eng
Выпуск #1/2023
М. В. Тарасенков, С. А. Пешков, Е. С. Познахарев
Оценка вероятности регистрации ошибочных символов в канале атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн в условиях дня и ночи
Оценка вероятности регистрации ошибочных символов в канале атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн в условиях дня и ночи
Просмотры: 643
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.46.56
Рассматривается модель канала атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн. Основу модели составляют алгоритмы метода Монте-Карло локальной и модифицированной двойной локальной оценки для расчета импульсной реакции канала оптической связи. Для диапазона длин волн от 200 до 400 нм в условиях дня и ночи оценивается вероятность регистрации ошибочных символов при кодировании информации временной задержкой между импульсами. Расчеты показывают, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, а длина волны λ = 395 нм – для организации связи ночью с помощью рассмотренной приемной системы.
Рассматривается модель канала атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн. Основу модели составляют алгоритмы метода Монте-Карло локальной и модифицированной двойной локальной оценки для расчета импульсной реакции канала оптической связи. Для диапазона длин волн от 200 до 400 нм в условиях дня и ночи оценивается вероятность регистрации ошибочных символов при кодировании информации временной задержкой между импульсами. Расчеты показывают, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, а длина волны λ = 395 нм – для организации связи ночью с помощью рассмотренной приемной системы.
Теги: atmosphere monte carlo method optical communication based on scattered radiation scattered laser radiation uv wavelength range атмосфера метод монте-карло оптическая связь на рассеянном излучении рассеянное лазерное излучение уф-диапазон длин волн
Оценка вероятности регистрации ошибочных символов в канале атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн в условиях дня и ночи
М. В. Тарасенков, С. А. Пешков, Е. С. Познахарев
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН
Рассматривается модель канала атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн. Основу модели составляют алгоритмы метода Монте-Карло локальной и модифицированной двойной локальной оценки для расчета импульсной реакции канала оптической связи. Для диапазона длин волн от 200 до 400 нм в условиях дня и ночи оценивается вероятность регистрации ошибочных символов при кодировании информации временной задержкой между импульсами. Расчеты показывают, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, а длина волны λ = 395 нм – для организации связи ночью с помощью рассмотренной приемной системы.
Ключевые слова: атмосфера, рассеянное лазерное излучение, оптическая связь на рассеянном излучении, УФ-диапазон длин волн, метод Монте-Карло
Статья получена: 03.08.2022
Статья принята: 07.11.2022
Атмосферная оптическая связь на рассеянном излучении – один из активно развивающихся способов передачи информации по открытому атмосферному каналу. Первые экспериментальные и теоретические работы по организации этого типа связи были опубликованы в 1960‑х гг. в таких работах как [1, 2]. В последние годы в связи с появлением новых лазерных источников, высокочувствительных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и фотодиодов работы по исследованию данного типа связи получили дальнейшее развитие [3]. Преимуществами атмосферной оптической связи на рассеянном излучении являются: 1) ее многоадресность, 2) возможность перестройки канала связи для исключения прерывания сигнала, 3) относительно невысокая стоимость, 4) потенциально высокая скорость передачи информации. Основным недостатком этого типа связи является сильная зависимость ее качества от атмосферных условий. В настоящий момент можно выделить следующие направления использования атмосферной оптической связи на рассеянном излучении: 1) связь в помещениях на малых базовых расстояниях [4,5], 2) наземная связь по открытому атмосферному каналу на базовых расстояниях от десятков метров до десятков километров [6–8], 3) связь с беспилотными летательными аппаратами [9, 10]. В данной статье основное внимание будет уделено наземной атмосферной оптической связи в открытой атмосфере.
В настоящее время опубликовано достаточно много теоретических и экспериментальных работ по организации наземной оптической связи на рассеянном излучении и настоящее время выполнен целый ряд экспериментальных работ [11–15]. В подавляющем большинстве работ используются источники в диапазоне длин волн λ = 250–270 нм. В качестве источников применяются УФ-светодиоды [11, 12], Nd : YAG лазеры [13], лазеры MPL-F‑266 [14]. Для приема информации чаще всего используются ФЭУ MP1922 [11, 15] и ФЭУ Hamamatsu R7154 [12, 14]. В большинстве работ рассматриваются базовые расстояния до 100 м (например [11–14]), но есть и работы с большим базовым расстоянием (например до 1 000 м в работе [15]). В рамках экспериментальных работ определяются ослабление излучения полезного сигнала, приведенное к децибеллам (path loss), вероятность регистрации ошибочных символов (bit error rate или BER) и длительность принимаемого импульса (pulse width) в зависимости от условий связи.
В рамках теоретических работ [16–21] исследуются качество канала передачи информации в зависимости от оптико-геометрических условий и максимальная скорость передачи информации. Помимо этого, в работах [16–17] предлагается аппроксимационная формула для импульсной реакции канала оптической связи на рассеянном излучении.
Еще одно направление теоретических и экспериментальных исследований связано с влиянием различных способов кодирования информации на качество канала связи [12, 22–30]. В рамках работ [12, 22, 23] рассматривается OOK (On-Off-Keying) кодирование информации – подход, в рамках которого «0» задается отсутствием импульса, а «1» – его наличием. В работах [12, 22, 23] рассматривается PPM (Pulse Position Modulation) кодирование информации – подход в рамках которого закодированный символ зависит от положения импульса во временном слоте. В работах [12, 23–27] используется кодирование DPIM (Digital Pulse Interval Modulation) – подход, в рамках которого информация кодируется задержкой между импульсами. В работах [28] используется кодирование по нескольким длинам волн. В работе [29] информация кодируется управлением поляризации посылаемого излучения. В работах [25, 30] показывается, что использование DPIM позволяет значительно увеличить скорость передачи информации по сравнению с PPM, но вероятность регистрации ошибочных символов при этом будет несколько выше. В рамках экспериментальных работ ранее выполненных в ИОА СО РАН [8, 31] также использовался способ кодирования информации DPIM – задержка между импульсами в 65 мкс соответствовала символу «1», а в 67 мкс – символу «0». В условиях дня была установлена устойчивая оптическая связь на длине волны λ = 250 нм на базовом расстоянии до 1.3 км [31].
В целом анализ существующих работ показывает, что в ранее опубликованных работах практически не рассматриваются длины волн диапазона λ > 270 нм. Можно лишь упомянуть работу [16], где рассмотрены длины волн λ = 230–310 нм. Поэтому далее рассматривается, как зависит вероятность регистрации ошибочных символов Pe от оптико-геометрических условий в диапазоне длин волн от 200 до 400 нм.
