CN108923855B - 基于光通信vlc的异构网络上行竞争接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光通信VLC的异构上行竞争接入方法，主要解决VLC技术上下行链路干扰严重以及网络时延大，数据包重传概率较大的问题。其方案是：构建一种可见光信标帧，实现VLC与红外通信异构；将红外信道忙闲信息加入可见光信标帧中，通过广播的方式增大红外信道的可侦听范围；判断信道忙闲，执行改进退避算法；符合条件后发送接入请求和数据，完成基于光通信VLC的异构网络上行接入。本发明设计包含红外信道信息的可见光信标帧，能在光通信网络中实现上行和下行的分离，避免相互干扰，改进现有红外通信退避算法，提出非线性退避函数，降低了网络时延和数据包重传概率，更好地实现通信。适用于室内可见光异构网络通信。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种MAC层竞争接入机制，具体是一种基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，适用于室内可见光异构通信网络。
背景技术
光通信(Optical Communication)是以光波为载波的通信方式，主要包含光纤、室内可见光、无线光等通信技术。近年来，随着固态照明技术的迅猛发展，白光发光二极管(LED)得到广泛应用。基于白光LED的可见光通信(Visible light communication,VLC)作为新兴的无线通信技术吸引了众多机构与学者的关注。VLC是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式，它将照明与通信相结合，在照明设施上增加数据传输功能，通过光源高速明暗闪烁来传递信息。VLC利用的是高于3THz且尚属于空白频谱的可见光频谱，不受使用许可证限制；可见光不能穿透建筑墙，相互邻近的封闭单元中可见光信号不会相互干扰，安全保密性好；VLC收发设备简单，成本低廉；可见光波长属于亚微米级，在准确方向定位上具有明显优势；VLC能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用。以上优点，使VLC成为一种全新的室内无线通信网络的宽带接入方式。
在实际应用中，如果将VLC作为一种单一的无线通信方式，也存在着光链路易被遮挡、多径效应较明显、上行通信链路实现困难、LED调制带宽有限、背景光干扰严重以及通信距离较短等诸多缺陷。因此，越来越多的研究人员开始尝试VLC与各种通信方式进行异构融合，以构建一个***容量大、数据传输速率快、接入时延低、可靠性强、安全性高、支持密集接入以及架构灵活的网络体系。红外技术作为一种成熟的通信技术，尽管通信距离只有几米，红外光却是有许多优势的通信媒介，它的小型化和低成本，很适合与VLC进行异构，避免了上下行链路相互干扰的问题。通常两个红外设备必须在视线上直接对接，才能进行数据交换，与可见光相似，红外光也不可以穿透建筑墙，保证了传输的安全性以及与VLC的一致性。
可见光具有广播的性质，适用于下行链路，红外通信通常具有点对点通信的特性，因此适用于上行链路。红外光的波束较窄，对准角约15°，使得其通信范围较小，即可监控范围较小，当其中一个设备占用红外信道时，其他设备无法对其进行监控，即无法检测到红外信道的忙闲状况。现有的红外上行竞争窗口CWi如下：
CWi＝CW+4i，i＝0，1，2，...m
其中，i为退避阶数，CW为初始化的退避窗口且CWmin＝CW＝8，m为最大退避窗口对应的退避阶数，CWmax＝256即m＝62。
现有竞争窗口增长速度较慢，当移动终端数目较多时，发生的碰撞概率较大，且退避阶数较高，网络时延较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种减小网络时延和数据包重传概率的基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，其特征在于，包括有如下步骤：
1)创建应用于可见光异构网络的信标帧：可见光接入点AP可见光信号发射器周期性广播包含红外接收器忙闲信息IR_Busy的信标帧；
2)检测并提取红外信道忙闲信息：移动终端可见光接受器周期性检测信标帧，并实时提取信标帧中红外信道忙闲信息IR_Busy；
3)判断红外信道忙闲：当IR_Busy字段显示繁忙时，当前移动终端需要等待，并继续侦听IR_Busy信息；当IR_Busy字段显示空闲时，当前移动终端需要执行非线性退避算法，并根据当前竞争窗口设置一个退避计时器；
