CN102498681B - 支持可见光通信的多个拓扑的前导码设计 - Google Patents

支持可见光通信的多个拓扑的前导码设计 Download PDF

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Abstract

一种在可见光通信(VLC)中使用的支持多个拓扑的用于同步的方法，以及用于传送扩展的前导码的方法。所述用于同步的方法包括传送由两部分组成的前导码序列。该前导码序列包括快速锁定图案(FLP)的一次或多次重复，其被配置为用于时钟同步，以及拓扑依赖图案(TDP)的一次或多次重复，其被配置为用于区分多个VLC拓扑。所述用于传送扩展的前导码的方法包括生成扩展的前导码，以及为了维持可见性支持和更好的同步性能，在接收或空闲模式期间传送所述扩展的前导码。

Description

支持可见光通信的多个拓扑的前导码设计
技术领域
本申请一般涉及可见光通信，更具体地，涉及在可见光通信中支持多个拓扑的前导码设计和多个前导码的使用。
背景技术
可见光通信(VLC)是用于在光学透明介质中使用可见光的短距离光学无线通信的新技术。这项技术提供对几百太赫(THz)的未许可频谱的利用。VLC不受与射频(RF)系统相关联的电磁干扰和非干扰问题的影响。VLC还通过允许用户看到数据在通信信道上的传输来提供附加的安全级别。VLC另一个好处是：它增加以及补充现有可见光基础设施的现有服务(例如，照明、显示、指示、装饰等)。VLC网络可以是参加VLC的两个或更多设备的任何网络。
图1描绘了完整的电磁频谱、以及被可见光占用的波长的展开(breakout)。可见光谱的波长范围从大约380nm延伸至780nm，这对应于大约400至790THz的频率范围。由于这个谱很宽并可以支持具有多个颜色的光源，因此VLC技术可以为通信提供大量的信道。
发明内容
技术问题
为了在可见光通信(VLC)中使用，存在应提供用于同步的方法的需要。
为了在可见光通信(VLC)中使用，存在应提供用于传送扩展的前导码的方法的需要。
为了在可见光通信(VLC)中使用，存在应提供用于区分多个VLC传送的方法的需要。
技术方案
本发明提出了一种在可见光通信(VLC)中使用的同步方法。该方法包括传送由两部分组成的前导码序列。该前导码序列包括快速锁定图案(fastlocking pattern，FLP)的一次或多次重复，其被配置为用于时钟同步，以及拓扑依赖图案(topology dependent pattern，TDP)的一次或多次重复，其被配置为用于区分多个VLC拓扑。
本发明提出了一种在可见光通信(VLC)中使用的扩展的前导码的传送方法。该方法包括生成扩展的前导码，以及为了维持可见性(visibility)支持和更好的同步性能，在接收或空闲模式期间传送所述扩展的前导码。
本发明提出了一种在可见光通信(VLC)中使用的多个VLC传输的区分方法。该方法包括接收与第一VLC传输相关联的第一前导码。该方法还包括当确定所述第一前导码与期望的前导码不匹配时，拒绝所述第一VLC传输。该方法还包括接收与第二VLC传输相关联的第二前导码。该方法还包括当确定所述第二前导码与所述期望的前导码匹配时，同步到所述第二VLC传输。
在对下面的具体实施方式进行描述之前，对贯穿本专利文件中所使用的某些词和短语的定义进行阐明是有利的：术语“包括(include)”和“包含(comprise)”以及其派生词意味着包括而不是限制；术语“或”是包含性的，意味着和/或；短语“与......相关联”和“与其相关联”以及派生词可以意味着包括、被包括在内、与......互连，包含，被包含在内、连接到或与......连接、藕接到或与......藕接、可与......通信、与......合作、交错(interleave)、并列(juxtapose)、接近于...、绑定到或与......绑定、具有、具有...属性等；术语“控制器”意指控制至少一个操作的设备、系统或其一部分，这样的设备可以以硬件、固件或软件、或者它们中的至少两个的某个组合来实现。应当注意是：与任何特定控制器相关联的功能可以在本地或者在远端集中或分布。贯穿该专利文件提供了某些词和短语的定义，本领域普通技术人员应该理解的是，在很多情况下，即使不是在大多数情况下，这些定义适用于这样限定的词和短语的现有的以及未来的使用。
附图说明
为了更加完整地理解本公开及其优势，现在结合附图对以下描述进行参考，在附图中相同的参考标记表示相同的部分：
图1描绘了完整的电磁频谱、以及被可见光占用的波长的展开；
