（光学工程专业论文）室内无线红外通信系统的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着科学技术的发展与适合空间光通信应用的先进通信电子设备的研究技 术基本成熟，无线光通信将成为下一代光通信的发展方向之一。在室内通信中。 随着人们对传输速率和便捷性要求的日益增高，室内无线光通信亦将凸现出其 愈发重要的地位。 本文在搜集与查阅大量的相关文献资料，学习了室内光通信的相关原理的 基础上，对室内无线光通信系统的构架进行了详细描述，研究了室内无线光通 信信道的特性，并通过m a t l a b 软件对其进行了模拟仿真，然后在此基础上，提 出了一种可以在定向可视通信和非定向可视通信之间转换的室内无线光通信结 构，并实现了其结构设计。该种结构比一般的室内无线光链接结构有更好的灵 活性，既能在发射机和接收机之间无障碍时保持高速率通信，又能在有障碍时 保证通信的良好连通性，具有很大的实用价值。然后还对调制解调技术进行了 描述，并对传输过程中的背景光噪声问题进行了简要阐述。最后通过 s y s t e m v i e w 仿真软件对点对点的室内无线光通信系统进行了模块仿真。 关键词：室内无线光通信，信道，模拟仿真，s y s t e m v i e w 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l | 页 a b s t r a c t a l o n g 惭t ht 1 1 ed e v e l o p m e mo fm et e c h i l o i o g y 姐dt 1 1 ea g eo fr e s e a r c h o f a d v 蛆c e dc o 咖u n i c a t ee l e c t r o n i cf a c i l i 够a d a p tt os p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ， w 沁l e s so p 如a lc o 删阻m i c a t i o nw i ut u mi n t oo n eo fd e v e l o p e da s p e c to f 也en e x t g e n e r a t i o n w i t hp e o p l e s i n c f e a s i n gt e q u j r e m e n tf o r 也er a t ea r l dc o n v e n i e n c eo f i n d o o rc o m m u n i c a t i o n s ，i n d o o r 、而r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sw i l lb em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ei n d o o rw i r e l e s s o p t i c a ic o m m u n i c a t i o ns y s t e m p a r t i c u l a r l ya f t e rc 0 1 1 e c ta n dr e f c rt 0 曲咀n d a n c el l t e r a m r ei n f o r m a t i o n ，l e 黜l n g c o r r e l a t e dp r i n c i p l eo fi n d o o rw i r e l s so p i t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，s t i l d i e st h ec h 啪e 1 c h a r a c t e r i s t i c s ，a 1 1 ds i m u l a t e st 1 1 e mw i t hm a t l a b b a s e do nt h a t ，an e ws y s t e m s 仃1 l c t u r eo fi n d o o r 谢r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si