陈 谋，李晓毅，王申涛，韩 辉，马宝红

（重庆通信学院 重庆400035）

基于OPNET 的紫外光非视距通信建模与仿真

陈 谋，李晓毅，王申涛，韩 辉，马宝红

（重庆通信学院 重庆400035）

为解决如何在OPNET仿真软件中对紫外光非视距通信进行仿真，论文分析了紫外光通信链路模型，针对单次散射模型及定向扇区扫描方式进行了理论推导，并在OPNET软件中实现了建模过程。论文最后结合DTRA协议在不同拓扑下对紫外光非视距三种通信方式进行了对比仿真，并根据仿真结果对紫外光非视距通信组网提出了相应建议。

紫外光通信；非视距通信；单次散射模型建模；OPNET

无线光通信（红外光、可见光及紫外光）由于拥有无需授权的带宽资源且抗干扰能力强，因而一直受到研究人员的持续关注[1]。但无线光通信中大部分需要在视距（LOS，Line-of-Sight）条件下进行通信，某些实际情形，例如在高楼大厦遍布的城市中或其他障碍物较多的区域里，并不能满足视距通信，因而通信效果会受到不利影响。然而紫外光通信作为一种利用大气散射进行数据传输的新型通信方式，不仅能够采用视距通信方式，还能够跨过障碍物实现非直视（NLOS，Non-Line-of-Sight）通信，且抗干扰能力强，保密性高[2]，因此成为无线光通信研究中的一个热点。

近年来，国内外对紫外光通信相关技术的研究从最初的传输信道模型分析[3]，到光源、光电探测器件的选取以及光信号的调制解调方式[4]，再逐步深入到整个系统的设计[5]，现已开始了对紫外光通信组网的仿真研究。OPNET是目前公认使用较广的网络仿真软件[6]，但目前在OPNET仿真软件中并没有直接可用的紫外光非直视通信底层模型，因此若要用OPNET软件对此种通信方式进行仿真，首先需对底层进行建模，然后才能在仿真中使用此种模型。

1　紫外光非视距通信方式

紫外光NLOS通信有如图1所示3种传输方式[7]：NLOS（a）采用全向发送全向接收的模式，因而节点间可以很方便的进行信息交互，但其传输距离有限。NLOS（b）采用定向发送全向接收的模式，通过定向传输增加通信距离，利用全向接收简化协议。NLOS（c）采用定向发送定向接收模式，这种方式使得传输距离增加，协议更能抗干扰，3种模式之间可通过改变收发仰角进行转变。

图1　紫外光非视距通信3种工作模式

在不考虑多次散射的情况下三维坐标轴中的紫外光单次散射模型如图2所示[8]：

图2　紫外光单次散射模型

发送端发射的紫外光子通过自由空间衰减到达散射区域V，接收端则通过收集单次散射后的光子完成非视距通信。文献[9]的研究结果表明，当通信距离L小于200 m时，紫外光非直视通信单次散射模型比较接近实际通信情形，因此论文便基于单次散射模型进行建模。

2　单次散射模型在OPNET软件中建模

2.1节点通信模型

设A为发射节点，B为接收节点，如图2所示。θT为发送仰角，øT为发散角，θR为接收仰角，øR为接收视场角，rA为A节点发射光锥的轴心线，rB为B节点接收视场区域的轴心线。θs为散射角，可得出θs=θT＋θR。以节点A，B所处的水平面为XY平面，建立好坐标轴后，空间上的任意一点便对应一个坐标。

由于实际场景中紫外光的有效传输距离是有限的[10]，因此令rA的长度为LA。若且，则可知M点在发射光锥内部。从而可以求出在A节点发射光锥内的所有点，记为集合A{a1（x1，y1，z1），a2（x2，y2，z2），…，an（xn，yn，zn）}；同理可求出在B节点接收视场区域内的节点，记为集合B{b1（x1，y1，z1），b2（x2，y2，z2），…，bn（xn，yn，zn）}。

对于实际的通信情形，要想实现可靠且稳定的通信，首先发射光锥需与接收视场区域存在重合。在模型中则是A，B集合中有公共点，即card（A∩B）≠0，其次按照紫外光NLOS链路的接收光功率的表达式[11]可知，

对于给定值P0，Pr，NLOS＞P0才能达到稳定的通信效果。

综上所诉，只有card（A∩B）≠0且Pr，NLOS＞P0时，才可判定此时A，B两节点可以通信。

2.2扇区扫描模型

当网络中的节点需要与多个节点进行通信时，就需要考虑紫外光波束切换问题。波束切换天线结构简单、成本低，目前已在车载和无人机等小型移动平台上广泛应用[12]。现已有研究人员借鉴无线电通信中波束切换天线的设计思想设计出了一种在紫外光网络中用于定向光束切换的收发装置[13]，该装置由多个阵元组成，每个阵元可以定向发送或接收紫外光信号。

