适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法与流程

本发明涉及无线光通信信息技术领域，尤其涉及一种适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法。

背景技术：

无线光通信漫射通信系统的设计过程中，信道模拟器是进行系统性能评估所必须的设计工具。具体地，信道模拟算法在整个模拟器中占据了核心的位置。模拟算法必须同时兼顾模拟实现的有效性以及模拟输出的可靠性。蒙特卡洛光线跟踪模拟算法能够同时兼顾上述两方面要求，因而得到了广泛的应用。然而，由于这一传统算法依赖于获取光源辐射模式的尼函数，因而仅能适用于符合朗伯辐射模式的光源配置。

在商用led中，由于制造工艺、封装技术、透镜设计等因素的影响，也有众多光源具备非朗伯辐射特性。然而，对于实际复杂商用led的辐射特性，目前还没有较为有效的模拟方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法，能够灵活的表征各类具有复杂辐射特性的实际商用光源，并进而获取在各种实际光源条件下的多径漫射信道特性，从而克服了传统模拟算法在适用范围上的核心缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法，包括：

基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定光线i的初始出射方向；

计算光线i对接收器的冲击响应所携带的功率，则从初始出射方向出射后光线i的实际携带功率为减掉冲击响应所携带的功率之后的剩余功率；

光线i在当前场景中不断反射，直至反射次数达到预先设定的终止条件时，则光线i的追踪过程被终止；光线i每次的反射方向均基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定，每次反射后光线i的剩余功率为反射前功率与反射面反射率的乘积；

按照上述方法对所有光线进行追踪，将接收器在所有光线的追踪过程中所获得的冲击响应进行累加，然后除以所有光线的数量进行归一化，从而得到所需的信道冲击响应。

所述基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定光线i的初始出射方向包括：

利用均匀随机数产生器产生三个随机数，其中两个随机数用于确定候选方向，从而获得候选方向的辐射强度，剩余一个随机数用于结合最大光源辐射强度来获得随机辐射强度；当候选方向的辐射强度大于所述随机辐射强度时，将候选方向的辐射强度作为光线i的初始出射方向。

均匀随机数产生器在[0,1]之间产生三个随机数α、ρ与τ；

利用随机数α确定候选方位角：θ候选＝(π/2-0)α，利用随机数ρ确定候选俯仰角φ候选＝(2π-0)ρ，将候选方位角与候选俯仰角作为候选方向，则候选方向的辐射强度为i(θ候选,φ候选)；

最大光源辐射强度记为i最大＝maxi(θ,φ)，其中的方位角θ的取值范围是[0,π/2]，俯仰角φ的取值范围是[0,2π]；将随机数τ与最大光源辐射强度相乘获得随机辐射强度i随机＝i最大×τ；

将随机辐射强度i随机与候选方向的辐射强度i(θ候选,φ候选)进行比较；如果i(θ候选,φ候选)≥i随机，则将方位角θ候选和俯仰角φ候选确定的候选方向作为光线i的初始出射方向。

所述计算光线i对接收器的冲击响应所携带的功率，则从初始出射方向出射后光线i的实际携带功率为减掉冲击响应所携带的功率之后的剩余功率包括：

假设从初始出射方向出射后光线i所携带的功率p光线为n，则根据下述表达式确定光线通过直射路径对接收器的冲击响应贡献：

上式中，s代表光线i，r代表接收器，t代表绝对时间，ar代表接收器接收表面积，d0代表光线i与接收器之间的直线距离，θlos代表从光线i指向接收器方向矢量的方位角，φlos代表从光线i指向接收器方向矢量的俯仰角，i(θlos,φlos)代表在方位角θlos与俯仰角φlos所确定的方向上的辐射强度，ψ0代表从光线i指向接收器连线相对于接收器法向之间的入射角，c代表光速，δ(t)代表德耳塔脉冲函数，fov代表接收器的视场角；