sa d v a n c e d t h i ss y s t e mc a nb e t r s f o n n e df 如md i r e c t e dl o sc o m m u n i c a t i o nt on o n d i r c c t e dl o sc o m m u n i c a t i o n w h e nm e r ei sa na b s t a c l eb e t 、v e e nt r a i l s m i 廿e ra n dr e c e i v e r ，t 1 1 i ss y s t e mc a nk e e p c o 舳u n i c a t i n gw h i 曲r a t e ；a n dw h e nm e r ei s n oa b s t a c l e ，i tc a 王1 k e e p c o m m u 耐c a t i n gw i mag o o dc o n n e c t i v i t y c o r r l p a r e dt ot 1 1 en o 姗a li n d o o rw i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sn e ws y s t e mi sa g i l i d e ra n dm o r ev a l u a b l e t h e n ， m o d u i a t i o n d e m o d u l a t i o na n dh o wt or e s t r a i nt h en o i s ea r es i m p l yd e s c r i b e d a t l a s t ，as i m u l a t i o nf o ri n d o o rw i r e l e s so p t i c a lp o i n tt 0p o i n tc o m m u n i c a i i o n si s c o m p l e t e dw i t hu s i n gs y s t e m v i e w k e y w o r d ： i n d o o rw i r e l e s s o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e l ，s i m u l a t i o n ， s y s t e m v i e w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第1 章绪论 随着科技的发展膝上型电脑( 1 a p t o p s ) ，掌上电脑( p a l m t o p s ) 以及个 人数字助理( a p d ) 等移动数字设备得到了越来越广泛的应用【1 ，如何使它们能 够随时随地的跟网络互连，达到其最大的使用效率，是一个越来越突出的问题。 传统的有线系统已无法满足这种需要，而无线通信系统的出现，能够很好的解 决此问题。与传统的用双绞线或同轴电缆作为传输媒质的有线通信系统相比， 无线通信系统具有无可比拟的优越性，使得用户能够得到最大的移动性和灵活 性。在无线系统中，按信息传输载体的不同来分又有两种：射频( r f ) 无线系 统和红外光( i r ) 无线系统。二者相比，射频由于带宽较窄，只能提供很有限 的传输速率。而红外光系统就摆脱了这种束缚，与射频相比有以下优点： ( 1 ) 红外光有着巨大的带宽且无需频率申请。因此可以提供较高的数据传 输速率。 ( 2 ) 红外光不能穿过不透明物体，因而不同房间的通信之间不会互相干扰， 并且通信时几乎不可能被侦听，增强了通信的安全性。 ( 3 ) 红外光信号传输基本上采用强度调制，所以红外光接收器只需探测光 信号的强度，这就使得红外通信的设备比无线射频通信的设备简单便宜得多。 ( 4 ) 红外无线系统的探测器的尺寸比红外光的波长大得多，因此减弱了多 径衰落的影响。 这些优点都使得无线红外光系统在某些领域比无线射频系统有更广阔的应 用前景。 然而，红外光通信也有其不足之处。例如，红外光不能穿透墙壁，对于不 同房间的红外通信，则必须分别安装红外接口然后通过有线主干网才能获得互 连。