CN101873176B - 一种多用户光学无线双向数据通信系统及方法 - Google Patents
一种多用户光学无线双向数据通信系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信系统及方法。该系统包括：一个接入控制器，连接于外部网络；多个白光LED照明光源，连接于该接入控制器；多个光学探测器，连接于该接入控制器；多个适配器；以及多个用户设备，连接于该适配器，并通过该适配器进行数据的发送和接收；其中，该接入控制器和该适配器中均包含有一个光学无线通信协议模块，该光学无线通信协议模块控制数据帧在自白光LED照明光源到适配器的下行链路以及自适配器到光学探测器的上行链路中进行传输。利用本发明，实现了基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明白光LED技术领域，尤其涉及一种基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信系统及方法。
背景技术
目前白光半导体发光二极管LED以其绿色环保、低功耗正在逐步取代传统的荧光灯和卤素灯，成为下一代照明光源。而LED有别于其它照明光源的另一个重要特点是，它可以被高速调制(MHz)。以照明白光LED作为信号发射器，可实现自由空间光学无线通信。较目前主流的射频无线技术，这种光学无线具有带宽高、无电磁污染、保密性较好等优势。
目前国内外已提出基于照明白光LED的单向传输系统或者简单的点对点双向传输系统，存在较大局限性，只有构建一个本地多点接入的光学无线网络，才能满足用户的实际需求，但目前尚无解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信系统及方法，以实现基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信系统，该系统包括：
一个接入控制器1，该接入控制器1连接于外部网络6；
多个白光LED照明光源2，该白光LED照明光源2连接于该接入控制器1；
多个光学探测器3，该光学探测器3连接于该接入控制器1；
多个适配器4；以及
多个用户设备5，该用户设备5连接于该适配器4，并通过该适配器4进行数据的发送和接收；
其中，该接入控制器1和该适配器4中均包含有一个光学无线通信协议模块，该光学无线通信协议模块控制数据帧在自白光LED照明光源2到适配器4的下行链路以及自适配器4到光学探测器3的上行链路中进行传输。
上述方案中，所述接入控制器1用于驱动白光LED照明光源2和光学探测器3，实现电学信号与光学信号相互转换，且该接入控制器1具备与外部网络数据通信接口，执行数据传输控制协议。
上述方案中，所述适配器4具有发射光源和光学探测器，且能够驱动自身具有的发射光源和光学探测器，具备与不同用户设备交换数据的接口，执行数据传输控制协议。
上述方案中，所述适配器4具有的发射光源是符合人眼安全标准的LED或激光器。
上述方案中，所述适配器具有的发射光源，其发射的光学信号至少覆盖到一个与接入控制器1连接的光学探测器3。
上述方案中，所述适配器具有的光学探测器至少在一个白光LED照明光源2光学信号的覆盖范围内，
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于照明白光LED的光学无线双向数据通信方法，该方法针对不同的用户设备，将其本地数据转换为光学信号，由接入控制器或适配器对光学信号进行收发和处理，采用光学无线通信协议控制各用户设备之间以及各用户设备与外部网络之间进行数据交换。
上述方案中，所述接入控制器1接收到各用户设备5通过适配器4以光信号形式发出的上行数据后，立即发送至外部网络6，并通过白光LED照明光源2进行转发。
上述方案中，所述接入控制器1或所述适配器4每经过一个时隙，检查接收信号，以此来判断信道状态，时隙长度的定义是，在光学无线通信网内的接入控制器或适配器在一个时隙开始时发送信号接入信道，那么在下一个时隙开始时，接入控制器和其它适配器就都能检测到信道已转变为忙态。
上述方案中，所述接入控制器1接收到各用户设备5通过适配器4以光信号形式发至外部网络6的上行数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔后，通过白光LED照明光源2发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，在等待一段时间后，用户设备5通过适配器4重传该上行数据帧。
上述方案中，所述各适配器4收到源站即外部网络6或用户设备5发送给自己的数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔，发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，等待一段时间后，源站如果没有收到正确的确认帧，源站将通过接入控制1或适配器4重传该数据帧。
上述方案中，在所述短帧帧间间隔时间段内，接入控制器1或适配器4由接收方式切换到发送方式，如果收发能同时进行，则短帧帧间间隔等于零。
上述方案中，所述接入控制器1在有来自外部网络6的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到上行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，上行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，等待对方的确认帧，在一定时间范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。