图2描绘了能够由VLC启用(enable)的若干示例性通信方法；
图3描绘了由VLC通信支持的示例性拓扑；
图4描绘了对于VLC频谱的不同频率的颜色信道分配的示例；
图5描绘了在VLC通信期间可能出现的光干扰的示例；
图6示出了使用一个前导码的VLC通信与使用多个前导码的VLC通信的比较；
图7描绘了根据本公开的实施例的、用于为时钟和数据恢复(CDR)单元达到快速锁定时间的方法；
图8描绘了根据本公开的优选实施例的、由两部分组成的前导码字段，其可以与传入消息一起被收发器用于获得光学时钟同步并且区分多个拓扑；
图9描绘了根据本公开的一个实施例的、用于在突发(burst)模式传输中使用的前导码字段；
图10描绘了根据本公开的一个实施例的、具有扩展的前导码的VLC传输的示例；
图11描绘了根据本公开的一个实施例的、在空闲和接收块期间使用快速锁定图案的VLC传输的示例；
图12描绘了根据本公开的一个实施例的、扩展的前导码模式的更加详细的示例；
图13描绘了根据本公开的一个实施例的扩展的前导码，其包括用于分离不同类型的VLC干扰的多个前导码类型的串接(concatenation)；以及
图14描绘了根据本公开的实施例的、通过将快速锁定图案并入到基本前导码图案重复中来生成扩展的前导码的方法。
具体实施方式
下面讨论的图1到图14、以及用于描述该专利文件中本公开的原理的各种实施例仅是说明性的，并且不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。本领域普通技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的可见光通信网络中实现。
下列文件和标准描述被特此并入本公开，就像完全在这里阐明一样：
IEEE 802.15.7，提交网址http://www.ieee802.org/15/pub/TG7.html时可以访问；
ECMATC-47，提交网址
http://www.ecma-intemational.org/memento/TC47-M.htm时可以访问；
TG7技术考虑文件(Technical Considerations Document)：IEEE802.15-09-0564-01-0007。
VLC启用具有各种不同要求的广泛的拓扑。图2描绘了能够由VLC启用的若干示例性通信方法。图2(a)示出了对等(peer-to-peer，P2P)通信的示例。在这个示例中，移动电话使用VLC与其他移动电话通信。图2(b)示出了用于近场通信(near field communication，NFC)的P2P VLC通信的另一个示例。在通信距离很短(＜30cm左右)的情况下，可以使用NFC。在NFC中，可以达到非常高的数据速率(＞100Mbps)。在所示的示例中，移动电话使用VLC与膝上型计算机通信。
图2(c)示出了使用星型拓扑的可见LAN(visible LAN，VLAN)系统的示例。在VLAN中，基础设施照明系统也用作接入点，并且为诸如膝上型计算机或移动电话的一个或多个设备启动网络服务。图2(d)示出了被称为信息广播(IB)的广播拓扑的示例。在IB系统中，位于公共场所(例如，商场或博物馆)的显示器(display)可以使用VLC来广播信息(例如，有关设施、方向、或服务的信息)。于是，广播范围内的设备(例如，移动电话)可以接收到该信息。图2(e)示出了被称为车辆广播(vehicular broadcasting，VB)的广播拓扑的另一个示例。VB可以用于，例如，传送来自交通信号或者其他汽车的安全或交通信息。将要理解的是，图2中所示的VLC拓扑和设备仅出于示例性目的。其他VLC拓扑和设备是可能的。
图3描绘了由VLC通信支持的示例性拓扑。例如，VLC支持对等拓扑(图3(a)所示)。使用对等拓扑的VLC通信包括近场通信(NFC)。VLC还支持星型拓扑(图3(b)所示)。使用星型拓扑的VLC通信的示例是可见LAN(VLAN)。VLC还支持广播拓扑(图3(c)所示)。使用广播拓扑的VLC通信的示例包括信息广播(IB)和车辆广播(VB)。VLC还支持在没有数据通信的空闲或接收时段期间的可见性传输(visibility transmission)，以保持光源具有恒定可见性而无闪烁(图3(d)所示)。因此，使用VLC通信可以支持双向、多播和广播功能。
