdf

收稿日期：2022-05-16基金项目：国家自然科学基金(62171463，61975238)第37卷第6期2022年12月光电技术应用ELECTRO-OPTIC TECHNOLOGYAPPLICATIONVol.37，No.6December，2022近年来，随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的信息安全性和保密性的要求越来越高，紫外光通信不仅拥有传统无线光通信的优点，而且以它独特的低窃听率、抗干扰能力强、全方位全天候和非直视通信等优势，在安全和保密方面具有广阔的应用前景。国内外先是对紫外光通信 信号与信息处理 新型无线紫外光多中继协作通信网络性能研究马雅盼，汪井源，李建华*，徐智勇，赵继勇，苏洋，等（陆军工程大学 通信工程学院，南京）摘要：在无线紫外光通信网络中，采用与其相适应的有效组网方法可以进一步提高信息传输质量及网络覆盖范围等网络性能。提出了一种新型无线紫外光协作通信组网方法；基于无线紫外光协作网络模型，设计了网络节点协作通信策略；研究了多中继环境下的放大转发和解码转发方式；仿真分析了采用不同中继转发方式时，紫外光协作网络的误码率、通信范围、发射功率以及其网络性能增益，仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果表明，多中继协作通信可有效提高无线紫外光通信网络性能；相同误码率条件下，采用放大转发和解码转发的紫外光协作组网的通信范围明显优于非协作网络，且所需的发射功率更小；解码转发方式优于放大转发方式；协作通信节点数越多，无线紫外光协作通信网络的通信范围越大。关键词：紫外光通信网络；协作通信；放大转发；解码转发中图分类号：TN925文献标识码：A文章编号：1673-1255（2022）-06-0082-08Research on Performance of Novel Wireless Ultraviolet Multi-relayCooperative Communication NetworkMA Yapan,WANG Jingyuan,LI Jianhua*,XU Zhiyong,ZHAO Jiyong,SU Yang,et al(College Communication Engineering,Army Engineering University of PLA,Nanjing,China)Abstract:In the wireless ultraviolet(UV)light communication network,the effective networking method suitable for it can further improve the network performance such as information transmission quality and network coverage.A novel networking method for wireless UV-optic cooperative communication is proposed.Based on the wireless UV-light cooperative network model,a network node cooperative communication strategy is designed.The amplification-forwarding and decoding-forwarding methods in the multi-relay environment are studied.The error rate,communication range,transmit power and network performance gain of the UV-optical cooperative network underdifferent relay and forwarding methods are verified by the simulation results.The research results show that themulti-relay cooperative communication can effectively improve the performance of the wireless UV optical communication network.Under the condition of the same bit error rate,the communication range of the UV light cooperativenetwork using amplification and forwarding and decoding and forwarding is obviously better than that of the non-cooperative network,and the required transmission power is lower.The decoding and forwarding method is better thanthe amplification and forwarding method,and the more the number of cooperative communication nodes,the greaterthe communication range of the wireless ultraviolet light cooperative communication network.Key words:ultraviolet(UV)light communication network;cooperative communication;amplify and forward;decode and forward第6期马雅盼等：新型无线紫外光多中继协作通信网络性能研究系统进行研究，由于紫外光的散射特性使其非常便于组网，人们开始关注紫外光组网的可能性并研究其网络性能。