Постановка задачи
и метод решения
Задача рассматривалась в следующей постановке (рис. 1). Пусть имеется плоская система атмосфера – земная поверхность. Атмосфера является рассеивающей и поглощающей аэрозольно-газовой средой. Атмосфера разделена на 32 однородных слоя, в каждом из которых заданы коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния и поглощения, а также индикатрисы аэрозольного рассеяния. Оптические параметры атмосферы задаются моделями лета средних широт LOWTRAN‑7 [32] безоблачного неба и данными из работ [33–35] о молекулярном рассеянии и поглощении. На земной поверхности располагается импульсный лазерный источник S, передающий через атмосферу информацию в спектральных интервалах с центрами на длинах волн λ = 205, 215,..., 395 нм и шириной Δλ = 10 нм. Информация кодируется задержкой между импульсами (DPIM). Ось источника направлена под зенитным углом θs от вертикали, угол расходимости источника равен νs, энергия одного импульса Q0 = 0,3 мДж, а длительность Δt0 = 30 нс. Предполагается, что форма импульса по времени прямоугольная. На базовом расстоянии YN от источника располагается приемная система D, ось которой ориентирована под зенитным углом θd, а угол поля зрения равен νd. Рассматривается компланарная схема канала (оси источника и приемной системы лежат в одной плоскости). Приемная система предполагается идеальной с площадью апертуры Sd = 0,01 м2, содержащая ФЭУ УФК‑4Г‑4 [36]. Параметры ФЭУ: коэффициент усиления ФЭУ MPMT = 106, темновой ток IT = 10–15 A, полоса пропускания частот Δf = 11 кГц. Значения спектральной чувствительности фотокатода ΣK на рассматриваемых длинах волн приведены в таблице 1. Параметры приемной системы соответствуют системе, используемой нами в работе [31].
На верхнюю границу атмосферы падает солнечное (либо лунное) излучение под зенитным углом θb и азимутальным углом ϕb. Требуется, зная оптико-геометрические условия и характеристики приемо-передающей аппаратуры, определить импульсную реакцию канала связи и интенсивность фонового излучения и по их значениям оценить вероятность регистрации ошибочных символов Pe.
Полезный сигнал в рассматриваемой схеме оптической связи целиком формируется рассеянным излучением. Для моделирования импульсной реакции использовались две программы метода Монте-Карло (рисунок 2): однократно рассеянная часть импульсной реакции h1(t) моделировалась программой метода Монте-Карло с локальными оценками в точках столкновения «фотонов» со средой (рисунок 2a), а многократно рассеянная часть импульсной реакции hmsc(t) моделировалась программой метода Монте-Карло с модифицированными двойными локальными оценками в точках столкновения (рисунок 2b). Далее кратко об этих алгоритмах.
Суть алгоритма с локальными оценками сводится к следующему (рис. 2а). Из точки источника запускаются траектории блуждания фотонов в атмосфере в соответствии с оптическими параметрами среды. Алгоритм моделирования блуждания фотонов можно считать классическим [37]. В каждой точке столкновения фотонов со средой (на рисунке отмечены как M1 и M2) делается локальная оценка энергии фотона, который придет в приемник из точки Mi с временем блуждания, попадающим в i-й временной интервал Ii, pnk. При выполнении
условий и равна:
, (1)
где i – номер временного интервала, куда делается локальная оценка, qM – энергия фотона, пришедшая в точку столкновения M, rMR – расстояние от точки столкновения M до приемной системы D, τMR – оптическая толщина трассы от точки столкновения M до приемной системы D, σsa, M, σsm, M – коэффициенты аэрозольного и молекулярного рассеяния в точке столкновения M соответственно, σt, M – коэффициент ослабления в точке столкновения M, ga(μM), gm(μM) – индикатрисы аэрозольного и молекулярного рассеяния в точке столкновения M соответственно, μM – косинус угла рассеяния между направлением траектории фотона в точке столкновения до рассеяния и направлением на приемник, с – скорость света в среде, ωd – направление оптической оси приемника, ωpnk – направление из точки приемника в точку столкновения M.
В противном случае Ιipnk = 0.
Тогда однократно рассеянная часть импульсной реакции h1(t) определится как:
(2)
где i = 1, ..., Ntime – номер временного интервала, Ntime – количество временных интервалов, ti + 1, ti – границы i-го временного интервала, P – количество пачек траекторий, N – количество траекторий в пачке, Kpn – количество столкновений в n-й траектории p-й пачки.
Алгоритм с модифицированными двойными локальными оценками строится следующим образом (рисунок 2b). Моделируется блуждание фотонов в среде. Для каждой точки столкновения (отмечена на рисунке как M1) поле зрения приемника разбивается на подобласти, соответствующие временным интервалам, для которых ищется импульсная реакция. Алгоритм разделения поля зрения на подобласти описан в работе [38]. Подобласти ограничены двумя эллипсоидами вращения, фокусами которых являются точка столкновения M1 и приемная система D, и конусом поля зрения приемника. В поле зрения приемной системы выбирается случайное направление ω. В каждом из построенных подобластей выбирается по одной фиктивной точке столкновения (на рисунке отмечены как N1, N2 и т. д.), расположенные на луче, задаваемом направлением ω. И в каждый из возможных временных интервалов делается двойная локальная оценка излучения, которое придет в приемную систему, рассеявшись в точках M и N1 для первого временного интервала и т. д. Оценка задается формулой:
, (3)
где μMi – косинус угла рассеяния между направлением фотона в точке столкновения M до рассеяния и направлением в фиктивную точку столкновения Ni, соответствующей i-му временному интервалу, μNi – косинус угла рассеяния между направлениями MNi и NiD, Pi, ei – фокальный параметр и эксцентриситет эллипсоида вращения, соответствующего времени ti, b – скалярное произведение вектора ω и единичного вектора, направленного в направлении DM, – оптическая толщина трассы от точки столкновения M до фиктивной точки Ni, – оптическая толщина трассы от фиктивной точки столкновения Ni до приемной системы D.
Тогда многократно рассеянная часть импульсной реакции hmsc(t) определится по формуле (2) из значений Iipnk, полученных по формуле (3).
Зная импульсную реакцию канала связи, легко определить среднюю мощность полезного сигнала:
, (4)
. (5)
Мощность фонового излучения определялась по формуле:
, (6)
где – значение солнечной (лунной) постоянной, – значение интенсивности фонового излучения Солнца (Луны) при зенитном угле Солнца (Луны) θb и относительном азимутальном угле ϕb, отсчитываемого от направления оси приемной системы.
Значения солнечных постоянных брались из работы [39]. Значения лунных постоянных для полнолуния брались из работы [40].
Величина Ib рассчитывалась методом Монте-Карло сопряженных траекторий с локальными оценками в точках столкновения, основанным на работе [37].
В работах [38, 41] для тестирования программ расчета h1 и hmsc выполнялось сопоставление с результатами [20, 42]. В работе [43] выполнялось тестовое сравнение с результатами расчетов Ib из работы [44]. Сопоставление показывает, что отличие результатов лежит в пределах статистической погрешности расчетов.
Для способа кодирования информации DPIM в работах [24–27] предлагается формула для расчета вероятности регистрации ошибочных символов. В случае, если кодирование информации производится аналогично нашей работе [31], то вероятность регистрации ошибочного символа определяется как:
, (7)
где – это вероятность регистрации посланного импульса, – это вероятность того, что отсутствие импульса регистрируется правильно.
При высоком уровне полезного сигнала согласно работе [25] величины P0/1 и P1/0 определяются по формулам:
, (8)
, (9)
, (10)
, (11)
, (12)
, (13)
, (14)
, (15)
где e – заряд электрона; I1 – ток, создаваемый фоновым излучением, I2 – ток, создаваемый полезным сигналом.