上述方案中，所述适配器4在有来自用户设备的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到下行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，下行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待下行信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余使时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，然后等待确认帧，在一定时间按范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。
上述方案中，所述长帧帧间间隔比短帧帧间间隔多至少一个时隙。
上述方案中，所述接入控制器1或所述适配器4在发送一个数据帧之前，应查询该数据帧的已发送次数，若超过预设值，则应予以丢弃，预设值的大小根据网络环境设置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统及方法，实现了基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信。
附图说明
图1是依照本发明实施例基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统的结构示意图；
图2是依照本发明实施例基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统中接入控制器和适配器的结构示意图；
图3是依照本发明实施例基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统中数据帧发送流程图；
图4是依照本发明实施例基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统中网内各用户数据帧传输的时间关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例基于照明白光LED的光学无线双向数据通信系统的结构示意图，该系统包括：
一个接入控制器1，该接入控制器1连接于外部网络6；
多个白光LED照明光源2，该白光LED照明光源2连接于该接入控制器1；
多个光学探测器3，该光学探测器3连接于该接入控制器1；
多个适配器4；以及
多个用户设备5，该用户设备5连接于该适配器4，并通过该适配器4进行数据的发送和接收；
其中，该接入控制器1和该适配器4中均包含有一个光学无线通信协议模块，该光学无线通信协议模块控制数据帧在自白光LED照明光源2到适配器4的下行链路以及自适配器4到光学探测器3的上行链路中进行传输。
接入控制器1用于驱动白光LED照明光源2和光学探测器3，实现电学信号与光学信号相互转换，且该接入控制器1具备与外部网络数据通信接口，执行数据传输控制协议。
适配器4具有发射光源和光学探测器，且能够驱动自身具有的发射光源和光学探测器，具备与不同用户设备交换数据的接口，执行数据传输控制协议。适配器4具有的发射光源是符合人眼安全标准的LED或激光器。适配器具有的发射光源，其发射的光学信号至少覆盖到一个与接入控制器1连接的光学探测器3。适配器具有的光学探测器至少在一个白光LED照明光源2光学信号的覆盖范围内，
接入控制器1接收到各用户设备5通过适配器4以光信号形式发出的上行数据后，立即发送至外部网络6，并通过白光LED照明光源2进行转发。接入控制器1接收到各用户设备5通过适配器4以光信号形式发至外部网络6的上行数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔后，通过白光LED照明光源2发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，在等待一段时间后，用户设备5通过适配器4重传该数据帧。
各适配器4收到源站即外部网络6或用户设备5发送给自己的数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔，发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，等待一段时间后，源站如果没有收到正确的确认帧，源站将通过接入控制1或适配器4重传该数据帧。
在短帧帧间间隔时间段内，接入控制器1或适配器4可由接收方式切换到发送方式，如果收发能同时进行，则短帧帧间间隔等于零。
请再参照图1，接入控制器连接有若干个白光LED灯和若干个光学探测器。在LED灯和探测器的覆盖范围内，有多台有数据收发的用户设备(如计算机、打印机、传真机)。每台用户设备连接一个适配器。
接入控制器可以连接到外部网络，实现本地网络与外部网络的数据交换。适配器中有光源和光学探测器，可实现光学发射和接收。接入控制器连接的LED灯和光学探测器的数目取决于白光LED和适配器中光源的发射功率、探测器接收灵敏度和环境参数。
接入控制器和适配器的模块组成基本相同，如图2所示，在模块具体功能上有差别。外部接口处理不同接口协议下的数据流，完成数据格式的转换。控制协议实现多个用户设备按一定规则占用信道，实现数据传输。调制驱动连接光源，实现信号的光学发射。探测滤波连接光学探测器，实现光学信号的接收。
