[发明专利]一种无线光非视距通信链路中存在反射面的信道特性分析方法

权利要求书

1.一种无线光非视距通信链路中存在反射面的信道特性分析方法，其特征在于，在所述无线光非视距通信链路模型中，接收机Rx位于坐标系原点，发射机Tx位于任意坐标(x_t,y_t,z_t)处；同时假设Tx所发出的光束Beam与Rx的视场FOV均为一个圆锥，则Tx所发出的光束轴线指向的单位方向向量如式(1)所示：

μ_T＝[sinθ_Tcosφ_T,sinθ_Tsinφ_T,cosθ_T] (1)，

Rx的视场轴线指向的单位方向向量如式(2)所示：

μ_R＝[sinθ_Rcosφ_R,sinθ_Rsinφ_R,cosθ_R] (2)，

θ_T和θ_R表示光束轴线与视场轴线的倾斜角，角度方向为从z轴正方向到轴线；φ_T和φ_R表示光束轴线与视场轴线的方位角，角度方向为从x轴正方向逆时针到轴线在xy平面中的投影；β_T和β_R分别表示Tx光束的束散角和Rx视场的视场角；

在空间中假设存在任意平面P，其法向量为n_P＝(x_p,y_p,z_p)，与z轴的交点P_z＝(0,0,h)，则平面的方程被写为P：x_px+y_py+z_pz＝z_ph；

通过生成大量光子进行模拟光线传输的特性分析，从而获得无线光非视距通信链路中存在反射面时的信道特性包括通信链路路径损耗和任意时间段内的通信链路信道响应结果，具体包括以下步骤：

步骤1、设置算法初始化的参数，包括系统模型参数：Tx的位置坐标(x_t,y_t,z_t)，θ_T，θ_R，φ_T，φ_R，β_T，β_R，平面P的法向量n_P＝(x_p,y_p,z_p)，以及其与z轴的交点P_z＝(0,0,h)；总共产生光子的个数N_p；光子发生CIE的次数N_c；初始化记录光子每次发生CIE被接收机探测到的概率矩阵P_r的元素为0,该矩阵的尺寸为N_p行，N_c列；初始化记录光子每次发生CIE被接收机探测到经过的路径矩阵L_r的元素为0,该矩阵的尺寸为N_p行，N_c列；光子最低存活能量ξ；光子初始能量ξ₀；光子的消光系数k_e，散射系数k_s，平面P的反射系数ρ；光源空间分布函数f_LED(Ω)，其中Ω为函数变量；光子经过散射事件后的空间分布函数f_sca(Ω)；光子经过平面反射事件后的空间分布函数f_ref(Ω)；接收机的有效探测面积S_R；

步骤2、进入第一层循环，遍历所有N_p个光子，初始循环变量为k_p＝1；

步骤3、初始化本次循环光子的变量，包括：

v_r：用于记录光子的位置的变量，此时设置v_r＝(x_t,y_t,z_t)，初始化为发射机Tx的坐标，表示光子正在发射机出等待发送；

μ：用于记录光子出射的方向的方向向量，初始化为μ_T，即发射机Tx的轴线的方向向量；

d：光子经过的距离，初始化为0；

ξ₀＝1，即归一化光子出射的能量；

定义标志变量δ，用于指示记录光子改变方向的原因，δ为0表示从发射机出射，δ为1表示经过散射事件，δ为2表示经过反射事件，此处初始化δ＝0；

步骤4、进入第二层循环，遍历本次循环光子设定的发生CIE的次数，初始循环变量为k_c＝1；

步骤5、根据δ的值，随机生成本次光子的出射向量μ，即：

如果δ＝0，则根据分布函数f_LED(Ω)生成随机的出射向量μ；

如果δ＝1，则根据分布函数f_sca(Ω)生成随机的出射向量μ；

如果δ＝2，则根据分布函数f_ref(Ω)生成随机的出射向量μ；

步骤6、根据光子的消光系数k_e随机生成本次光子的运动距离：d_t；

步骤7、计算新的光子的位置，即v_{r_new}＝v_r+dμ；

步骤8、通过光子前后两次位置，并结合平面P的方程x_px+y_py+z_pz＝z_ph，判断光子从v_r运动到v_{r_new}时是否穿过平面：

如果穿过平面：计算该交点，并令v_{r_new}等于该交点的坐标，设置δ＝2；

如果未穿过平面：设置δ＝1；

步骤9、更新变量v_r＝v_{r_new}，d＝d+d_t，L_r(k_p,k_c)＝d+||v_r||，其中L_r(k_p,k_c)表示矩阵L_r的第k_p行，第k_c列的值；||·||表示求向量的模长；

步骤10、计算光子经过CIE后，到达接收机的条件概率：

如果δ＝1，

如果δ＝2，

其中，·表示向量的点乘，arccos表示反余弦函数；

步骤11、如果表示光子在接收机视场内，则记录此时光子被成功接收的概率；

如果δ＝1，则其中P_r(k_p,k_c)表示矩阵P_r的第k_p行，第k_c列的值；

如果δ＝2，则其中P_r(k_p,k_c)表示矩阵P_r的第k_p行，第k_c列的值；

步骤12、更新光子剩余能量，

如果δ＝1，

如果δ＝2，ξ₀＝ξ₀(1-P_rc)ρ；

步骤13、进行k_c＝k_c+1的操作，如果k_cN_c，则结束第二层循环，进入步骤14，否则返回步骤5；

步骤14、进行k_p＝k_p+1的操作，如果k_pN_p，则结束第一层循环，进入步骤15，否则返回步骤3；

步骤15、计算路径损耗PL，如下所示：

路径损耗路径损耗PL的单位为dB，即分贝；

步骤16、计算从光子从发射机出射时到记录结束时间t_z内的信道脉冲响应，时间区间步长t_s，包括以下过程：

初始化信道脉冲响应向量CIR为1行，列的0向量，其中表示向上取整；

计算光子传输时间矩阵其中c为光速；

计算时间矩阵中元素对应脉冲响应向量CIR中的下标值矩阵，即

通过循环遍历整个所述下标值矩阵，计算信道脉冲响应向量CIR。

2.根据权利要求1所述的一种无线光非视距通信链路中存在反射面的信道特性分析方法，其特征在于，所述通过循环遍历整个所述下标值矩阵，计算信道脉冲响应向量CIR包括以下子步骤：

子步骤S1：进入第一层循环，遍历所有N_p个光子，初始循环变量为k_p＝1；

子步骤S2：进入第二层循环，遍历发生CIE的次数N_c，初始循环变量为k_c＝1；

子步骤S3：CIR(P_{photoTimeIndex}(k_p,k_c))＝CIR(P_{photoTimeIndex}(k_p,k_c))+P_r(k_p,k_c)；

子步骤S4：进行k_c＝k_c+1的操作，如果k_cN_c，则结束第二层循环，进入子步骤S5，否则进入子步骤S3；

子步骤S4：进行k_p＝k_p+1的操作，如果k_pN_p，则结束第一层循环，否则进入子步骤S2；

子步骤S5：对CIR进行归一化，即