则光线i对接收器的冲击响应所携带的功率：

从初始出射方向出射后光线i的实际携带的功率p光线'为：

p光线'＝n-plos。

所述光线i在当前场景中不断反射，直至反射次数达到预先设定的终止条件时，则光线i的追踪过程被终止包括：

首先，计算从初始出射方向出射后的光线i与场景中所有反射面的交点，将所有交点中距离光线i出射位置最近的交点作为光线i第一次反射的反射位置；光线i第一次反射后的剩余功率p光线剩余为反射前功率p光线'与反射面反射率r反射点的乘积：p光线剩余＝p光线'ρ反射点；

然后，基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定光线i从第一次反射的反射位置的出射方向，并根据第一次反射的反射位置对接收器的直射路径冲击响应贡献确定光线i此时的实际携带功率；

利用同样的方法确定光线i第二次反射的反射位置，不断重复上述过程，直至反射次数达到预先设定的终止条件时，则光线i的追踪过程被终。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于舍选抽样法的随机光线生成机制，从而可靠有效地体现光源辐射特性。最终，获取不同光源配置条件下的信道特性输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的朗伯光源(朗伯指数为1)的对称三维横辐射模式示意图；

图3为本发明实施例提供的商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips的对称三维横辐射模式示意图；

图4为本发明实施例提供的商用光源nichianspw345cs的非对称三维横辐射模式示意图；

图5为本发明实施例提供的朗伯光源(朗伯指数为1)对称辐射模式的二维横截面图；

图6为本发明实施例提供的对称商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips对称辐射模式的二维横截面图；

图7为本发明实施例提供的商用光源nichianspw345cs非对称辐射模式的最宽以及最窄二维横截面图；

图8为本发明实施例提供的本发明模拟方法中所发射光线与环境表面交互示意图；

图9为本发明实施例提供的确定性模拟算法中所发射光线与环境表面交互示意图；

图10为本发明实施例提供的通过1000条光线模拟对称商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips的全部光线初始方向的统计直方图；

图11为本发明实施例提供的通过10000条光线模拟对称商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips的全部光线初始方向的统计直方图；

图12为本发明实施例提供的通过50000条光线模拟对称商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips的全部光线初始方向的统计直方图；

图13为本发明实施例提供的模拟朗伯光源(朗伯指数为1)的全部光线初始方向的统计直方图；

图14为本发明实施例提供的模拟非对称商用光源nichianspw345cs的全部光线初始方向在最宽半角横截面的统计直方图；

图15为本发明实施例提供的模拟非对称商用光源nichianspw345cs的全部光线初始方向在最窄半角横截面的统计直方图；

图16为本发明实施例提供的通过所提出的模拟方法所获得典型室内场景中心接收位置处的各个信道脉冲响应分量示意图；

图17为本发明实施例提供的通过确定性模拟算法所获得同一接收位置处的各个信道脉冲响应分量示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法的流程图。如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定光线i的初始出射方向。

本发明实施例中，利用均匀随机数产生器产生三个随机数，其中两个随机数用于确定候选方向，从而获得候选方向的辐射强度，剩余一个随机数用于结合最大光源辐射强度来获得随机辐射强度；当候选方向的辐射强度大于所述随机辐射强度时，将候选方向的辐射强度作为光线i的初始出射方向；具体如下：

均匀随机数产生器在[0,1]之间产生三个随机数α、ρ与τ；

利用随机数α确定候选方位角：θ候选＝(π/2-0)α，利用随机数ρ确定候选俯仰角φ候选＝(2π-0)ρ，将候选方位角与候选俯仰角作为候选方向，则候选方向的辐射强度为i(θ候选,φ候选)；

最大光源辐射强度记为i最大＝maxi(θ,φ)，其中的方位角θ的取值范围是[0,π/2]，俯仰角φ的取值范围是[0,2π]；将随机数τ与最大光源辐射强度相乘获得随机辐射强度i随机＝i最大×τ；

将随机辐射强度i随机与候选方向的辐射强度i(θ候选,φ候选)进行比较；如果i(θ候选,φ候选)≥i随机，则将方位角θ候选和俯仰角φ候选确定的候选方向作为光线i的初始出射方向。

