CN114884572B - 一种基于室内可见光组网***的无线帧结构 - Google Patents

一种基于室内可见光组网***的无线帧结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于室内可见光组网***的无线帧结构,所述可见光组网无线帧结构包括:广播周期和数据周期,所述广播周期和所述数据周期均包含多个时隙,所述时隙的数据包括时钟序列、同步帧头和一个或多个数据分片。所述无线帧结构应用于集中式可见光组网***中每个光接入点,所述光接入点由接入控制器提供同步信息,以及协调光接入点时隙。所述无线帧结构设计给出一种参数确定方法,旨在提高时隙资源利用效率,降低小区间信号干扰概率。

Description

一种基于室内可见光组网***的无线帧结构
技术领域
本发明涉及可见光通讯技术领域,具体涉及一种基于室内可见光组网***的无线帧结构。
背景技术
当前社会正处在信息爆发的时代,随着虚拟增强现实和万物互联的物联网技术的普及,受限于有限的频谱资源,当前的室内无线通信技术面临的通信速率的瓶颈越发明显,特别是对于室内密集通信的情况而言,传统的无线通信方式面临着巨大的压力。近年来,可见光通信技术凭借丰富的免授权频谱资源得到广泛关注,其实现成本低、方向性好,非常适合于室内短距传输场景,同时兼顾照明与通信,被视为是未来室内通信的一个重要的发展方向。LED照明灯往往覆盖很小的区域,需要密集部署以保证照明的均匀性和通信的无缝覆盖,这一方面提高了单位面积的通信速率,但同时不可避免地导致小区间干扰,并最终影响移动用户的服务质量。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种基于室内可见光组网***的无线帧结构,以协调了相邻小区间干扰。
为实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
一种基于室内可见光组网***的无线帧结构,包括:
广播周期和数据周期,所述广播周期和所述数据周期均包含多个时隙;
所述广播周期中的每个时隙用于传输光接入点的标签信息,所述标签信息用于确定用户设备的位置,所述广播周期的长度为TB,所述广播周期包括K个时隙,每个时隙的长度为Tb
所述数据周期中的时隙数量M通过公式计算得到,其中,所述TM为用户设备的位置的更新周期,所述Td为数据周期中每个时隙的长度。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,所述广播周期和所述数据周期中的时隙均包含时钟序列、同步帧头以及数据,所述数据为一个或多个等长度的数据分片。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,所述时钟序列为3072个码元符号的‘0’和‘1’交替循环序列,所述同步帧头为128个码元符号的m序列。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,当所述光接入点的布局方式为蜂窝状布局时,所述K的值为3。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,当所述光接入点的布局方式为格栅布局时,所述K的值为4。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,每个所述时隙中所包含的数据分片数量通过公式N=Td/Tp得到,其中Tp为每个分片的长度,该值由信道编码的方式确定。
可选的,上述基于室内可见光组网***的无线帧结构中,所述广播周期中时隙中的同步帧头A为7阶m序列,所述序列的值为OxFE3B_14BE_A85B_CE56_60DA_E8C8_8126_9EE0;
所述数据周期中时隙的同步帧头B为7阶m序列,所述序列的值为0x82BC_9109_DAA5_D606_51C3_E2D9_8D37_F73C。
基于上述技术方案,本发明实施例提供的上述方案中,可见光组网无线帧结构,包括广播周期和数据周期,所述广播周期为***提供获取和更新用户位置信息的途径;所述广播周期和数据周期包含多个时隙,本发明给出帧结构的设计细节和广播时隙和数据时隙数目的计算方法,确定无线帧结构参数,协调了相邻小区间干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的室内可见光组网***适用场景示意图;
图2为本申请一实施例公开的光组网无线帧结构的结构示意图;
图3为本申请一实施例公开的光组网无线帧结构的参数结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
传统上一般有两种方案协调小区间干扰,一种是分布式协调方案,即可见光接入点通过CSMA/CA协议协调干扰,另一种是集中控制式方案,如使用TDMA等多址接入方案,由接入控制器统一协调干扰。
