唐萬(wàn)偉

(唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山 063000)

紫外光Mesh通信網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)定位算法的研究

唐萬(wàn)偉

(唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山 063000)

為了在紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中獲得高質(zhì)量、高效率的通信效果，需要給網(wǎng)絡(luò)中的接入層和路由層提供更多的接入點(diǎn)坐標(biāo)信息。文章提出的基于三邊測(cè)量法的節(jié)點(diǎn)定位算法，適合紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道下節(jié)點(diǎn)定位的計(jì)算。仿真結(jié)果表明，此算法的定位誤差低于0.01 km。

紫外光Mesh通信；單次散射；三邊測(cè)量法；定位算法

紫外光是電磁波譜中波段在10～400 nm波長(zhǎng)范圍的一段[1]，紫外光通信則是無(wú)線光通信的一種，它是利用紫外光在大氣中的散射進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N新型通信模式。紫外光Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比具有可靠性高、碰撞減輕、簡(jiǎn)化無(wú)線鏈路設(shè)計(jì)、非直視傳輸和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。由于大氣中存在大量的粒子，因此紫外光通信在傳輸過(guò)程中存在較大的散射現(xiàn)象，這使得該系統(tǒng)能夠進(jìn)行非直視信號(hào)的傳輸，而且適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境。但地形的復(fù)雜又會(huì)給節(jié)點(diǎn)的定位帶來(lái)困難，而為了能夠估算通信的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是在一跳通信范圍內(nèi)還是需要轉(zhuǎn)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的無(wú)線通信，就需要給接入層和路由層提供更多的節(jié)點(diǎn)位置信息。因此研究一種適合紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位算法顯得尤為重要。

1 三邊測(cè)量法定位算法分析

傳統(tǒng)的定位算法分為基于測(cè)距的定位算法和非測(cè)距的定位算法?；跍y(cè)距的定位算法主要依賴測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)傳播時(shí)間、信號(hào)角度、頻譜干涉、圖像信息等測(cè)量手段，獲取距離信息，再利用點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離獲得未知節(jié)點(diǎn)的信息[3]。非測(cè)距定位算法有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一是估算未知節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域，然后利用該區(qū)域的質(zhì)心作為其位置估計(jì)值；二是求出兩條經(jīng)過(guò)未知節(jié)點(diǎn)的曲線，而后利用曲線交點(diǎn)的位置作為其位置估計(jì)值[4]。

三邊測(cè)量法[5]是一種基于距離的定位算法，其理論依據(jù)是：如果確定了3個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)并且知道另外一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離，就可以確定這個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。其算法描述如下：設(shè)未知節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)(x，y)已知，A，B，C3個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，它們到D的距離分別為r1，r2，r3，則可得如下方程組：

(1)

由式(1)可解得D點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)：

(2)

三邊測(cè)量法確定未知點(diǎn)的坐標(biāo)的思想可用圖1來(lái)表示。

圖1 三邊測(cè)量法圖例

在實(shí)際的直視通信環(huán)境中，由于會(huì)存在測(cè)量誤差，使得3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)A，B，C到未知節(jié)點(diǎn)D的距離不準(zhǔn)確，造成方程組無(wú)解，如圖2，圖3所示。

圖2 無(wú)解情況一 圖3 無(wú)解情況二

在紫外光通信中不必?fù)?dān)心這兩種情況會(huì)影響通信效果，因?yàn)橥ㄟ^(guò)紫外光的散射特性，只需要收發(fā)端能夠形成有效散射體就可以進(jìn)行通信，不必達(dá)到直視通信那樣精準(zhǔn)。由式(1)可知，現(xiàn)在的主要問(wèn)題是如何計(jì)算3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離。根據(jù)非直視紫外光單次散射鏈路的接收能量有如下算式[6-7]：

(3)

由式(3)可計(jì)算出發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的距離r：

(4)

其中θ1為發(fā)射機(jī)仰角，θ2為接收機(jī)仰角，φ1為發(fā)射光束孔徑角，φ2是接收視場(chǎng)角，Pr為接收能量，Pt為發(fā)射能量，Ps為散射相函數(shù)，Ar是接收機(jī)孔徑面積，Ke是大氣衰減系數(shù)由大氣散射系數(shù)Ks和大氣吸收系數(shù)Kα組成：Ke=Ks+Kα。

