CN103259592A - 一种可见光通信网与wlan融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光通信网与WLAN融合方法，属于无线网络技术领域。本发明的多个可见光热点与一个服务器及WLAN接入节点有线连接，可见光通信网只提供下行链接，各可见光热点之间使用相同频率的光波，移动节点配备可见光接收机及WLAN收发机，融合方法包括移动节点接入及切换两个阶段。本发明利用了可见光波的免费频谱及可见光通信网的高速下行传输速度，大大提高了WLAN的网络传输速度和系统容量 。

Description

一种可见光通信网与WLAN融合方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，更准确地说，本发明涉及一种可见光通信网与WLAN的融合方法。

背景技术

随着数据业务的大幅增长，无线网络必须提供更大的容量和更高效的频谱利用率。然而大多数无线电波频谱资源已经分配完毕，此外无线电波还会对相邻的设备产生干扰，无线网络正遭遇容量瓶颈。

可见光通信技术是近几年兴起的无线通信技术，它能够解决无线通信频谱资源日益拥挤的难题。可见光通信网使用免费的可见光频谱资源，它不仅能够避免电磁干扰而且还能使用LED节能材料在提供照明的同时传输数据。

尽管在室内可见光通信技术相比无线电波系统存在较大的优势，但仍有一些难题需要解决。首先，可见光网络使用的LED照明设备是天然的广播器件，但如何为分布式的移动节点提供可见光上行传输链路是一个难点。其次，由于接收端的移动或者旋转经常导致可见光通信链路中断，因此有必要建立链路恢复及切换机制。为了解决可见光通信和无线电波技术的上述缺陷，很有必要研究一种有机融合可见光与无线电波的混合系统。

发明内容

本发明的目的是：提供一种可见光通信网与WLAN的融合方法，从而利用可见光波的免费频谱及可见光通信网的高速下行传输速度，提高WLAN的网络传输速度和系统容量。

本发明的可见光通信网与WLAN异构网络系统，包括多个可见光热点、服务器及WLAN接入节点，多个可见光热点与服务器及WLAN接入节点之间为有线连接，可见光通信网只提供下行链接，各可见光热点之间使用相同频率的光波，移动节点配备可见光接收机及WLAN收发机。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1）接入阶段：移动节点通过WLAN发送接入请求，若处于可见光热点覆盖区域，则优先接入可见光通信网，否则接入WLAN。

2）切换阶段：若移动节点处于相邻可见光热点重叠覆盖区域的持续时间少于设定阈值，则移动节点在不同的可见光热点覆盖区域之间执行水平切换，否则当移动节点在可见光热点重叠覆盖区域时将从可见光通信网垂直切换至WLAN；若移动节点运动至可见光通信网覆盖边缘或光链路中断时，则执行垂直切换至WLAN。

可见光网络与WLAN融合的具体方法包括：

1-1）移动节点通过WLAN申请上行信道并设置计时器1，如移动节点申请到上行信道后，则进入步骤1-2）；若当计时器1计时结束时，移动节点仍无法申请到空闲上行信道，则接入失败； 

1-2）移动节点检测其是否在可见光网络覆盖区域，若不在，则转步骤1-7）；若在，则设置计时器2，并进入步骤1-3）；

1-3）移动节点通过WLAN上传其所在可见光热点的数据帧帧头和信道状况，服务器接收到此信息后译码可见光通信数据帧帧头文件中的识别码，若识别码属于可见光热点重叠覆盖区域则通过WLAN发送时隙分配失败信息；若识别码显示移动节点没有处于可见光热点重叠覆盖区且光信道增益大于阈值，服务器向移动节点所在的可见光热点发送同步序列及时隙分配信息；

1-4）移动节点若没有接收到同步序列及时隙分配信息或者时隙分配失败信息，则判断计时器2是否计时结束，若没有结束则继续等待，若结束则转入步骤1-7）；

1-5）若移动节点接收到同步序列及时隙分配信息，则接收数据并判断数据接收是否正确，若接收数据发生错误，则通过WLAN向服务器发送接入失败信息，并转步骤1-2），服务器接收到移动节点的接入失败反馈后中断数据传输；若接收数据正确，则在一帧结束后返回步骤1-1）；

