紫外光通信网络分析及LED通信系统研究

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紫外光通信(Ultraviolet Communication,UVC)具备非直视(Non-Line-of-Sight,NLOS)传输等优点,从而受到人们的广泛关注。但随着应用场景日趋复杂,点对点通信已经难以满足现实需求,因此需要进一步研究组网通信来弥补其受限于短距离的不足。本文以紫外光通信为背景,开展了紫外光组网通信若干技术的研究,本文的主要研究工作如下:1、介绍了一种适用于紫外光通信网络的NLOS通信节点模型,并建立数学模型对其覆盖范围进行了数值分析。随后通过简化计算有效散射体体积,推导了适用于通信网络中两节点间的NLOS单次散射信道模型,并将该模型与Monte-Carlo模型及Luettgen模型进行了路径损耗对比分析。最后,基于所建立的模型仿真分析了传输距离、收发仰角、发射光束角、接收视场角与路径损耗及误码率的关系曲线。2、通过发射光锥与接收视场的重合区域,结合有效通信距离,推导了通信网络中两节点能够通信的必要条件。通过网络覆盖性能的分析设计了紫外光菱形通信网络,推导出了:菱形网络的有效覆盖面积表达式、完全无缝覆盖时单个节点的最大有效覆盖面积表达式、实现区域完全无缝覆盖所需最少节点数目表达式。综合考虑有效覆盖面积与连通性,将菱形网络与方形网络进行了对比分析。3、设计了发光二极管(Light Emitting Diode,LED)通信系统,提出了适用于该通信系统的电路设计方案,并用信号发生器和示波器对系统进行了基带信号传输测试。用现场可编程门阵列(Field Programmable Gata Array,FPGA)实现了用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)传输,完成了三节点数据回环传输测试。研究结果表明:本文所建立的NLOS单次散射信道模型在通信距离较短时,对路径损耗的计算精确度较低,但随着传输距离的增加,其仿真结果与Luettgen模型基本一致,并且使用该模型进行仿真时计算量会大大减少。综合考虑有效覆盖面积与连通性,菱形网络能以减少1.504%的有效覆盖面积来增加其连通性,而方形网络要损失21.083%的有效覆盖面积才能增加其连通性。该紫外LED通信系统实现了频率为1MHz的基带信号传输。用状态机实现的UDP传输协议,利用介质访问控制(Media Access Control,MAC)地址进行匹配检测,判断是否接收数据,为实现组网通信打下了基础。
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