当诸如膝上型计算机和蜂窝电话的至少两个设备连接时会形成微微网(piconet)。当形成微微网时，在连接的持续时间内，一个设备可以作为主设备，其他设备可以作为从设备。微微网可以只包括两个设备(例如，对等拓扑)，或者微微网可以由连接到一个主设备的多个设备组成(例如，星型拓扑)。应该理解的是，虽然本公开的某些实施例参考微微网来描述，但是这样的参考仅出于举例的目的，并且不应该被解释成将本公开限制为这样的网络。
图4描绘了对于VLC频谱的不同频率的颜色信道分配的示例。从这个示例可以看出，可见光谱可以划分为多个颜色通道，以允许VLC在并行信道中操作。有可能的是，可能存在从相邻颜色频带到选定颜色频带的泄漏，这造成相邻颜色干扰。因为光电检测器(接收器)处的频率响应可以非常宽(有时覆盖整个可见光范围频谱)，所以在接收器处必须注意分离多个颜色信道；否则，信道可能相互干扰。
图5描绘了在VLC通信期间可能出现的光的干扰的示例。除了诸如日光、白炽灯和荧光灯的环境光源的干扰之外，VLC还可能经受三种类型的网络干扰：拓扑间干扰(相同颜色)、拓扑内干扰(相同颜色)、相邻颜色干扰(不同颜色)。
图5(a)示出了拓扑间干扰的示例，其可能出现在两个VLC设备502和504以P2P模式通信、但经受来自也使用相同颜色信道的基础设施接入点506的干扰时。图5(b)示出了拓扑内干扰的示例，其可能出现在与VLAN网络中的一个接入点508通信的设备502受到来自附近的第二接入点510的干扰时。拓扑内干扰也适用于车辆拓扑，例如，当汽车受到来自其他汽车或来自多个交通灯的干扰时。图5(c)和5(d)示出了与图5(a)和5(b)相同的物理结构，但是图5(c)和5(d)中的干扰光源在不同(例如，相邻)颜色频带或信道中操作。由于光电二极管可以具有非常宽的频率响应，因此有可能的是，它们可能拾取相邻颜色频带中的信号。除非使用非常尖锐(sharp)的滤波器，否则这可能导致干扰。然而，制造这种滤波器可能昂贵或复杂。
方向性(directionality)既是VLC的优势又是VLC的劣势。如果设备经受干扰，则该设备可能难以将该干扰告知其他设备。例如，参见图5(a)，基础设施接入点506可能不知道P2P设备502和504之间的通信，这是因为P2P设备没有朝向接入点506并且它们可能具有有限的发送功率。因此，有方向的行为(directional behavior)可能有助于干扰管理(由于是有方向的)，但是也可能是一个问题(由于方向性而导致不能解决干扰)。
图6示出了使用一个前导码的VLC通信与使用多个前导码的VLC通信的比较。图6(a)描绘了只使用单一前导码的VLC通信的示例。在这个示例中，接收器606同步到来自不期望的发送器602的前导码。然后，接收器606尝试解码来自不期望的发送器602的头标(header)和数据，并最终在MAC层将其拒绝，但只有在接收器606确定它不是目标接受者(intended recipient)之后才拒绝。与此同时，期望的发送器604尝试与接收器606通信。然而，由于接收器606正忙于解码来自不期望的发送器602的传输，因此接收器606没有监听期望的发送器604的前导码。结果，接收器606完全错过来自期望的发送器604的前导码。因此，具有单一前导码既导致在解码属于不期望的发送器的帧时浪费的努力，又导致错过期望的发送器的帧。
相比之下，图6(b)描绘了根据本公开的实施例的使用多前导码支持的VLC通信的示例。在这个示例中，接收器612监听来自期望的发送器610的具有前导码2的传输。首先，接收器612接收到来自不期望的发送器608的前导码1。由于前导码1是错误的前导码，因此接收器612拒绝前导码1并忽略来自不期望的发送器608的剩余传输。接收器608继续监听直到它接收到来自期望的发送器610的前导码2。一旦接收器612接收到前导码2，它就同步到期望的发送器610的传输。
如图6所示，由于不同的前导码可以用于区分不同的拓扑、相邻LAN网络和微微网、和/或相邻颜色信道，因此接收器可以拒绝来自不期望的发送器的前导码并继续监听直到它得到期望的发送器的前导码，从而节省电力并具有更好的捕获概率。
在最佳情况下，前导码被设计成使得操作信噪比(SNR)低于针对最低数据速率的操作信噪比。误检测概率应该很低，因为头标或有效载荷在不同步的情况下不能被解码。错误报警的概率也应该很低，因为错误报警可能导致接收器不断触发，从而错过有用数据。