步骤12、计算光线i对接收器的冲击响应所携带的功率，则从初始出射方向出射后光线i的实际携带功率为减掉冲击响应所携带的功率之后的剩余功率。

本发明实施例中，假设从初始出射方向出射后光线i所携带的功率p光线为n，则根据下述表达式确定光线通过直射路径对接收器的冲击响应贡献：

上式中，s代表光线i，r代表接收器，t代表绝对时间，ar代表接收器接收表面积，d0代表光线i与接收器之间的直线距离，θlos代表从光线i指向接收器方向矢量的方位角，φlos代表从光线i指向接收器方向矢量的俯仰角，i(θlos,φlos)代表在方位角θlos与俯仰角φlos所确定的方向上的辐射强度，ψ0代表从光线i指向接收器连线相对于接收器法向之间的入射角，c代表光速，δ(t)代表德耳塔脉冲函数，fov代表接收器的视场角；当ψ0≤fov时，函数的取值为1，除此之外，函数的取值为0；

则光线i对接收器的冲击响应所携带的功率：

从初始出射方向出射后光线i的实际携带的功率p光线'为：

p光线'＝n-plos。

步骤13、光线i在当前场景中不断反射，直至反射次数达到预先设定的终止条件时，则光线i的追踪过程被终止；光线i每次的反射方向均基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定，每次反射后光线i的剩余功率为反射前功率与反射面反射率的乘积。

首先，计算从初始出射方向出射后的光线i与场景中所有反射面的交点，将所有交点中距离光线i出射位置最近的交点作为光线i第一次反射的反射位置(即该反射位置作为一个二次光源)；光线i第一次反射后的剩余功率p光线剩余为反射前功率p光线'与反射面反射率r反射点的乘积：p光线剩余＝p光线'ρ反射点；

然后，基于舍选法并结合均匀随机数产生器来确定光线i从第一次反射的反射位置的出射方向(具体方式参见前述步骤11)，并根据第一次反射的反射位置对接收器的直射路径冲击响应贡献确定光线i此时的实际携带功率(具体方式参见前述步骤12)；

利用同样的方法确定光线i第二次反射的反射位置(也即从第一次反射的反射位置沿着确定的出射方向寻找与场景中所有反射面交点中距离最近的点)，不断重复上述过程，直至反射次数达到预先设定的终止条件时，则光线i的追踪过程被终。

步骤14、按照上述方法对所有光线进行追踪，将接收器在所有光线的追踪过程中所获得的冲击响应进行累加，然后除以所有光线的数量进行归一化，从而得到所需的信道冲击响应。

上述步骤11～步骤13的过程是针对一条光线i进行的追踪，而实际过程中可以需要对几千甚至几万条光线进行追踪，这时候只需要重复执行上述步骤11～步骤13即可实现所有光线的追踪。

本发明实施例的上述方案，不再需要依赖光源辐射模式i(θ,φ)的逆函数来随机性地模拟光源辐射特性。传统随机信道模拟方法仅能适用于朗伯辐射模式，适用范围极为受限。通常，实际的光源辐射模式i(θ,φ)是多项余弦函数以及高斯函数的累加组合，因而通常无法明确给出其对应的逆函数表达式，传统方法也就不再适用。本发明引入舍选抽样法的随机光线生成机制，算法的适用性得到根本性的增强，不但可以适用于有明确数学表达式的各类辐射模式，也可以适用于通过光源暗室实测得到的辐射模式数据表。

上述方案仅需要低复杂度的均与随机数产生器来产生随机数。每次确定光源的初始初方向，仅需要生成三个均匀随机数。通过前两个随机数可以完成一次随机出射方向所对应方位角和俯仰角的选定。通过第三个随机数就可以将其设定为该方向的随机辐射强度。将其通光源在该方向辐射强度进行比较，从而确定该方向是否接收为当前光线的出射方向。如果该方向不被接收，则仅需要新产生三个新的随机数，重复上述新方向的寻找过程。整个过程，实现复杂度很低，对算法代码复用程度高，便于信道模拟器的高效开发。

在处理对称性的光源辐射模式时，可以充分利用其对称特性，进一步降低算法的复杂度。可以通过一个随机数，首先确定一个随机方位角。然后，通过第二个随机数，找到一个候选俯仰角，通过第三个随机数设定一个随机强度。将候选俯仰角所对应的辐射强度与随机强度进行比较从而确定该方向是否接收为当前光线的出射方向。因为方位角可以一次性随机确定，仅需对俯仰角进行重复性比较，从而避免方位角与俯仰角联合选定所需的较高的重复性比较次数。