4)移动终端执行退避的过程中，持续侦听红外信道忙闲信息IR_Busy：当IR_Busy显示空闲时，退避计时器每隔一时隙进行自减；当IR_Busy显示忙时，退避计时器停止自减；
5)请求接入：当退避计时器的值减为0时，移动终端红外发射器立即发送接入请求帧；可见光AP红外接收器接收到移动终端发送的接入请求帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送接入请求响应帧；
6)发送数据：若移动终端的可见光接收器接收到相应的接入请求响应帧，则通过红外信道由红外发射器发送数据帧；可见光AP红外接收器接收到相应的数据帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送数据确认帧，并执行步骤(7)；否则，判定为发生碰撞，移动终端需要重新执行退避算法，并重传接入请求帧，返回执行步骤(4)；
7)完成接入：移动终端接收到相应的数据确认帧，则此次接入成功，实现了基于光通信VLC的异构网络上行竞争的一次接入。
本发明的竞争接入方法在现有高级红外载波侦听冲突避免协议基础上进行改进，实现移动终端在基于光通信VLC的异构网络中的上行竞争接入，扩大了移动终端上行红外通信的虚拟载波侦听范围，减小了网络传输时延，减小了数据包重传概率，提高了信道利用率。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一、现有光通信技术中，没有应用于VLC与红外通信异构网络的信标帧，为此本发明专门设计了一种适用于可见光通信异构网络的信标帧，此信标帧中加入了红外信道的信息，并设计有与可见光AP绑定的红外接收器ID，采用此信标帧，实现了可见光与红外异构的通信网络。
第二、由于红外通信的对准角很小，移动终端对红外信道的侦听范围很小，因此本发明将红外信道的忙闲信息加入可见光信标帧中并通过周期性广播，有效地扩大了移动终端对上行红外通信的虚拟载波侦听范围。
第三、由于现有的红外通信采用线性退避算法，其竞争窗口小，且增长速度较慢，网络时延较大，数据重传率较大，因此本发明改进了红外通信的退避算法，采用非线性退避函数，提高了竞争窗口的增长速度，减小了网络时延，减小了数据包重传概率。
附图说明
图1是本发明实现竞争接入的流程图。
图2是本发明中根据IEEE 802.15.7标准改进的VLC的信标帧帧结构示意图。
图3是采用本发明的退避算法和改进之前网络平均延迟的对比图。
图4是采用本发明的退避算法和改进之前数据包重传概率的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作详细描述：
实施例1
可见光通信VLC将照明与通信相结合，在照明设施上增加数据传输功能，通过光源高速明暗闪烁来传递信息。VLC利用高于3THz尚属于空白频谱的可见光频段，不受使用许可证限制，同时由于其不可穿透墙壁等遮挡物，相互邻近的封闭单元中可见光信号不会相互干扰，安全保密性好。在实际应用中，现有的VLC技术存在上下行链路相互干扰、上行链路不易实现、上行接入时延较大以及数据传输率较小等问题，同时，传统VLC采用射频通信的信标帧，无法实现可见光异构网络的要求。
本发明对此展开了研究，提出一种基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，包括有如下步骤:
1)创建应用于可见光异构网络的信标帧：可见光接入点AP可见光信号发射器周期性广播包含红外接收器忙闲信息IR_Busy的信标帧。
2)检测并提取红外信道忙闲信息：移动终端可见光接受器周期性检测信标帧，并实时提取信标帧中红外信道忙闲信息IR_Busy。
3)判断红外信道忙闲：当IR_Busy字段显示繁忙时，当前移动终端需要等待，并继续侦听IR_Busy信息；当IR_Busy字段显示空闲时，当前移动终端需要执行非线性退避算法，并根据当前竞争窗口设置一个退避计时器。
4)移动终端执行退避的过程中，持续侦听红外信道忙闲信息IR_Busy：当IR_Busy显示空闲时，退避计时器每隔一时隙进行自减；当IR_Busy显示忙时，退避计时器停止自减。
5)请求接入：当退避计时器的值减为0时，移动终端红外发射器立即发送接入请求帧；与可见光AP绑定的红外接收器接收到移动终端发送的接入请求帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送接入请求响应帧。
