1 引言

紫外光(UV)通信是一种以“日盲区”(200~280 nm)紫外光为载体、以大气为传输媒介的通信技术^[1-2],具有保密性好、抗干扰能力强、可非直视(NLOS)通信等优点,在无人机的编队飞行、装甲集群以及舰队间的保密通信等方面有着广阔的应用前景^[3-6]。然而,目前商用级别的紫外LED发射功率较低,再加上臭氧等气体分子的吸收作用,以及空气中悬浮颗粒的散射作用和大气湍流的偏折作用,使得作为通信载体的紫外光传输距离较短^[7-10]。紫外光移动自组织网被认为是一种应用自由灵活,能够有效扩大紫外光通信范围的技术方案^[11]。因此,对紫外光移动自组织网相关技术进行研究,尤其是对移动自组网节点结构、节点间通信性能开展研究具有重要意义。

目前,对紫外光组网的研究主要包括节点覆盖范围、链路间干扰、网络连通性和路由协议等。2011年,Vavoulas等^[12-13]研究了紫外光组网的覆盖范围及多跳网络中的节点联通问题,指出适当选择节点传输范围是保证网络连接健壮性的关键,当传输范围小时,孤立的节点多,而传输范围大时又易受干扰,因此需要适当权衡节点密度和节点传输范围,以确保隔离节点数最少。2012年,赵太飞等^[14-15]基于蒙特卡罗方法建立非直视紫外光传输模型,该模型适用于近距离紫外光散射通信时的覆盖范围分析。2013年,Kashani等^[16]探讨了如何确定串行和并行通信中继最佳位置的问题,目的是尽量减少中断概率,以改进性能,并指出最优的放置位置取决于系统和信道参数。2015年,李济波等^[17]针对紫外光通信中光源器件发射功率受限和大气信道严重衰减作用造成传输距离近的问题,提出一种用于非直视通信的抗干扰中继链路方法,提高了系统功率利用率。同年,杨刚等^[18]提出一种基于时分多址接入的紫外光通信定向邻居发现新算法,新算法在定向发送与接收算法的基础上采用退避时延机制,可以快速适应拓扑变化,解决了节点冲突问题。2016年,张曦文等^[19]采用一种基于空分复用的多信道紫外光通信定向信道接入协议,建立飞机间紫外光通信网络模型,解决了飞行编队利用紫外光定向通信时存在的“耳聋”问题。然而,关于紫外光移动自组网的节点设计和性能分析还未见报道。

本文设计了一种收发一体的紫外光移动自组网通信节点装置,提出一种用于主从节点间捕获、对准、跟踪(APT)的方法,仿真分析了基于该方法完成捕获所需的时间。仿真分析及实验验证了误码率为10^-5条件下不同通信距离主从节点间的信息传输速率,所得仿真和实验结果对紫外光移动自组网通信的进一步研究具有一定的实际意义。

2 节点设计及节点间捕获、对准、跟踪的方法

2.1 紫外光移动自组网的节点设计

基于空分复用原理,收发一体的紫外光移动自组网通信节点设计如图1所示。图1中:“×”表示紫外光发射器件,如紫外LED;“○”表示紫外光光电转换器件,如光电倍增管(PMT)。为了避免发射光信号对自身光电转换器件的干扰,借鉴文献[ 20]中的研究结果“链路间夹角应该设置为60°~120°之间”,本节点设计中发光器件和光电转换器件呈90°正交布局,即同一个节点上2条链路间的夹角为90°。载有发光器件和光电转换器件的四棱柱的中心轴固定在伺服电机的转轴上,由伺服电动机驱动。主节点的四棱柱顺时针转动,从节点的四棱柱逆时针转动且与主节点转速相同。主节点发光器件的发散角为ϕ₁,从节点光电转换器件的视场角为ϕ₂。经过相同时间,主从节点旋转的角度(偏转角)分别为θ₁和θ₂,由于主从节点转速相同,因此θ₁=θ₂。此节点设计可以实现紫外光直视(LOS)通信和非直视通信的无缝切换,直视通信如图1中实线阴影所示,非直视通信如图1中虚线阴影所示。

