紫外光Mesh通信网中节点定位算法的研究

唐万伟

(唐山学院 信息工程系，河北 唐山 063000)

紫外光Mesh通信网中节点定位算法的研究

唐万伟

(唐山学院 信息工程系，河北 唐山 063000)

为了在紫外光Mesh通信网络中获得高质量、高效率的通信效果，需要给网络中的接入层和路由层提供更多的接入点坐标信息。文章提出的基于三边测量法的节点定位算法，适合紫外光Mesh通信网络传输信道下节点定位的计算。仿真结果表明，此算法的定位误差低于0.01 km。

紫外光Mesh通信；单次散射；三边测量法；定位算法

紫外光是电磁波谱中波段在10～400 nm波长范围的一段[1]，紫外光通信则是无线光通信的一种，它是利用紫外光在大气中的散射进行信息传输的一种新型通信模式。紫外光Mesh网络与传统的无线网络相比具有可靠性高、碰撞减轻、简化无线链路设计、非直视传输和可扩展性强等优点[2]。由于大气中存在大量的粒子，因此紫外光通信在传输过程中存在较大的散射现象，这使得该系统能够进行非直视信号的传输，而且适应复杂的地形环境。但地形的复杂又会给节点的定位带来困难，而为了能够估算通信的目标节点是在一跳通信范围内还是需要转发，以实现高质量、高效率的无线通信，就需要给接入层和路由层提供更多的节点位置信息。因此研究一种适合紫外光Mesh通信网络中节点的定位算法显得尤为重要。

1 三边测量法定位算法分析

传统的定位算法分为基于测距的定位算法和非测距的定位算法。基于测距的定位算法主要依赖测量信号强度、信号传播时间、信号角度、频谱干涉、图像信息等测量手段，获取距离信息，再利用点到点之间的距离获得未知节点的信息[3]。非测距定位算法有两种实现方法：一是估算未知节点所在的区域，然后利用该区域的质心作为其位置估计值；二是求出两条经过未知节点的曲线，而后利用曲线交点的位置作为其位置估计值[4]。

三边测量法[5]是一种基于距离的定位算法，其理论依据是：如果确定了3个节点的坐标并且知道另外一个未知节点到这3个节点的距离，就可以确定这个未知节点的坐标。其算法描述如下：设未知节点D的坐标(x，y)已知，A，B，C3个节点坐标分别(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，它们到D的距离分别为r1，r2，r3，则可得如下方程组：

(1)

由式(1)可解得D点的坐标(x，y)：

(2)

三边测量法确定未知点的坐标的思想可用图1来表示。

图1 三边测量法图例

在实际的直视通信环境中，由于会存在测量误差，使得3个已知节点A，B，C到未知节点D的距离不准确，造成方程组无解，如图2，图3所示。

图2 无解情况一 图3 无解情况二

在紫外光通信中不必担心这两种情况会影响通信效果，因为通过紫外光的散射特性，只需要收发端能够形成有效散射体就可以进行通信，不必达到直视通信那样精准。由式(1)可知，现在的主要问题是如何计算3个已知节点到未知节点的距离。根据非直视紫外光单次散射链路的接收能量有如下算式[6-7]：

(3)

由式(3)可计算出发送节点到接收节点的距离r：

(4)

其中θ1为发射机仰角，θ2为接收机仰角，φ1为发射光束孔径角，φ2是接收视场角，Pr为接收能量，Pt为发射能量，Ps为散射相函数，Ar是接收机孔径面积，Ke是大气衰减系数由大气散射系数Ks和大气吸收系数Kα组成：Ke=Ks+Kα。

2 算法仿真与分析

在中紫外波段，利用大气信道仿真软件Modtran4进行仿真。选取波长λ=266nm，发射功率为4W，观测高度为0.5km，能见度为4km的雾霾天气，分别固定发射仰角θ1=45°，接收仰角θ2=45°，测得传输距离随对应仰角变化的情况，如图4，图5所示。

图4 固定发射仰角为45°时的情况

图5 固定接收仰角为45°时的情况

从图4，图5可以看出，随着发射机的发射仰角和接收机接收仰角的增大，发射距离是逐渐变小的，当发射仰角和接收仰角都很小的时候，传输距离比较远，因为此时基本没有利用大气层的散射作用，而相当于是直视通信。

根据推导出的公式(4)，设定式中参数为：接收机孔径面积Ar=1.4cm2，散射相函数Ps=1(定义为各向同性散射体)[8]。发射光束孔径角和接收视场角φ2的不同会对传输距离和传输损耗产生影响[9]，本次仿真选取发射光束孔径角φ1=20°，接收视场角φ2=50°。根据波长λ=266nm，参照图6选大气散射系数Ke=1.1[10]。按公式(4)的算法计算传输距离并与图4，图5仿真结果进行比较，如图7，图8所示。

自由大气中日盲紫外光的传输特性主要受大气分子的吸收和散射的影响。图6中显示了3种系数的关系。

图6 波长为250～300 nm的紫外光的3种系数

图7 固定接收仰角为45°时仿真与计算结果的对比

图8 固定发射仰角为45°时仿真与计算结果的对比

在固定接收仰角和发射仰角的情况下，同时观察仿真结果，从图7，图8中可以直观地看出，不论是在接收端还是发射端，只要有一端的仰角过低，就会使计算结果产生较大的误差，这是因为式(3)是根据非直视紫外光单次散射链路推导出来的，而仰角过低相当于直视通信。但只要设定合适的收发仰角就可以使误差降到0.01 km以下，可以满足紫外光Mesh通信网络中定位的要求。

3 结语

本文分析了基于三边测量法的节点定位算法，应用于无线紫外光Mesh通信网络中的节点定位的可行性，根据非直视紫外光单次散射链路的接收功率，推导出适合紫外光Mesh通信网络传输信道下节点定位的计算公式。利用大气信道仿真软件Modtran4对此算法进行了仿真，仿真结果表明，使用此公式进行定位计算，误差能够低于0.01 km，可以满足紫外光Mesh通信网络中定位的要求。

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(责任编校：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