非視距通信是指接收機、發射機之間非直接的點對點的通信。非視距最直接的解釋是通信的兩點視線受阻，彼此看不到對方，菲涅爾區大於50%的範圍被阻擋 。
基本介紹
- 中文名：非視距通信
- 一級學科：航空航天
- 二級學科：無人機技術
- 定義：非直接的點對點的通信
定義,非視距,信道建模技術,單散射模型,多次散射模型,關鍵器件,光源,光檢測器,光學天線,光學濾波器,
定義
接收機、發射機之間非直接的點對點的通信。
非視距
我們通常將無線通信系統的傳播條件分成視距(LOS)和非視距(NLOS)兩種環境。視距條件下，無線信號無遮擋地在發信端與接收端之間”直線“傳播，這要求在第一菲涅爾區(First Fresnel zone)內沒有對無線電波造成遮擋的物體，如果條件不滿足，信號強度就會明顯下降。菲涅爾區的大小取決於無線電波的頻率及收發信機間距離。
從發射機到接收機傳播路徑上，有直射波和反射波，反射波的電場方向正好與原來相反，相位相差180度。如果天線高度較低且距離較遠時，直射波路徑與反射波路徑差較小，則反射波將會產生破壞作用。 實際傳播環境中，第一菲涅爾區定義為包含一些反射點的橢圓體，在這些反射點上反射波和直射波的路徑差小於半個波長。非視距最直接的解釋是，通信的兩點視線受阻，彼此看不到對方，菲涅爾區大於50%的範圍被阻擋 。
信道建模技術
散射信道模型的建立是非視距散射光通信系統的關鍵技術之一，大氣輻射傳輸模型儘管能夠在複雜天氣狀況下對大氣散射信道傳輸特性進行模擬和分析，但並不能直接解決光在非視距傳輸時帶來的能量衰減和時間調製問題。
單散射模型
假設傳送端光源在t時刻向空間發出一個能量為Q的雷射脈衝，通過圖所示的橢球面坐標系來研究接收端的接收光能量。在該橢球面坐標系下，空間中的每個點均可由徑向分量、角坐標和方位坐標確定，若將發射端和接收端分別置於橢球面的兩個焦點上，則位於橢球面上散射體內的任意一點與兩焦點之間的距離之和為一常數，傳送端發出的光信號到達橢球面，再由橢球面到達接收端所用的時間也是常數，從而可將橢球面視為等時延面。
橢球面坐標系
橢球面坐標系接收能量的積分限由空間的有效散射體決定，而有效散射體的範圍則依賴於傳送端光源的發散角、接收視場角以及該系統的幾何關係等參數叫。在實際的紫外散射光通信系統中，建立在橢球面坐標系下的單散射模型雖然能較好地解決非視距光傳輸時帶來的時間調製和能量衰減問題，但其缺點也比較明顯：公式複雜、計算量大、理解困難、仿真運行時間長和調試難度大。另外，計算三重積分只能通過對離散點的累加求和得到，動態地確定合適的採樣點數又比較困難，直接影響到仿真結果的精度。
多次散射模型
單散射模型忽略了散射體的二次及多次散射作用，適用的距離有很大的局限性，其適用範圍為700m。在研究更遠距離的散射光通信時，需要考慮多次散射的作用。2009年，加利福尼亞大學基於蒙特卡羅方法建立了多次散射模型，並且提出路徑損耗以及誤碼率的參數模型。有學者基於機率分析理論模擬了光子在大氣中散射時隨機遷移的路徑以及方向，推導了散射路徑損耗的理論表達式。
需要特別指出的是，此模型涉及到一個重要假設:不同粒子間的散射作用相互獨立。如果將同一束光中的眾多光子在傳輸過程中發生的散射視為獨立散射，則整束光子的散射作用可以表示為單個光子散射作用之和。光散射信道模型的基礎是光的粒子性，且認為光子在遷移過程中與氣溶膠粒子、大氣分子等發生的是散射作用，若空間中粒子的間距遠大於粒子尺寸，即可認為這些粒子的散射作用相互獨立，粒子的總散射作用等於各個粒子散射作用之和。而近地面大氣中的氣溶膠粒子幾乎都滿足上述條件，因此可認為氣溶膠粒子間的散射相互獨立。但近地面大氣中的大氣分子並不滿足獨立散射的條件，各分子間的散射作用因互相干涉而被抵消。也有理論分析指出，大氣分子的熱運動造成大氣分子濃度的不規則漲落，進而使得散射光不能被完全抵消，且這種散射光強度正比於大氣分子平均濃度，由此仍可近似地認為，空間中大氣分子的總散射強度是單個大氣分子散射強度之和。綜上所述，認為粒子間的散射是相互獨立的，即這樣的假設是合理的。
關鍵器件
光源
用於紫外光通信的光源主要有紫外氣體燈、紫外雷射器和紫外光發光二極體三種類型：紫外氣體燈功率大、成本低，曾是紫外光通信中使用範圍較廣的一類光源。但其易碎、壽命短，且用高壓驅動，難以對其進行高速率開關直接調製，通常適用於一些低速率、大功率和遠距離紫外光通信樣機。
紫外雷射器頻頻寬度更大、方向性更好且易於維護，但其高成本、低效率以及尚不成熟的技術等大大限制了其套用，主要用來對短距離系統進行仿真實驗和功能驗證。
紫外LED體積小、調製載波頻率高，並且功耗低、易高速驅動，是一種新型紫外光源，為紫外光通信帶來了生機。
光檢測器
光檢測器是接收機的核心器件，主要用來將光信號轉換為電信號。由於大氣對光信號的強烈散射和吸收作用使到達接收端的光信號十分微弱，因此光檢測器應具有較高的透過率、較高的靈敏度、較大的探測面積、較高的增益和頻寬以及極低的暗電流。
光學天線
在無線光通信中，光學天線主要有以下兩方面作用： (1)在傳送端對雷射束進行擴束，增大其束腰半徑，以有效壓縮光束髮散角，減少光束的發散損耗，降低系統對光源發射功率的要求；（2）在接收端增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，從而提高光接收機的信噪比，延伸系統的通信距離。
光學濾波器
干涉濾波器的原理是利用多層介質膜中光的干涉作用使信號光被高度透過、背景光被深度截止，但在很窄的波長範圍內，干涉濾波器無法迅速降低透過率，而且在鍍制多層介質膜的過程中必然存在誤差，很難達到預期效果。吸收濾波器則是將一系列具有特殊吸收光譜特性的有機染料、無機鹽以及有色玻璃和透紫外基底結合起來，具有更好的高透過和深截止特性。