6)发送数据：若移动终端的可见光接收器接收到相应的接入请求响应帧，则通过红外信道由红外发射器发送数据帧；与可见光AP绑定的红外接收器接收到相应的数据帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送数据确认帧，并执行步骤(7)；否则，判定为发生碰撞，移动终端需要重新执行退避算法，并重传接入请求帧，返回执行步骤(4)。
7)完成接入：移动终端接收到相应的数据确认帧，则此次接入成功，实现了基于光通信VLC的异构网络上行竞争的一次接入；否则，移动终端需要重传数据帧。
实际应用中，可见光作为单一无线通信方式，存在上下行链路相互干扰等问题。本发明采用红外通信作为通信***的上行链路，消除了上下行链路的相互干扰，且易于实现。
图1是本发明实现竞争接入的流程图。参见图1，更细分地说，本发明也可以表述为：
1)可见光AP周期性广播包含红外接收器忙闲信息IR_Busy的信标帧，此信标帧适用于可见光异构网络。
2)移动终端周期性检测信标帧，并实时提取信标帧中红外信道忙闲信息IR_Busy以获取红外信道的状态，扩大了移动终端对红外信道的侦听范围。
3)当IR_Busy字段显示繁忙时，当前移动终端需要等待，并继续侦听IR_Busy信息。
4)当IR_Busy字段显示空闲时，当前移动终端需要执行本发明提出的非线性退避算法，并根据当前竞争窗口设置一个退避计时器。
5)移动终端执行退避的过程中，持续侦听红外信道忙闲信息IR_Busy。
6)当IR_Busy显示空闲时，退避计时器每隔一时隙进行自减；当IR_Busy显示忙时，退避计时器停止自减。
7)当退避计时器的值减为0时，移动终端立即发送接入请求帧。
8)可见光AP接收到移动终端发送的接入请求帧后，通过可见光信道向目的移动终端发送接入请求响应帧。
9)若移动终端在指定时间内接收到相应的接入请求响应帧，则通过红外信道发送数据帧；否则，判定为发生碰撞，移动终端需要重新执行退避算法，并重传接入请求帧，步骤同(4)。
10)可见光AP接收到相应的数据帧后，通过可见光信道向目的移动终端发送数据确认帧。
11)若移动终端在指定时间内接收到相应的数据确认帧，则此次接入成功；否则，则移动终端需要重传数据帧。
本发明提出的一种基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，与现有的上行竞争接入方法相比，通过使用新的信标帧，与红外网络形成异构，并将红外信道的忙闲信息以下行可见光广播方式发布，扩大了移动终端对红外信道虚拟载波侦听范围。同时，通过对退避算法的改进，减小了网络传输时延和数据包重传概率。
本发明是基于光通信VLC与红外异构网络中上行竞争接入机制，适用于室内可见光异构通信网络。
实施例2
现有光通信技术中，未有应用于VLC与红外通信异构网络的信标帧，本发明设计了一种适用于可见光通信异构网络的信标帧。
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1，本发明应用于可见光异构网络的信标帧，共22byte，包括1byte开始标志位，2byte校验字段，1byte结束标志位，参见图1，在开始标志位之后依次设有：1byte帧控制位，2byte信标间隔，6byte目的地址，6byte源地址，1byte红外接收器识别码和2byte帧体，2byte帧体与校验位相接，用于VLC与红外通信的异构网络，参照图2，具体说明如下：
START为开始标志位，标识帧的的开始。
Frame Control为帧控制域，其中：
①Type字段表明帧类型为管理帧(00)；
②Subtype字段进一步表明该帧的类型为信标帧(000)；
③Direction字段表明该帧是否是AP向终端发送的帧(1)；
④Reserved字段为保留字段，默认为00。
Beacon Interval为信标间隔，用来宣布网络的存在，AP点每隔一段时间就会发出Beacon(信标)信号。
DA为帧发送的目的地址(FFFFFFFFFFFF)。
SA为帧发送的源地址。
Infrared_ID为与可见光AP绑定的红外接收器的识别码。
Frame Body为帧体，用来携带需要传送的数据，其中：
IR_Busy字段用来标识可见光AP绑定的红外接收器是否忙碌；
Location字段用来标识AP位置信息。
CRC为校验位，用于检错帧是否出错。
STOP为结束标志位，用来标识帧的结束(7E)。
这些字段可以通过信标帧周期性广播，将与可见光AP绑定的红外接收器的信息发送给移动终端，移动终端可以通过解析相关信息。
本发明专门设计的适用于可见光通信异构网络的信标帧，加入了可见光AP绑定的红外接收器ID，采用此信标帧，实现了可见光与红外异构的通信网络。