Результаты
Для решения поставленной задачи была выполнена серия расчетов для следующих оптико-геометрических условий: λ = 200–400 нм с шагом 10 нм; метеорологическая дальность видимости SM = 50 км, что соответствует модели LOWTRAN‑7 с вертикальной аэрозольной оптической толщиной (АОТ) на длине волны λ = 550 нм АОТ550 = 0,16, YN = 0,05–50 км, θs = 85°, νs = 0,06 мрад, θd = 85°, νd = 1°, θb = 0°, расчеты для дня и ночи. Выбор значений θs и θd обосновывается тем, что для данных условий принимаемый полезный сигнал будет наибольшим.
Используя разработанные программы метода Монте-Карло и формулы (4)–(14), была вычислена вероятность регистрации ошибочных символов Pe в зависимости от длины волны λ и базового расстояния YN. Результаты расчетов приведены на рис. 3.
Из рис. 3а видно, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, так как для этой длины волны расстояние, на котором Pe становится больше 10%, наибольшее. Причина этого состоит в том, что, с одной стороны, на этой длине волны в силу существенного поглощения озоном мало фоновое излучение Солнца. С другой стороны, в приземном слое атмосферы концентрация озона меньше, чем в стратосфере, поэтому излучение в приземном слое на этой длине волны ослабляется меньше, чем на остальных длинах волн диапазона λ = 200–300 нм.
Из рис. 3 видно, что связь в ночных условиях для большинства длин волн существенно лучше, чем в дневных условиях. Это связано с тем, что лунный фон существенно меньше солнечного. Из рис. 3b видно, что лучшей длиной волны в условиях ночи для дальней связи будет λ = 395 нм, а длины волн дальнего УФ-диапазона (200–250 нм) будут наименее подходящими.
Выводы
Выполненные расчеты вероятности регистрации ошибочных символов в условиях дня и ночи показали, что:
Для организации атмосферной оптической связи на рассеянном излучении днем длина волны λ = 295 нм лучше других подходит для организации дальней связи на рассеянном излучении.
В условиях ночи лучшей длиной волны для организации дальней связи будет λ = 395 нм, а длины волн дальнего УФ диапазона
(200–250 нм) будут наименее подходящими.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИОА СО РАН.
REFERENCES
Sunstein D. E. A scatter communications link at ultraviolet frequencies. B.Sc. thesis. Dept. Elect. Eng., Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA. USA. 1968. http://hdl.handle.net/1721.1/13670.
Harvey G. L. A survey of ultraviolet communication systems. Naval Research Laboratory Technical Report. Washington D. C. March 13, 1964.
Vavoulas A., Sandalidis H. G., Chatzidiamantis N. D., Xu Z., Karagiannidis G. K. A Survey on Ultraviolet C-Band (UV–C) Communications. IEEE Communication surveys & tutorials. 2019; 21(3): 2111–2133. DOI 10.1109/COMST.2019.2898946.
Zhanwei Liu, Huang Yiwen, Haigang Liu, and Xianfeng Chen. Non-line-of-sight optical communication based on orbital angular momentum. Opt. Lett. 2021; 46(20): 5112–5115. DOI:10.1364/OL.441441.
Hamza A. S., Deogun J. S. and Alexander D. R. Classification Framework for Free Space Optical Communication Links and Systems. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019; 21(2): 1346–1382. doi: 10.1109/COMST.2018.2876805.
Arya S. and Chung Y. H. Novel Optical Scattering-Based V2V Communications With Experimental Analysis. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2022; doi: 10.1109/TITS.2022.3145437.
Drost R. J., Sadler B. M. Survey of ultraviolet non-line-of-sight communications. Semiconductor Science and Technology. 2014; 29(8). DOI:10.1088/0268‑1242/29/8/084006.
Abramochkin V. N., Belov V. V., Gridnev Yu. V., Kudryavcev A. N., Tarasenkov M. V., Fedosov A. V. Optiko-elektronnaya svyaz' v atmosfere na rasseyannom lazernom izluchenii. Polevye eksperimenty. Svetotekhnika. 2017;4:24–30. (In Russ.).
Абрамочкин В. Н., Белов В. В., Гриднев Ю. В., Кудрявцев А. Н., Тарасенков М. В., Федосов А. В. Оптико-электронная связь в атмосфере на рассеянном лазерном излучении. Полевые эксперименты. Светотехника. 2017; 4: 24–30.
Ding J., Mei H., I C–L., Zhang H., Liu W. Frontier Progress of Unmanned Aerial Vehicles Optical Wireless Technologies. Sensors. 2020; 20(19): 5476. doi:10.3390/s20195476.
Tadayyoni H. and Uysal M. Ultraviolet Communications for Ground-to-Air Links. 2019. 27th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU). 2019; 1–4, doi: 10.1109/SIU.2019.8806490.
Gang Chen, Feras Abou-Galala, Zhengyuan Xu, and Brian M. Sadler. Experimental evaluation of LED-based solar blind NLOS communication links. Opt. Express. 2008; 16: 15059–15068. DOI: 10.1109/SIU.2019.8806490.
Pengfei Luo, Min Zhang, Dahai Han, and Qing Li. Performance analysis of short-range NLOS UV communication system using Monte Carlo simulation based on measured channel parameters. Opt. Express. 2012; 20(21): 23489–23501. https://doi.org/10.1364/OE.20.023489.
Gang Chen, Zhengyuan Xu, and Brian M. Sadler. Experimental demonstration of ultraviolet pulse broadening in short-range non-line-of-sight communication channels. Opt. Express. 2010; 18(10): 10500–10509. https://doi.org/10.1364/OE.18.010500.
Peng D., Shi J., Peng G. et al. An ultraviolet laser communication system using frequency-shift keying modulation scheme. Optoelectron. Lett. 2015; 11: 65–68. https://doi.org/10.1007/s11801-015-4196‑x.
Linchao Liao, Zening Li, Tian Lang, and Gang Chen. UV LED array based NLOS UV turbulence channel modeling and experimental verification. Opt. Express. 2015; 23(17): 21825–21835. https://doi.org/10.1364/OE.23.021825.
Ding H., Chen G., Majumdar A. K., Sadler B. M. and Xu Z. Modeling of non-line-of-sight ultraviolet scattering channels for communication. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2009; 27(9): 1535–1544. doi: 10.1109/JSAC.2009.091203.
Drost Robert J., & Sadler Brian M. Survey of ultraviolet non-line-of-sight communications. Semiconductor Science and Technology. 2014; 29(8): 11. doi:101088/0268‑1242/29/8/084006.
Yu Sun and Yafeng Zhan. Closed-form impulse response model of non-line-of-sight single-scatter propagation. J. Opt. Soc. Am. A. 2016; 33(4): 752–757. http://dx.doi.org/10.1364/JOSAA.33.000752.
Mohamed A. Elshimy and Steve Hranilovic. Non-line-of-sight single-scatter propagation model for noncoplanar geometries. J. Opt. Soc. Am. A. 2011; 28(3): 420–428. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000420.
Robert J. Drost, Terrence J. Moore, and Brian M. Sadler. UV communications channel modeling incorporating multiple scattering interactions. J. Opt. Soc. Am. A. 2011; 28(4): 686–695. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000686.