在无线通信标准中，多个前导码主要用来区分不同的逻辑信道。前导码设计一般是独立于拓扑的(topology-independent)。由于无线通信系统简直是全向的(相比于VLC)，因此容易定位范围内的所有设备并与其通话，而且不同设备可以互不干扰地工作。传统的无线系统也是针对特定位置中的特定拓扑而构建的。例如，不同的技术可以用于VLAN(例如，802.11)、P2P(例如，蓝牙)、以及车辆拓扑(例如，IEEE 802.11p)；不同技术使用频谱的不同部分并且可以共存。VLC为同一环境内的多个拓扑提供支持，但是由于方向性也允许在多个拓扑上使用相同频谱。许多光学标准(诸如红外数据协会(IrDA)颁布的标准)只使用单一前导码，这是因为它们不像VLC一样为许多拓扑提供服务。
因此，在VLC中存在在多前导码支持的帮助下进行拓扑间、拓扑内、和相邻颜色分离的需要。本公开的实施例以前导码设计和多前导码支持来提供这种分离。在某些实施例中，使用多个前导码及它们的特性来区分不同类型的VLC干扰。提供了基于多个前导码的拓扑间分离、拓扑内分离、和相邻颜色分离。虽然可以构建独立的前导码来提供分离，但是为确保每一不同类型的分离而提供前导码可能需要数百或数千个前导码，这使得系统更加复杂并且前导码的长度会显著增加。不同的实施例修改了前导码的数量、它们的符号(sign)、以及它们覆盖序列(cover sequence)，从而使得相同前导码的多次重复能够提供不同类型VLC干扰之间的分离。下面在表1中总结了这些实施例。
【表1】
  干扰类型   分离方法
  拓扑间干扰(相同颜色)   多个前导码
  拓扑内干扰(相同颜色)   前导码的符号变化
  相邻颜色干扰(不同颜色)   前导码的覆盖序列重复
表1表示在VLC中提供分离的方法。
与每种类型干扰相关联的分离方法反映了本公开的优选实施例。然而，要注意的是，不同的实施例可以排列或组合，以使得任何组合都可以用于VLC的上述三种类型的干扰(或任何其他类型的干扰)。
在本公开的有利的实施例中，使用多个前导码来分离不同的VLC拓扑和/或微微网。这允许VLC接收器与正确的发送器和/或微微网同步，并且不连接到错误的发送器，而因此浪费时间和电力来解码非预期的帧。这也允许接收器拒绝不期望的关联并且迅速连接到期望的拓扑而不错过预期的传输。如图2所示，存在四个主要的IEEE中描述的VLC拓扑(即，P2P、VLAN、IB和VB)以及一个正在为ECMA考虑的拓扑(即，NFC)。多个前导码的使用使得VLC接收器能够区分不同的VLC拓扑。例如，仅为车辆拓扑构造的VLC设备可以基于不同前导码的选择和使用，自动拒绝来自专用于P2P或NFC拓扑的设备的任何传输。
为了确定可能的前导码的数量和前导码长度，要考虑若干因素。每个前导码应该被设计成使得针对解码最低数据速率的操作SNR很高。每个前导码应该具有低的误检测概率，这是因为除非检测到前导码并且接收到的数据与传输时间同步，否则数据不能被解码。每个前导码也应该具有低的错误报警概率，因为错误报警可能使得接收器不断触发并且可能错过有用的传输。期望的是，使不同的前导码的总数最小化，这是因为大量的前导码可能使前导码的选择和设计非常复杂，并且可能导致错误报警。少量的前导码还能够使前导码的长度更短，从而提供更佳的吞吐效率。
图7描绘了根据本公开的实施例的、用于为时钟和数据恢复(CDR)单元达到快速锁定时间的方法。有时有益的是，在前导码中使用101010......图案(pattern)以为CDR单元达到更快锁定时间。101010...图案(或010101...图案)代表帮助CDR电路达到更快锁定的最大转变图案(maximum transitionpattern)。在有利的实施例中，最大转变图案是“1”和“0”比特交替的64个比特，虽然其他最大转变图案也是有可能的。
在某些实施例中，前导码将快速锁定图案与多个拓扑依赖前导码图案相结合以达到快速锁定时间，并提供多个拓扑的分离以及不期望的拓扑的拒绝。图7(a)描绘了拓扑依赖前导码图案的“z”次重复。“z”次重复可以包括用于锁定的时间。相比之下，图7(b)描绘了快速锁定图案的“x”次重复，其后是拓扑依赖前导码图案的“y”次重复。图7(a)中实现锁定所需要的“z”次前导码图案重复可能比使用最大转变图案(10101...)花费更长的时间。因此，通过使用最大转变图案的“x”次重复和拓扑依赖前导码图案的“y”次重复，如图7(b)所示，可以比仅使用前导码图案的“z”次重复更快地实现锁定。
在一个特定的示例中，“x”可以代表64比特的最大转变图案，拓扑依赖前导码图案的“y”次重复可以包括下面表2中所示的图案P1、P2、P3、或P4的4次重复。然而，将理解的是，“x”和“y”的其他值以及其他前导码图案也是可能的。