实施例3
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1-2，信标帧的帧体中IR_Busy字段，用来标识可见光AP绑定的红外接收器是否忙碌，即红外信道是否被占用，通过可见光信道周期性广播。移动终端实时接收可见光信号，并解析相关信息，读取红外信道的忙闲信息，由此虚拟侦听该红外信道的状态，扩大了移动终端对红外信道的侦听范围，提高了信道利用率。
实施例4
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1-3，本发明提出的非线性退避算法其竞争窗口函数CWi定义如下
CWi＝CW+2i(i－1)，i＝0，1，2，...11
CWi＝256，i≥12
其中，i为退避阶数，CW为初始化的退避窗口，CWmin＝CW＝8，m为最大退避窗口对应的退避阶数，CWmax＝256，m＝12。
退避计时器的初始值定义如下：
Counter＝Random(CWi)
即从0-CWi中由随机函数Random随机选择一个整数作为退避计时器Counter的初始值。
采用此二次退避算法，提高了退避窗口的增长速度，减少了退避次数，由此减小了网络传输时延和数据包重传概率。
下面给出一个更详细的例子，对本发明进一步说明，
实施例5
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1-4，
1)可见光AP通过可见光信道将本发明提出的信标帧以广播的形式发送给各个移动终端，其中包含与该可见光AP绑定的红外接收器的状态，即该红外信道的忙闲状态。
2)移动终端的可见光接收器将可见光发送的光信号转换成电信号，提取其中的标识红外信道是否空闲的IR_Busy信息，并判断红外信道是否空闲。若信道状态为空闲则执行改进后的非线性退避算法，设置退避计时器，若信道状态为忙则进行等待并持续侦听。
3)在执行退避算法的过程中即退避计时器自减的同时持续侦听红外信道，若信道空闲，则计时器执行自减，若信道忙碌，则计时器停止自减并等待，直到侦听到信道显示为空闲时开始自减。
4)当计时器减为0时，移动终端立即通过红外信道发送接入请求帧给与可见光AP绑定的红外接收器。
5)与可见光AP绑定的红外接收器收到移动终端发送的接入请求帧且该红外信道空闲时，通过可见光信道向目的移动终端发送接入请求确认帧，表示此时允许该移动终端向与本可见光AP绑定的红外接收器通过红外信道发送数据；可见光AP检测到发生碰撞，即多个终端同时向一个红外接收器发送数据时，则不会发送接入请求确认帧。
6)移动终端若收到相应的请求接入确认帧，即获得当前时间红外信道的使用权，则立即通过红外上行信道发送数据帧；若没有收到请求接入确认帧，则判定为发生碰撞，需重新执行退避算法，即i+1，重新设定退避计时器，并重传接入请求帧，步骤同3)，即对红外信道持续侦听等待空闲，执行计时器自减。
7)与可见光AP绑定的红外接收器在接收到相应的数据帧后，通过可见光信道向目的移动终端发送数据确认帧。
8)移动终端若收到数据确认帧，则表示此次接入成功，若超时未接受到数据确认帧，则需要重新发送数据帧。
采用本发明提出的信标帧，完成了一次下行为可见光，上行为红外光的异构网络的接入，同时，增大了移动终端对红外信道的虚拟侦听范围。采用本发明的退避算法，提高了退避窗口的增长速度，减小了最大退避阶数，从而减小了网络时延和数据包重传概率，提高了信道利用率。
本发明的技术效果可以结合以下仿真实验，进一步说明：
实施例6
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1-5，
仿真条件：
在室内VLC下行与红外上行异构网络环境下，设置各项参数如表所示：
总仿真时间：3*10^6us
平均到达时间：2200us
平均包长度：16384bits
仿真内容与结果：
在VLC作为下行链路，红外作为上行链路的网络中，采用本发明所提出的信标帧对改进的和现有的红外竞争接入方法分别进行了模拟，采用网络时延和数据包重传概率作为标志参数进行对比，结果分别如图3和图4所示。
图3是采用本发明的退避算法和现有退避算法下网络平均时延的对比图，横坐标为用户个数，纵坐标为网络时延，实线为采用本发明提出的退避算法生成的曲线，虚线为采用现有退避算法生成的曲线。从图3可以看出，随着用户的增加，时延增大，用户数较小时，两种退避算法产生的时延相差不大，当用户数大于12时，采用本发明提出的退避算法产生的时延越来越小于采用现有的退避算法产生的时延，或者说随着用户数的增大，本发明提出的退避算法性能更优。
