一种基于角度感知的紫外光非视距通信定向接入方法

摘要

本发明公开的一种基于角度感知的紫外光非视距通信定向接入方法，首先设定接收仰角的值为90°，根据发射节点的发散角和发射仰角的值，计算紫外光非视距通信覆盖范围；其次设计紫外光非视距通信节点结构，建立接口仰角邻居表；接着更新定向的网络矢量分配表；然后判断信道是否空闲；进行信道预约；最后进行数据的发送和接收，完成紫外光非视距通信定向接入。本发明方法，使紫外光通信节点在信道接入时能够根据接口仰角邻居表，选择最佳的发送仰角、接口号进行数据的发送。相对于静态指定发送仰角的接入算法，降低了干扰节点产生的概率，提高了通信的传输距离，减少了通信所需的跳数，为采用紫外光非视距通信方式的节点结构设计提供相应的指导。

说明书

技术领域

本发明属于紫外光通信技术领域，涉及一种通信接入方法，具体涉及一 种基于角度感知的紫外光非视距通信定向接入方法。

背景技术

目前，宽带接入方式主要分为有线接入和无线接入。有线接入方案 如电话线、有线电视网络及高速以太网、全光纤网络等，这些(如电话 线、全光纤网络)接入方式存在需要预先埋设，易被破坏，难以维护等 问题。无线接入方案有LMDS、MMDS、Wi-Fi、WiMAX等，与有线接 入方式相比，这类技术具备启动资金少、初期投入少、建设周期短、提 供服务快速，发展具备很大灵活性、可按用户需求动态分配系统资源， 系统维护成本低等诸多优势。近年来，随着信息技术的快速发展、市场 需求的日益增长及电信市场竞争重心的转移，宽带无线接入技术在中国 逐步兴起，市场规模迅速扩大，产业链雏形初步显现，发展前景非常广 阔。但是，现有的无线接入方式存在易被窃听、数据传输速率低等问题。 于是人们进一步开发电磁波频谱段，提出了红外、可见光大气传输通讯 方式，尤其是开展了紫外光通信方面的研究工作。

紫外光通信是利用大气散射进行信息传输的一种新型通信方式，分为视 距和非视距两种通信方式。视距要求发射接收端对准，两者之间不能有障碍 物存在。非视距方式下，紫外光通过大气分子和颗粒的散射到达接收端，接 收端接收到一定数目的紫外光子，就可以实现非视距通信。

信道接入算法是无线网络的研究热点之一，主要解决如何在相互竞争的 用户间分配无线信道资源。信道接入算法设计的好坏直接影响到网络的吞吐 量、公平性、时延、信道空分复用率等性能。传统的全向信道接入算法对于 所有的帧的收发方式都为全向，即使用通信覆盖区域为圆形的全向天线；而 定向信道接入算法中，对控制帧的发送和接收采用定向和全向结合的方式， 而对数据帧和确认帧采用定向发送和接收。紫外光通信是一种散射信道，不 同于无线射频通信。紫外光非视距通信方式的覆盖范围具有一定的方向性， 只有在发送节点覆盖范围内的节点才能收到信息。这两类接入算法显然不能 直接应用于紫外光通信网络。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于角度感知的紫外光非视距通信定向接入 方法，解决了现有接入算法不能直接适用于紫外光非视距通信的缺点。

本发明所采用的技术方案是，一种基于角度感知的紫外光非视距通信定 向接入方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：设定接收仰角的值为90°，根据发射节点的发散角和发射仰角的 值，计算紫外光非视距通信覆盖范围；