另外，由于采用的i m d d ( 强度调制直接检测) 调制解调技术是对光信号 的强度进行调制，而在室内环境中，存在着由日光、白炽灯或荧光灯引起的背 景光噪声结果使得红外接收器探测到的光信号中不可避免的包含了这些噪声。 为了提高信噪比，必须增加发射光的光功率，这就增大了器件的功耗，而且高 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 功率的光还会对人眼造成损伤。 因此可知，对于一个具体的环境来讲，到底选用无线光还是无线射频要根 据实际的通信需要来决定。如果要求信号能够穿越墙壁进行大范围长距离通信 的话，无线射频通信是其最佳选择：如果要求实现短距离高速通信，那么无线 红外通信将能担此重任。 1 2 室内无线红外通信系统的链接方式 室内无线红外通信系统的链接方式有很多种，根据以下两点就可以很容易 的将他们区分开来。第一点就是看发射机和接收机是否定向( d i r e c t e d ) 。所谓 定向，其实是一个角度问题。对发射机来讲，如果其发射的光束发散角很小， 发出光束近乎平行，则称其为定向发射机。同样，如果接收机的视场角范围很 小，则称其为定向接收机。若发射机和接收机均为定向，接发两端对准时就建 立了一条链路，这条链路就称为定向链路。相反，非定向链路使用的是大角度 的接收机和发射机。还有一种链路混合了定向与非定向的特点，也就是说，发 射机与接收机中一个是非定向的另一个是定向的，我们称之为混合链路。 区分链接方式的第二点是看发射机与接收机之间是否存在朱受干扰的可视 ( l o s ) 路径。可视( l o s ) 链接中接收机接收到的光除存在由发射机发出的大 角度的光经其他物体反射回来的光外，还存在直接由发射机发射过来未经反射 的光；而非可视( n o n - l o s ) 链按通常是发射机对着天花板发射光信号，接收机 接收到的光信号中不存在直接从发射机射过来的光。 根据以上分析，可以将室内无线局域网的链接方式分为以下几种：定向可 视链接：可视混合链接；非定向可视链接；漫反射式链接；可视混合链接；追 踪式链接。其结构如图卜1 所示。 定向可视链接如图卜l ( a ) 所示。方框代表一个房间，发射机安装在天花板 上。该链接可实现较高的功率利用率。其主要特点有：1 ) 路径损耗较低，从而 对发射机功率的要求也比较低，发射光源一般采用平均功率为几十毫瓦，发射 半角为1 5 0 一3 0 0 的l e d ( 发光二极管) ，l e d 的发射波长一般选在在8 5 0 n m 到9 5 0 n m 之间。2 ) 传输光束很窄，几乎没有多径散射问题，背景光对其影响也很小，这 使得传输速率很高，一个简单的设计通常可以达到1 0 0 m b p s 的信息传输速率。该 种链接方式的不足在于，通信时需要发射机和接收机之间始终保持一种直线式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 的可视链路，因此很容易因为一点阻碍而断开。这种链接更适合于单点对单点 的通信，而不太适于单点对多点的广播式通信，这样就限制了其灵活性。 ( a ) 定向可视链接( b ) 可视混合链接 ( c ) 非定向可视链接 ( d 】漫反射式链接( e ) 漫反射式混台链接 ( 旬遇踩式链接 图1 1 链接方式示意图( t 一发射机r 一接收机) 定向可视链接在实际中应用较多。其常用于短距离低速率通信，例如各种 电器的遥控器等。而且，它也是红外数据协会( i r d a ) 选用的用于非中心对等网 络的链接方式，这些对等网络一般为移动终端而组建，两个终端间的距离不超 过1 m ，数据传输速率在9 ，6 k b p s 到4 胁p s 之间。 非定向可视链接如图卜1 ( c ) 所示。其通过发射机发出的大发散角光束和接 收机的较大的接收视野来达到增加覆盖面积的目的使得接发两端不需要严格 对准便可进行通信。由于信号在传输过程中可能要经过墙壁或天花板的反射， 这就产生了多径传输问题，并增大了路径损耗，直接影响到光电探测器接收到 的光功率。该种链接更适用于单点到多点的广播式通信系统，例如，在一个房 间的天花板上安置一个红外接入点( a p ) ，处在该接入点发出光的覆盖范围内的 多个终端可以同时接收到接入点发出的信号，而且各个终端间还可以通过接入 点来进行通信。 