1-6）若移动节点接收到时隙分配失败信息，则判断计时器2是否结束，若已经结束则转入步骤1-7），若未结束，移动节点则随机等待一段时间后转步骤1-3）。

1-7）移动节点向WLAN发送接入请求，若接入成功则发送数据并设置计时器3，当计时器3计时结束后转步骤1-2）。

本发明的进一步特征在于：在移动节点接入可见光通信网阶段中，不同的可见光热点被赋予不同的识别号，且相邻热点的识别号相加与其他热点的识别号不同，服务器能够根据识别号之和唯一地判别某一组相邻的可见光热点。

本发明的进一步特征在于：可见光热点周期性地广播光信号，信号帧分为帧头和数据传输时隙两部分，帧头包括同步序列、训练序列和热点识别号三部分。同步序列的作用是使移动节点与可见光热点达到同步；训练序列的作用是使移动节点能够检测可见光信道的信道质量并通过WLAN反馈给服务器；热点识别号的作用是使得服务器能够获知移动节点在网络中的位置。

本发明的进一步特征在于：在移动节点切换阶段中，其在可见光与WLAN异构网络中的垂直切换和水平切换算法是由光信号的强弱，可见光热点的最大容纳节点数，WLAN上下行信道数量及移动节点的数据业务服务质量多种因素决定的。计时器的时间设置阈值包含WLAN及服务器处理信息的时间，与移动节点的运动速度成反比。

本发明的有益效果如下：本发明提出了可见光通信网与WLAN的融合方法，其优点是利用了可见光波的免费频谱及可见光通信网的高速下行传输速度，大大提高了WLAN的网络传输速度和系统容量。

附图说明

图1为可见光通信网与WLAN混合系统示意图。

图2为可见光通信网数据帧格式示意图。

图3为移动节点接入及切换协议示意图。

图4为服务器端协议示意图。

图5为WLAN接入点协议示意图。。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，多个可见光热点与一个服务器及WLAN接入节点有线连接，可见光热点安装在天花板上。服务器已知所有可见光热点的位置及其识别号，若移动节点进入热点覆盖区域则向服务器发送该区域热点的识别号以便让服务器获知移动节点的位置。服务器通过定位移动节点为其分配传输时隙并通知其服务热点发送下行数据。WLAN系统用来处理移动节点接入请求并为其分配上行信道，且当移动节点处于可见光通信网覆盖范围以外时提供下行传输信道。移动节点配备可见光接收机及WLAN收发机，这使得移动节点可以使用WLAN发送接入请求及传输上行数据，利用可见光通信网接收信息。

为了降低系统的复杂度，所有的可见光热点使用相同频率的光。因此在可见光热点重叠覆盖区域的移动节点无法正确地接收信号，这是因为相邻的可见光热点产生了同频干扰。若移动节点在此重叠覆盖区域的时间大于阈值，则执行垂直切换。可见光数据帧格式见图2，它分为两部分：第一部分是头文件，包含热点识别号、同步及训练序列。热点识别号的作用是使得服务器能够获知移动节点在网络中的位置；同步序列用来同步移动节点和可见光热点；训练序列的作用是使移动节点能够检测可见光信道的信道质量并通过WLAN反馈给服务器。若移动节点处于热点重叠覆盖区域，其接收到的识别号为相邻两个热点识别号的和。识别号必须满足以下条件：

其中i,j表示相邻的可见光热点的序号，表示模2和。服务器能够通过译码接收到的识别号判断移动节点是否进入重叠覆盖区域以确定是否需要进行垂直切换。可见光数据帧第二部分是数据传输时隙，采用的接入机制是时分复用。在可见光热点覆盖区域，每个移动节点在一帧内只能使用一个时隙下载数据。若移动节点的数量大于可见光热点最大时隙数目，则进入的移动节点将垂直切换至WLAN。