图3即是阵元数为S的理想紫外光束切换系统示意图，光束在平面上形成了S个扇区，扇区宽度由系统阵元数确定。节点可跟处于扇区内的任意节点进行通信，扇区角为。

当A节点进行扇区扫描时，αA，βA，φA的值随时间变化，但θT在扫描过程中保持不变。令图2中为t=0时刻，则

假设节点从t=t0时刻开始扇区扫描，当t=t0时，如图4所示。

设A点坐标为（xA，yA，zA），B点坐标为（xB，yB，zB），由图2可知zA=zB=0。

设直线rA与X，Y，Z轴的正方向夹角分别为αA，βA，φA，直线rB与X，Y，Z轴的正方向夹角分别为αB，βB，φB。

设空间任意一点M坐标为（x0，y0，z0），z0＞0。过点A和点M的直线l方程为

直线rA的方程为

因此直线l与直线rA的夹角为

图3　理想光束切换装置示意图

图4　坐标系中的扇区扫描模型

Q为发射光锥轴线上的一点，P点为Q点在XY平面的投影点，过P点作X轴垂线交X轴于H。根据立体几何知识可知PH⊥AH，QH⊥AH。∠PAH为扇区切换角，设扇区数为S，则t=t0，2t0，3t0，…，nt0时，∠PAH=（n·）mod360°。

由图4可知，

因此按2.1节中判别节点是否可通信方法可得出在t=t0时刻A，B两节点是否可以通信，同理类推从而可得出t= t0，2t0，3t0，…，nt0各时刻两节点是否可以通信。

3　OPNET仿真与分析

在OPNET中，使用无线信道建模，采用无旁瓣的定向天线来模拟发射光束。OPNET软件中自带的无线收发信机管道包括14个管道阶段[14]，若要使用建立的紫外光单次散射模型，需按论文2.1节中的建模思路修改第2个阶段即闭合阶段中的程序代码。在pipeline stage中的closure文件里，使用软件自带的函数op_td_get_dbl获取节点位置，按照2.1节中的数学公式编写代码，最后将建立闭合阶段的条件修改为2.1节中建立通信的条件，从而即可实现建模。

3.1仿真参数配置

MAC层协议采用DTRA协议[15]，仿真场景大小为3 km× 3 km，采用9个固定节点，节点采用的天线扇区数为6。仿真信源采用均匀业务。对于3种传输方式，发散角都为20°，接收视场角都为60°。发射仰角和接收仰角分别设置为：NLOS （a）（90°，90°），NLOS（b）（30°，90°），NLOS（c）（30°，20°）。论文对紫外光非视距的3种通信方式的网络性能在不同拓扑下进行了仿真研究。

3.2仿真结果与分析

3.2.1链状拓扑

图5　链状拓扑

图6　链状拓扑吞吐量

由图6的仿真结果可以看出：①随着负载的增加，NLOS （a）和NLOS（c）两种通信方式的网络吞吐量都逐渐增加后趋于平稳，而NLOS（b）方式网络的吞吐量在增加到一定值后开始逐渐减小；②在节点负载较小时，NLOS（b）方式的吞吐量高于NLOS（a）方式，但当负载超过一定值后，NLOS（b）方式的吞吐量小于NLOS（a）方式；NLOS（c）方式的吞吐量始终高于其他两种通信方式。

3.2.2格型拓扑

图7　格型拓扑

图8　格型拓扑吞吐量

由图8的仿真结果可以看出：①在节点负载相同的情况下，格型拓扑中3种通信方式的网络吞吐量较链状拓扑都有所增加，但NLOS（c）方式的吞吐量仍然高于其他两种通信方式；②在格型拓扑里，NLOS（a）和NLOS（c）两种方式的网络吞吐量在趋于平稳时的差值比链状拓扑中大。

从以上的仿真结果可看出，无论是格型拓扑还是链状拓扑，NLOS（c）方式的吞吐量都优于其他两种方式。对于NLOS （b）方式，网络吞吐量在负载较小的情况下比NLOS（a）方式高，但随着负载增加，定向隐藏终端带来的问题变得突出，从而吞吐量下降得很快。在紫外光非视距通信组网过程中，如果需构建类似传感器网络等节点负载较小的网络，可从简化协议的角度上考虑使用NLOS（a）方式。而对于数据量较大的网络，由于纯定向方式具有较高的信道空分复用率，网络整体吞吐量较高，因此可考虑在组网时采用NLOS（c）通信方式，且采用格型拓扑的网络吞吐量相比于链状拓扑更高。

4　结束语

文中在分析了紫外光非视距通信链路模型的基础上，针对单次散射模型利用OPNET软件实现了非视距通信了建模，仿真结果也反衬出该建模方案可行。结合在不同拓扑结构下进行的对3种通信方式的网络吞吐量对比仿真，论文对紫外光非视距通信组网给出了建议，为更深入的组网研究打下了一定基础。

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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稿件编号：201603285

重庆市自然科学基金资助（CSTS2012jjA40033）；重庆市基础与前沿研究计划项目资助（cstc2014jcyjA40051）

陈 谋（1991—），男，重庆人，硕士。研究方向：光通信技术。