CN104539738B - 一种led通信的车辆自组织网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LED通信的车辆自组织网络，属于汽车技术领域。该车辆自组织网络由含有车载LED通信单元的节点组成；所述节点包括车辆终端节点、移动中继节点；所述车辆终端节点通过车载LED通信单元与自组织网络内的移动中继节点进行通信；移动中继节点通过车载LED通信单元与其他自组织网络的移动中继节点进行通信；所述车辆自组织网络还包括固定接入点，车辆终端节点可以通过LED通信单元与固定接入点进行通信，网络中的LED通信单元均采用相移MIMO‑OFDM LED通信***进行通信。本发明所提供的一种LED通信的车辆自组织网络，使每一个车辆都处于“车在网”状态，具有抗多径效应和码间干扰的功能，使车辆间LED通信可靠实现。

Description

一种LED通信的车辆自组织网络
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种LED通信的车辆自组织网络。
背景技术
LED具有功耗低、寿命长、尺寸小、无污染等优点被视为***节能环保型产品。基于LED可见光通信具有通信速率高、容量大、灵敏度高、无电磁干扰等优点，是一种新的无线光通信技术。可以应用于医院、飞机、高铁等对电磁干扰敏感的区域，也可以作为无线宽带接入，解决“最后一公里”的问题。
车辆自组织网络(VANET，Vehicular Ad Hoc Network)是传统的移动自组织网络(MANET，Mobile Ad Hoc Network)在交通道路上的应用，是一种特殊的移动自组织网络。其无线信道质量不稳定、网络拓扑变化快成为制约车辆自组织网络发展的重要原因。VANET在智能交通***(ITS，Intelligent Transportation System)中扮演着非常重要的角色，主要由车间通信(V2V，Vehicle-to-Vehicle Communication)与车路通信(V2R，Vehicle-to-Road Communication)两部分组成。车辆中的车前灯和车尾灯由LED灯组成，且现仅用于照明的功能，并没有通信的功能，基于LED可见光通信LED不仅作为照明设备，而且具有通信的功能。
多输入多输出(MIMO，Multiple input Multiple output)***能在不增加带宽的前提下成倍地提高通信***的容量和频谱利用率，同时增加通信链路的可靠性。正交频分复用调制技术(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiple)将串行的高速数据并行地调制在多个正交的子载波上，降低了码元速率，减少了码间干扰，对于多径效应影响严重的信道，在每个OFDM符号之间加入保护间隔，进一步消除多径效应引起的码间干扰。因此利用车辆构成MIMO-OFDM通信***，实现车辆间通信。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED通信的车辆自组织网络，该车辆自组织网络能够实现使每一个车辆处于“车在网(Vehicle in Network)”状态。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种LED通信的车辆自组织网络，该车辆自组织网络由含有车载LED通信单元的节点组成；所述节点包括车辆终端节点、移动中继节点；所述车辆终端节点通过车载LED通信单元与自组织网络内的移动中继节点进行通信；移动中继节点通过车载LED通信单元与其他自组织网络的移动中继节点进行通信。
进一步，所述车载LED通信单元包括发射机和接收机以及其他通信处理单元，车载LED通信单元具有双工通信模式；所述车载LED通信单元的LED发射角大于接收机的视场角；LED直流信道增益如以下公式所示：
其中，m为朗伯指数，A为接收机的表面积，d为发射机到接收机的距离，φ为发射角，为接收角，最大接收视场角，n为折光率。
进一步，所述车载LED通信单元设有与其他设备通信的接口，当不能实现LED可见光通信时，可以通过其他通信方式实现通信互联。
进一步，所述车载LED通信单元包括车前灯LED通信单元和车尾灯LED通信单元；当车辆终端节点位于移动中继节点前面，车辆终端节点的车尾灯LED通信单元与移动中继节点的车前灯LED通信单元进行通信；当车辆终端节点位于移动中继节点后面，车辆终端节点的车前灯LED通信单元与移动中继节点的车尾灯LED通信单元进行通信；通过移动中继节点实现两跳以及多跳通信。
