基于射线追踪法的室内可见光通信系统信道建模方法研究

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6G将全面实现物联世界的数字化,以可见光、射频等多种介质融合的通信感知一体化技术是6G的核心关键技术之一。室内作为信息产业及数字经济绝大部分连接的产生场景,是6G最核心的应用场景,因此,基于可见光等介质融合的通信感知一体化技术必须解决好室内可见光复杂传播环境相关的问题。本文将重点聚焦于高精度、低复杂度的室内可见光通信信道建模,以全面、准确、实时地刻画室内可见光传输路径的空间、时间、功率分布,从而形成室内通信感知一体化的传播模型基础。本文的主要研究工作具体如下:首先,对室内可见光通信信道建模及相关理论和方法进行综述,包括光源及可见光传播特性、照明和通信的主要参数与性能指标,表明现有室内可见光信道建模方法存在或理想化、或复杂度高、或通用性差等问题。因此,本文以场景适应性较强的射线追踪法为基础,从降低计算复杂度和提高追踪精度的需求出发,设计面向室内可见光通信的信道建模方法,具有重要意义。其次,提出了中心射线管和双向射线追踪结合的高精度室内可见光通信信道建模方法。为了同时实现对可见光漫反射、镜面反射和折射等传播路径的解析,采用正向射线追踪法对室内可见光通信信道建模,并使用中心射线管模型替代在正向追踪过程中产生的直射射线,使追踪的效率和精度都得到提升。之后,采用反向射线追踪法对可见光漫反射路径信道建模,进一步提高对可见光漫反射传播路径追踪的效率和精度。经过仿真与实验对比,结果表明本文所提信道建模方法可以将建模效率提高2个数量级。在2m×2m×3m室内场景,与递归信道模型对比,本模型的计算结果误差在1%以内。最后,借助于三维可视化工具包VTK,实现了室内可见光通信系统照明与通信性能联合仿真软件,包括三维场景建模、碰撞检测、射线生成与追踪、仿真软件功能的模块化以及模块间通信,实现了在三维室内空间照明指标及通信和感知指标的计算,具体包括照度、亮度、信道脉冲响应、信道直流增益、时延扩展、平均信噪比等,并在空房间和典型办公室内进行了仿真实验,完成软件测试。
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