实施例7
基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法同实施例1-6，仿真条件和内容同实施例6。
图4是采用本发明的退避算法和现有退避算法下数据包重传概率的对比图，横坐标为用户个数，纵坐标为数据包重传概率，实线为采用本发明提出的退避算法生成的曲线，虚线为采用现有退避算法生成的曲线。从图4可以看出，由于用户数的增加，网络数据包重传概率增加，采用本发明的退避算法，较改进前重传概率明显减小，尤其在用户数大于28之后，重传概率明显减小，由于最大退避次数的减小，当用户数较多时，重传概率增长速度明显降低。
综上，本发明公开的基于光通信VLC的异构上行竞争接入方法，主要解决VLC技术上下行链路干扰严重以及网络时延大，数据包重传概率较大的问题。其方案是：1.构建一种可见光信标帧，实现VLC与红外通信异构；2.将红外信道忙闲信息加入可见光信标帧中，通过广播的方式增大红外信道的可侦听范围；3.判断信道忙闲，执行改进退避算法；4.符合条件后发送接入请求和数据，完成基于光通信VLC的异构网络上行接入。本发明设计包含红外信道信息的可见光信标帧，能在光通信网络中实现上行和下行的分离，避免相互干扰，改进现有红外通信退避算法，提出非线性退避函数，降低了网络时延和数据包重传概率，更好地实现通信。适用于室内可见光异构网络通信。
Claims (4)
1.一种基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，其特征在于，包括有如下步骤:
(1)创建应用于可见光异构网络的信标帧：可见光接入点AP可见光信号发射器周期性广播包含红外接收器忙闲信息IR_Busy的信标帧；
(2)检测并提取红外信道忙闲信息：移动终端可见光接受器周期性检测信标帧，并实时提取信标帧中红外信道忙闲信息IR_Busy；
(3)判断红外信道忙闲：当IR_Busy字段显示繁忙时，当前移动终端需要等待，并继续侦听IR_Busy信息；当IR_Busy字段显示空闲时，当前移动终端需要执行非线性退避算法，并根据当前竞争窗口设置一个退避计时器；
(4)移动终端执行退避的过程中，持续侦听红外信道忙闲信息IR_Busy：当IR_Busy显示空闲时，退避计时器每隔一时隙进行自减；当IR_Busy显示忙时，退避计时器停止自减；
(5)请求接入：当退避计时器的值减为0时，移动终端红外发射器立即发送接入请求帧；与可见光AP绑定的红外接收器接收到移动终端发送的接入请求帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送接入请求响应帧；
(6)发送数据：若移动终端的可见光接收器接收到相应的接入请求响应帧，则通过红外信道由红外发射器发送数据帧，与可见光AP绑定的红外接收器接收到相应的数据帧后，通过可见光信道由可见光发射器向目的移动终端发送数据确认帧，并执行步骤(7)；否则，判定为发生碰撞，移动终端需要重新执行退避算法，并重传接入请求帧，返回执行步骤(4)；
(7)完成接入：移动终端接收到相应的数据确认帧，则此次接入成功，实现了基于光通信VLC的异构网络上行竞争的一次接入。
2.根据权利要求1所述基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，所述应用于可见光异构网络的信标帧，共22byte，包括1byte开始标志位，2byte校验字段，1byte结束标志位，其特征在于，在开始标志位之后依次设有：1byte帧控制位，2byte信标间隔，6byte目的地址，6byte源地址，1byte红外接收器识别码和2byte帧体，用于VLC与红外通信的异构网络。
3.根据权利要求2中所述的基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，其特征在于：所述信标帧的帧体中IR_Busy字段，用来标识可见光AP绑定的红外接收器是否忙碌，即红外信道是否被占用。
4.根据权利要求1所述基于光通信VLC的异构网络上行竞争接入方法，其特征在于：步骤(4)中，竞争窗口CWi函数定义如下
CWi＝CW+2i(i-1)，i＝0，1，2，…11
CWi＝256，i＝12
其中，i为退避阶数，CW为初始化的退避窗口，CWmin＝CW＝8，m为最大退避窗口对应的退避阶数，CWmax＝256即m＝12。
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