室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法技術方案

本發明專利技術公開了一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構和接入方法，主要解決現有多用戶接入中碰撞概率大，信道資源利用率低的問題。本發明專利技術的超幀結構定義了多用戶競爭接入階段和動態信道時隙分配階段，同步時段和用戶工作時段構成動態信道時隙分配階段；多用戶接入方法包括有：在接入階段針對多用戶競爭引入沖突避免；在動態信道時隙分配階段，基于優先級的時隙分配算法對用戶時隙分配；引入空閑時隙競爭機制，充分利用用戶空閑時隙，將用戶不進行傳輸數據的時隙分配給其他用戶競爭使用。本發明專利技術減少了多用戶接入時的碰撞概率，提高了吞吐量，減少了信道帶寬資源的浪費，可以用于室內可見光通信領域，也可延伸至無線光通信領域。

Dynamic multi user access, over frame structure and access method for indoor visible light communication system

The invention discloses a dynamic multi-user access super frame structure and an access method in an indoor visible light communication system, mainly solving the problems of large collision probability and low utilization ratio of channel resources in the existing multi-user access. Super frame structure of the invention defines the user access and dynamic channel time slot allocation phase, synchronization time and work time of the user dynamic channel time slot allocation stage; multi user access method comprises: the access stage for multi-user competition into conflict avoidance; in dynamic channel time slot allocation stage, based on the user time slot allocation the priority assignment algorithm; introducing competition mechanism to make full use of idle time, user idle time, users will not time slot allocation data transmission to other users using competition. The invention reduces collision probability when multi-user accesses, improves throughput, reduces waste of channel bandwidth resources, can be used in indoor visible light communication field, and can extend to wireless optical communication field.