漫反射式链按中，发射机的发射端口般对着天花板发射较宽的红外光束， 漫反射后的光覆盖面积很大，如图卜l ( d ) ( e ) 所示，因此，漫反射式链接不需要 对准，也不需要l o s 可视路径。该链接方式应用更灵活，既可用于对等网络，亦 可用于中心网络。其缺点是信号的路径损耗严重。五米距离上光信号损耗达到 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 5 0 一7 0 db 1 6 l ，尤其是当接收机附近有人或障碍物时，损耗更严重。另外，多径传 输也是影响其传输速率的一个重要因素。尽管如此，考虑到灵活性问题，许多 研究机构仍对漫反射式链接产生了浓厚兴趣，而且很多处于实验室阶段的该种 链接的传输速率已达到5 0 m b p s 1 。 追踪式链接结构如图卜l ( f ) 所示。它能达到像定向可视链接一样的高传输 速率和非定向可视链接的较大覆盖面积，因此具有很高的功率利用率。但是机 械可操纵的光学元件价格非常昂贵，而且体积很庞大，在实用中不易推广。因 此，有人提出另一种结构来实现追踪链接，该结构使用一种包含多个l d 的发射 机，发射的光束通过透镜组到达接收机阵列，如图卜2 所示。实验室用这种结构 已经可以达到3 4 m b p s 、1 0 0 m b p s 和1 5 5 m b p s 的传输速率【5 】。 图l - 2 追踪链接方式的一种结构示意图 1 3 国内外发展动态 由于室内无线光通信所具有的灵活、便捷及高速等特性，在国外，如美国， 日本等国家许多研究所和企业长期进行该领域的研究，并陆续有产品从实验 室走向商用。 世界上第一套室内无线光通信系统产生于1 9 7 9 年，是由美国i b m 公司的 f r g f e l l e r 和u h b a p s t 主持研发的6 l 。该系统属于一种漫射式红外通信系统， 使用的是9 5 0 n m 波长的红外光，通信距离可以达到5 0 m ，当采用p c m 和f s k 两种 不同调制方式时，通信速率分别为1 2 5 k b p s 和6 4 k b p s 。但该系统仅仅局限于实 验室内，并未投入商用。 1 9 8 3 1 9 9 4 年间，世界上许多大公司和实验室对室内无线光通信系统开展 研发，陆续有产品面世。表卜l 显示了这些产品的参数和制造商。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表卜1 室内无线红外系统产品 时间公司实验室链接方式传输速率其他参数 1 9 8 3 富士通可视1 9 2 k b p s 1 5 m w 。8 8 0 n m ，f s k ”7 1 1 9 8 5日立混合 o 2 5 一l d s3 0 0 m w f s k 1 9 8 5 富士通混合4 8 k b p s 8 8 0 n m ，b p s k l l 卵 1 9 8 5 惠普实验室定向可视1 m b p s 1 6 5 m w ，8 8 0 n 巾【2 川 1 9 8 6摩托罗拉 宽角度可视5 0 k b p s 1 6 m w ，9 5 0 n m ，r zo o k 1 9 8 7 贝尔实验室定向可视4 5 m b p s l m w 8 0 0 姗，0 0 k l 1 9 8 8松下混合 1 9 2 k b p s 8 8 0 n m f s k 口w 1 9 9 3 贝尔实验室蜂窝5 0 m b p s 1 9 9 4 伯克利漫射5 0 m b p s 4 7 5 m w ，8 0 6 n m ，0 0 k 例 1 9 9 4贝尔实验室蜂窝1 5 蹦b p s4 0 i 耙日 1 9 9 8 年，日本胜利公司( j v c ) 研发出一种商用室内无线红外通信系统一 v i p s l a n l o 【2 7 l ，是第一个完全适于与以太网互联的无线红外局域网系统。该系 统采用的是非定向可视链接，在2 0 m 范围内传输速率可以达到1 0 m b p s ，而且能 够使直径1 0 m 范围内的六个终端之间同时以1 0 m b p s 的传输速率进行通信。2 0 0 0 年，s p e c t r i x 公司生产了一种商用系统1 2 1 1 。