Gang Chen, Zhengyuan Xu, Haipeng Ding, and Brian M. Sadler. Path loss modeling and performance trade-off study for short-range non-line-of-sight ultraviolet communications. Opt. Express. 2009; 17(5): 3929–3940. https://doi.org/10.1364/OE.17.003929
Qunfeng He, Brian M. Sadler, Zhengyuan Xu. Modulation and coding tradeoffs for non-line-of-sight ultraviolet communications. Free-Space Laser Communications IX: proc. SPIE of 2009; 7464: 74640H. https://doi.org/10.1117/12.826301.
Xu C. and Zhang H. Packet error rate analysis of IM/DD systems for ultraviolet scattering communications. MILCOM 2015–2015. IEEE Military Communications Conference. Tampa, FL. 2015; pp. 1188–1193, doi:0.1109/MILCOM.2015.7357607.
Ghassemlooy Z., Hayes A. R., Seed N. L. and Kaluarachchi E. D. Digital pulse interval modulation for optical communications. IEEE Communications Magazine. 1998; 36(12): 95–99. doi: 10.1109/35.735885.
Jing Ma, Yijun Jiang, Siyuan Yu, Liying Tan, Wenhe Du. Packet error rate analysis of OOK, DPIM and PPM modulation schemes for ground-to-satellite optical communications. Optics Communications. 2010; 283(2): 237–242. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.10.007.
Aldibbiat N. M., Ghassemlooy Z., McLaughlin R. Error performance of dual header pulse interval modulation (DH-PIM) in optical wireless communications. IEE Proceedings – Optoelectronics. 2001; 148(2): 91–96. DOI: 10.1049/ip‑opt:20010451.
Zongmin Hu, Junxiong Tang. Performance of digital pulse interval modulation of atmospheric optical wireless communication system. Optical Transmission, Switching, and Subsystems II: proc. SPIE. 2005; 5625. https://doi.org/10.1117/12.574827.
Noshad M., Brandt-Pearce M. and Wilson S. G. NLOS UV Communications Using M-ary Spectral-Amplitude-Coding. IEEE Transactions on Communications. 2013; 61(4): 1544–1553. doi: 10.1109/TCOMM.2013.020813.120371.
Hongwei Yin, Honghui Jia, Hailiang Zhang, Xiaofeng Wang, Shengli Chang, Juncai Yang. Extending the data rate of non-line-of-sight UV communication with polarization modulation. Unmanned/Unattended Sensors and Sensor Networks IX: Proc. SPIE. 2012; 8540: 85400I. https://doi.org/10.1117/12.974284.
Jinlong Zhang. Modulation analysis for outdoors applications of optical wireless communications. WCC 2000 – ICCT 2000. 2000 International Conference on Communication Technology Proceedings (Cat. No.00EX420). 2000; 2: 1483–1487. doi: 10.1109/ICCT.2000.890940.
Belov V. V., Juwiler I., Blaunstein N., Tarasenkov M. V., Poznakharev E. S. NLOS Communication: Theory and Experiments in the Atmosphere and Underwater. Atmosphere. 2020, 11(1122). 15 p. https://doi.org/10.3390/atmos11101122
Kneizys F. X., Shettle E. P., Anderson G. P., Abreu L. W., Chetwynd J. H., Selby J. E.A., Clough S. A., Gallery W. O. User Guide to LOWTRAN‑7. – ARGL-TR‑86–0177. ERP 1010. Hansom AFB. MA 01731. 1988. 137 p.
Bucholtz A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied optics. 1995; 34(15): 2765–2773. https://doi.org/10.1364/AO.34.002765.
Reilly D. M. Atmospheric optical communications in the middle ultraviolet. M.S. thesis. Massachusetts Institute of Technology. 1976; http://hdl.handle.net/1721.1/27480.
Voigt S., Orphal J., Bogumil K., Burrows J. P. The temperature dependence (203–293 K) of the absorption cross-sections of O3 in the 230–850 nm region measured by Fourier-transform spectroscopy. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry. 2001; 143(1): 1–9. https://doi.org/10.1016/S1010-6030(01)00480-4.
https://katodnv.com
Marchuk G. I., Mihajlov G. A., Nazaraliev M. A., Darbinyan R. A., Kargin B. A., Elepov B. S. Metod Monte-Karlo v atmosfernoj optike. – Novosibirsk: Nauka. 1976. 284p. (In Russ.).
Марчук Г. И., Михайлов Г. А., Назаралиев М. А., Дарбинян Р. А., Каргин Б. А., Елепов Б. С. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. – Новосибирск: Наука. 1976. 284 с.
Belov V. V., Tarasenkov M. V. Tri algoritma statisticheskogo modelirovaniya v zadachah opticheskoj svyazi na rasseyannom izluchenii i bistaticheskogo zondirovaniya. Optika atmosfery i okeana. 2016; 29(05): 397–403. DOI: 10.15372/AOO20160506. (In Russ.).
Белов В. В., Тарасенков М. В. Три алгоритма статистического моделирования в задачах оптической связи на рассеянном излучении и бистатического зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2016; 29(05): 397–403. DOI: 10.15372/AOO20160506.
Gueymard C. A. The sun’s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models. Solar Energy. 2004; 76(4): 423–453. https://doi.org/10.1016/j.solener.2003.08.039.
Miller S. D. and Turner R. E. A Dynamic Lunar Spectral Irradiance Data Set for NPOESS/VIIRS Day/Night Band Nighttime Environmental Applications. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009; 47(7): 2316–2329. doi: 10.1109/TGRS.2009.2012696.
Tarasenkov M. V., Belov V. V., and Poznakharev E. S. Estimation of optimal wavelengths for atmospheric non-line-of-sight optical communication in the UV range of the spectrum in daytime and at night for baseline distances from 50 m to 50 km. J. Opt. Soc. Am. A. 2022; 39(2): 177–188. https://doi.org/10.1364/JOSAA.440875.
Lotova G. Z. Modification of the «double local estimate» of the Monte-Carlo method in radiation transfer theory. Rus. J. Numerical Analysis and Mathematical Modeling. 2011; 26(5): 491–500. https://doi.org/10.1515/rjnamm.2011.027.
Belov V. V., Tarasenkov M. V., Piskunov K. P. Parametricheskaya model' solnechnoj dymki v vidimoj i UF-oblasti spektra. Optika atmosfery i okeana. 2010; 23(04): 294–297. (In Russ.).
Белов В. В., Тарасенков М. В., Пискунов К. П. Параметрическая модель солнечной дымки в видимой и УФ-области спектра. Оптика атмосферы и океана. 2010; 23(04): 294–297.
Perenos radiacii v rasseivayushchih i pogloshchayushchih atmosferah. Standartnye metody scheta / Red. Zh. Lenobl'; Per. c angl. Zh. K. Zolotovoj; pod red. K. S. Shifrina. – L.: Gidrometeoizdat. 1990. 263 p. (In Russ.).
Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Стандартные методы счета / Ред. Ж. Ленобль; Пер. c англ. Ж. К. Золотовой; под ред. К. С. Шифрина. – Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 263 с.