为了便于理解，下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

实现本发明上述方案所需要的组件和功能模块主要包括：均匀随机数产生器，所采用发射光源三维辐射模式数学表达式i(θ,φ)或实测得到三维辐射模式原始数值，舍选抽样判决模块，朗伯光源辐射三维辐射模式数学表达式i朗伯(θ,φ)。图2中所示即为传统信道特性模拟算法能够模拟的朗伯光源辐射模式。但是实际很多光源的模式则更为复杂，如图3所示的非朗伯对称辐射模式，以及更复杂的图4所示的非对称辐射模式。本发明所提出的方法能够模拟传统朗伯光源的同时，也能够模拟其他复杂的实际光源辐射模式。为了便于量化观察，图5给出了朗伯光源辐射模式(朗伯指数为1)对称辐射模式的二维横截面图，图6和图7给出了分别对应于图3和图4的对称辐射模式的二维横截面图，其中图7中的曲线a对应最宽半角，曲线b对应最窄半角。

本发明所提供的适用于各类光源辐射模式的无线光通信信道模拟方法(以下简称模拟方法)是一个蒙特卡洛随机模拟过程，蒙特卡洛光线跟踪模拟算法首先需要明确所采样光源辐射模式，其他需要输入的关于室内场景的主要参数包括：房间的长度，房间的宽度，房间的高度，环境中各光信号反射表面的反射系数，发射器的空间坐标位置，接收器的空间坐标位置，发射器的法向方向向量指向，接收器的法向方向向量指向。本发明需要按照光源辐射模式向各方向随机地发出大量的光线，所发出光线与最近的环境表面发生碰撞后，会发生反射，随机找到一个新的传播方向，指导与新的最近表面发生碰撞，然后随机找到一个新的传播方向，这个过程不断持续下去，直到达到预先设定的终止条件。图8直观展示了本发明所述提供模拟方法中所发射光线与环境表面交互示意图，图中也直观展示了交互过程中，对置于底面上接收器的冲击响应贡献的引入。由于本模拟方法是一个蒙特卡洛随机模拟过程，其与确定性模拟算法有着根本性的区别。后一种算法必须对环境表面进行等尺寸的划分，因而光源与环境表面的交互过程是确定性的，需要消耗大量的资源来计算和保存环境表面位置元素的空间位置信息，如图9所示的典型确定性建模过程中光线的确定性传播路径。

本实例中，首先要通过舍选法来确定一条光线的初始发射方向。在这一方向确定过程中，均匀随机数产生器在[0,1]之间产生三个随机数α、ρ与τ；利用随机数α确定候选方位角：θ候选＝(π/2-0)α，利用随机数ρ确定候选俯仰角φ候选＝(2π-0)ρ，俯仰角的定义为光线法向与光线出射方向的夹角，通过候选方位角和候选俯仰角就确定了一个候选方向，则候选方向的辐射强度为i(θ候选,φ候选)；最大光源辐射强度记为i最大＝maxi(θ,φ)，其中的方位角θ的取值范围是[0,π/2]，俯仰角φ的取值范围是[0,2π]；将随机数τ与最大光源辐射强度相乘获得随机辐射强度i随机＝i最大×τ；将随机辐射强度i随机与候选方向的辐射强度i(θ候选,φ候选)进行比较；如果i(θ候选,φ候选)≥i随机，则将方位角θ候选和俯仰角φ候选确定的候选方向作为光线i的初始出射方向。如果上述条件不满足，则需要重新产生三个新的均匀随机数，并不断重复上述过程，直到找到满足上述条件，并从而确定这条光线的随机出射方向。

每次产生一个新的光线，都要遵照上述过程来产生随机出射方向。随着光线数目的不断增加，随机出射方向的统计就会逐渐趋近光源的辐射模式。图10显示当模拟对称商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips时，一旦光线增加到1000条，全部光线初始方向统计直方图尚不能很好的体现辐射特性的细节。图11显示，一旦增加到10000条光线，统计直方图就能较好地吻合图6的精准二维辐射模式横截面图；图12显示，一旦增加到50000条光线，统计直方图就能令人满意地吻合图6的精准二维辐射模式横截面图。这就表示商用光源luxeonrebelfromlumiledsphilips的辐射特性得到充分且准确的呈现。

