[科普中国]-非视距通信

非视距通信是指接收机、发射机之间非直接的点对点的通信。非视距最直接的解释是通信的两点视线受阻，彼此看不到对方，菲涅尔区大于50%的范围被阻挡 。

定义接收机、发射机之间非直接的点对点的通信。

非视距我们通常将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间”直线“传播，这要求在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。菲涅尔区的大小取决于无线电波的频率及收发信机间距离。

从发射机到接收机传播路径上，有直射波和反射波，反射波的电场方向正好与原来相反，相位相差180度。如果天线高度较低且距离较远时，直射波路径与反射波路径差较小，则反射波将会产生破坏作用。 实际传播环境中，第一菲涅尔区定义为包含一些反射点的椭圆体，在这些反射点上反射波和直射波的路径差小于半个波长。非视距最直接的解释是，通信的两点视线受阻，彼此看不到对方，菲涅尔区大于50%的范围被阻挡 。

信道建模技术散射信道模型的建立是非视距散射光通信系统的关键技术之一，大气辐射传输模型尽管能够在复杂天气状况下对大气散射信道传输特性进行模拟和分析，但并不能直接解决光在非视距传输时带来的能量衰减和时间调制问题。

单散射模型假设发送端光源在t时刻向空间发出一个能量为Q的激光脉冲，通过图所示的椭球面坐标系来研究接收端的接收光能量。在该椭球面坐标系下，空间中的每个点均可由径向分量、角坐标和方位坐标确定，若将发射端和接收端分别置于椭球面的两个焦点上，则位于椭球面上散射体内的任意一点与两焦点之间的距离之和为一常数，发送端发出的光信号到达椭球面，再由椭球面到达接收端所用的时间也是常数，从而可将椭球面视为等时延面。

接收能量的积分限由空间的有效散射体决定，而有效散射体的范围则依赖于发送端光源的发散角、接收视场角以及该系统的几何关系等参数叫。在实际的紫外散射光通信系统中，建立在椭球面坐标系下的单散射模型虽然能较好地解决非视距光传输时带来的时间调制和能量衰减问题，但其缺点也比较明显：公式复杂、计算量大、理解困难、仿真运行时间长和调试难度大。另外，计算三重积分只能通过对离散点的累加求和得到，动态地确定合适的采样点数又比较困难，直接影响到仿真结果的精度。

多次散射模型单散射模型忽略了散射体的二次及多次散射作用，适用的距离有很大的局限性，其适用范围为700m。在研究更远距离的散射光通信时，需要考虑多次散射的作用。2009年，加利福尼亚大学基于蒙特卡罗方法建立了多次散射模型，并且提出路径损耗以及误码率的参数模型。有学者基于概率分析理论模拟了光子在大气中散射时随机迁移的路径以及方向，推导了散射路径损耗的理论表达式。

需要特别指出的是，此模型涉及到一个重要假设:不同粒子间的散射作用相互独立。如果将同一束光中的众多光子在传输过程中发生的散射视为独立散射，则整束光子的散射作用可以表示为单个光子散射作用之和。光散射信道模型的基础是光的粒子性，且认为光子在迁移过程中与气溶胶粒子、大气分子等发生的是散射作用，若空间中粒子的间距远大于粒子尺寸，即可认为这些粒子的散射作用相互独立，粒子的总散射作用等于各个粒子散射作用之和。而近地面大气中的气溶胶粒子几乎都满足上述条件，因此可认为气溶胶粒子间的散射相互独立。但近地面大气中的大气分子并不满足独立散射的条件，各分子间的散射作用因互相干涉而被抵消。也有理论分析指出，大气分子的热运动造成大气分子浓度的不规则涨落，进而使得散射光不能被完全抵消，且这种散射光强度正比于大气分子平均浓度，由此仍可近似地认为，空间中大气分子的总散射强度是单个大气分子散射强度之和。综上所述，认为粒子间的散射是相互独立的，即这样的假设是合理的。1

关键器件散射光通信系统的关键器件有光源、光检测器、光滤波器和光学天线等，器件在系统性能和工作特性中起决定性作用。

光源用于紫外光通信的光源主要有紫外气体灯、紫外激光器和紫外光发光二极管三种类型：紫外气体灯功率大、成本低，曾是紫外光通信中使用范围较广的一类光源。但其易碎、寿命短，且用高压驱动，难以对其进行高速率开关直接调制，通常适用于一些低速率、大功率和远距离紫外光通信样机。

紫外激光器频带宽度更大、方向性更好且易于维护，但其高成本、低效率以及尚不成熟的技术等大大限制了其应用，主要用来对短距离系统进行仿真实验和功能验证。

紫外LED体积小、调制载波频率高，并且功耗低、易高速驱动，是一种新型紫外光源，为紫外光通信带来了生机。

光检测器光检测器是接收机的核心器件，主要用来将光信号转换为电信号。由于大气对光信号的强烈散射和吸收作用使到达接收端的光信号十分微弱，因此光检测器应具有较高的透过率、较高的灵敏度、较大的探测面积、较高的增益和带宽以及极低的暗电流。

光学天线在无线光通信中，光学天线主要有以下两方面作用： (1)在发送端对激光束进行扩束，增大其束腰半径，以有效压缩光束发散角，减少光束的发散损耗，降低系统对光源发射功率的要求；（2）在接收端增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰，从而提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离。

光学滤波器干涉滤波器的原理是利用多层介质膜中光的干涉作用使信号光被高度透过、背景光被深度截止，但在很窄的波长范围内，干涉滤波器无法迅速降低透过率，而且在镀制多层介质膜的过程中必然存在误差，很难达到预期效果。吸收滤波器则是将一系列具有特殊吸收光谱特性的有机染料、无机盐以及有色玻璃和透紫外基底结合起来，具有更好的高透过和深截止特性。2

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学