在图1中，当设备A有数据要发送时，其数据经过连接的适配器处理，按照一定规则，在某一时间通过适配器的光源发射出去。受限于功耗及人眼安全性问题，适配器的光源功率较小、方向性较强。设备A的发射不能被设备B和C感知监听，只能被接入控制器接连接的光学探测器接收到。接入控制器捕获到信号后，立即将数据通过其连接的照明白光LED转发，这时设备B和C收到该转发信号，于是知道上行信道被占用。接入控制器连接的照明LED灯和光学探测器有较大的覆盖范围，和接入控制器的接收转发机制保证了网内各接入用户设备的信道监听。
本发明还提供了一种基于照明白光LED的光学无线双向数据通信方法，该方法针对不同的用户设备，将其本地数据转换为光学信号，由接入控制器或适配器对光学信号进行收发和处理，采用光学无线通信协议控制各用户设备之间以及各用户设备与外部网络之间进行数据交换。
接入控制器接收到各用户设备通过适配器以光信号形式发至外部网络的上行数据帧后，立即发送至外部网络，并通过白光LED照明光源进行转发。若正确接收，转发完闭后，经过短帧帧间间隔，通过白光LED照明光源发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，在等待一段时间后，用户设备通过适配器重传该数据帧。
适配器收到源站即外部网络或用户设备发送给自己的数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔，发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，等待一段时间后，源站如果没有收到正确的确认帧，源站将通过接入控制或适配器重传该数据帧。
短帧帧间间隔的定义是，在该间隔时间内，接入控制器或适配器可由接收方式切换到发送方式，如果收发能同时进行，则短帧帧间间隔等于零。
接入控制器或适配器每经过一个时隙，检查接收信号，以此来判断信道状态，时隙长度的定义是，在光学无线通信网内的接入控制器或适配器在一个时隙开始时发送信号接入信道，那么在下一个时隙开始时，接入控制器和其它适配器就都能检测到信道已转变为忙态。
接入控制器在有来自外部网络的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到上行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，上行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，等待对方的确认帧，在一定时间范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。
适配器在有来自用户设备的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到下行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，下行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待下行信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余使时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，然后等待确认帧，在一定时间按范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。长帧帧间间隔比短帧帧间间隔多至少一个时隙。
接入控制器或适配器在发送一个数据帧之前，应查询该数据帧的已发送次数，若超过预设值，则应予以丢弃，预设值的大小根据网络环境设置。
图3示出接入控制器和适配器中协议控制帧传输的流程图。当有数据传输请求时，先查询该数据帧的已发送次数，即重传次数，若超过该预设值，丢弃，否则进入下一步处理。首先在一定范围内，产生一个随机的退避时间。然后查询信道，如果空闲，则再过一个长帧帧间间隔(LongInterFrame Space，LIFS)，退避倒计时启动；如果忙碌，退避计数器冻结剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过LIFS后，从剩余使时间开始倒计时。直到退避计数器倒计时为0，退避完成，则立即发送数据帧。
在图1的网络组成基础上，图4为基于照明白光LED的多用户光学无线通信网内的数据帧传输的时间关系。设备A、B、C在不同时间分别有一帧数据(帧1、2、3)上行发送到外部网络，接入控制器有来自外网的发送给设备C的下行数据帧(帧4)。以设备C发送帧3为例，发送过程如下：当设备C有数据发送请求时，监听到接入控制器正在转发设备A的数据帧(Z帧1)，由此判断上行信道忙，于是随机产生一个退避时间，并冻结。当设备A的数据发送完毕，经过短帧帧间间隔(Short InterFrameSpace，SIFS)，接入控制器发送确认帧(Acknowledge，ACK)。当ACK帧发送完毕之后，设备C监听到信道空闲，再经过LIFS后，退避计数器开始倒计时直到零，退避完成，立即将数据(帧3)发送出去。接入控制器对该数据转发(Z帧3)，使得其它设备，包括接入控制器中来自外网的数据请求都冻结退避。发送完毕后，经过SIFS，接入控制器发送ACK帧。设备C正确接收，帧3传输结束。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，应用于基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信系统，该系统包括：
一个接入控制器(1)，该接入控制器(1)连接于外部网络(6)；
