【技术实现步骤摘要】
面向室内光无线通信的通用几何随机信道建模方法
[0001]本申请涉及无线通信信道建模
，特别涉及一种面向室内光无线通信的通用几何随机信道建模方法
。
技术介绍
[0002]随着智能终端的普及以及信息化时代的高速发展，人们对于通信服务的要求不断提高
。
无线通信从第一代
(The first generation
，
1G)
发展到第五代
(The fifth generation
，
5G)
，使用频段不断变高，带宽不断增加，峰值速率快速增长
。
面向数据流量和连接数持续增长的需求，同时缓解射频频谱的饱和危机，光无线通信因其具有免许可的超宽频谱
、
数据安全性高
、
低成本
、
低功耗
、
抗电磁干扰等特点受到了广泛关注
。
光无线波段包含红外光
、
可见光与紫外光，波长范围大约为
200nm
至
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种面向室内光无线通信的通用几何随机信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
S1
，建立室内光无线通信信道仿真场景，设置仿真场景布局与频段参数；步骤
S2
，生成发射端阵面的物体反射簇生灭过程矩阵
、
控制直射分量是否存在的随机数矩阵及传播分量分类的随机数矩阵；步骤
S3
，初始化物体反射簇
、
粒子散射簇及簇内散射体；步骤
S4
，更新计算随空间与时间变化的模型参数；步骤
S5
，计算光源辐射强度
、
物体反射功率分布
、
粒子散射功率分布
、
与波长范围相关的等效反射系数；步骤
S6
，计算每个子信道的冲激响应，判断子信道直射分量是否存在
、
物体反射非直射分量是否存在，得到最终的信道冲激响应
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
S1
进一步包括：步骤
S101
，建立室内光无线通信信道仿真场景，所述室内光无线通信信道仿真场景包括作为发射端的
LED
阵列
、
作为接收端的光电探测器，将发射端的首行首列
LED
单元到接收端的射线定义为
x
轴，与之垂直的面作为
yoz
面，建立全局坐标系；步骤
S102
，设置仿真场景布局的物理环境参数，包括发射端参数
、
接收端参数
、
距离参数和阻挡效应参数；步骤
S103
，设置频段参数，包括单簇传播的比例
η
SB
、
传播分量被环境中颗粒物散射的概率
p
particle
、
光信号在环境中材料上漫反射的比例
α
n
、
物体反射簇的扩展参数
σ
RE
、
粒子散射簇的扩展参数
σ
PS
、
粒子消光系数
k
e
、
粒子瑞利散射系数
k
sr
、
粒子米散射系数
k
sm
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤
S102
进一步包括：步骤
S1021
，设置发射端参数，包括
LED
阵列的方向参数
、LED
阵列在水平方向上的
LED
单元个数
M
I
与单元间距
LED
阵列在垂直方向上的
LED
单元个数
M
J
与单元间距其中，所述
LED
阵列的方向参数包括
LED
阵面在水平方向上的方位角与俯仰角
LED
阵面在垂直方向上的方位角与俯仰角步骤
S1022、
设置接收端参数，包括接收端法线的方位角与俯仰角接收端的面积
A
R
、
接收端的可视域角度
Ψ
FoV
、
接收端的平移运动方向角与俯仰角以及速度大小
v
R
(t)、
接收端的旋转方位角速度与俯仰角速度步骤
S1023、
设置距离参数，包括
LED
阵列的首行首列
LED
单元
L
11
距离接收端的距离
D
11
；步骤
S1024、
设置阻挡效应参数，包括视距分量被阻挡的概率
p
blockage
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤
S2
进一步包括：步骤
S201
，生成发射端阵面的物体反射簇生灭过程矩阵，具体包括：步骤
S2011
，计算所述
LED
单元
L
11
在初始时刻所看到的簇数
N
c0
，表达式为：其中，
λ
B
与
λ
D
分别为簇的出生率与死亡率；步骤
S2012
，以所述
LED
单元
L
11
为基准，生成第一列
LED
单元对簇的可见性矩
阵，其中，在水平方向上进行列演进，簇在间距为的距离上存活的概率为：其中，为与特定场景相关的阵列相关因子；新生成的簇数服从泊松分布，均值为：步骤
S2013
，以步骤
S2012
中生成的第一列