图8描绘了根据本公开的优选实施例的由两部分组成的前导码字段，其可以与传入消息(incoming message)一起被收发器用于获得光学时钟同步并且区分多个拓扑。前导码字段包括快速锁定图案(FLP)的一次或多次重复，随后是用于区分不同拓扑的不同拓扑依赖图案(TDP)之一的一次或多次重复。MAC可以在时钟速率选择过程中选择用于通信的光学时钟速率。可以以发送器所选择的且接收器所支持的时钟速率来发送前导码字段。在某些实施例中，前导码字段是时域序列，并且没有任何信道编码或线路编码(1inecoding)。
前导码首先以由至少64个交替的1和0组成的可变长度的FLP开始。FLP被固定为以“1010...”图案开始(因此，它以“0”结束)。这个最大转变序列(maximum transition sequence，MTS)被用于在最短时间内锁定CDR电路。一般来说，快速锁定图案长度被选定为不超过如图8所示的最大值。在CDR达到锁定并恢复时钟之前，它没有办法确定所传输的序列的逻辑值。在快速锁定图案之后，四个TDP之一的4次重复被发送。TDP的长度为15比特。TDP应该每两次重复(every other repetition)被反转(invert)一次(图8中表示为～TDP)以提供DC平衡和更好的同步。
图9描绘了根据本公开的一个实施例的、在突发模式传输中使用的前导码字段。对于设备之间的VLC通信，有可能向同一目的地发送长数据流，该长数据流甚至跨越多个帧。在这种情况下，可以使用突发模式，其可以减少前导码重复和连续帧之间的帧间间隔(IFS)。次数减少的前导码重复提高了系统的吞吐量，并且消除了再次训练整个接收器的低效行为，这是因为先前的帧也是从同一发送器发送到该接收器的。对于突发模式传输，只有第一帧包括FLP，如图8所示。后续的帧在突发模式中不包括FLP，因为它已经同步到发送器。因此，图9仅描述了一系列交替的TDP和反转的TDP。这将减少至少一半的前导码长度，并在MAC层提供提高的吞吐量。
一个有利的实施例采用四(4)个TDP序列来分离P2P、VLAN、IB和VB拓扑。用于NFC拓扑的TDP可以独立设计，因为NFC用于非常近的通信(＜30cm)，在这种情况下干扰的概率是最小的。为了确定四个TDP序列，可以搜索卡西米(Kasami)短序列码集。一般情况下，对2n比特Kasami序列的搜索可以产生具有2n-1比特的TDP。在一个示例中，在对长度为十六(16)的Kasami序列的搜索之后，获得了四个15比特的TDP图案P1-P4。表2显示了从该搜索中获得的四个TDP图案。
【表2】
  P1   111101011001000
  P2   001011101111110
  P3   100110000010011
  P4   010000110100101
表2代表用于不同VLC拓扑的4个TDP。
在一个实施例中，这些TDP可以映射到不同的拓扑，如表3所示。要理解的是，对于任何拓扑，可以使用任何TDP图案。表3中的映射仅示范一个具体示例。
【表3】
  前导码   拓扑
  P1   拓扑独立
  P2   对等
  P3   星型
  P4   广播
表3表示将TDP映射到拓扑。
在一个实施例中，前导码图案被反转或“翻转(flip)”，反转的图案用作附加前导码，用来区分拓扑类型内的传输(即，拓扑内分离)。在这里，反转的图案意味着图案中的每一比特从“1”改变为“0”或者从“0”改变为“1”。表4显示了基于表2的前导码图案的反转的TDP。
【表4】
  ～P1   000010100110111
  ～P2   110100010000001
  ～P3   011001111101100
  ～P4   101111001011010
表4代表用于在拓扑类型内进行区分的反转的拓扑依赖图案(TDP)。
在一般的无线系统中，反转的前导码图案与未翻转的(unflipped)前导码图案是不能分辨的，因为通信信道可以提供180度的相移。然而，VLC系统一般使用基于能量的检测以及开关键控调制。因此，通过考虑接收到的相关的符号(sign)，可以确定传送的是TDP还是其反转图案。因此，同一相关器(correlator)可以用于检测前导码图案及其反转图案二者。可以同时搜索拓扑的两种图案，而不需要分离前导码图案。
这种方法可以区分拓扑类型内的两种图案。在VLC中两种图案是足够的，因为在大多数情况下，由于VLC的方向性，单一VLC设备不会受到来自同一颜色和同一拓扑的多个设备的干扰。利用多个颜色的选择可以实现更高的密度，其中多个颜色的选择可以使用相邻颜色分离来分离。