多个白光LED照明光源(2)，该白光LED照明光源(2)连接于该接入控制器(1)；
多个光学探测器(3)，该光学探测器(3)连接于该接入控制器(1)；
多个适配器(4)；以及
多个用户设备(5)，该用户设备(5)连接于该适配器(4)，并通过该适配器(4)进行数据的发送和接收；
其中，该接入控制器(1)和该适配器(4)中均包含有一个光学无线通信协议模块，该光学无线通信协议模块控制数据帧在自白光LED照明光源(2)到适配器(4)的下行链路以及自适配器(4)到光学探测器(3)的上行链路中进行传输，其特征在于：
该方法针对不同的用户设备，将其本地数据转换为光学信号，由接入控制器或适配器对光学信号进行收发和处理，采用光学无线通信协议控制各用户设备之间以及各用户设备与外部网络之间进行数据交换；
其中，所述接入控制器(1)接收到各用户设备(5)通过适配器(4)以光信号形式发至外部网络(6)的上行数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔后，通过白光LED照明光源(2)发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，在等待一段时间后，用户设备(5)通过适配器(4)重传该数据帧。
2.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述接入控制器(1)接收到各用户设备(5)通过适配器(4)以光信号形式发出的上行数据后，立即发送至外部网络(6)，并通过白光LED照明光源(2)进行转发。
3.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述接入控制器或所述适配器每经过一个时隙，检查接收信号，以此来判断信道状态，时隙长度的定义是，在光学无线通信网内的接入控制器或适配器在一个时隙开始时发送信号接入信道，那么在下一个时隙开始时，接入控制器和其它适配器就都能检测到信道已转变为忙态。
4.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述适配器(4)收到源站即外部网络(6)或用户设备(5)发送给自己的数据帧后，若正确接收，经过短帧帧间间隔，发送确认帧；若接收有错误，不发送确认帧，等待一段时间后，源站如果没有收到正确的确认帧，源站将通过接入控制(1)或适配器(4)重传该数据帧。
5.根据权利要求4所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，在所述短帧帧间间隔时间段内，接入控制器(1)或适配器(4)由接收方式切换到发送方式，如果收发能同时进行，则短帧帧间间隔等于零。
6.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述接入控制器在有来自外部网络的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到上行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，上行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，等待对方的确认帧，在一定时间范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。
7.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述适配器在有来自用户设备的数据发送请求时，在一定时隙个数范围内产生一个随机退避时间，若监听到下行信道空闲，且经过长帧帧间间隔后，下行信道依旧空闲时，则退避计数器倒计时；否则，冻结退避计数器剩余时间，重新等待下行信道变为空闲并再经过长帧帧间间隔后，从剩余使时间开始倒计时，直到倒计时为零，将数据帧发送出去，然后等待确认帧，在一定时间按范围内，如果没收到，将该数据帧当作新的数据发送请求处理，并记录已发送次数。
8.根据权利要求6或7所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述长帧帧间间隔比短帧帧间间隔多至少一个时隙。
9.根据权利要求1所述的基于照明白光LED的多用户光学无线双向数据通信方法，其特征在于，所述接入控制器或所述适配器在发送一个数据帧之前，应查询该数据帧的已发送次数，若超过预设值，则应予以丢弃，预设值的大小根据网络环境设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20101027 Assignee: Dongguan Qinshang Photoelectric Co., Ltd. Assignor: Semiconductor Inst., Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2015990000263 Denomination of invention: Multi-user optical wireless two-way data communication system and method Granted publication date: 20130501 License type: Common License Record date: 20150430 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130501 Termination date: 20190519 |