进一步，所述车辆自组织网络还包括固定接入点，所述固定接入点含有具有双工通信模式的LED通信单元；车辆终端节点通过LED通信单元与固定接入点进行通信，固定接入点可与其他网络进行通信。
进一步，车辆与固定接入点之间通信时，直流信道脉冲响应如以下公式所示：
其中，φ为发射角，为接收角，初始距离设为d，v为当前车速。
进一步，所述LED通信单元采用相移MIMO-OFDM LED通信***进行通信，数据经MIMO-OFDM串并转换后进行相移T/N个时延发送，接收机以T/N采样速率进行采样，T为OFDM符号周期，N为LED通信单元个数，N＝2。
进一步，所述车辆终端节点与移动中继节点进行通信时，两个车辆是同向行驶，两个车辆间直流信道脉冲响应如以下公式所示：
其中，φ为发射角，为接收角，初始距离设为d，车辆车速分别为v1，v2。
进一步，所述移动中继节点为自组织网络中本车辆到其他车辆之间的距离之和Di最小的车辆；其中，(xi，yi)和(xj，yj)为车辆的坐标，M为当前自组织网络中车辆的个数。
进一步，所述车辆终端节点与自组织网络中的移动中继节点或者固定接入点距离过远，不能正常通信时，车辆终端节点自动断开与移动中继节点链路，并发送入网请求数据包，加入到其他自组织网络；相邻的移动中继节点或固定接入点收到入网请求后，先判断该车辆的距离是否满足通信条件，不满足则不允许其加入网络，满足则继续判断该自组织网内总节点数是否达到上限，若没有达到上限，则允许其加入，否则，不允许其加入网络。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种LED通信的车辆自组织网络，采用LED通信技术，具有通信速率高、容量大、灵敏度高、无电磁干扰等优点；LED通信单元采用相移MIMO-OFDM LED通信***进行通信，提高抗多径效应和子载波干扰的能力，降低误码率，使车辆间通信更可靠，更高速，更安全，进而使车辆间LED通信可靠实现，使得每一个车辆都处于“车在网”状态。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明所述的LED通信的车辆自组织网络；
图2为车载LED通信单元发射与接收数据处理流程；
图3为相移2×2 MIMO-OFDM LED通信***数据处理流程；
图4为同向行驶汽车示意图；
图5为车辆加入自组织网络流程图；
图6为车辆自组织网络通过移动中继节点通信。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所提出的一种LED通信的车辆自组织网络，该自组织网络由含有车载LED通信单元的节点组成，如图1所示，利用车前灯和车尾灯组成车载LED通信单元实现车辆间的双工通信，所述节点包括车辆终端节点、移动中继节点；所述车辆终端节点通过车载LED通信单元与自组织网络内的移动中继节点进行通信；移动中继节点通过车载LED通信单元与其他自组织网络的移动中继节点进行通信。
车辆自组织网络还包括固定接入点，当车辆行驶在偏僻的道路上，很大范围内没有车辆，没有实现车辆间通信的条件，只有高速公路旁的路灯，车辆只能与固定接入点(如路灯)实现信息交互，所述固定接入点含有具有双工通信模式的LED通信单元；车辆终端节点通过LED通信单元与固定接入点进行通信。固定接入点和移动中继节点可以和现有的无线通信网络实现通信，可以更大限度的扩大车辆自组织网络通信的范围。车辆自组织网络通信包括车间通信、车辆与固定接入点通信和车辆组网通信。
车载LED通信单元的设计如下：
每个车辆既要作为LED光源发射机，又必须作为接收机(接收机类型有光电二极管、图像传感器等)；在车辆的车前灯和车尾灯加上接收机构成车载LED通信单元，此单元具有双工通信模式；车载LED通信单元数据处理流程如图2所示。
LED直流信道增益如公式(1)所示：
其中，m为朗伯指数，A为接收机的表面积，d为发射机到接收机的距离，φ为发射角，为接收角，最大接收视场角，n为折光率。
车载LED通信单元满足如下设计要求：
①车载LED通信单元的发射数据处理流程图2(a)中LED发射角应大于车载LED通信单元的接收数据处理流程图2(b)中接收机的视场角；
②车载LED通信单元设计有与其他设备通信的接口，如蓝牙，WiFi，车载GPS，北斗定位***等；
③车载LED通信单元不能影响车辆的其他功能。