覆盖面积达到了1 0 0 0 平方英尺，传 输速率达到4 m b p s ，可供覆盖范围内所有的用户同时互相通信使用。b t ( 贝尔 电话) 实验室的追踪式系统使用机械可操纵的光学元件，通信速率可以达到 l g b p s 吼 国内在室内无线红外通信方面的研究起步比较晚，清华北大两所高校在该 领域的研究上处于国内领先水平。2 0 0 3 年，深圳清华大学研究生院研制了一种 室内无线红外局域网系统f 纠，该系统采用漫射式链路结构，带有激光收发设备 的便携式计算机可以连接到本地局域网( l a n ) 上，能实现1 0 m 以太网和a d h o c 两种网络的组建。采用双绞线( u t p ) 网络接口( r j 一4 5 ) ，速率可以达到1 0 m b p s ， 工作范围为1 0 0 平方米。 除此之外，北京大学电子学系焦秉立教授主持开发的项目：新一代计算机 红外线通讯网络，得到了国家创新基金的支持和有关公司资金的投入。项目 的总体目标是实现以红外扩频为基本技术的室内红外通信网络的设计，使带有 红外接口的通用设各，如：便携电脑，打印机，照相机等可以灵活地以无线方 式入网络，并接收和发送信息。现已开发成功公共场所的网络服务系统，室内 会议网络系统开发工作将于近期完成，另外，可提高红外通信距离的扩频调制 技术及网络系统也处于研制中。 由以上可知，作为有线通信的有力补充，室内无线光通信受到越来越大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 重视。展望未来，其必将以自身独特的优势在数据通信领域中占据重要一席。 因此，对室内无线光通信系统进行研究和分析将是一件很有意义的工作。 1 4 本论文主要研究内容 本文主要研究红外光在室内的高码率传输，并分以下几章分别进行论述： 第一章：引言。介绍了室内无线光通信系统的链接方式以及国内外的发展 现状。 第二章：室内无线光通信信道分析。主要是对非定向信道进行数学模型上 的探讨，然后用m a t l a b 仿真软件对定向信道和非定向信道的特性进行模拟分析， 为第三章的新型系统的提出提供了理论支持。 第三章：室内无线光通信系统设计。本章对一种可以在定向和非定向可视 通信之间转换的室内无线光通信结构进行了描述，并实现了其结构设计。该种 结构比一般的室内无线光链接结构有更好的灵活性，既能在无障碍时保持高速 率通信，又能在有障碍时保证通信的良好连通性。具有很大的实用价值。 第四章：本章首先介绍了室内红外通信的背景光噪声问题，然后对常用在 室内红外通信上的多种调制方式进行了描述。然后从发射端的调制方案考虑， 经比较采用0 0 k 调制，给出了o o k 调制的基本框图并加以说明，并通过 s y s t e m v i e w 仿真软件实现了室内无线光点对点通信系统的模拟。 第五章：总结与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章室内无线光通信信道分析 室内无线光通信信道泛指光发射机与光接收机之间的空间。由上一章对室 内无线光通信链接的分析可以看出，实现高质量通信离不开低迟延，高速率和 高可靠性的信道。而对于某一种特定的链路格局，其路径损耗和多径色散这些 信道特征决定了通信系统设计的许多方面，例如对模型和编码技术的适当选取， 发射功率和接受灵敏度的要求，以及数字通信系统的误码率等。另外，在无线 光通信系统设计中，诸如发射机功率，发射光束形态，接收滤波器以及接收面 积和接收视场角等也都需要根据信道的属性来确定。因此，精确分析室内无线 光通信信道的特性对整个系统的设计有着重要意义。 本章主要是对非定向信道进行数学模型上的探讨，然后用m a t l a b 仿真软件 对定向信道和非定向信道的特性进行分析。 2 1 室内无线红外信道的基本类型分析 图2 一l 是室内无线红外光通信系统的信道模型示意图。a ) 为采用i m d d ( 强 度调制直接检测) 方式的红外链路以及接收和发射装置b ) 为脉冲响应为 o ) 的 线性基带传输模型。 发絮誓j 口埔 噪声0 ) b ) 国2l 室内无线红外光通信系统信道模型 圈2 一l 室内无线红外光通信系统信道模型 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 贞 系统中，发射机光源为一个激光二极管或是发光二极管发出经过强度调 制( i m ) 的信号x ( n 。