АВТОРЫ
Тарасенков Михаил Викторович, к. ф.-м.н, старший научный сотрудник, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8826
WOS Research ID: P‑7844-2014
Scopus Author ID: 55144149500
ID РИНЦ: 567863
Познахарев Егор Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
Scopus Author ID: 57195951777
ID РИНЦ: 1083964
Пешков Семен Алексеевич, студент, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
Вклад авторов
Тарасенков М. В.: идея, дизайн, организация работы, обсуждения, предложения и замечания, подготовка рукописи; Познахарев Е. С.: обсуждения, предложения и замечания; Пешков С. А.: проведение расчетов, обработка результатов, обсуждения.
Информация о конфликте интересов
Авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов.
М. В. Тарасенков, С. А. Пешков, Е. С. Познахарев
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН
Рассматривается модель канала атмосферной оптической связи на рассеянном излучении в УФ-диапазоне длин волн. Основу модели составляют алгоритмы метода Монте-Карло локальной и модифицированной двойной локальной оценки для расчета импульсной реакции канала оптической связи. Для диапазона длин волн от 200 до 400 нм в условиях дня и ночи оценивается вероятность регистрации ошибочных символов при кодировании информации временной задержкой между импульсами. Расчеты показывают, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, а длина волны λ = 395 нм – для организации связи ночью с помощью рассмотренной приемной системы.
Ключевые слова: атмосфера, рассеянное лазерное излучение, оптическая связь на рассеянном излучении, УФ-диапазон длин волн, метод Монте-Карло
Статья получена: 03.08.2022
Статья принята: 07.11.2022
Атмосферная оптическая связь на рассеянном излучении – один из активно развивающихся способов передачи информации по открытому атмосферному каналу. Первые экспериментальные и теоретические работы по организации этого типа связи были опубликованы в 1960‑х гг. в таких работах как [1, 2]. В последние годы в связи с появлением новых лазерных источников, высокочувствительных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и фотодиодов работы по исследованию данного типа связи получили дальнейшее развитие [3]. Преимуществами атмосферной оптической связи на рассеянном излучении являются: 1) ее многоадресность, 2) возможность перестройки канала связи для исключения прерывания сигнала, 3) относительно невысокая стоимость, 4) потенциально высокая скорость передачи информации. Основным недостатком этого типа связи является сильная зависимость ее качества от атмосферных условий. В настоящий момент можно выделить следующие направления использования атмосферной оптической связи на рассеянном излучении: 1) связь в помещениях на малых базовых расстояниях [4,5], 2) наземная связь по открытому атмосферному каналу на базовых расстояниях от десятков метров до десятков километров [6–8], 3) связь с беспилотными летательными аппаратами [9, 10]. В данной статье основное внимание будет уделено наземной атмосферной оптической связи в открытой атмосфере.
В настоящее время опубликовано достаточно много теоретических и экспериментальных работ по организации наземной оптической связи на рассеянном излучении и настоящее время выполнен целый ряд экспериментальных работ [11–15]. В подавляющем большинстве работ используются источники в диапазоне длин волн λ = 250–270 нм. В качестве источников применяются УФ-светодиоды [11, 12], Nd : YAG лазеры [13], лазеры MPL-F‑266 [14]. Для приема информации чаще всего используются ФЭУ MP1922 [11, 15] и ФЭУ Hamamatsu R7154 [12, 14]. В большинстве работ рассматриваются базовые расстояния до 100 м (например [11–14]), но есть и работы с большим базовым расстоянием (например до 1 000 м в работе [15]). В рамках экспериментальных работ определяются ослабление излучения полезного сигнала, приведенное к децибеллам (path loss), вероятность регистрации ошибочных символов (bit error rate или BER) и длительность принимаемого импульса (pulse width) в зависимости от условий связи.
В рамках теоретических работ [16–21] исследуются качество канала передачи информации в зависимости от оптико-геометрических условий и максимальная скорость передачи информации. Помимо этого, в работах [16–17] предлагается аппроксимационная формула для импульсной реакции канала оптической связи на рассеянном излучении.
Еще одно направление теоретических и экспериментальных исследований связано с влиянием различных способов кодирования информации на качество канала связи [12, 22–30]. В рамках работ [12, 22, 23] рассматривается OOK (On-Off-Keying) кодирование информации – подход, в рамках которого «0» задается отсутствием импульса, а «1» – его наличием. В работах [12, 22, 23] рассматривается PPM (Pulse Position Modulation) кодирование информации – подход в рамках которого закодированный символ зависит от положения импульса во временном слоте. В работах [12, 23–27] используется кодирование DPIM (Digital Pulse Interval Modulation) – подход, в рамках которого информация кодируется задержкой между импульсами. В работах [28] используется кодирование по нескольким длинам волн. В работе [29] информация кодируется управлением поляризации посылаемого излучения. В работах [25, 30] показывается, что использование DPIM позволяет значительно увеличить скорость передачи информации по сравнению с PPM, но вероятность регистрации ошибочных символов при этом будет несколько выше. В рамках экспериментальных работ ранее выполненных в ИОА СО РАН [8, 31] также использовался способ кодирования информации DPIM – задержка между импульсами в 65 мкс соответствовала символу «1», а в 67 мкс – символу «0». В условиях дня была установлена устойчивая оптическая связь на длине волны λ = 250 нм на базовом расстоянии до 1.3 км [31].
В целом анализ существующих работ показывает, что в ранее опубликованных работах практически не рассматриваются длины волн диапазона λ > 270 нм. Можно лишь упомянуть работу [16], где рассмотрены длины волн λ = 230–310 нм. Поэтому далее рассматривается, как зависит вероятность регистрации ошибочных символов Pe от оптико-геометрических условий в диапазоне длин волн от 200 до 400 нм.
Постановка задачи
и метод решения
Задача рассматривалась в следующей постановке (рис. 1). Пусть имеется плоская система атмосфера – земная поверхность. Атмосфера является рассеивающей и поглощающей аэрозольно-газовой средой. Атмосфера разделена на 32 однородных слоя, в каждом из которых заданы коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния и поглощения, а также индикатрисы аэрозольного рассеяния. Оптические параметры атмосферы задаются моделями лета средних широт LOWTRAN‑7 [32] безоблачного неба и данными из работ [33–35] о молекулярном рассеянии и поглощении. На земной поверхности располагается импульсный лазерный источник S, передающий через атмосферу информацию в спектральных интервалах с центрами на длинах волн λ = 205, 215,..., 395 нм и шириной Δλ = 10 нм. Информация кодируется задержкой между импульсами (DPIM). Ось источника направлена под зенитным углом θs от вертикали, угол расходимости источника равен νs, энергия одного импульса Q0 = 0,3 мДж, а длительность Δt0 = 30 нс. Предполагается, что форма импульса по времени прямоугольная. На базовом расстоянии YN от источника располагается приемная система D, ось которой ориентирована под зенитным углом θd, а угол поля зрения равен νd. Рассматривается компланарная схема канала (оси источника и приемной системы лежат в одной плоскости). Приемная система предполагается идеальной с площадью апертуры Sd = 0,01 м2, содержащая ФЭУ УФК‑4Г‑4 [36]. Параметры ФЭУ: коэффициент усиления ФЭУ MPMT = 106, темновой ток IT = 10–15 A, полоса пропускания частот Δf = 11 кГц. Значения спектральной чувствительности фотокатода ΣK на рассматриваемых длинах волн приведены в таблице 1. Параметры приемной системы соответствуют системе, используемой нами в работе [31].