图 1. 收发一体的紫外光移动自组网通信节点设计

Fig. 1. Node design of UV mobile ad hoc network communication node transceiver

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紫外光直视通信和非直视通信切换过程如图2所示。紫外LED的发散角约为6°,光电倍增管的视场角约为80°。假设主节点上的紫外LED和从节点上的光电倍增管已经对准,可以实现主节点发、从节点收的单工通信。从图2(a)可见,当主从节点的偏转角θ₁=θ₂<ϕ₁/2时,从节点的光电倍增管处于主节点的发散角照射范围内,主节点LED发出的光子可经过直视路径传输到达从节点的光电倍增管,这样主从节点间就可以实现紫外光直视通信。从图2(b)可见,当主从节点的偏转角θ₁=θ₂=ϕ₁/2时,从节点的光电倍增管处于主节点发射光锥的边缘,此时主从节点间处于紫外光直视和非直视通信的临界状态。从图2(c)可见,当主从节点的偏转角θ₁=θ₂>ϕ₁/2时,从节点的光电倍增管不在主节点的发散角照射范围内,主节点LED发出的光子只能经过单次或者多次散射传输到达从节点的光电倍增管,这样主从节点间只能实现紫外光非直视通信;当θ₁=θ₂=90°时,从节点上的紫外LED和主节点上的光电倍增管对准,可以实现从节点发、主节点收的单工直视通信;当偏转角继续增大时,主从节点间的直视通信和非直视通信切换过程与图2所示类似。

图 2. 紫外光直视和非直视通信切换过程。(a)直视通信; (b)临界状态; (c)非直视通信

Fig. 2. Switching process of LOS and NLOS UV communication. (a) LOS communication; (b) critical state; (c) NLOS communication

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2.2 紫外光移动自组网节点间捕获、对准、跟踪的方法

捕获就是从节点能收到主节点发送的数据,获得主节点的实时转速、相位等信息。主从节点完成捕获前的相对位置关系如图3所示。从节点可能从水平面的任意方向靠近主节点,此时主节点发光器件的初始相位和从节点光电转换器件的初始相位均是任意的,二者的初始相位差在0°~ 360°随机分布。主从节点捕获过程为:主节点转速固定,如1 r·s^-1,从节点转速以某一加速度线性增加,如转动加速度为1 r·s^-2,在主从节点任意相对位置和任意初相位差的条件下,主节点的发光器件能和从节点的光电转换器件在较短的时间对上,从节点将收到主节点发送的实时相角、转速等信息,完成捕获。

图 3. 主从节点完成捕获前的相对位置关系

Fig. 3. Relative position relationship between master and slave nodes before acquisition

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对准就是当主从节点完成捕获后,从节点对收到的信息进行处理,得出收到主节点信号电压最大值的时刻t,以及该时刻主节点发射端的相角ϕ₁和从节点接收端的相角ϕ₂,主节点的发射端将在主节点旋转一个周期后重新指向相角ϕ₁,从节点据此调整转速,并且在主节点旋转一个或几个整周期后,从节点接收端指向相角ϕ₂。最终使从节点的转速与主节点转速一致,并且让从节点在特定的时间达到特定的相角,实现主从节点的紫外光直视通信。

跟踪就是在主从节点完成捕获、对准后,微调从节点转速,使主从节点的紫外光收发装置始终保持一个较好的动态对准状态。主从节点跟踪的流程图如图4所示。在从节点旋转的每个周期内,从节点接收装置的相位适度超前:如果检测到接收的主节点信号幅度增大,则从节点接收装置的相位就继续超前;否则,从节点接收装置的相位则要适度滞后。如果外部干扰太大,主从节点长时间不能对准,那么主从节点将重新开始捕获、对准和跟踪过程;如果在规定时间内完成主从节点的对准,则本次追踪结束。

图 4. 主从节点跟踪流程图

Fig. 4. Flow chart of master-slave node tracking

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3 仿真分析

3.1 主从节点的捕获时间

主节点转速设定为1 r·s^-1,主节点发光装置初始相位为0°,从节点从静止状态开始加速转动,且其接收装置的初始相位在0°~360°中取值。主从节点完成捕获所需时间与主从节点初始相位差之间的关系如图5所示,随着从节点转动加速度增大,完成捕获的最大时间和最小时间都逐渐减小。

图 5. 主从节点完成捕获所需时间与主从节点初始相位差的关系

Fig. 5. Acquisition time of master and slave nodes versus initial phase difference between master and slave nodes

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主从节点完成捕获所需的平均时间与从节点转动加速度的关系如图6所示,当从节点转动加速度大于0.8 r·s^-2时,主从节点完成捕获所需的平均时间小于10 s。

图 6. 主从节点完成捕获所需平均时间与从节点转动加速度的关系

Fig. 6. Average acquisition time of master and slave nodes versus acceleration of slave node

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3.2 主从节点间的通信性能

紫外光发射端采用开关键控(OOK)调制方式,假设节点间通信是单发单收,接收端直接检测,不考虑其他链路间的干扰,在调制信号的每个时隙,光子到达接收端的数量呈泊松分布,则系统的误码率可表示为

Pe=exp(-λs)/2,(1)

式中λ_s为每一个脉冲间隔时隙内到达接收端的光子数,表示为

λs=η1η2Pt/(LRBE),(2)