接收机使用直接检测( ) 的光电二极管。接收到的光 电流信号y ( r ) 表示为】： y ( f ) = 是x ( f ) _ ；l ( f ) + ( r ) ( 2 一1 ) 式中+ 表示卷积，z ( ，) 为发射光功率，r 为光电二极管响应度，砸) 为信道的脉 冲响应，( f ) 为加性自高斯噪声。y ( ，) 跟光检测器表面接收到的孵时光功率的 积分成比例关系。 室内无线光传输信道的基带模型的脉冲响应 ( f ) 经常用以下形式【： 旦 o ) = 4 。万。一，。) p 。“ ( 2 2 ) 月- l 这里的口。，f 。，统分别代表振幅，传输延迟和相位；是多径信道的径数。 使用冲击函数占( r ) 作为系统的基本函数。 有了以上两个公式的引入，下面对非定向信道模型进行分析和仿真。 2 2 非定向信道模型分析 2 2 1 不同的信道模型算法的发展与比较 g f e l l e r 在1 9 7 9 年提出了基于一次漫射和定向链接的信道模型。1 9 9 3 年 b a r r y 提出了计算瞬态响应的多径模型的递归算法。1 9 9 7 年p e r e z j i m e n e z 提出 了室内信道的统计模型。同一年l o p e z h e r m a n d e z 发现了另外一种较快的算法， 即d u s t i n 算法。2 0 0 2 年，c a r r u t h e r s 提出一种基于定点的迭代算法来估算脉冲 响应i 粥。 对上述几种算法就以下几方面进行比较：( i ) 计算的复杂性( i i ) 仿真所 需时间( i i i ) 对计算机存储器的要求( i v ) 对新环境的适应性，得到结果如表 2 1 示。由表中可以看出，b a r r y 的递归算法首先提出了多次反射模型，但只限 于少量的反射次数，而且在计算2 次以上的反射时是极其繁杂的( 最高3 次) ；统 计算法很方便，但它是针对室内漫射信道模型提出的，而且准确性不太高； d u s t i n 算法很快，但对新环境适应性很差：而迭代算法不仅能有效地解释说明 任何次数的反射，而且计算的速度也比较快，针对一个三次反射，这种迭代方法 比递归算法快9 0 多倍。更重要的是它可以模拟复杂的环境，尤其是针对i m d d 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 多径脉冲响应，可以通过计算机实现更有效更准确地估算。因此我们采用这种 方法来估算非定向信道的脉冲响应。 表2 1 不同模型算法的比较。” 参数递归算法统计算法d u s t i n 算法基于定点迭代算法 计算的复杂性必须重复计算不如递归算法复杂不如递归算法复远不如递归算法复 杂 杂 2 存储要求 “nb 目 少于递归算法n 咄e s少于递归算怯 所需时间 4 1 0 一s 比递归算法少比递归算法慢比递归算法约快9 2 0 2 3 坩次倍 可选最高反射最高为3 次，反射次数不隈反射次数不限但 可能达到1 0 次 次数不可能到4 次受限于发射功率 适应性不强不强不强强 精确度很不精确不太精确较精确坡精确 出版年份 1 9 9 3 41 9 9 7 71 9 9 7 72 0 0 2 5 作者b a r r yp e r e z j i m e n e zl o d e z h e r a n d e zc a r r u t h e r s 2 2 2 非定向信道数学模型的建立 由上可知基于定点的红外无线信道的迭代算法是比较实用的一种算法。 这种算法的关键就是能够对许多不同位置的接收机和发射机同时进行估算，因 而大大地减少了计算次数。现在我们用它来计算非定向可视链接中的脉冲响应。 算法分以下两步进行： ( 1 ) 建立室内有发射机，接收机和家具等物体的房间模型； ( 2 ) 计算信道的脉冲响应； 1 建立模型 为了不失般性，我们的仿真环境如图2 2 ( a ) 所示，包括一个发射机，一 个接收机，还有一个办公桌。基带脉冲响应 ( ，) 取决于给定的光源s ，接收机r 和环境e ，这样我们可以把矗( f ) 更精确地定义为 。( f ；s ，置) 。 