На верхнюю границу атмосферы падает солнечное (либо лунное) излучение под зенитным углом θb и азимутальным углом ϕb. Требуется, зная оптико-геометрические условия и характеристики приемо-передающей аппаратуры, определить импульсную реакцию канала связи и интенсивность фонового излучения и по их значениям оценить вероятность регистрации ошибочных символов Pe.
Полезный сигнал в рассматриваемой схеме оптической связи целиком формируется рассеянным излучением. Для моделирования импульсной реакции использовались две программы метода Монте-Карло (рисунок 2): однократно рассеянная часть импульсной реакции h1(t) моделировалась программой метода Монте-Карло с локальными оценками в точках столкновения «фотонов» со средой (рисунок 2a), а многократно рассеянная часть импульсной реакции hmsc(t) моделировалась программой метода Монте-Карло с модифицированными двойными локальными оценками в точках столкновения (рисунок 2b). Далее кратко об этих алгоритмах.
Суть алгоритма с локальными оценками сводится к следующему (рис. 2а). Из точки источника запускаются траектории блуждания фотонов в атмосфере в соответствии с оптическими параметрами среды. Алгоритм моделирования блуждания фотонов можно считать классическим [37]. В каждой точке столкновения фотонов со средой (на рисунке отмечены как M1 и M2) делается локальная оценка энергии фотона, который придет в приемник из точки Mi с временем блуждания, попадающим в i-й временной интервал Ii, pnk. При выполнении
условий и равна:
, (1)
где i – номер временного интервала, куда делается локальная оценка, qM – энергия фотона, пришедшая в точку столкновения M, rMR – расстояние от точки столкновения M до приемной системы D, τMR – оптическая толщина трассы от точки столкновения M до приемной системы D, σsa, M, σsm, M – коэффициенты аэрозольного и молекулярного рассеяния в точке столкновения M соответственно, σt, M – коэффициент ослабления в точке столкновения M, ga(μM), gm(μM) – индикатрисы аэрозольного и молекулярного рассеяния в точке столкновения M соответственно, μM – косинус угла рассеяния между направлением траектории фотона в точке столкновения до рассеяния и направлением на приемник, с – скорость света в среде, ωd – направление оптической оси приемника, ωpnk – направление из точки приемника в точку столкновения M.
В противном случае Ιipnk = 0.
Тогда однократно рассеянная часть импульсной реакции h1(t) определится как:
(2)
где i = 1, ..., Ntime – номер временного интервала, Ntime – количество временных интервалов, ti + 1, ti – границы i-го временного интервала, P – количество пачек траекторий, N – количество траекторий в пачке, Kpn – количество столкновений в n-й траектории p-й пачки.
Алгоритм с модифицированными двойными локальными оценками строится следующим образом (рисунок 2b). Моделируется блуждание фотонов в среде. Для каждой точки столкновения (отмечена на рисунке как M1) поле зрения приемника разбивается на подобласти, соответствующие временным интервалам, для которых ищется импульсная реакция. Алгоритм разделения поля зрения на подобласти описан в работе [38]. Подобласти ограничены двумя эллипсоидами вращения, фокусами которых являются точка столкновения M1 и приемная система D, и конусом поля зрения приемника. В поле зрения приемной системы выбирается случайное направление ω. В каждом из построенных подобластей выбирается по одной фиктивной точке столкновения (на рисунке отмечены как N1, N2 и т. д.), расположенные на луче, задаваемом направлением ω. И в каждый из возможных временных интервалов делается двойная локальная оценка излучения, которое придет в приемную систему, рассеявшись в точках M и N1 для первого временного интервала и т. д. Оценка задается формулой:
, (3)
где μMi – косинус угла рассеяния между направлением фотона в точке столкновения M до рассеяния и направлением в фиктивную точку столкновения Ni, соответствующей i-му временному интервалу, μNi – косинус угла рассеяния между направлениями MNi и NiD, Pi, ei – фокальный параметр и эксцентриситет эллипсоида вращения, соответствующего времени ti, b – скалярное произведение вектора ω и единичного вектора, направленного в направлении DM, – оптическая толщина трассы от точки столкновения M до фиктивной точки Ni, – оптическая толщина трассы от фиктивной точки столкновения Ni до приемной системы D.
Тогда многократно рассеянная часть импульсной реакции hmsc(t) определится по формуле (2) из значений Iipnk, полученных по формуле (3).
Зная импульсную реакцию канала связи, легко определить среднюю мощность полезного сигнала:
, (4)
. (5)
Мощность фонового излучения определялась по формуле:
, (6)
где – значение солнечной (лунной) постоянной, – значение интенсивности фонового излучения Солнца (Луны) при зенитном угле Солнца (Луны) θb и относительном азимутальном угле ϕb, отсчитываемого от направления оси приемной системы.
Значения солнечных постоянных брались из работы [39]. Значения лунных постоянных для полнолуния брались из работы [40].
Величина Ib рассчитывалась методом Монте-Карло сопряженных траекторий с локальными оценками в точках столкновения, основанным на работе [37].
В работах [38, 41] для тестирования программ расчета h1 и hmsc выполнялось сопоставление с результатами [20, 42]. В работе [43] выполнялось тестовое сравнение с результатами расчетов Ib из работы [44]. Сопоставление показывает, что отличие результатов лежит в пределах статистической погрешности расчетов.
Для способа кодирования информации DPIM в работах [24–27] предлагается формула для расчета вероятности регистрации ошибочных символов. В случае, если кодирование информации производится аналогично нашей работе [31], то вероятность регистрации ошибочного символа определяется как:
, (7)
где – это вероятность регистрации посланного импульса, – это вероятность того, что отсутствие импульса регистрируется правильно.
При высоком уровне полезного сигнала согласно работе [25] величины P0/1 и P1/0 определяются по формулам:
, (8)
, (9)
, (10)
, (11)
, (12)
, (13)
, (14)
, (15)
где e – заряд электрона; I1 – ток, создаваемый фоновым излучением, I2 – ток, создаваемый полезным сигналом.
Результаты
Для решения поставленной задачи была выполнена серия расчетов для следующих оптико-геометрических условий: λ = 200–400 нм с шагом 10 нм; метеорологическая дальность видимости SM = 50 км, что соответствует модели LOWTRAN‑7 с вертикальной аэрозольной оптической толщиной (АОТ) на длине волны λ = 550 нм АОТ550 = 0,16, YN = 0,05–50 км, θs = 85°, νs = 0,06 мрад, θd = 85°, νd = 1°, θb = 0°, расчеты для дня и ночи. Выбор значений θs и θd обосновывается тем, что для данных условий принимаемый полезный сигнал будет наибольшим.
Используя разработанные программы метода Монте-Карло и формулы (4)–(14), была вычислена вероятность регистрации ошибочных символов Pe в зависимости от длины волны λ и базового расстояния YN. Результаты расчетов приведены на рис. 3.
