紫外光通信组网技术研究

紫外光通信组网技术研究

张曦文;赵尚弘;李勇军;邓博于;程振

【摘要】综述了国内外紫外光组网技术的发展现状,详细给出了国内外在紫外光电器件及单链路特性研究上取得显著成果.研究了紫外光通信组网中的关键技术:通信链路、信道接入技术和路由技术,并分析了紫外光组网技术应于机间通信这一未来发展的趋势.

【期刊名称】《光通信技术》

【年(卷),期】2015(039)008

【总页数】3页(P47-49)

【关键词】紫外光通信组网;通信链路;信道接入协议

【作者】张曦文;赵尚弘;李勇军;邓博于;程振

【作者单位】空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077;空军工程大学信息与导航学院,西安710077

【正文语种】中文

【中图分类】TN929.13

随着信息探测手段和探测能力的不断提升，信息可靠传输面临着很大挑战。紫外光以其独特的“隐身”传播特性受到国内外学者的关注，这对紫外光通信技术的探索和突破将有着积极的推动作用。目前，关于紫外光在通信中的应用研究已取得很大进展。紫外通信光源及通信收发装置虽已相对成熟，但也还存在发射功率低、通信

覆盖范围小、大气衰减严重、单向信道等缺陷，要弥补这些不足，必须将紫外光和移动自组织网络相结合。本文正是针对这一点综述国内外紫外光通信组网技术的发展现状、关键技术及发展趋势。

1.1 国外研究现状

美国军方对紫外光通信的研究和开发投入了巨额资金。1990年，美国海军完成了战术高速紫外光散射通信系统原型样机的研制，这是美军为TITAN系统实现紫外光本地局域网（ULAN）而实施的概念性研究项目。由于该系统具有组建战术局域网基础平台的能力，因此也称为战术紫外光局域网。TITAN系统的紫外光局域网概念的提出，在高速、非直视、短距离通信中有明显的优势[1]。

2000年，美国麻省理工大学林肯实验室开始研究用于分布式传感器系统的低功耗非视距紫外光通信系统，并于2001年建立了测试系统。2003年，该实验室研制了一种小型化低功耗的新型紫外光通信系统；2004年，他们又将紫外通信技术与无线传感器网络结合，在复杂环境下对紫外无线传感器网络进行测试[2]。

随着紫外光通信逐渐实用化，美国加州大学电学工程实验室也开始关注紫外光通信组网技术。2007~ 2013年间，该实验室研究人员详细分析了紫外光通信整体研究进展[3]，对散射信道模型[4]、紫外光信道特性[5]、散射通信性能[6]以及湍流信道特性[7]等多个方面进行了大量理论和实验研究。2010年，他们开始将紫外光非直视通信的特性应用于无线光网络，提出了一种非视距通信连续转发的路由算法[8]，2011年提出了一种紫外光Ad Hoc网络的邻居节点发现发方法[9]，2013年进行大气紫外光通信网络MAC协议研究[10]。

美国弗吉尼亚大学Maite Brandt-Pearce教授带领的团队对紫外光通信的研究主要侧重于紫外信道编码技术。2011年，该团队提出了将谱域幅度编码方式应用于紫外光通信系统[11]，2012年他们提出了一种高准确性的非直视紫外光信道的数值积分和近似闭合路径损耗模型[12]，2013年又提出了一种采用谱域幅度编码

的M通道紫外光传输技术[13]。

1.2 国内研究现状

国内对紫外通信组网技术的研究起步较晚，西安理工大学、清华大学、国防科技大学、北京邮电大学、中国科学院、东南大学及重庆大学等单位陆续开展了相关研究。在国内，对紫外光通信组网技术研究最为活跃的是西安理工大学自动化与信息工程学院。2010年，该学院研究人员提出了紫外光通信网络节点定位算法和覆盖范围模型[14,15]，研究了无线紫外光Mesh网络的结构模型[16]。2011年起，他们对紫外光通信网络的信道接入协议开始了一系列研究[17~19]。目前，他们已成功地建立了一个紫外光语音通信实验系统。

北京邮电大学对紫外光通信网络的研究主要集中在大气信道对通信链路的影响。该校有关研究人员得出了由于天气变化引起不同高空大气信道微粒分布情况下的紫外光散射系数、吸收系数等各项参数，仿真研究了紫外通信传输、湍流和多次散射等信道模型。2012年，他们成功搭建了以紫外激光为信息载体的移动传感器网络通信实验平台[20]，将直接序列扩频调制方式应用于紫外光通信，显著提高了通信性能。

近年来，空军工程大学信息与导航学院赵尚弘教授带领的空天激光信息技术研究团队也开展了关于紫外光通信组网技术的研究，研究主要分为高空大气信道对紫外通信链路的影响和基于移动平台的紫外通信组网两个方面[21,22]。

2002年,中国科学院空间中心通信技术室开始研究紫外光通信的系统构成和关键技术，实现了可传输视频的试验样机，并以实验为基础设计了紫外光通信和测试系统[23]。2009年,东南大学改进了紫外通信单次散射模型，设计并实现了一种紫外光大气散射通信实验系统[24]。重庆大学设计了一套可进行语音和数据传输的“日盲”紫外通信系统，实现了高速率LOS通信[25]。清华大学徐正元教授对紫外光通信

链路进行了相关研究[26,27]。2014年,北京理工大学提出将带有双面镜结构的全

方位天线用于紫外光通信中[28]。

2.1 通信链路

紫外光是一种电磁辐射，波长在10~400nm之间。由于大气层中的臭氧对

200~280nm波段的紫外光有非常强的吸收作用，所以在近地面几乎没有这种波

段的紫外光存在，这一波段被称为“日盲”区。“日盲”紫外光通信以大气为传输信道，按照工作方式可以分为直视(line-of-sight, LOS)、准直视(quasi-line-of-sight, QLOS)和非直视(non-line-of-sight, NLOS)三种。紫外光大气信道中的空

气分子会对紫外光造成散射，大气吸收会产生紫外光的衰减，大气湍流现象也会对紫外光通信信道产生影响，研究时必须综合考虑这三方面。

2.2 信道接入技术

信道接入技术具有信道划分、向网络提供统一服务、差错控制、拥塞控制和流量控制等作用。紫外光通信信道是散射信道，无论是工作在LOS还是NLOS模式下的数据传输速率和质量，与发射接收端的方位和角度都有很大关系。传统的MAC协议需要配合天线角度调整实现，而紫外光通信过程中，收发仰角、视场角和发散角都是固定的，所以必须将角度感知概念和传统MAC协议相结合。在紫外通信中，由于大气信道的湍流、散射等影响，以及节点覆盖能力不一致等因素，会不可避免地产生单向链路，对此问题，可通过构建紫外通信环网来解决。

2.3 路由技术

紫外光自组织网络的路由设计可以参考Ad Hoc网络的路由协议设计方法。Ad Hoc网络路由协议主要分为两大类：第一类是先验式路由协议，这类协议中，每

个节点无论当前是否进行通信，都需要维护一张包含到达网络所有节点路由信息的路由表，如DSDV ( Destination-Sequenced Distance-Vector)协议、OLSR (Optimized Link State Routing)协议和TBRPF(Topology Dissemination Based on Reverse-path Forwarding)协议等经典协议；第二类是按需路由协议，