对于分布式方案而言,它要求可见光接入点具有信号发射和检测能力,这将增加***部署成本;小区间干扰导致碰撞概率增加。同时我们也注意到,室内用户经常会处于移动状态,分布式方案缺乏密集部署的可见光网络下移动性的支持,集中控制方案可以通过帧结构的设计满足这一要求。无线帧结构是集中控制方案中的重要组成部分,它决定了***资源利用率,影响着用户的服务质量。
与分布式方案相比而言,集中控制式方案中仅要求光接入点提供下行链路,上行链路则是借助WiFi接入点。所述可见光组网无线帧结构针对下行可见光链路,应用在光接入点中。
本发明基于所述室内可见光组网***的下行链路,设计了一种集中控制式无线帧结构,以辅助该***缓解光接入点服务小区间的干扰,并实现多址接入。本方案所适用的室内可见光通信***场景如图1所示,该***可以包括接入控制器100、服务器200、虚拟交换机300、光接入点400、WiFi接入点500以及用户设备600,该***具有多个光接入点400,所述光接入点400通过虚拟交换机300连接服务器200和接入控制器100,WiFi接入点500通过虚拟交换机300连接接入控制器100。在该***中,光接入点400提供用户设备600下行链路;WiFi接入点500提供用户设备600上行链路;服务器200是用户设备600的通信对端,所述服务器200通过虚拟交换机300和光接入点400向用户设备600传输数据;接入控制器100通过所述上行链路可以获取用户位置信息,使用所述用户位置信息协调分配每个光接入点400的数据时隙的传输业务。所述光接入点400包括LED灯和信号调制模块两个部分,LED灯同时起到室内照明的作用,所述信号调制模块用于对所述光接入点400的输入输出信号的处理。本方案所设计的无线帧结构用于实现数据从光接入点400到用户设备600的数据传输。
具体的,参见图1,图1为应用所述光组网无线帧结构的室内可见光通信***的结构示意图,该***可以为集中控制式室内无线光通信***,该无线帧结构应用于所述集中控制式室内无线光通信***的下行光链路,所述下行链路通过光组网无线帧结构进行数据传递;***包括:
一个WiFi接入点500;
多个光接入点400;
与所述光接入点400和WiFi接入点500一一对应相连的虚拟交换机300,所述虚拟交换机300用于实现光接入点400与服务器200以及接入控制器100之间的数据传输;
与所述光接入点400和WiFi接入点500相连的一个或多个用户设备600,所述光接入点400和用户设备600之间通过可见光传输数据,作为用户设备600的下行链路,所述WiFi接入点500和用户设备600之间通过WiFi传输数据,作为用户设备600的上行链路;
与所述虚拟交换机300相连的接入控制器100和服务器200,所述接入控制器100用于协调光接入点400的时隙,这里的光接入点400的时隙具体是指光接入点400的时隙资源。在给定的可见光无线帧结构下,所述接入控制器100可以根据用户的位置信息,为每个用户分配指定的光接入点400和时隙传输数据业务,在分配指定的光接入点400和时隙传输数据业务时,所采用的分配方式可以为静态分配算法,如LTE网络中的部分频率复用(Fractional Frequency Reuse),也可以是其它已被提出的动态资源分配方法。上述过程中,所用到的用户的位置信息的获取方式为,用户设备600依据获取到的广播时隙传输的标签信息确定用户设备600附近的光接入点400信息,依据广播时隙中的同步帧头测量所述光接入点400的信号强度信息,这两个信息由用户设备600通过WiFi接入点500告诉接入所述接入控制器100,接入控制器100根据这两个信息可计算得到用户位置信息。所述接入控制器100为所述光接入点400提供全局控制信号,通过所述全局控制信号保证所述每个光接入点400的时隙对齐,具体的,所述接入控制器100中的全局时钟按照固定频率为每个光接入点400提供同步脉冲信号,光接入点400收到所述同步脉冲信号后,立即按照下文中的光组网无线帧结构的帧格式向用户设备600发送数据,以保证所有光接入点400的空口时隙是对齐的,此时,相邻位置的任意光接入点400间的不同时隙互不干扰;在本申请实施例公开的技术方案中,所述光接入点400的调制方式可以依据用户需求自行选择,例如,其调制方式可以为开关键控调制(OOK)方式,传输速率为12.5Mbps。在本方案中,所述光接入点400的布局方式可以依据用户需求自行选择,例如所述光接入点400可以按照蜂窝状部署,光接入点400在获取到服务器200发送的下行传输数据以后,将所述数据进行分片并加载到无线帧结构的时隙中,时隙中的每个分片(光接入点400会将所述数据切分成固定大小的数据分片)使用Reed-Solomon编码方式实现信道编码。