式中,η₁为光电倍增管的检测效率;η₂为滤光片的效率;P_t为发射端光功率;R_B为发射端所加调制信号的码速率;E=hν为一个光子所携带的能量,h为普朗克常数,ν=c/λ,c为光速,λ为波长;L为系统的路径损耗。

为保证主从节点在完成捕获、对准、跟踪后能够正常通信,要求误码率小于10^-5。依据(1)式、(2)式,当主从节点的偏转角θ₁=θ₂=θ、接收信号误码率为10^-5时,发射端传输信号码速率可表示为

RB_θ=-η1η2Pt/[Lθln(2×10-5)E],(3)

式中L_θ为主从节点的偏转角θ₁=θ₂=θ时的路径损耗,可用蒙特卡罗方法仿真求得。蒙特卡罗方法仿真计算路径损耗的详细步骤请见参考文献[ 20-21]。

Lθ=PtPr=MEPME=1P,(4)

式中,M为发射端发射的光子数,P_r为接收端光功率,P为发射端发射一个光子能到达接收端的平均概率,可表示为

P=∑m=1M(PN)m/M,(5)

其中 (PN)m为第m个光子最多经过N次散射能到达接收端接收面的总概率。

为了接收端检测信号的方便,主从节点通信时发射端发送信息的码速率应该固定。当主从节点旋转过程中偏转角小于±θ时,主从节点间的路径损耗小于L_θ,所以当主从节点旋转过程中以固定的码速率R_{B_θ}发送数据时,接收端接收信号的误码率小于10^-5,能满足正常的通信要求。

在假定节点转速均匀并且发送码速率为R_{B_θ}的条件下,主从节点转动一周所耗时间设为t,当主从节点的偏转角小于±θ时,主从节点间可以实现误码率小于10^-5的直视或者非直视单工通信,即主从节点转动一周的过程中能实现通信的有效角度为2θ,有效通信时间为2θt/360,则主从节点间能传输的信息量为Q_θ=2θt×R_{B_θ}/360,主从节点间信息传输速率可表示为

Rb_θ=Qθt=2θ360RB_θ=-θη1η2Pt180×Lθln(2×10-5)E。(6)

部分仿真参数设置如表1所示,其他参数为:发射功率P_t=50 mW;发散角为6°,视场角为80°,收端仰角为0°,收发端偏转角从4°增大到20°,步进为2°;光电倍增管的检测效率η₁=30%,滤光片的效率η₂=30%;通信距离为20~70 m,间隔10 m。

仿真得到通信距离与路径损耗的关系。如图7所示。当收发端偏转角相同时,路径损耗随通信距离的增大而增大;当通信距离一定时,路径损耗随收发端偏转角的增大而增大。

图 7. 通信距离与路径损耗的关系

Fig. 7. Relationship between communication distance and path loss

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对于不同的通信距离,接收信号误码率为10^-5时,由(3)式、(6)式分别求得收发端偏转角与发射端码速率、信息传输速率的关系,如图8所示。

图 8. 收发端偏转角与(a)发射端码速率及(b)信息传输速率的关系

Fig. 8. Relationship between deflection angle and (a) transmitted code rate and (b) information transmission rate

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由图8(a)可见,当收发端偏转角相同时,通信距离越小,发射端可传输信号的码速率越大;通信距离一定时,收发端偏转角越大,发射端可传输信号的码速率越小。当通信距离为70 m、主从节点偏转角θ₁=θ₂=6°、接收信号误码率为10^-5时,发射端传输信号码速率约为1.64×10⁶ Baud·s^-1。

由图8(b)可见,当主从节点收发端偏转角相同时,随着通信距离减小,节点间可传输的信息速率逐渐增大;当通信距离一定时,随着节点间收发端偏转角增大,节点间可传输的信息速率逐渐减小。当发射端传输信号的码速率选为1.64×10⁶ Baud·s^-1、主从节点间有效通信的最大偏转角选定为θ₁=θ₂=6°、70 m通信距离内接收信号误码率小于10^-5时,主从节点间信息传输速率约为5.47×10⁴ bit·s^-1,可以满足主从节点间正常通信要求。

4 实验验证

4.1 实验条件

实验地点为西安工程大学金花校区田径场,时间为2017年1月16日晚上08:00—11:00。实验过程中所测得的温度为1 ℃,相对湿度为54%,大气压强为1.017×10⁵ Pa,风速为1.5 m/s,能见度5~10 km。实验中通信距离20~70 m,间隔10 m。收发端仰角都为0°,在每个不同距离点,收发端偏转角从5°~20°向同一方向同时改变,步进为5°。