步骤2：根据步骤1得到的紫外光非视距通信覆盖范围，设计紫外光非 视距通信节点结构，建立接口仰角邻居表；

步骤3：根据步骤2得到的接口仰角邻居表，更新定向的网络矢量分配表；

步骤4：根据步骤3得到的更新后的网络矢量分配表判断信道是否空闲；

步骤5：根据步骤4得到的判断结果，进行信道预约；

步骤6：根据步骤2得到的接口仰角邻居表，进行数据的发送和接收， 完成紫外光非视距通信定向接入。

本发明的特点还在于，

其中的步骤1中计算紫外光非视距通信覆盖范围，具体按照以下步骤实 施：

首先分析覆盖范围的方位角的数学表达式，发送端节点的发散角为φ_t， 发射仰角为θ_t，接收端节点的视场角为φ_r，接收仰角为θ_r，发送端和接收 端之间距离为r；当发端功率能量是一定时，从节点A发射的光束的形状为 一个以A为顶点的圆锥体，圆锥底面是以点O为圆心，AO为圆锥的高，假设 AO的长度为光束的最远传输距离其值为r₁，OG为圆锥的底面半径，OG在水 平面的投影为B′E，AO在水平面的投影为AB′，圆锥底面直径GH在水平面 的投影为EF，投影区域为EAFD，覆盖范围的方位角为∠EAF，各角度间满 足以下关系：

B′E＝OG，

$\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)=\frac{\mathrm{OG}}{\mathrm{AO}},$

$\cos {\theta }_t=\frac{A{B}^{\prime }}{\mathrm{AO}},$

$\tan \left(\frac{\angle \mathrm{EAF}}{2}\right)=\frac{B^{\prime }E}{A{B}^{\prime }}=\frac{\mathrm{OG}}{A{B}^{\prime }}=\frac{\mathrm{AO}·\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\mathrm{AO}·\cos \left({\theta }_t\right)}=\frac{\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\cos \left({\theta }_t\right)},$

因此，覆盖范围方位角为：

$\angle \mathrm{EAF}=2*a\tan \left(\frac{\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\cos \left({\theta }_t\right)}\right),$

调节发送仰角时，方位角大小变化规律为：当发送仰角小于40°，方位 角几乎无变化；当发送仰角大于40°，随着发送仰角的增大，方位角逐渐增 大；在发送仰角从80°到90°化时，方位角增大的速度较快，调节发散角时， 方位角大小变化规律类似一条直线，方位角随发散角的增大而线性增大。

其中的步骤2中的设计紫外光非视距通信节点结构，建立接口仰角邻居 表，具体按照以下步骤实施：

节点结构由单个紫外光探测器和多个紫外光源组成，每个层次的紫外光 源数目随不同发送仰角对应的覆盖范围方位角的大小而不同，规律为：当发 送仰角较大时，覆盖范围的方位角也较大，覆盖360°圆形区域所用的紫外光 源数目比较少；当发送仰角较小时，对应的覆盖范围方位角较小，覆盖360° 圆形区域所用的紫外光源的数目比较多；

网络进行初始化，构建接口仰角邻居表；表的记录包括邻居节点、接口 号、发送仰角；节点每次进行通信前检测接口仰角邻居表中是否有相应的邻 居节点，如果有则说明是一跳通信，节点根据接口仰角邻居表选择相应接口、 发送仰角进行信息发送；否则为多跳通信，节点选择能够达到最远通信距离 的发送仰角进行信息的发送。

其中的步骤3中更新定向的网络矢量分配表，具体按照以下步骤实施： 对每个矢量方向，都有个对应的时间值，在此时间范围内节点不能在此方向 上发送任何定向信息，邻居节点根据收到的控制帧信息来更新自己对应方向 的网络矢量分配表值。

其中的步骤4中的判断信道是否空闲，具体按照以下步骤实施：紫外光 非视距通信定向信道接入算法在通信前，网络中的节点处于空闲信道扫描模 式，假设此时节点A有数据要发送给节点B，节点A就检测信道是否空闲； 在判断信道是否空闲前，节点A首先检测DNAV表中对应向节点B发送所 需的紫外光源方向的DNAV值是否为零，如果为零，就进行信道空闲的判定， 否则，节点回到初始的空闲信道扫描模式。

其中的步骤5中的信道预约，具体按照以下步骤实施：当节点A判定信 道空闲时，节点A就检测接口仰角邻居表中是否有目的节点B，如果有则节 点就选择DNAV表中DNAV值为零的所有接口，根据接口仰角邻居表中相 应的发送仰角发送RTS帧；否则，节点选择DNAV表中DNAV值为零的所 有接口中发送仰角最小的接口发送RTS帧。