本方案中的光组网无线帧结构应用于下行光传输链路,在现有方案中,可见光通信作为新兴的通信技术,能够兼顾室内照明与通信,作为一种绿色无电磁辐射的通信技术,有望缓解室内用户高速数据传输需求。可见光组网一般会部署多个光接入点400以保证照明和通信,本方案提供的所述无线帧结构在解决多接入点下行信道传输中具有重要作用,其用于协调多个光接入点400小区间的干扰,在本方案中,所述光接入点400可以看做是一个调制和发送信号的基站,提出的方案是应用到光接入点400的物理层,用来协调物理层数据的传输。
参见图2,本申请实施例公开了一种可见光组网无线帧结构,该帧结构包括广播周期和数据周期,所述广播周期为***提供获取和更新用户位置信息的途径;所述广播周期和数据周期包含多个时隙,本发明给出帧结构的设计细节和广播时隙和数据时隙数目的计算方法,结合用户移动性等设计要素确定较优的无线帧结构参数;所述无线帧结构通过时分复用原则协调相邻小区间干扰,时隙中的同步帧头同时可被用来测量信号强度,以降低空口资源开销,具体的,该可见光组网无线帧结构包括:
广播周期和数据周期,所述广播周期和所述数据周期包括多个时隙;
所述广播周期中的每个时隙允许光接入点400传输广播数据,所述标广播数据包含标签信息,所述标签信息中具有光接入点400的身份标识,用户设备600通过测量广播时隙中同步帧头的信号强度,可以结合所述标签信息和信号强度得到用户位置信息,并与接入控制器100共享所述位置信息。所述广播周期的长度为TB,所述广播周期中具有K个时隙,每个时隙的长度为Tb,所述广播周期中的时隙数量K可以由光接入点400的部署方式决定,例如,当光接入点400按照蜂窝状部署时,K=3,当所述光接入点按照格栅方式部署时,所述K的值为4;
所述数据周期的长度为TD,所述数据周期中的时隙数量为M,所述数据周期中每个时隙的长度为Td,在所述数据周期中,所述时隙用于实现端到端的数据传输,在实际设计时,所述M的值需要综合考虑空口速率、用户设备600的采样频偏、广播周期、资源利用率以及物理层方案等因素。在设计上,数据周期中的时隙应尽量长以降低同步开销,但接收端采样频偏会限制所述数据周期中的时隙长度,并且数据周期中的时隙长度影响信号传输的最大时延,所以数据周期中的时隙的长度Td应根据实际传输性能综合考虑。经申请人研究发现,对于室内移动场景而言,用户在光接入点400间切换的时间间隔一般在1秒以内,所以光组网无线帧结构的长度TD不能太大,否则用户的位置信息更新的不及时将无法保证用户的服务质量,假设用户需要至少每隔TM更新一次位置信息,则时隙数目M根据以下经验公式确定:
所述TM为位置信息的更新周期,所述Td为数据周期中每个时隙的长度,所述TB为广播周期的长度,所述符号表示向下取整数。
当基于上述公式确定数据周期中的时隙数目M后,整个光组网无线帧结构的参数就得到确定,然后为每个时隙预留时隙间保护间隔,保护间隔不传输任何信息。令最终确定的光组网无线帧结构总长度为TS,其设计的有效资源利用率粗略计算为:
在计算有效资源利用率时,考虑到室内用户正常行走的速度大概为0.8米每秒,为了保证用户在小区交叠区无缝切换,一般希望用户位置信息的更新频率为25Hz,参见图3,即光组网无线帧结构的周期为40毫秒。根据所述光接入点400对应的虚拟交换机300能纠正的最大频偏性能,从而确定Td和TD,根据公式计算得到M=4。实施例中所述时隙中的每个分片的长度为164us,数据时隙分片数目N=56,这由信道编码方式决定。基于上述配置,由公式/>可以计算得到此种设计方式数据的传输效率为
对于所述光组网无线帧结构中的每个时隙而言,每个时隙均由一个或者多个数据分片组成,分片的长度由时隙的信道编码方式决定,假设每个分片的长度为Tp,则上述公式中的参数N可以采用公式N=Td/Tp计算得到。
在上述方案中,所述光接入点400的数据传输由所述接入控制器100控制,在该***中,所述光接入点400与所述用户设备600之间的下行链路使用可见光传输,所述WiFi接入点500与所述用户设备600之间的上行链路使用WiFi信号传输。
在本方案中所述接入控制器100提供全局时钟,所述光接入点400在所述全局时钟的控制下按照所述方案中的无线帧结构向用户设备600发送数据。
在本方案中,将广播周期中的时隙记为广播时隙,将数据周期中的时隙记为数据时隙,所述广播时隙和数据时隙中,均包含有时钟序列、同步帧头和一个或多个数据分片三部分。其中,所述时钟序列为采用“0”和“1”交替构成的循环序列,例如,在本实施例中,所述时钟序列为3072比特的“0”、“1”循环序列,所述时钟序列的长度由接收端时钟建立时间决定。例如,本方案汇总所述广播周期中的同步帧头A的m序列值为OxFE3B_14BE_A85B_CE56_60DA_E8C8_8126_9EE0;所述数据周期中的同步帧头B的m序列值为Ox82BC_9109_DAA5_D606_51C3_E2D9_8D37_F73C。