2 算法仿真與分析

在中紫外波段，利用大氣信道仿真軟件Modtran4進(jìn)行仿真。選取波長(zhǎng)λ=266nm，發(fā)射功率為4W，觀測(cè)高度為0.5km，能見度為4km的霧霾天氣，分別固定發(fā)射仰角θ1=45°，接收仰角θ2=45°，測(cè)得傳輸距離隨對(duì)應(yīng)仰角變化的情況，如圖4，圖5所示。

圖4 固定發(fā)射仰角為45°時(shí)的情況

圖5 固定接收仰角為45°時(shí)的情況

從圖4，圖5可以看出，隨著發(fā)射機(jī)的發(fā)射仰角和接收機(jī)接收仰角的增大，發(fā)射距離是逐漸變小的，當(dāng)發(fā)射仰角和接收仰角都很小的時(shí)候，傳輸距離比較遠(yuǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)基本沒(méi)有利用大氣層的散射作用，而相當(dāng)于是直視通信。

根據(jù)推導(dǎo)出的公式(4)，設(shè)定式中參數(shù)為：接收機(jī)孔徑面積Ar=1.4cm2，散射相函數(shù)Ps=1(定義為各向同性散射體)[8]。發(fā)射光束孔徑角和接收視場(chǎng)角φ2的不同會(huì)對(duì)傳輸距離和傳輸損耗產(chǎn)生影響[9]，本次仿真選取發(fā)射光束孔徑角φ1=20°，接收視場(chǎng)角φ2=50°。根據(jù)波長(zhǎng)λ=266nm，參照?qǐng)D6選大氣散射系數(shù)Ke=1.1[10]。按公式(4)的算法計(jì)算傳輸距離并與圖4，圖5仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖7，圖8所示。

自由大氣中日盲紫外光的傳輸特性主要受大氣分子的吸收和散射的影響。圖6中顯示了3種系數(shù)的關(guān)系。

圖6 波長(zhǎng)為250～300 nm的紫外光的3種系數(shù)

圖7 固定接收仰角為45°時(shí)仿真與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

圖8 固定發(fā)射仰角為45°時(shí)仿真與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

在固定接收仰角和發(fā)射仰角的情況下，同時(shí)觀察仿真結(jié)果，從圖7，圖8中可以直觀地看出，不論是在接收端還是發(fā)射端，只要有一端的仰角過(guò)低，就會(huì)使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，這是因?yàn)槭?3)是根據(jù)非直視紫外光單次散射鏈路推導(dǎo)出來(lái)的，而仰角過(guò)低相當(dāng)于直視通信。但只要設(shè)定合適的收發(fā)仰角就可以使誤差降到0.01 km以下，可以滿足紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中定位的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了基于三邊測(cè)量法的節(jié)點(diǎn)定位算法，應(yīng)用于無(wú)線紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位的可行性，根據(jù)非直視紫外光單次散射鏈路的接收功率，推導(dǎo)出適合紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道下節(jié)點(diǎn)定位的計(jì)算公式。利用大氣信道仿真軟件Modtran4對(duì)此算法進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，使用此公式進(jìn)行定位計(jì)算，誤差能夠低于0.01 km，可以滿足紫外光Mesh通信網(wǎng)絡(luò)中定位的要求。

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(責(zé)任編校：夏玉玲)

On Node Localization Algorithm in Ultraviolet Mesh Communication Network

TANG Wan-wei

(Department of Information Engineering， Tangshan College，Tangshan 063000， China)

In order to obtain high quality and high efficiency in the UV mesh communication network， it is necessary to provide more access point information for the network access layer and routing layer. The author of this paper has established a node localization algorithm with the trilateral measurement method， which is suitable for calculation of node localization in the UV mesh communication network. The simulation results show that the positioning error of this algorithm is less than 0.01 km.

ultraviolet Mesh communication； single scattering； trilateral measurement method； localization algorithm

TN929.12

A

1672-349X(2015)03-0039-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.014