搭建的紫外光通信实验平台如图9所示。图中紫外光接收机、发射机包含的关键器件分别是滨松高灵敏度光电倍增管(R7154)和中心波长为255 nm的紫外LED(UVTOP255)。以光电倍增管作为光信号检测器件,通过其输出信号可估算出入射光功率,其输出电流表达式为

图 9. 紫外光通信实验装置。(a) 紫外光接收机;(b) 紫外光发射机

Fig. 9. Experimental device for UV communication. (a) Receiver; (b) transmitter

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I=Nrη1η2Ge/t,(7)

式中N_r为入射到接收端光电倍增管的光子数,因实验中未使用滤光片,此处η₂=1,G为光电倍增管增益,e为电子所带电荷量,t为电流持续时间。实验中光电倍增管的输出端串接电阻为R=10 kΩ,将电流信号转变为电压信号U,以方便示波器对数据进行采集,此时I=U/R,因此实验中接收光功率可表示为

Pr=ENrt=UERη1η2Ge。(8)

最终得出实验中的路径损耗为

L'=10lgPtPr=10lgPtRη1η2GeUE。(9)

4.2 实验结果及分析

信号源给紫外LED提供占空比为50%、频率分别为10 kHz和100 kHz的方波信号,依据紫外LED的工作电流和环境温度,当输入方波信号为高电平时,紫外LED发出的光功率P_t=0.6 mW。接收端示波器的输出信号波形如图10所示。图10(a)为50 m处、收发端偏转角为5°、发射频率为10 kHz的方波时,示波器输出信号波形,波形较为规整,可以抽样判决;图10(b)为50 m处、收发端偏转角为5°、发射频率为100 kHz方波时,示波器输出信号波形,波形畸变较为严重,但依然可以抽样判决。实验中未使用滤光片,从输出波形可知,背景噪声约为70 mV,因此在进行相关数据计算时,应去除该背景噪声。

图 10. 发射频率为(a)10 kHz和(b) 100 kHz方波时接收端示波器输出信号波形

Fig. 10. Receiver oscilloscope output signal waveform with (a) 10 kHz and (b) 100 kHz transmission frequency square wave

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对比图10(a)、(b),选用10 kHz的输出波形进行路径损耗相关计算,由(9)式求得通信距离与路径损耗的关系,如图11所示。当偏转角一定时,路径损耗随着通信距离的增大而增大;当通信距离一定时,路径损耗随偏转角的减小而减小。

图 11. 实验中通信距离与路径损耗的关系

Fig. 11. Relationship between communication distance and path loss in experiment

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当发射功率P_t=50 mW、接收信号误码率为10^-5时,由图11中实验所得路径损耗和(9)式、(3)式、(6)式分别求得收发端偏转角与发射端码速率、信息传输速率的关系,如图12所示。

图 12. 实验所得收发射端偏转角与(a)发射端码速率及(b)信息传输速率的关系

Fig. 12. Relationship between deflection angle and (a) transmitted code rate and (b) information transmission rate obtained in the experiment

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分别对比图8和图12可见,在相同发射功率和误码率条件下,实验和仿真所得收发端偏转角与码速率、信息速率关系曲线具有相同的趋势:即随着收发端偏转角的增大,码速率和信息速率都减小。当收发端偏转角设定为6°、通信距离为70 m时,实验所得发射端传输信号码速率和主从节点间信息传输速率分别约为1.6×10⁷ Baud·s^-1和5.33×10⁵ bit·s^-1,仿真所得发射端传输信号码速率和主从节点间信息传输速率分别约为1.64×10⁶ Baud·s^-1和5.47×10⁴ bit·s^-1,可知实验所得码速率和信息传输速率约是仿真所得码速率和信息传输速率的10倍。造成该差异的主要原因是本次实验在晚上进行,为了扩大通信距离,没有使用滤光片,实验中紫外光的散射传播易受大气复杂粒子的影响,加之接收机光电倍增管波长响应范围有一定的宽度,光电倍增管实际的接收光功率偏大,使得实验中紫外光通信节点间路径损耗小于蒙特卡罗方法理论计算的路径损耗。

5 结论

基于空分复用原理,设计一种紫外光移动自组网通信节点装置,提出适用于所设计通信节点间捕获、对准、跟踪的方法。通信节点间捕获时间的仿真结果表明:采用主节点转速固定、从节点转速增加的方式,能快速实现主从节点任意相对位置和任意初始相位情况下的捕获。实验和仿真所得收发端偏转角与发射端码速率、信息传输速率的关系表明:当发射功率为50 mW、主从节点间的有效通信最大偏转角设定为6°、发射端码速率为1.64×10⁶ Baud·s^-1、70 m通信距离内误码率小于10^-5时,收发端信号传输速率可达5.47×10⁴ bit·s^-1,可以满足主从节点间的正常通信要求。