本发明提供的模拟方法也能适用于传统朗伯光源和复杂的非对称光源。图13显示了模拟朗伯光源(朗伯指数为1)的全部光线初始方向的统计直方图，该直方图准确地吻合了朗伯光源(朗伯指数为1)辐射模式的二维横截面图。对于非对称光源辐射模式，由于其非对称的特性，无法通过单一横截面的出射方向进行统计。具体地，通过最宽半角横截面和最窄半角横截面的出射方向进行统计。当模拟非对称商用光源nichianspw345cs的全部光线初始方向，可以分别得到对应的统计直方图图14和图15。与图7比较不难确认，商用光源nichianspw345cs的复杂非对称辐射模式通过大量出射光线得到了很好的表征。具体地，在光强度相对强的方向，就会发出更多的等功率光线。在光强度相对较弱的方向，就会发出较少的等功率光线。

按照上述过程，为每条新光线随机性确定出射方向后，首先计算该条光线对接收器的冲击响应贡献，光线实际上只剩下减掉该部分贡献之后剩余的功率(具体公式参见前文)。接下来，就从光线位置沿着该初始发射方向寻找与环境中所有反射面交点中距离最近的交点，该交点就被选定为一次反射的反射位置。然后，光线所剩余的功率与该反射位置的表面反射率之后得到第一次反射之后所剩余的功率。

与光线从光源位置随机性初始发出过程类似，之后需要首先要按照直射路径信道增益表达式计算在一次反射位置对接收器的冲击响应贡献，继而光线实际上只会携带减掉该部分贡献之后剩余的功率。由于该反射位置的反射过程符合朗伯模式，因而按照朗伯光源处理。与初始出射方向的产生过程类似，需要产生三个随机数，按照三维朗伯辐射模式，确定一个随机反射出射方向。然后，与一次反射位置的确定过程类似，从一次反射位置出发，沿着新确定的新确定的一次反射出射方向，计算该条光线与环境表面的所有交点的直线距离，并找到与其中最小值所对应的交点。这一新确定的交点就被作为第二次反射的反射点。继而与第一次反射过程类似，更新反射作用后剩余功率，计算对接收器的新的冲击响应贡献，确定减去冲击响应贡献后所剩余功率，随机性确定新方向。接下来，不断重复上述过程，完成一条光线的二次反射，三次反射，等剩余反射过程。直到达到预设要获知的最高反射次数或其他预设的终止条件，则当前光线的追踪过程被终止。

最后，对每一条新光线，重复上述光线的追踪过程。在接收端，引入该条新光线对冲击响应的贡献。继而，类似地，不断重复上述过程，直到完成千万数量级的光线的追踪过程。之后，对接收端的所获得的来自全部光线冲击响应进行累加，对最终累计的冲击响应除以光线数目进行归一化，从而得到所期望得到的光无线冲击响应。

当所模拟的室内场景如图8所示，若接收器设定在底面中心处，光源辐射模式设定为图3所示，则按照上述方法就可以高效地所需的冲击响应，如图16所示。另一方面，图17展示通过与确定性信道模拟方案可以得到的结果。确定性模拟方案虽然需要很高的计算复杂度，存储资源以及模拟用时，但是却能够可出确定性也精准的信道模拟结果。将图16与图17进行比较，就可以发现本发明能够达到接近确定性模拟方案的模拟准确性。虽然，由于其随机性模拟本质，其得到一次反射冲击响应分量h1，一次反射冲击响应分量h2，一次反射冲击响应分量h3等各次反射分量都会有轻微的毛刺或者说抖动。这种抖动可以通过增加光线数目得到进一步减弱。此外，由于本发明很低的计算复杂度，可以短时间给出准确定可靠的信道模拟结果，以及确定性模拟方案无法在可接受模拟时间给出的三次以上冲击响应贡献：如4次信道冲击响应分量h4，剩余的高次信道冲击响应分量hleft。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。