其中的步骤6中的数据的发送和接收，具体按照以下步骤实施：

当节点A成功与节点B进行RTS/CTS交换后，信道预约成功，节点A 根据接口仰角邻居表，选择对应节点B方向的接口号、发送仰角向节点B 发送DATA，此时节点A其余接口方向的紫外光源暂停工作；

当节点B收到节点A发给自己的DATA后，也根据接口仰角邻居表， 选择对应节点A方向的接口号、发送仰角向节点A回复ACK确认帧，节点 B其它接口方向的紫外光源此时也暂停工作，节点A成功收到ACK帧后， 此次数据传输成功。

本发明的有益效果是：

(1)基于角度感知的紫外光定向信道接入算法，使紫外光通信节点在信 道接入时能够根据接口仰角邻居表，选择最佳的发送仰角、接口号进行数据 的发送。相对于静态指定发送仰角的接入算法，本方法降低了干扰节点产生 的概率，提高了通信的传输距离，从而减少了通信所需的跳数。

(2)紫外光非视距通信覆盖范围方位角的数学表达式，可以为采用紫外 光非视距通信方式的节点结构设计提供相应的指导。

附图说明

图1是本发明中紫外光NLOS通信的投影立体图；

图2为本发明中覆盖范围方位角随发散角、发送仰角变化的关系图；

图3为本发明实施例中紫外NLOS(b)类通信方式的节点结构；

图4为本发明实施例中紫外光非视距通信定向信道接入算法通信场景；

图5为本发明实施例中链状拓扑；

图6为本发明实施例中链状拓扑不同跳数时的时延；

图7为本发明实施例中链状拓扑不同跳数时平均端到端吞吐量；

图8为本发明实施例中有无角度感知时链状拓扑平均吞吐量；

图9为本发明实施例中有无角度感知时链状拓扑平均端到端时延；

图10为本发明实施例中不同业务时链状拓扑吞吐量；

图11为本发明实施例中不同业务时链状拓扑平均端到端时延。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于角度感知的紫外光非视距通信定向接入方法，首先在研究紫 外光非视距通信覆盖范围的基础上，推导了紫外光非视距通信覆盖范围方位 角的数学表达式，并设计了节点的结构模型，然后实现建立节点接口仰角邻 居表、更新DNAV表、判定信道空闲、信道预约、数据的发送和接收。

具体按照以下步骤实施：

步骤1：设定接收仰角的值为90°，根据发射节点的发散角和发射仰角的 值，计算紫外光非视距通信覆盖范围。

紫外光非视距通信(NLOS)方式通常包括：发送端和接收端仰角均为 90°的NLOS(a)、发送端仰角小于90°而接收端仰角为90°的NLOS(b)、发 送端仰角和接收端仰角均小于90°时的NLOS(c)。各种方式具有不同的覆盖 范围，对于紫外NLOS(a)垂直发送垂直接收通信方式，覆盖范围为圆形， 类似于射频通信中的全向天线工作模式；对于紫外NLOS(b)斜向发送通信 方式，覆盖范围类似于射频通信中的定向天线工作模式；对于紫外NLOS(c) 通信方式，覆盖范围与NLOS(b)类似，区别在于前向散射弧为一个小的三 角形区域。

首先分析覆盖范围的方位角的数学表达式。发端功率能量是一定的，从 节点A发射的光束的形状为一个以A为顶点的圆锥体，如图1所示，圆锥底 面是以点O为圆心，AO为圆锥的高，假设AO的长度为光束的最远传输距离 其值为r₁，OG为圆锥的底面半径，OG在水平面的投影为B′E，AO在水平面 的投影为AB′，圆锥底面直径GH在水平面的投影为EF。其中发送端节点的 发散角φ_t，发射仰角为θ_t，接收端节点的视场角φ_r，接收仰角为θ_r，发 送端和接收端之间距离为r；投影区域为EAFD，其中覆盖范围的方位角为 ∠EAF，各角度间满足以下关系：