使用前面实施例中所描述的方法，有可能导出和定义用于区分拓扑的更多的TDP，作为在拓扑类型内支持更多图案的可行的替代方案。折衷(tradeoff)可以包括为了定位特定微微网或特定拓扑的发送器而导致的更长的前导码长度和增加的搜索时间。
表5显示了能够如何用TDP和TDP的反转版本来定义拓扑内分离。该表提供两种图案来在拓扑内进行区分。如果需要更多的图案，则可以使用其他方法，诸如生成更多的前导码序列或生成更多的覆盖序列(如下所述)。
【表5】
  TDP   拓扑
  P1，～P1   拓扑独立
  P2，～P2   对等
  P3，～P3   星型
  P4，～P4   广播
表5表示将TDP映射到拓扑。
在另一个实施例中，定义覆盖序列来分离相邻颜色干扰。提供了导出覆盖序列的算法以提供这种分离。还提供了具体的覆盖序列图案。由于在传输过程中为了同步，前导码被重复多次，因此前导码可以根据某一图案进行反转以将该图案与其他图案进行区分。例如，当该图案中的下一数字为0时，则传送前导码P1。当图案中的下一数字等于1时，则传送前导码～P1。这种定义前导码被翻转的顺序的图案是覆盖序列。覆盖序列也可以用作前导码传输结束的标志。例如，当接收器遇到与覆盖序列的最后一个元素相关联的前导码时，接收器知道前导码传输已经结束并且控制和数据将从下一传送码元(symbol)中得出。每个逻辑信道(例如，图4所示的信道)可以被分配一个覆盖序列。
下面的表6列出了七(7)个覆盖序列，它们为七(7)个逻辑颜色信道(诸如图4所示的颜色通道)提供相邻颜色信道分离。每个覆盖序列长度为八(8)，其对VLC提出最少八(8)次VLC的前导码重复的要求。在某些实施例中，这些覆盖序列只在前导码重复图案的末尾应用。例如，如果前导码重复32次，则覆盖序列只在最后的8次重复上应用。虽然表6提供了长度为八(8)的七(7)个覆盖序列，但是将理解的是，另外的覆盖序列，包括那些长度不为八(8)的覆盖序列，也是可能的。
【表6】
  覆盖序列   距离   总和   权重
  C1：00010101   5141211   15   7.79
  C2：00100101   5313111   15   8.09
  C3：00101001   5323011   15   8.23
  C4：00101010   6141210   15   8.65
  C5：01001010   6223020   15   8.75
  C6：01010010   6223020   15   8.75
  C7：01010101   7050301   16   9.41
表6代表用于区分相邻颜色干扰的覆盖序列。
根据一个实施例，生成覆盖序列的算法基于加权度量(weighted metric)。帧同步检测一般基于符号变化。例如，让x(n)，n＝0，...，15表示覆盖序列。作为具体示例，
x(n)＝++++++++++---+-
x(n-1)＝X+++++++++++---+。
计算y(n)＝x(n)x(n-1)(也被称为“差分相关(differential correlation)”)。
对于以上所示的示例，y(n)＝++++++++--+---。
如果接收到的符号图案匹配--+---，那么获得帧同步。
覆盖序列的距离度量取决于不匹配的数量。距离越高意味着错误帧同步的概率越低。越接近序列末尾的距离越重要，这是因为在帧同步序列末尾的判决对确定帧检测而言是至关重要的，并且序列的初始部分在AGC和帧检测算法中可能会消失(get lost)。因此，，我们可以随着距离朝向帧同步序列的末尾靠近，对这些距离施加线性权重。
基于这个算法确定表6中所提供的覆盖序列。将理解的是，使用这个或其他算法可以提供另外的覆盖序列。这些另外的覆盖序列落入本公开的范围内。
以上所述的实施例提供了仅使用四(4)个前导码和七(7)个覆盖序列来分离拓扑间、拓扑内、和相邻颜色干扰的简单机制。为每个干扰类型生成单独的前导码的强制(brute force)方法将需要24*2*7＝256个不同的前导码。对这么多前导码的需求将导致大得多的前导码长度，这是不现实的。
图10描绘了根据本公开的一个实施例的、具有扩展的前导码的VLC传输的示例。在这个实施例中，在帧传输之前扩展前导码。扩展的前导码提供了减少的闪烁和改进的可见性，而且同时提出用于同步的附加时间和用于快速关联的附加接收器训练。这对诸如VB的拓扑可能是非常有益的，在诸如VB的拓扑的情况下，由于移动性、长距离上的通信、和/或短的通信时间表(timeline)而可能存在前导码长度不足的问题。