LED
单元为基准，生成每一列
LED
单元对簇的可见性矩阵，其中，在垂直方向上进行列演进，簇在间距为的距离上存活的概率为：新生成的簇数服从泊松分布，均值为：步骤
S2014
，生成最终的发射端阵面的物体反射簇生灭过程矩阵，为一个大小为
M
I
×
M
J
×
N
c,total
的矩阵，其中，总的物体反射簇数目
N
c,total
等于
N
c0
与新生成的簇数之和；步骤
S202
，计算直射分量存在的概率
p
LoS
＝
(1
‑
p
blockage
)
·
(1
‑
p
particle
)
，根据直射分量存在的概率生成控制直射分量是否存在的
0/1
随机数矩阵，大小为
M
I
×
M
J
；根据
p
particle
生成
M
n
个
0/1
随机数，对经过物体反射后的传播分量是否再次经过散射到达接收端进行分类，
M
n
为物体反射簇内散射体的数量
。5.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤
S3
进一步包括：步骤
S301
，随机生成初始时刻物体反射簇的位置，簇的初始位置由方位角
、
俯仰角以及距离参数决定，具体包括：步骤
S3011
，随机生成
N
c,total
个物体反射簇的角度参数，均建模为服从缠绕正态分布，生成
N
c,total
×
(1
‑
η
SB
)
个接收端的物体反射簇的角度参数；步骤
S3012
，随机生成初始时刻物体反射簇距离
LED
单元
L
11
的距离与并且服从非负指数分布；步骤
S302
，根据几何关系计算每个物体反射簇的等效法线方向与等效镜面反射方向；对于单次物体反射的情况，等效法线由簇中心指向
L
11
到接收端的射线并垂直于该射线，等效镜面反射方向矢量与簇中心
、L
11
以及接收端在同一平面内，与等效法线的夹角等于簇中心到
L
11
矢量与等效法线的夹角；对于双次物体反射的情况，发射端侧簇的等效法线由簇中心指向
L
11
到接收端侧簇的射线并垂直于该射线，其等效镜面反射方向矢量与簇中心
、L
11
、
接收端侧簇位于同一平面，与等效法线的夹角等于簇中心到
L
11
矢量与等效法线的夹角，接收端侧簇的等效法线由簇中心指向发射端侧簇到接收端的射线并垂直于该射线，其等效镜面反射方向矢量与簇中心
、
发射端侧簇
、Rx
位于同一平面，其与等效法线的夹角等于簇中心到发射端侧簇矢量与等效法线的夹角；
步骤
S303
，在接收端侧生成表征紫外光信号粒子散射效应的粒子散射簇，从接收端到粒子散射簇中心射线的方位角与俯仰角与接收端的法线方向保持一致，粒子散射簇中心距离接收端的距离设置为常数；步骤
S304
，随机生成每个簇内散射体在全局坐标系中的坐标，具体包括：步骤
S3041
，随机生成每个簇内的散射体在以簇中心为原点的局部坐标系中的坐标
[x
′
,y
′
,z
′
]
T
，并且其服从三维椭球高斯分布，表达式为：其中，
σ
DS
、
σ
AS
、
σ
ES
分别表示簇内时延扩展
、
角度扩展与俯仰扩展，在生成物体反射簇与粒子散射簇时，分别代入不同的簇扩展参数；步骤
S3042
，通过坐标转换得到每个散射体在全局坐标系中的坐标
[x,y,z]
T
，表达式为：其中，分别表示某个簇的平均距离
、
方位角与俯仰角
。6.
根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤
S4
进一步包括：步骤
S401
，根据几何关系与设定的物体反射簇的运动速度
、
接收端的运动与旋转速度，更新每时刻散射体与接收端在全局坐标系中的坐标
、
计算
L
ij
在全局坐标系下的坐标；步骤
S402
，更新计算每条传播射线在每个
LED
单元所在局部坐标系中的角度参数，具体步骤包括：步骤
S4021
，以
LED
阵列的第
i
行
、
第
j
列所在的单元
L
ij
为原点，
LED
阵列的法线方向为
x
′
ij
轴
、LED
阵列的垂直方向为
y
′
ij
轴
、LED
阵列的水平方向为
z
′
ij
轴建立
LED
单元
L
ij
的局部坐标系；步骤
S4022
，将步骤
S3042
中得到的各散射体在全局坐标系中的笛卡尔坐标首先经过旋转变换得到
LED
单元
L
11
所在局部坐标系...
【专利技术属性】
技术研发人员：王承祥，朱秀铭，王俊，冯瑞，黄杰，
申请(专利权)人：网络通信与安全紫金山实验室，
类型：发明
国别省市：
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