【技術實現步驟摘要】
室內可見光通信系統動態多用戶接入超幀結構和接入方法
本專利技術屬于通信
，更進一步涉及室內可見光通信的接入技術，具體是一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構和接入方法，用于多用戶的室內可見光通信系統中多用戶接入。
技術介紹
室內可見光通信(Visiblelightcommunication,VLC)是近年來迅速發展的一種新型無線通信方式，它將照明與通信相結合，在LED照明設施上增加數據傳輸功能，通過LED光源高速明暗閃爍來傳遞信息。相比射頻無線通信而言，室內可見光通信具有可利用帶寬大且不用授權、不會產生電磁輻射、安全性高等特點，可以應用于醫院、加油站、機艙等要求電磁干擾小，安全性要求高的場所，而且能夠有效緩解當前射頻頻帶緊張問題，成為一種全新的室內無線通信網絡的寬帶接入方式。由于發光二極管(lightemittingdiode，LED)具有許多優點，如節約能源和保護環境、良好的照明效果、可持續利用時間長等，使它成為未來的主要照明方式。LED所發出的光線是自然光，不易傷害到人類的雙眼。隨著白光LED技術日趨成熟，未來的照明裝置將更多的采用LED陣列布局，會使得照明的能耗大幅度降低。因此，將基于LED照明光源的VLC技術應用于下一代無線通信中具有可行性基礎，是構建室內無線通信系統的一個備用選擇，具有很大的工程應用前景。在室內VLC系統中，存在移動多用戶接入情況，由于LED終端上可集成的光探測器數目有限，而且在可見光通信網絡中波長資源有限，多個使用相同波長的用戶同時請求接入時會產生碰撞，降低網絡的通信效率。因此，如何避免碰撞，有效的完成用戶接入，是室內VLC系統急需解決的問題。在無線通信中存在的多址接入協議有固定多址接入協議(如TDMA、FDMA、CDMA等)、隨機多址接入協議(如CSMA/CD、CSMA/CA等)。由于光載波不能監聽信道狀態，所以在無線通信中傳統的多址接入方法不能簡單地，直接用于室內可見光通信系統中。解決多用戶接入問題是室內可見光通信發展的關鍵技術之一。目前，針對這方面的研究相對較少。下面是幾種解決方法：IEEE802.15.7提供了一種使用時隙CSMA/CA來避免碰撞的思想，但是它沒有介紹多用戶接入系統的詳細步驟和具體方案。J.Liu等人在“ExperimentonSpaceandTimeDivisionMultipleAccessSchemeoverFreeSpaceOpticalCommunication”中提出一種空分/時分多址接入技術(SD/TDMA)，但是當用戶移動時旋轉反射鏡的角度很難去定義，所以這個方法不適合移動網絡。RatnaKalosZakiahSahbudinandMazlinKamarulzaman等人在“PerformanceofSACOCDMA-FSOcommunicationsystems”中提出使用光碼分多址接入技術(OpticalCDMA)作為無線光通信的接入技術，但是當用戶增多時，直接序列擴頻很難保持完全正交，多址干擾將會變得嚴重。綜上，在室內可見光通信系統中，現有的多用戶接入技術主要存在承擔的接入用戶數量有限，多用戶接入時碰撞概率大，信道資源利用率低等問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種用于室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構和接入方法。本專利技術是一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構，其特征在于，每個超幀包括有兩部分，一部分是沖突避免(CA，collideavoid)競爭接入階段，緊接著是TDMA動態信道時隙分配階段，所述沖突避免競爭接入時段采用CA方法，完成多個用戶接入終端過程；所述TDMA動態信道時隙分配階段采用改進的動態時隙分配的TDMA協議，完成用戶與終端間的數據傳輸；TDMA動態信道時隙分配階段劃分為N+1個時段，其中第一時段為控制同步時段CU，緊接著為N個連續且各自獨立的用戶工作時段WU，同步時段CU用于完成終端與用戶的同步并告知用戶TDMA動態信道時隙分配的結果；N個用戶工作時段用于各用戶傳輸數據。本專利技術的超幀結構利用了固定多址接入協議的優勢，在多用戶傳輸數據情況下，保證每個用戶均分配到合適的信道資源，使信道資源得到充分利用，并在用戶傳輸數據過程中不產生沖突碰撞，得到很高的吞吐量；本專利技術還是一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法，在權利要求1-2所述的任一室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構上實現，其特征在于，為時分復用/沖突避免多址接入方法(TDMA/CA)，接入過程包括：(1)在一個超幀的開始，即進入一個時幀時，終端發送一個廣播CTS(CleartoSend)短幀，通知想要接入終端的用戶可以開始競爭接入；(2)用戶接收到CTS廣播后，想要接入終端的用戶根據CA方法發送RTS短幀嘗試接入，在競爭接入過程中如果接入過程中沒有產生碰撞，則終端廣播CTS短幀，告知該用戶已成功接入；如果競爭接入過程中產生碰撞，則申請接入的用戶執行退避算法，重新嘗試接入；(3)當多用戶競爭接入后，終端獲得接入用戶的總數量和接入的用戶信息，給每個接入的用戶進行動態信道時隙分配，緊接著開始動態信道時隙分配階段；(4)終端在控制同步時段CU對所有接入用戶進行同步，通知用戶可以進行數據傳輸；(5)用戶得知可以進行數據傳輸后，判斷在分配的用戶工作時段WU內是否有數據需要傳輸；(6)如果用戶判斷結果是在其WU時段上有要傳輸的數據，則用戶開始傳輸數據；(7)如果用戶判斷結果是在其WU時段上沒有要傳輸的數據，則終端通知已接入的有傳輸數據需要的用戶通過競爭使用此WU時段，其中一個用戶競爭成功后，使用此WU時段進行傳輸數據；(8)所有接入的用戶在各自WU時段上執行步驟(5)、(6)、(7)進行數據傳輸，這一超幀時間結束，下一超幀從步驟(1)再次開始，反復運行，實現室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法。本專利技術的思路是：提出一種減少碰撞概率，提高吞吐量，減少帶寬資源浪費的室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法。本專利技術與現有技術相比具有以下優點：1.本專利技術提出的一種在室內可見光通信系統動態多用戶接入中的超幀結構，此超幀結構設計綜合了固定多址接入協議和沖突避免的各自優勢，利用了沖突避免的優勢，解決無線光通信中無法監聽信道的問題，減少多用戶接入時的碰撞概率；利用了固定多址接入協議的優勢，保證每個用戶均分配到合適的信道資源，充分利用信道資源，減少用戶傳輸數據過程中的碰撞概率，提高吞吐量。2.本專利技術在動態時隙分配階段引入了空閑時隙競爭機制，當用戶在分配的工作段內沒有數據傳輸，則終端通知其他用戶競爭使用此空閑時隙，其他需要傳輸數據的用戶可以使用此空閑時隙傳輸數據，避免了在動態時隙分配階段用戶在工作時段不傳輸數據時產生空閑時隙導致信道資源浪費問題，更充分地使用信道帶寬資源。3.本專利技術在動態信道時隙分配階段，采用了一種基于優先級的動態時隙分配算法(PDSA)，終端根據用戶的總數量、優先級及用戶需要傳輸的數據量動態地分配信道時隙給用戶，滿足不同用戶對信道資源的需求，更好的利用信道資源。附圖說明：圖1：是本專利技術的室內可見光通信系統動態多用戶接入方法整體流程圖；圖2：是本專利技術TDMA/CA的超幀結構總體示意圖；圖3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構，其特征在于，每個超幀包括有兩部分，一部分是沖突避免(CA，collide?avoid)競爭接入階段，緊接著是TDMA動態信道時隙分配階段，所述沖突避免競爭接入時段采用CA方法，完成多個用戶接入終端過程；所述TDMA動態信道時隙分配階段采用改進的動態時隙分配的TDMA協議，完成用戶與終端間的數據傳輸；TDMA動態信道時隙分配階段劃分為N+1個時段，其中第一時段為控制同步時段CU，緊接著為N個連續且各自獨立的用戶工作時段WU，同步時段CU用于完成終端與用戶的同步并告知用戶TDMA動態信道時隙分配的結果；N個用戶工作時段用于各用戶傳輸數據。