B′E＝OG，(1)

$\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)=\frac{\mathrm{OG}}{\mathrm{AO}},---\left(2\right)$

$\cos {\theta }_t=\frac{A{B}^{\prime }}{\mathrm{AO}},---\left(3\right)$

$\tan \left(\frac{\angle \mathrm{EAF}}{2}\right)=\frac{B^{\prime }E}{A{B}^{\prime }}=\frac{\mathrm{OG}}{A{B}^{\prime }}=\frac{\mathrm{AO}·\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\mathrm{AO}·\cos \left({\theta }_t\right)}=\frac{\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\cos \left({\theta }_t\right)},---\left(4\right)$

因此，覆盖范围方位角为：

$\angle \mathrm{EAF}=2*a\tan \left(\frac{\tan \left(\frac{{\phi }_t}{2}\right)}{\cos \left({\theta }_t\right)}\right)---\left(5\right)$

可见，紫外光非视距通信覆盖范围方位角大小与发散角φ_t和发射仰角为θ_t有关。从图2可以看出：调节发送仰角时，方位角大小变化规律为：当发送 仰角小于40°，方位角几乎无变化；当发送仰角大于40°，随着发送仰角的增 大，方位角逐渐增大；在发送仰角从80°到90°化时，方位角增大的速度较快， 图2中此段曲线斜率最大。调节发散角时，方位角大小变化规律类似一条直 线，方位角随发散角的增大而线性增大。

实际的紫外光非视距通信中，发送仰角的调整受到障碍物高度的限制， 发送仰角要大于或者等于节点与障碍物所形成的角，否则，障碍物会阻挡紫 外光信号的传输。

步骤2：根据步骤1得到的紫外光非视距通信覆盖范围，设计紫外光非 视距通信节点结构，建立接口仰角邻居表。

利用紫外光非视距通信进行组网时，需要利用相应的节点结构。针对紫 外NLOS(b)通信方式(即节点定向发送全向接收)设计了相应的节点结 构如图3所示，它是由单个紫外光探测器和多个紫外光源组成，每个层次的 紫外光源数目要随不同发送仰角对应的覆盖范围方位角的大小而不同。规律 为：当发送仰角较大时，覆盖范围的方位角也较大，因此覆盖360°圆形区域 所用的紫外光源数目就比较少；而当发送仰角较小时，对应的覆盖范围方位 角也较小，覆盖360°圆形区域所用的紫外光源的数目就比较多。其中，实心 点表示不同方向的紫外光源，空心点表示紫外光探测器，90°方向此时为全 向接收。对于采用紫外NLOS(b)通信方式的节点结构可以根据网络需要 灵活进行层次和光源个数的设计。

网络进行初始化，构建接口仰角邻居表。表的记录包括邻居节点、接口 号、发送仰角。节点每次进行通信前会检测此表中是否有相应的邻居节点， 如果有则说明是一跳通信，节点根据接口仰角邻居表选择相应接口、发送仰 角进行信息发送；否则为多跳通信，节点选择能够达到最远通信距离的发送 仰角进行信息的发送，这样可以减少信息传输所需跳数。

采用紫外光NLOS(b)类通信方式时，节点间的邻居为定向全向邻居。 对于固定拓扑，节点位置信息确定，节点和邻居通信所用的接口号、发送仰 角也就确定。在动态的拓扑结构中，可以参考使用定向天线的射频通信中的 邻居节点发现和维护策略，来构建和维护不同发送仰角时的定向全向邻居 表。由于不同接口的通信覆盖范围不同，接口仰角邻居表的使用，充分发挥 了信道空分复用的优势。