如图2 2 ( b ) 所示，光源s 可以看成点光源，由位置矢量五，方向矢量自。， 以及辐射模式r ) 表示。接收机r 由位置矢量耳，方向矢量疗，光接收机的光 收集面积( o p t i c a lc 0 1 1 e c t i o na r e a ) a ，表示。r ( 庐) 由下式给定m l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 r 酗) = 芝掣c 斛) ( 2 3 ) 式中为矢量反和( 弓一弓) 的夹角： c o s ( ) = 觅( 五一弓) d ( 2 4 ) d 为接收机与发射机之间的直线距离；发射光源取为朗伯光源，n 为朗伯光源 的阶数，反映了光源发射光的方向性。对于一般的朗伯光源，n 取1 。臼为矢量 t 和( 茸一只) 的夹角： c o s p ) = 茸( 耳一只) d ( 2 5 ) 有效光收集面积彳( 毋) = 4 9 ( 口) 。光接收机增益函数g ( 口) = c o s ( 目) l 口 f o v ) ， 式中f o v 为接收机的视场角，1 ( 为指示器函数，即 a ) _ ：i ，a 翥 e ， ( a ) 仿真环境( b ) 光源和接收机位置图 图2 2 仿真模型示意图 对于环境e 。我们把它看做由。个长方体的箱子慨，b 。；组成第一个箱 子蜀表示“全域”，它里面包含了所有其他的箱予以及所有的光源和接收机。且 可以是一个房间，一层楼，甚至于整座大厦，且内部的箱子可以代表桌子，椅 子和人，甚至墙壁和过道等。我们规定每个箱子的六个表面分别平行于x ，y 或 z 轴，这样，每个箱子就可以用一个角位置矢量矗和一个坐标集合 t 即与厶日 来表示，其中t ”0 t 日分别代表箱子日沿x ，y ，z 轴的长 度。具体到图2 2 ( a ) 中，目代表一个房间，召，为一个实验桌。为方便起见， 我们把房间的一角作为坐标原点。 另外，每个箱子都有6 个反射面，对于里面的箱子毋，b 。来说，其六个 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 外表面是反射面，而对于鼠来说，参与反射的是它的六个内表面。一共有6 j 。个 反射面，每个反射面都被假定为反射率为p 的漫反射面。 2 计算脉冲响应 有了上面的环境模型，我们现在来计算脉冲响应。脉冲响应的计算包括反 射次数的分解，平面的离散化，对多个接收单元和发射单元进行迭代三个步骤。 下面分别阐述： 1 ) 反射次数的分解。所有从光源发射出来的光都要经过若干次( 包括零次) 的反射才能到达接收机，因此我们把脉冲响应 。( f ；s ，r ) 用一个与反射次数七有 关的级数来表示如下： ( r ；s ，r ) = 芝拶( r 涔r ) ( 2 7 ) 式中厅竽( ，；最r ) 为光信号从光源s 发出经过j i 次反射后到达接收机月的路径的 脉冲响应。 首先，l o s ( l i n e o f s i g h t ) ( 即光信号由发射机发射后经零次反射到达接 收机) 可视路径的脉冲响应h 竽、o ；s ，r ) 为 ? ( f ；s ，r ) = y ，本，e 沙x 爿，g p ) d 2 ) 艿o d ，c ) ( 2 8 ) 这里d = 陵一l 为光源和接收机间距离，c 为光速。当s 和r 间的l o s 路径未被 阻挡时，可见度函数y 仁，弓，占) 值为l ，否则为o ，其他项遵循前面的定义。 现在第七次反射的脉冲响应可用下式通过第女一1 次反射的脉冲响应来计算 【，1 磴( f ；足月) = j p 如，x 磷。( f ；s ，出) 秽( 埘s 5 ，r ) ( 2 9 ) e 式中积分是对整个环境e 的积分，p 为反射率函数。出4 和如7 均代表面积为毋2 的微分面，分别表示光线到达接收机r 前经过的最后一个反射面元和光源s 发 出的光经过的第一个反射面元。如5 可以看作一个一阶朗伯“光源”，如则可 以看作增益函数是g ( 口) = c o s ( 口) 1 臼 2 的非l o s 分量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 因此，可以得出结论：随着发射机和接收机之间距离的增加或房间高度的增加， 非可视分量在总的接收功率中所占的比例将增大。