图10(a)显示了使用前导码块和控制块以及随后的数据块的常规的数据传输。在传输之间，存在空闲或接收块，在空闲或接收块中，VLC发送器不发送任何内容。相比之下，图10(b)显示了每个前导码被扩展成跨越相邻空闲块。因此，在图10(b)中，发送器在扩展的时间内传送前导码。扩展的前导码提供提高的可见性、减少的闪烁以及与接收器更快的同步。使用这些附加的前导码重复来支持可见性可以称为扩展的前导码模式。在有利的实施例中，扩展的前导码模式中的扩展的前导码重复不使用覆盖序列。替代地，常规前导码具有由覆盖序列图案提供的帧结尾。然而，将理解的是，其他实施例可以允许在扩展的前导码重复中使用覆盖序列。
图11描绘了根据本公开的一个实施例的、在扩展的前导码模式中在空闲和接收块期间使用快速锁定图案的VLC传输的示例。在这个实施例中，可以在空闲或接收时段期间传送快速锁定图案(例如，10101010...)以帮助提供减少的闪烁和提高的可见性，而且同时提供更快更好的同步。
在某些实施例中，MAC数据帧被发送到PHY层，并成为PHY有效载荷，也被称为物理层服务数据单元(PSDU)。PSDU的前面带有前导码序列和包含以八位字节表示的PSDU长度的PHY头标(PHR)。前导码序列使接收器能够实现码元同步。
图11(a)显示了使用前导码块和PHR块以及随后的PSDU块的常规的数据传输。在传输之间，存在空闲或接收块，在空闲或接收块中，VLC发送器不发送任何内容。相比之下，图11(b)显示了在每个空闲/接收块期间传送FLP。空闲/接收块的长度可能不是FLP长度的整数倍。在这种情况下，可以接受截断(truncate)FLP并传送FLP的一部分以保持可见性。FLP提供了提高的可见性、减少的闪烁以及与接收器更快的同步。
在另一个实施例中，FLP的多次重复(例如，4次重复)后面跟随TDP的多次重复(例如，4次重复)。在每个空闲/接收块期间传送重复的图案。在其他实施例中，FLP和TDP的重复次数可以增加或减少。
图12描绘了根据本公开的一个实施例的、扩展的前导码模式的更加详细的示例。在这个实施例中，空闲时间块1102后面是重复的前导码时段1104。媒体访问控制(MAC)层使用空闲时间块1102的知识(knowledge)来确定存在多少空闲时间。然后MAC层增加传送的前导码重复1106的次数以覆盖空闲时间块1102。使扩展的前导码与下一帧传输的现有前导码相邻。MAC层可以选择在空闲时间块1102传送可见性图案(visibility pattern)还是传送扩展的前导码。该选择经由MAC-PHY接口指示给物理(PHY)层。例如，可以在MAC中设置诸如“macUseExtendedPreamble”的变量以指示在可见性图案或扩展的前导码传输之间的选择。在某些实施例中，空闲时间的长度可能不是前导码长度的整数倍。在这种情况下，可以接受发送前导码的一部分(例如，后面的部分)以保持可见性。前导码的这个部分可以称为截断的前导码。
图12描绘了截断的FLP前导码1108的示例。在图12中，前导码图案显示为图案“1010”。附加的“1010”前导码块1106被重复以填充空闲时间块1102。由于空闲时间块1102不是FLP“1010”的整数倍，因此可以发送前导码图案的一部分(例如，“010”)以完成空闲时间。虽然图12显示了在扩展的前导码模式中在整个前导码之前传送截断的FLP前导码1108，但是将理解的是，截断的FLP前导码1108可以在其他时间(诸如帧结束之后)传送。
图13描绘了根据本公开的一个实施例的扩展的前导码，其包括用于分离不同类型的VLC干扰的多个前导码类型的串接。扩展的前导码是由多部分组成的前导码，其通过多个前导码类型(每种类型被设计成分离一种类型的VLC干扰)的串接来分离不同的VLC干扰类型(例如，拓扑间分离、拓扑内分离、相邻颜色分离)。在所示的实施例中，扩展的前导码1200包括3个前导码块1202、1204和1206。前导码块1202包括被配置为分离拓扑间干扰的前导码类型1的前导码。前导码块1204包括被配置为分离拓扑内干扰的前导码类型2的前导码。前导码块1206包括被配置为分离相邻颜色干扰的前导码类型3的前导码。可以基于Kasami代码集序列搜索为每个干扰类型生成不同的前导码。不同的前导码可以被串接以形成更大的扩展的前导码图案，其可以区分所有不同的干扰类型。