国外对于紫外光通信领域的研究最早开始于20世纪60年代1。多年来，国外众多研究团队围绕紫外光通信在组网中的应用以及紫外光组网协议与方法等方面进行了大量的研究2-3。2006年，KEDAR4等人理论探讨了紫外光通信在无线传感器网络和自组织网络中的组网应用。2011年，德国VAVOULAS5等人深入研究了工作在紫外光C波段的非视距（NLOS，non-line-sight）通信网络的链路连通性，通过多节点多跳拓展了网络覆盖范围，研究了节点密度、错误率等网络参数以及OOK和PPM等调制方式对网络性能的影响。同年，LI6等人参考无线定向网络中的邻居发现协议，以点对点紫外光通信为基础，提出了一种可用于紫外光自组织网络的邻居发现协议。国内对于紫外光组网技术等方面也取得了显著的成果，西安理工大学于2009年开始至今，柯熙政、赵太飞团队对无线紫外光通信网络中的路由算法7、节点覆盖范围8、节点定位算法9、快速信道分配算法10等方向进行了研究，并对无人机编队中机载紫外光网络的连通性11进行了分析，提出了一种基于无线紫外光隐秘通信的侦察无人机分簇算法、无人机编队内无线紫外光协作避让算法12和最优刚性编队生成算法13。除此之外，重庆大学14-16、电子科技大学17、陆军工程大学18-21等众多高校和研究所也在紫外光通信领域的研究中取得了一些成果。从国内外的研究现状来看，紫外光通信正逐渐发展成熟，但是由于传输路径损耗大导致传输距离小，紫外光通信组网虽在一定程度上扩大了紫外光通信范围，却由于紫外光通信组网接入协议与方法具有一定的复杂性，受限于紫外光通信的传输距离和速率等，缺少简单、可靠、有效的组网方法，且组网中多采用的转发方法是源节点在整个比特时隙内都处于发送状态，同时下一节点处于接收状态22，这样不仅没有有效的利用资源，而且由于紫外光通信网络的速率较低，因此容易使得本来就较小的网络吞吐量更加恶化。协作通信技术不仅可以支持信源端和信宿端之间的直接通信，也支持有中继节点辅助的多跳传输，在一定程度上克服了系统干扰，降低了设备发射功率，充分利用无线媒质的广播特性，在不增加网络复杂度下提高了网络性能。然而目前已经分析的协作组网，多是在无线电通信网络中采用协作中继策略、协作分集等方法对无线通信网络进行了理论分析，将协作通信技术应用到无线紫外光通信网络中的研究较少。综上，针对缺乏与紫外光通信特性相适应的有效组网方法以及由于路径损耗大导致误码率大、通信范围小等网络性能不足的问题，提出一种新型紫外光协作通信组网方法，其协作组网策略为：源节点采用紫外LED广播通信，在源节点通信范围内的任意节点，可在当前比特剩余时隙内实时转发源节点的每个比特数据，不需要在收到数据后再专门转发。中间节点可采用的协作转发方式有放大转发和解码转发。在此新型协作组网策略下，将结合无线紫外光点对点通信模型，研究紫外光通信网络在多中继环境下的放大转发和解码转发方式；结合理论分析，仿真分析采用不同中继协作转发方式对紫外光协作网络的误码率、网络通信范围、发射功率等的影响。1新型紫外光通信协作组网方法1.1紫外光通信紫外光点对点非视距通信模型如图1所示。图中，Tx是发送端，1、1为发送端的发散角和发送仰角；Rx是接收端，2、2为接收端的视场角和接收仰角；V为发射光束和接收光束的重合部分，称为有效散射体，r为收发端的通信距离，r1和r2分别为发送端到有效散射体的距离和有效散射体到接收端的距离。紫外光在空气中传播时损耗较为严重，随着通xzRx22r211VVrTx图1 紫外光非视距散射通信模型83光电技术应用第37卷信路径的增加，损耗呈指数形式递增。近距离紫外光非视距通信的损耗公式为L=r（1）其中，为路径损耗指数；为路径损耗因子；r为通信距离。发送端的发散角、发送仰角、接收端的视场角和接收仰角决定了和的大小。为了更好的利用紫外光散射通信的特点，紫外光通信采用NLOS的工作模式，现有研究表明，一般情况下，发送端的发散角和接收端的视场角的取值为 17和30时，链路性能较好20。即当发送端的发散角和接收视场角固定，紫外光非视距通信时不同1、2对应着不同的和的取值，在文献23中给出了紫外光通信中不同发送接收仰角对应的和的部分取值。在无线紫外光通信过程中，太阳辐射噪声光子的分布更接近于泊松噪声分布。因此，文中以泊松噪声模型为基础进行分析。网络节点的通信半径取决于调制方式，文中选用OOK调制方式。因选用“日盲区”紫外波段，背景光噪声较小，忽略背景光，采用OOK调制方式的误码率表达式为Pe-OOK=12exp()-s（2）其中，s为每个信号周期内接收端的光子到达率，可表示为s-OOK=PtLRbhc/（3）式中，为波长；为滤光片和光电探测器的量子效率；=PMT f，PMT为光电倍增管的量子效率；f为光学滤波器效率；Pt为发送功率；Rb为数据传输速率；Pe为误码率；c是光速，c=3108m/s；h是普朗克常数，h=6.626 070 1510-34Js。由上式可得无线紫外光通信节点之间的误码率表达式为Pe=12exp-PtrRbhc/（4）1.2紫外光通信节点协作转发方法紫外光协作通信节点采用的协作转发方式有放大转发（amplify-and-forward，AF）和解码转发（decode-and-forward，DF），以三节点两用户为例，如图2、图3所示，分别为放大转发和解码转发传输机制示意图。其中S为源节点，R为协作节点，D为目的节点；rSR、rRD、rSD分别为源节点S到协作节点R的距离、协作节点R到目的节点D的距离和源节点S到目的节点D的距离，为rSR与rSD之间的夹角。AF协作转发方式分为两个阶段，第一阶段源节点S以紫外LED广播的方式向周围发送光信号，其中一路直接发送到目的节点D，一路发送到协作节点R。第二阶段为协作节点