【技術特征摘要】
1.一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構，其特征在于，每個超幀包括有兩部分，一部分是沖突避免(CA，collideavoid)競爭接入階段，緊接著是TDMA動態信道時隙分配階段，所述沖突避免競爭接入時段采用CA方法，完成多個用戶接入終端過程；所述TDMA動態信道時隙分配階段采用改進的動態時隙分配的TDMA協議，完成用戶與終端間的數據傳輸；TDMA動態信道時隙分配階段劃分為N+1個時段，其中第一時段為控制同步時段CU，緊接著為N個連續且各自獨立的用戶工作時段WU，同步時段CU用于完成終端與用戶的同步并告知用戶TDMA動態信道時隙分配的結果；N個用戶工作時段用于各用戶傳輸數據。2.根據權利要求1所述的室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構，其特征在于，所述WU工作時段的結構以競爭時隙開始，其競爭時隙的多少與是否競爭和競爭過程有關，接著為用戶用于傳輸數據時隙。3.一種室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法，在權利要求1-2所述的任一室內可見光通信系統中的動態多用戶接入超幀結構上實現，其特征在于，為時分復用/沖突避免多址接入方法(TDMA/CA)，接入過程包括：(1)在一個超幀的開始，即進入一個時幀時，終端發送一個廣播CTS(CleartoSend)短幀，通知想要接入終端的用戶可以開始競爭接入；(2)用戶接收到CTS廣播后，想要接入終端的用戶根據CA方法發送RTS短幀嘗試接入，在競爭接入過程中如果接入過程中沒有產生碰撞，則終端廣播CTS短幀，告知該用戶已成功接入；如果競爭接入過程中產生碰撞，則申請接入的用戶執行退避算法，重新嘗試接入；(3)當多用戶競爭接入后，終端獲得接入用戶的總數量和接入的用戶信息，給每個接入的用戶進行動態信道時隙分配，緊接著開始動態信道時隙分配階段；(4)終端在控制同步時段CU對所有接入用戶進行同步，通知用戶可以進行數據傳輸；(5)用戶得知可以進行數據傳輸后，判斷在分配的用戶工作時段WU內是否有數據需要傳輸；(6)如果用戶判斷結果是在其WU時段上有要傳輸的數據，則用戶開始傳輸數據；(7)如果用戶判斷結果是在其WU時段上沒有要傳輸的數據，告知終端此WU時段空閑，則終端通知已接入的有傳輸數據需要的用戶通過競爭使用此WU時段，其中一個用戶競爭成功后，使用此WU時段進行傳輸數據；(8)所有接入的用戶在各自WU時段上均執行步驟(5)、(6)、(7)進行數據傳輸，這一超幀時間結束，下一超幀從步驟(1)再次開始，反復運行，實現室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法。4.根據權利要求3所述的室內可見光通信系統中的動態多用戶接入方法，其特征在于，步驟(2)所述的用戶根據CA方法嘗試接入終端，其過程包括：(2.1)接收到CTS信息后，用戶等待一...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵昭磊，尚韜，高妍，楊銀堂，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61