Из рис. 3а видно, что длина волны λ = 295 нм будет лучше других подходить для организации дальней связи днем, так как для этой длины волны расстояние, на котором Pe становится больше 10%, наибольшее. Причина этого состоит в том, что, с одной стороны, на этой длине волны в силу существенного поглощения озоном мало фоновое излучение Солнца. С другой стороны, в приземном слое атмосферы концентрация озона меньше, чем в стратосфере, поэтому излучение в приземном слое на этой длине волны ослабляется меньше, чем на остальных длинах волн диапазона λ = 200–300 нм.
Из рис. 3 видно, что связь в ночных условиях для большинства длин волн существенно лучше, чем в дневных условиях. Это связано с тем, что лунный фон существенно меньше солнечного. Из рис. 3b видно, что лучшей длиной волны в условиях ночи для дальней связи будет λ = 395 нм, а длины волн дальнего УФ-диапазона (200–250 нм) будут наименее подходящими.
Выводы
Выполненные расчеты вероятности регистрации ошибочных символов в условиях дня и ночи показали, что:
Для организации атмосферной оптической связи на рассеянном излучении днем длина волны λ = 295 нм лучше других подходит для организации дальней связи на рассеянном излучении.
В условиях ночи лучшей длиной волны для организации дальней связи будет λ = 395 нм, а длины волн дальнего УФ диапазона
(200–250 нм) будут наименее подходящими.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИОА СО РАН.
REFERENCES
Sunstein D. E. A scatter communications link at ultraviolet frequencies. B.Sc. thesis. Dept. Elect. Eng., Massachusetts Inst. Technol., Cambridge, MA. USA. 1968. http://hdl.handle.net/1721.1/13670.
Harvey G. L. A survey of ultraviolet communication systems. Naval Research Laboratory Technical Report. Washington D. C. March 13, 1964.
Vavoulas A., Sandalidis H. G., Chatzidiamantis N. D., Xu Z., Karagiannidis G. K. A Survey on Ultraviolet C-Band (UV–C) Communications. IEEE Communication surveys & tutorials. 2019; 21(3): 2111–2133. DOI 10.1109/COMST.2019.2898946.
Zhanwei Liu, Huang Yiwen, Haigang Liu, and Xianfeng Chen. Non-line-of-sight optical communication based on orbital angular momentum. Opt. Lett. 2021; 46(20): 5112–5115. DOI:10.1364/OL.441441.
Hamza A. S., Deogun J. S. and Alexander D. R. Classification Framework for Free Space Optical Communication Links and Systems. IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2019; 21(2): 1346–1382. doi: 10.1109/COMST.2018.2876805.
Arya S. and Chung Y. H. Novel Optical Scattering-Based V2V Communications With Experimental Analysis. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2022; doi: 10.1109/TITS.2022.3145437.
Drost R. J., Sadler B. M. Survey of ultraviolet non-line-of-sight communications. Semiconductor Science and Technology. 2014; 29(8). DOI:10.1088/0268‑1242/29/8/084006.
Abramochkin V. N., Belov V. V., Gridnev Yu. V., Kudryavcev A. N., Tarasenkov M. V., Fedosov A. V. Optiko-elektronnaya svyaz' v atmosfere na rasseyannom lazernom izluchenii. Polevye eksperimenty. Svetotekhnika. 2017;4:24–30. (In Russ.).
Абрамочкин В. Н., Белов В. В., Гриднев Ю. В., Кудрявцев А. Н., Тарасенков М. В., Федосов А. В. Оптико-электронная связь в атмосфере на рассеянном лазерном излучении. Полевые эксперименты. Светотехника. 2017; 4: 24–30.
Ding J., Mei H., I C–L., Zhang H., Liu W. Frontier Progress of Unmanned Aerial Vehicles Optical Wireless Technologies. Sensors. 2020; 20(19): 5476. doi:10.3390/s20195476.
Tadayyoni H. and Uysal M. Ultraviolet Communications for Ground-to-Air Links. 2019. 27th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU). 2019; 1–4, doi: 10.1109/SIU.2019.8806490.
Gang Chen, Feras Abou-Galala, Zhengyuan Xu, and Brian M. Sadler. Experimental evaluation of LED-based solar blind NLOS communication links. Opt. Express. 2008; 16: 15059–15068. DOI: 10.1109/SIU.2019.8806490.
Pengfei Luo, Min Zhang, Dahai Han, and Qing Li. Performance analysis of short-range NLOS UV communication system using Monte Carlo simulation based on measured channel parameters. Opt. Express. 2012; 20(21): 23489–23501. https://doi.org/10.1364/OE.20.023489.
Gang Chen, Zhengyuan Xu, and Brian M. Sadler. Experimental demonstration of ultraviolet pulse broadening in short-range non-line-of-sight communication channels. Opt. Express. 2010; 18(10): 10500–10509. https://doi.org/10.1364/OE.18.010500.
Peng D., Shi J., Peng G. et al. An ultraviolet laser communication system using frequency-shift keying modulation scheme. Optoelectron. Lett. 2015; 11: 65–68. https://doi.org/10.1007/s11801-015-4196‑x.
Linchao Liao, Zening Li, Tian Lang, and Gang Chen. UV LED array based NLOS UV turbulence channel modeling and experimental verification. Opt. Express. 2015; 23(17): 21825–21835. https://doi.org/10.1364/OE.23.021825.
Ding H., Chen G., Majumdar A. K., Sadler B. M. and Xu Z. Modeling of non-line-of-sight ultraviolet scattering channels for communication. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2009; 27(9): 1535–1544. doi: 10.1109/JSAC.2009.091203.
Drost Robert J., & Sadler Brian M. Survey of ultraviolet non-line-of-sight communications. Semiconductor Science and Technology. 2014; 29(8): 11. doi:101088/0268‑1242/29/8/084006.
Yu Sun and Yafeng Zhan. Closed-form impulse response model of non-line-of-sight single-scatter propagation. J. Opt. Soc. Am. A. 2016; 33(4): 752–757. http://dx.doi.org/10.1364/JOSAA.33.000752.
Mohamed A. Elshimy and Steve Hranilovic. Non-line-of-sight single-scatter propagation model for noncoplanar geometries. J. Opt. Soc. Am. A. 2011; 28(3): 420–428. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000420.
Robert J. Drost, Terrence J. Moore, and Brian M. Sadler. UV communications channel modeling incorporating multiple scattering interactions. J. Opt. Soc. Am. A. 2011; 28(4): 686–695. https://doi.org/10.1364/JOSAA.28.000686.
Gang Chen, Zhengyuan Xu, Haipeng Ding, and Brian M. Sadler. Path loss modeling and performance trade-off study for short-range non-line-of-sight ultraviolet communications. Opt. Express. 2009; 17(5): 3929–3940. https://doi.org/10.1364/OE.17.003929
Qunfeng He, Brian M. Sadler, Zhengyuan Xu. Modulation and coding tradeoffs for non-line-of-sight ultraviolet communications. Free-Space Laser Communications IX: proc. SPIE of 2009; 7464: 74640H. https://doi.org/10.1117/12.826301.
Xu C. and Zhang H. Packet error rate analysis of IM/DD systems for ultraviolet scattering communications. MILCOM 2015–2015. IEEE Military Communications Conference. Tampa, FL. 2015; pp. 1188–1193, doi:0.1109/MILCOM.2015.7357607.