如图13所示，每个前导码类型的长度和每个类型中图案的数量可以是可变的。例如，在前导码块1202中可以有“P”个前导码类型1的图案，在前导码块1204中可以有“Q”个前导码类型2的图案，并且在前导码块1206中可以有“R”个前导码类型3的图案。相同前导码类型内的前导码之间的互相关(cross-correlation)可以非常好。不同前导码类型的前导码之间的互相关可能不好。因此，对于接收器而言重要的是，知道这个联合编码的前导码序列的结构，以便当它找到正确类型时可以在正确的点停止相关。例如，在这种情况下，接收器必须首先仅寻找前导码类型1，随后是前导码类型2和前导码类型3。将理解的是，图13所示的干扰类型的顺序(拓扑间、拓扑内、以及相邻信道分离)仅出于说明的目的。干扰类型的其他顺序也是可能的。
图14描绘了根据本公开的实施例的、通过将快速锁定图案并入到基本前导码图案重复中来生成扩展的前导码的方法。类似于图7(a)，图14(a)描绘了长度为“L”的前导码的“p”次重复。相比之下，图14(b)显示了新的前导码图案，其在每个前导码的开始处附加快速锁定最大转变序列(MTS)(例如，10101...或01010...)。新的前导码具有长度“M”。然而，仅需要新的前导码的“Q”次重复来实现锁定。这使得整体锁定时间比图14(a)中的前导码图案快。
在其他实施例中，最大转变序列可以并入或添加到前导码的一部分中而不是前导码的开始处(例如，前导码中间或末尾)。在其他实施例中，其他快速锁定图案(例如，100100100...，11001100...，等)可以代替最大转变序列用于锁定。
VLC已经被证明对于广泛的拓扑是有用的。期望不对每一个VLC传输都进行检测，这是因为一些VLC设备是针对单一拓扑或拓扑的子集而构建或优化的。对于诸如VB的拓扑，时间是非常重要的，因为设备之间总的通信时间可能很短。支持VLC的多个前导码允许分离和拒绝不同拓扑的干扰，并且使得能够连接到期望的微微网或传输。
虽然已经利用示例性实施例描述了本公开，但是可能向本领域技术人员暗示了进行各种变化和修改。意图使本公开涵盖落入所附权利要求的范围内的这些变化和修改。

Claims (12)

1.一种在可见光通信(VLC)中使用的用于同步的方法，该方法包括：传送由两部分组成的前导码序列，所述前导码序列包括：
快速锁定图案(FLP)的一次或多次重复，其被配置以用于时钟同步，以及
拓扑依赖图案(TDP)的一次或多次重复，其被配置以用于区分多个VLC拓扑。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述FLP是具有重复的101010...图案的最大转变序列(MTS)。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述TDP用于区分四个VLC拓扑，这四个VLC拓扑是：对等、星型、广播和可见性。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述TDP是从多个预定TDP中选择的，每个预定TDP与Kasami序列相关联。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述多个预定TDP包括15比特的图案“111101011001000”、“001011101111110”、“100110000010011”、和“010000110100101”。
6.如权利要求1所述的方法，其中，为了更好的同步性能，所述TDP的一次或多次重复中的至少一次重复被反转。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述TDP的一次或多次重复中的隔次重复被反转。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述由两部分组成的前导码序列在第一帧中传送，所述方法还包括：
在突发模式中，在第二帧中传送没有FLP的前导码序列。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述FLP的长度是可变的。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述FLP的长度在64和16384比特之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中，为了确定拓扑，所述TDP被重复4次。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述前导码序列使用开关键控调制传送。
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