本发明所述的LED通信单元采用相移MIMO-OFDM LED通信***进行通信，数据经MIMO-OFDM串并转换后进行相移T/N个时延，接收机以T/N采样速率进行采样。
道路环境的复杂性导致通信链路不稳定，多径效应导致码间干扰严重，使通信性能极差，因此为了提高抗多径效应和子载波干扰的能力，本发明提出在MIMO-OFDM串并转换后进行相移T/N个时延，T为OFDM符号周期，N为LED通信单元个数。车前灯有两个LED车载通信单元，即N＝2，对发送的数据经过采样、量化、编码变成二进制码流，车前灯A-LED通信单元相比车前灯B-LED通信单元数据相移T/2个相位。在接收端以T/2个采样周期进行采样，将得到的数据恢复成原始数据。相移2×2 MIMO-OFDM LED通信***适用于道路车间通信，更大限度的抑制码间和子载波间干扰，极大降低误码率，使车辆间通信更可靠，更高速，更安全，图3为相移2×2 MIMO-OFDM LED通信***数据处理流程。
高速的数据流经过串并转换分成低速的数据流，并移相T/N，移相之后的信号为Vi(t)如公式(2)所示：
经过信道编码、IFFT、加CP，驱动LED chip，当驱动LED芯片的电流没有大于饱和电流，则Yi(t)＝R·Vi(t)，R为LED的光电转换效率。接收机以T/N采样速率进行采样，接收机信号ri(t)如公式(3)所示：
其中，n(t)为信道噪声，hi为信道脉冲响应。信号经过去CP、FFT、信道译码得到原始数据，实现车辆之间的信息交换。
在上述相移2×2 MIMO-OFDM LED通信***的基础上，实现了车辆与车辆间通信和车辆与固定接入点之间通信。
车辆与车辆之间通信：
车辆之间移动的方向分为同向和反向行驶，由于基于LED的可见光通信***受限于通信距离，随着通信距离的增大，接收端的接受光功率快速衰减，误码率增加。因此基于LED的可见光通信适用于同向行驶的情况，同向行驶的车辆通信链路存在时间相对较长。图4为同向行驶的车辆车间通信的示意图。为了更好的实现车辆间通信，线性时变信道的信道脉冲响应必须给出，才能计算出接收端的数据。两个移动的车辆间直流信道脉冲响应如公式(4)所示。
其中，初始距离设为d，车辆车速分别为v1，v2，采用2×2相移MIMO-OFDM LED通信***实现车辆间通信。
车辆与固定接入点通信：
当车辆与固定接入点之间通信时，直流信道脉冲响应如公式(5)所示：
其中，v为当前车速。
车辆组网通信：
车辆自组织网络间的通信是通过移动中继节点通过车载LED通信单元与其他自组织网络的移动中继节点交互信息实现。
本发明所述的车辆自组织网络中的车辆包括三个描述参数Ii、Li、Di。Li表示车辆当前的坐标，由车载GPS得到，也可采用基于LED可见光通信***进行定位；Di为自组织网络中本车辆到其他车辆之间的距离之和；Ii为车辆的状态信息(除去位置Li，距离Di之外的其他状态信息)，如车辆的车牌号、车速、行驶目的地、当前车辆自组织网络的最大规模等信息，其中，i为下标，表示车辆在自组织网络中的序号。
基于LED的室外可见光通信，由于LED的发射功率限制了通信距离，需选取作为移动中继节点的车辆实现车辆自组织网络通信。以自组织网络中到其他车辆距离(如采用欧式距离计算得到最短距离)之和最短的车辆作为移动中继节点。
本车辆到其他车辆之间的距离之和，由式(6)和式(7)得到。
其中，(xi，yi)和(xj，yj)为车辆的坐标，M为当前自组织网络中车辆的个数。
选取网络中Di最小的节点作为本网络中的移动中继节点，且每辆车只能与移动中继节点进行通信，对同向行驶的汽车，移动中继节点一般位于网络的中间位置，处于后面的车辆，通过车前灯与其车尾灯进行通信，处于移动中继节点前面的车辆通过车尾灯与其车前灯进行通信，因此通过移动中继节点能实现两跳以及多跳通信。
车辆加入自组织网络和离开自组织网络都和车辆与移动中继节点的距离有关。LED可见光通信***受限于车辆间通信距离，当车辆之间超过一定距离，通信品质下降已不适合车辆间通信，因此当车辆在此网络中不能满足一定条件时，便从此网络自动退出，直到满足条件加入到另一个车辆自组织网络中。当车辆从一个网络中离开时，自组织网络会实时计算每一个车辆的最短距离，来选取当前自组织网络中拥有最短距离的车辆作为移动中继节点。并且更新当前自组织网络中的每个车辆的参数信息和自身信息；当车辆离开一个自组织网络，会加入到另一个自组织网络当中去，其必须满足一定的条件才能允许加入。移动中继节点先判断该车辆的距离是否满足通信条件，不满足则不允许其加入网络，满足则继续判断该自组织网内总节点数是否达到上限，若没有达到上限，则允许其加入，否则，不允许其加入网络，一个车辆加入车辆自组织网络的流程图如图5所示。