步骤3：根据步骤2得到的接口仰角邻居表，更新DNAV(Directional Network Allocation Vector)表。

每个节点有多个紫外光源，对应多个DNAV(定向的网络矢量分配表) 值。表中列出了一些方向矢量，值代表了一个方向，凡是表中矢量标示的方 向都为预留方向。对每个矢量方向，都有个对应的时间值，在此时间范围内 节点不能在此方向上发送任何定向信息，该表中标出的方向上一定时间内定 向信息不可用。邻居节点根据收到的控制帧RTS(Request to send)、CTS(Clear to send)信息来更新自己对应方向的DNAV值。比如发送端节点A周围的 邻居节点收到不是发给自己的RTS帧后，根据RTS帧的信息更新对应方向 的DNAV值，即更新自己和发送节点A进行通信所需要紫外光源接口和发 送仰角方向的DNAV值。同理，接收端节点B周围的邻居节点也根据收到 的CTS帧来更新对应方向的DNAV值。

步骤4：判定信道空闲。

紫外光非视距通信定向信道接入算法在通信前，网络中的节点处于空闲 信道扫描模式，假设此时节点A有数据要发送给节点B，节点A就检测信 道是否空闲。在判断信道是否空闲前，节点A首先检测DNAV表中对应向 节点B发送所需的紫外光源方向的DNAV值是否为零，如果为零，就进行 信道空闲的判定，否则，节点回到初始的空闲信道扫描模式。

步骤5：根据步骤4得到的判断结果，进行信道预约。

当节点A判定信道空闲时，节点A就检测接口仰角邻居表中是否有目 的节点B，如果有则节点就选择DNAV表中DNAV值为零的所有接口，根 据接口仰角邻居表中相应的发送仰角发送RTS帧；否则，节点选择DNAV 表中DNAV值为零的所有接口中发送仰角最小的接口发送RTS帧，这样做 的目的是为了在信道预约(RTS/CTS帧的交换)过程中尽量减少传输所需的 跳数。

步骤6：数据的发送和接收，完成紫外光非视距通信定向接入。

当节点A成功与节点B进行RTS/CTS交换后，说明信道预约成功。节 点A就根据接口仰角邻居表，选择对应节点B方向的接口号、发送仰角向 节点B发送DATA，此时节点A其余接口方向的紫外光源暂停工作。

节点B收到节点A发给自己的DATA后，也根据接口仰角邻居表，选 择对应节点A方向的接口号、发送仰角向节点A回复ACK确认帧，节点B 其它接口方向的紫外光源此时也暂停工作。节点A成功收到ACK帧后，证 明此次数据传输成功。

相对于静态指定发送仰角的接入方法，本发明方法提高了通信的传输距 离，减少了通信所需的跳数。

实施例

(1)以图4中节点A和节点B为例，节点的模型如图3所示，假设节 点A的坐标为(0，0，0)，节点B的坐标为(3，0)，r₁＝4m，φ_t＝30°， θ_t＝20°，代入公式：中，则∠EAF＝31.8°，发射节点A 的覆盖范围如图1中AFDE的面积，它是由三角形AFE和以点B′为圆心的 半圆组成，计算可得S＝7.9885m²，节点B在节点A的覆盖范围内，可进行 通信。

(2)网络进行初始化，构建接口仰角邻居表。如图4所示，表的记录包 括邻居节点、接口号、发送仰角，节点A有三个邻居节点分别是B，C，D， 接口号分别是0，1，2。发射仰角分别是10°、35°、60°。节点B有两个邻 居节点分别是A，E。接口号分别是0和1，发射仰角分别是10°和60°。

(3)更新DNAV表，如图4中，节点A和节点B都有多个紫外光源， 对应多个DNAV值。当节点A向节点B发送控制帧时，发送端节点A周围 的邻居节点收到不是发给自己的RTS帧后，根据RTS帧的信息更新对应方 向的DNAV值，同理，接收节点B周围的邻居节点也根据收到的CTS帧来 更新对应方向的DNAV值。

(4)图4中，当节点A有数据要发送给节点B，节点A就检测信道是 否空闲。在判断信道是否空闲前，节点A首先检测DNAV表中对应向节点B 发送所需的紫外光源方向的DNAV值是否为零，如果为零，就进行信道空闲 的判定，否则，节点回到初始的空闲信道扫描模式。