Ghassemlooy Z., Hayes A. R., Seed N. L. and Kaluarachchi E. D. Digital pulse interval modulation for optical communications. IEEE Communications Magazine. 1998; 36(12): 95–99. doi: 10.1109/35.735885.
Jing Ma, Yijun Jiang, Siyuan Yu, Liying Tan, Wenhe Du. Packet error rate analysis of OOK, DPIM and PPM modulation schemes for ground-to-satellite optical communications. Optics Communications. 2010; 283(2): 237–242. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.10.007.
Aldibbiat N. M., Ghassemlooy Z., McLaughlin R. Error performance of dual header pulse interval modulation (DH-PIM) in optical wireless communications. IEE Proceedings – Optoelectronics. 2001; 148(2): 91–96. DOI: 10.1049/ip‑opt:20010451.
Zongmin Hu, Junxiong Tang. Performance of digital pulse interval modulation of atmospheric optical wireless communication system. Optical Transmission, Switching, and Subsystems II: proc. SPIE. 2005; 5625. https://doi.org/10.1117/12.574827.
Noshad M., Brandt-Pearce M. and Wilson S. G. NLOS UV Communications Using M-ary Spectral-Amplitude-Coding. IEEE Transactions on Communications. 2013; 61(4): 1544–1553. doi: 10.1109/TCOMM.2013.020813.120371.
Hongwei Yin, Honghui Jia, Hailiang Zhang, Xiaofeng Wang, Shengli Chang, Juncai Yang. Extending the data rate of non-line-of-sight UV communication with polarization modulation. Unmanned/Unattended Sensors and Sensor Networks IX: Proc. SPIE. 2012; 8540: 85400I. https://doi.org/10.1117/12.974284.
Jinlong Zhang. Modulation analysis for outdoors applications of optical wireless communications. WCC 2000 – ICCT 2000. 2000 International Conference on Communication Technology Proceedings (Cat. No.00EX420). 2000; 2: 1483–1487. doi: 10.1109/ICCT.2000.890940.
Belov V. V., Juwiler I., Blaunstein N., Tarasenkov M. V., Poznakharev E. S. NLOS Communication: Theory and Experiments in the Atmosphere and Underwater. Atmosphere. 2020, 11(1122). 15 p. https://doi.org/10.3390/atmos11101122
Kneizys F. X., Shettle E. P., Anderson G. P., Abreu L. W., Chetwynd J. H., Selby J. E.A., Clough S. A., Gallery W. O. User Guide to LOWTRAN‑7. – ARGL-TR‑86–0177. ERP 1010. Hansom AFB. MA 01731. 1988. 137 p.
Bucholtz A. Rayleigh-scattering calculations for the terrestrial atmosphere. Applied optics. 1995; 34(15): 2765–2773. https://doi.org/10.1364/AO.34.002765.
Reilly D. M. Atmospheric optical communications in the middle ultraviolet. M.S. thesis. Massachusetts Institute of Technology. 1976; http://hdl.handle.net/1721.1/27480.
Voigt S., Orphal J., Bogumil K., Burrows J. P. The temperature dependence (203–293 K) of the absorption cross-sections of O3 in the 230–850 nm region measured by Fourier-transform spectroscopy. J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry. 2001; 143(1): 1–9. https://doi.org/10.1016/S1010-6030(01)00480-4.
https://katodnv.com
Marchuk G. I., Mihajlov G. A., Nazaraliev M. A., Darbinyan R. A., Kargin B. A., Elepov B. S. Metod Monte-Karlo v atmosfernoj optike. – Novosibirsk: Nauka. 1976. 284p. (In Russ.).
Марчук Г. И., Михайлов Г. А., Назаралиев М. А., Дарбинян Р. А., Каргин Б. А., Елепов Б. С. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. – Новосибирск: Наука. 1976. 284 с.
Belov V. V., Tarasenkov M. V. Tri algoritma statisticheskogo modelirovaniya v zadachah opticheskoj svyazi na rasseyannom izluchenii i bistaticheskogo zondirovaniya. Optika atmosfery i okeana. 2016; 29(05): 397–403. DOI: 10.15372/AOO20160506. (In Russ.).
Белов В. В., Тарасенков М. В. Три алгоритма статистического моделирования в задачах оптической связи на рассеянном излучении и бистатического зондирования. Оптика атмосферы и океана. 2016; 29(05): 397–403. DOI: 10.15372/AOO20160506.
Gueymard C. A. The sun’s total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models. Solar Energy. 2004; 76(4): 423–453. https://doi.org/10.1016/j.solener.2003.08.039.
Miller S. D. and Turner R. E. A Dynamic Lunar Spectral Irradiance Data Set for NPOESS/VIIRS Day/Night Band Nighttime Environmental Applications. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009; 47(7): 2316–2329. doi: 10.1109/TGRS.2009.2012696.
Tarasenkov M. V., Belov V. V., and Poznakharev E. S. Estimation of optimal wavelengths for atmospheric non-line-of-sight optical communication in the UV range of the spectrum in daytime and at night for baseline distances from 50 m to 50 km. J. Opt. Soc. Am. A. 2022; 39(2): 177–188. https://doi.org/10.1364/JOSAA.440875.
Lotova G. Z. Modification of the «double local estimate» of the Monte-Carlo method in radiation transfer theory. Rus. J. Numerical Analysis and Mathematical Modeling. 2011; 26(5): 491–500. https://doi.org/10.1515/rjnamm.2011.027.
Belov V. V., Tarasenkov M. V., Piskunov K. P. Parametricheskaya model' solnechnoj dymki v vidimoj i UF-oblasti spektra. Optika atmosfery i okeana. 2010; 23(04): 294–297. (In Russ.).
Белов В. В., Тарасенков М. В., Пискунов К. П. Параметрическая модель солнечной дымки в видимой и УФ-области спектра. Оптика атмосферы и океана. 2010; 23(04): 294–297.
Perenos radiacii v rasseivayushchih i pogloshchayushchih atmosferah. Standartnye metody scheta / Red. Zh. Lenobl'; Per. c angl. Zh. K. Zolotovoj; pod red. K. S. Shifrina. – L.: Gidrometeoizdat. 1990. 263 p. (In Russ.).
Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Стандартные методы счета / Ред. Ж. Ленобль; Пер. c англ. Ж. К. Золотовой; под ред. К. С. Шифрина. – Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 263 с.
АВТОРЫ
Тарасенков Михаил Викторович, к. ф.-м.н, старший научный сотрудник, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
ORCID: 0000-0002-8826
WOS Research ID: P‑7844-2014
Scopus Author ID: 55144149500
ID РИНЦ: 567863
Познахарев Егор Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
Scopus Author ID: 57195951777
ID РИНЦ: 1083964
Пешков Семен Алексеевич, студент, Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, Россия.
Вклад авторов
Тарасенков М. В.: идея, дизайн, организация работы, обсуждения, предложения и замечания, подготовка рукописи; Познахарев Е. С.: обсуждения, предложения и замечания; Пешков С. А.: проведение расчетов, обработка результатов, обсуждения.
Информация о конфликте интересов
Авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