这两种序列具有很好的自相关性和较为平衡的“0”和“1”符号数,接收端在接收到数据以后,很容易基于数据的同步帧头判断消息的类型。当消息属于广播时隙时,测量时隙中同步帧头的信号强度并与广播时隙中包含的标签信息打包,将该数据通过WiFi接入点500反馈至接入控制器100,接入控制器100根据该信息协调接入点400的时隙分配;当消息属于数据时隙时,由用户设备600做相关处理。具体的,在本方案中,与所述光接入点400相匹配的虚拟交换机300在接收到一个时隙的数据以后,会将数据的帧头和预设的序列值分别与0xFE3B_14BE_A85B_CE56_60DA_E8C8_8126_9EE0和0x82BC_9109_DAA5_D606_51C3_E2D9_8D37_F73C进行比较,如果时隙的帧头与前者(0xFE3B_14BE_A85B_CE56_60DA_E8C8_8126_9EE0)相同,判定该数据消息为广播周期,对应光接入点400的广播数据;如果与后者相同,则判定为数据周期向用户设备传输600的数据。
由上述方案可见,本申请提出一种适用于集中控制式可见光组网***的无线帧结构,其优点为:光接入点400可通过所述光组网无线帧结构中的广播周期帮助用户设备600确定位置信息,该信息帮助接入控制器100协调光接入点400的时隙分配;光接入点400通过接入控制器100提供的全局时钟对齐光接入点400的时隙,便于接入控制器100借助灵活的算法协调小区间干扰,辅助实现多址接入;给出无线帧结构设计参数确定方法,满足用户移动性需求,简化帧结构以节约空口资源开销。
具体的,光接入点400按照所设计的无线帧结构在广播时隙发送包含标签信息的数据,用户设备600对该数据进行测量,并通过WiFi链路中的WiFi接入点500向所述接入控制器100反馈。进而所述接入控制器100得到用户位置信息,这些信息被接入控制器100用作协调光接入点400的时隙分配和控制用户切换。其二,对于处于交叠区的用户,接入控制器100可以通过所述无线帧结构实现灵活的资源分配算法,进而提高移动用户的服务质量,避免小区间干扰,比如交叠区用户协同传输,即相邻光接入点400传输相同信号来提高接收信号的信噪比;或者所述接入控制器100可以控制选择其中一个光接入点400在当前时隙发送信号,交叠区的其他光接入点400不发送任何信号以避免干扰,避免用户设备600因干扰而发生垂直切换。其三,提出的光组网无线帧结构给出参数的确定方法,根据用户的移动速度、***的空口速率以及其他物理层特性确定帧结构参数,使得所述光组网无线帧结构具有较高的资源利用率。
为了描述的方便,描述以上可见光组网无线帧结构时以功能分为各种模块分别描述。当然,在实施本发明时可以把各部分的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,包括:
广播周期和数据周期,所述广播周期和所述数据周期均包含多个时隙;
所述广播周期中的每个时隙用于传输光接入点的标签信息,所述标签信息用于确定用户设备的位置,所述广播周期的长度为TB,所述广播周期包括K个时隙,每个时隙的长度为Tb
所述数据周期中的时隙数量M通过公式计算得到,其中,所述TM为用户设备的位置的更新周期,所述Td为数据周期中每个时隙的长度;
其中,所述广播周期和所述数据周期中的时隙均包含时钟序列、同步帧头以及数据,所述数据为一个或多个等长度的数据分片。
2.根据权利要求1所述的基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,所述时钟序列为3072个码元符号的‘0’和‘1’交替循环序列,所述同步帧头为128个码元符号的m序列。
3.根据权利要求1所述的基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,当所述光接入点的布局方式为蜂窝状布局时,所述K的值为3。
4.根据权利要求1所述的基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,当所述光接入点的布局方式为格栅布局时,所述K的值为4。
5.根据权利要求1所述的基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,每个所述时隙中所包含的数据分片数量通过公式N=Td/Tp得到,其中Tp为每个分片的长度,该值由信道编码的方式确定。
6.根据权利要求2所述的基于室内可见光组网***的无线帧结构,其特征在于,所述广播周期中时隙中的同步帧头A为7阶m序列,所述序列的值为0xFE3B_14BE_A85B_CE56_60DA_E8C8_8126_9EE0;
所述数据周期中时隙的同步帧头B为7阶m序列,所述序列的值为0x82BC_9109_DAA5_D606_51C3_E2D9_8D37_F73C。
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