当两个自组织网络车辆之间距离相距较远，已不能使用基于LED可见光通信实现，为了实现更大范围的车辆通信，移动中继节点车辆之间使用其他方式(如WiFi，蓝牙等)实现通信，如图6所示。通过中继节点之间通信，使每一个车辆都处于“车在网”状态。
具体实施例：
执法人员要追查车牌号码为12345的车辆，执法人员将信息上传到网上，车辆自组织网络中的移动中继节点拥有本网络中所有车辆的状态信息(包括车牌号)，因此对车牌号进行信息匹配。如有匹配到车牌号码12345的车辆，中继节点将其位置坐标上传到网上，执法人员通过因特网获取此坐标进行搜寻。对于搜索特殊车辆提供一种技术手段。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：该车辆自组织网络由含有车载LED通信单元的节点组成；所述节点包括车辆终端节点、移动中继节点；所述车辆终端节点通过车载LED通信单元与自组织网络内的移动中继节点进行通信；移动中继节点通过车载LED通信单元与其他自组织网络的移动中继节点进行通信；
所述车辆终端节点与移动中继节点进行通信时，两个车辆是同向行驶，两个车辆间直流信道脉冲响应如以下公式所示：
其中，φ为发射角，为接收角，初始距离设为d，车辆车速分别为v1，v2m为朗伯指数，A为接收机的表面积， n为折光率，最大接收视场角；
所述LED通信单元采用相移MIMO-OFDM LED通信***进行通信，数据经MIMO-OFDM串并转换后进行相移T/N个时延发送，接收机以T/N采样速率进行采样，其中，T为OFDM符号周期，N为LED通信单元个数。
2.根据权利要求1所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述车载LED通信单元包括发射机和接收机以及其他通信处理单元，车载LED通信单元具有双工通信模式；所述车载LED通信单元的LED发射角大于接收机的视场角。
3.根据权利要求2所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述车载LED通信单元设有与其他设备通信的接口，当不能实现LED可见光通信时，通过其他通信方式实现通信互联。
4.根据权利要求2所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述车载LED通信单元包括车前灯LED通信单元和车尾灯LED通信单元；当车辆终端节点位于移动中继节点前面，车辆终端节点的车尾灯LED通信单元与移动中继节点的车前灯LED通信单元进行通信；当车辆终端节点位于移动中继节点后面，车辆终端节点的车前灯LED通信单元与移动中继节点的车尾灯LED通信单元进行通信；通过移动中继节点实现两跳以及多跳通信。
5.根据权利要求1所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述车辆自组织网络还包括固定接入点，所述固定接入点含有具有双工通信模式的LED通信单元；车辆终端节点通过LED通信单元与固定接入点进行通信，固定接入点与其他网络进行通信。
6.根据权利要求5所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：车辆与固定接入点之间通信时，直流信道脉冲响应如以下公式所示：
其中，m为朗伯指数，A为接收机的表面积，φ为发射角，为接收角， n为折光率，最大接收视场角，初始距离设为d，v为当前车速。
7.根据权利要求1所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述移动中继节点为自组织网络中本车辆到其他车辆之间的距离之和Di最小的车辆；其中，(xi，yi)和(xj，yj)为车辆的坐标，M为当前自组织网络中车辆的个数。
8.根据权利要求1所述的一种LED通信的车辆自组织网络，其特征在于：所述车辆终端节点与自组织网络中的移动中继节点或者固定接入点距离过远，不能正常通信时，车辆终端节点自动断开与移动中继节点链路，并发送入网请求数据包，加入到其他自组织网络；相邻的移动中继节点或固定接入点收到入网请求后，先判断该车辆的距离是否满足通信条件，不满足则不允许其加入网络，满足则继续判断该自组织网内总节点数是否达到上限，若没有达到上限，则允许其加入，否则，不允许其加入网络。
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