(5)信道空闲后，下一步要进行信道预约，图4中，节点A检测到接口 仰角邻居表中有节点B，且DNAV表中所有值为零，于是，使用0、1、2接 口以相应的发送仰角10°、35°、60°来发送RTS帧，并在在SIFS时间内等待 接收节点B回复CTS帧。节点B收到节点A发给自己的RTS帧后，选择 DNAV表中DNAV值为零的所有接口，根据接口仰角邻居表中相应的发送仰 角发送CTS帧。节点A收到CTS帧后，说明信道预约成功，等待SIFS时 间后进行DATA的发送；否则，节点A认为此次信道预约失败，转入退避 过程，重新竞争接入信道。节点A和节点B周围的邻居节点分别根据接收 到RTS帧和CTS帧进行DNAV表的更新。

(6)预约完了以后，进行最后一步即数据发送与接收，图4中，节点A 选择0号接口发送DATA，接口1和接口2此时暂停工作。节点B选择0号 接口发送ACK，接口1此时暂停工作。节点A成功收到ACK帧后，证明此 次数据传输成功。

为了验证紫外光非视距通信定向信道接入算法对网络性能的影响，我们 进行了相关的仿真和比较。

仿真中采用NS2仿真软件作为仿真工具，参考紫外光传输特性，对软 件中相应模块进行了修改。为了说明紫外光非视距通信定向信道接入算法中 角度感知带来的优势(即选择最佳的传输跳数)，我们对无角度感知(类似 紫外光非视距通信定向信道接入算法的过程，只是静态指定节点的接口和发 送仰角，单个接口发送RTS帧和CTS帧)的情况和有角度感知的情况进行 了仿真比较。首先对无角度感知时，传输跳数对链状拓扑结构的(如图5) 网络性能影响进行了仿真，结果如图6和图7。其次对有无角度感知时的情 况进行了仿真对比，结果如图8和图9。最后，由于多媒体业务的不断发展， 语音和FTP应用对数据传输的时延要求不同，语音对时延要求高，一般使用 UDP协议；而FTP应用对时延要求不高，一般使用TCP传输协议。因此， 我们仿真了UDP上的CBR流和TCP上的FTP应用，对比分析了两种情况 下的吞吐量和时延，结果如图10和图11。

从图6和图7可以看出：对于链状拓扑，随着传输跳数的增多，吞吐量 逐渐下降，端到端的平均时延逐渐增大。当跳数≥3时，吞吐量变化不明显。 当CBR发送速率≥1500Kbps和跳数＞3时，端到端平均时延逐渐增大。在 使用紫外光NLOS(b)通信方式的网络中，对于时延要求严格的语音和视 频应用，在数据发送速率一定的情况下，网络拓扑规划中应该尽量减少传输 所需跳数。

从图8和图9可以看出：使用角度感知的紫外光非视距通信定向信道接 入算法比无角度感知的情况获得了更高的吞吐量和更低的时延。这是因为： 角度感知中接口仰角邻居表的使用，使得节点能够选择合适的发送仰角进行 信息的发送。而无角度感知的情况下，固定节点的发送仰角。如果发送仰角 过大，一跳通信可能变为多跳通信；如果发送仰角过小，可能产生新的干扰 节点。紫外光非视距通信定向信道接入算法对于帧的发送全部为定向，充分 发挥了定向通信提高信道空分复用的优势，同时通过选择合适的发送仰角， 减少了数据包传输所需跳数。传输一个数据包的时间相对减少，单位时间内 可以传输更多的数据包，从而获得了高的吞吐量和低的端到端的平均时延。

从图10和图11可以看出：CBR流传输的网络性能随着传输跳数的变化而 变化，吞吐量随着跳数增加而下降，平均端到端时延随着跳数增加而上升。 对于时延要求高的应用，如果是多跳通信，尽量选择低的数据发送速率。因 为高速率的情况下，时延变大无法满足要求。而FTP应用的时延在0.1秒左右， 但是随着传输跳数的增大，吞吐量逐渐下降。