如图3所示，初始时刻移动节点通过WLAN的控制信道申请上行信道，协议设置计时器1是为了避免申请过程中无穷循环。一旦此过程失败，移动节点则无法接入可见光网络或WLAN。若移动节点进入可见光热点覆盖区域，则等待直到接收到可见光数据帧中的头文件，然后移动节点发送接收到的头文件信息及可见光信道质量给WLAN接入点。计时器2用来限制接入可见光通信网的等待时间，若移动节点等待时间大于计时器2设置时间，则接入WLAN。如图4和5所示，WLAN接入点接收移动节点接入请求并根据闲置WLAN信道数反馈成功或失败信息给移动节点。如果WLAN接入点接收到的是可见光网络接入请求，则将此请求转发给服务器，若是WLAN接入请求则根据WLAN信道是否满足服务质量判断是否接受该移动节点接入。当服务器接收到来自WLAN接入点转发来的移动节点接入可见光网络请求时，它译码接收到的数据帧的头文件，若识别码属于可见光热点重叠覆盖区域，服务器则通过WLAN发送时隙分配失败信息；若识别码不属于可见光热点重叠覆盖区域，服务器通过识别码找到移动节点所在的可见光热点并发送同步码和时隙分配信息。如图3，当移动节点成功接收同步及时隙分配信息后，则下载数据直到一帧结束。然而，若移动节点在此过程中出现下载数据失败，则产生如步骤F所示的垂直或者水平切换。当移动节点从一个可见光热点移动到另一个时，它首先会进入重叠覆盖区域，在该区域中移动节点由于受到热点之间的同频干扰而无法正确接收数据。在此情况下，移动节点通过WLAN发送下载数据失败信息给服务器，服务器则根据此反馈信息释放可见光热点的时隙资源。同样的情况发生在移动节点处于可见光热点覆盖边缘区域时。此外，如果移动节点处于重叠覆盖区域或者热点覆盖区域外的时间少于计时器2设置的时间，同时移动节点没有接收到时隙分配的反馈信息，则随机等待一段时间后尝试重新发送可见光接入请求。

在此混合系统中，垂直切换意味着移动节点从WLAN切换至可见光网络或者从可见光网络切换至WLAN。如图3所示，垂直切换可以表示为步骤C到步骤E；另一方向的垂直切换是从步骤A，步骤B，步骤C直到步骤D。

水平切换出现在移动节点从一个可见光热点运动到另一个热点。如图3所示，在步骤G中随机等待一段时间后，若移动节点进入一个新的热点覆盖区，尽管计时器2时间已经结束，移动节点仍然接收新的可见光数据帧并反馈新的可见光头文件及光信道质量给服务器，这样就完成了在不同热点之间的水平切换。然而，若移动节点在随机等待一段时间且计时器2已经结束的情况下，移动节点将进行垂直切换而不是水平切换。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）接入阶段：移动节点通过WLAN发送接入请求，若处于可见光热点覆盖区域，则接入可见光通信网，否则接入WLAN；

2）切换阶段：若移动节点处于相邻可见光热点重叠覆盖区域的持续时间少于设定阈值，则移动节点在不同的可见光热点覆盖区域之间执行水平切换，否则，将从可见光通信网垂直切换至WLAN；若移动节点运动至可见光通信网覆盖边缘或光链路中断时，则执行垂直切换至WLAN。

2.根据权利要求1所述的可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于，所述步骤1）的具体步骤如下：

1-1）移动节点通过WLAN申请上行信道并设置计时器1，如移动节点申请到上行信道后，则进入步骤1-2）；若当计时器1计时结束时，移动节点仍无法申请到空闲上行信道，则接入失败； 

1-2）移动节点检测其是否在可见光网络覆盖区域，若不在，则转步骤1-7）；若在，则设置计时器2，并进入步骤1-3）；

1-3）移动节点通过WLAN上传其所在可见光热点的数据帧帧头和信道状况，服务器接收到此信息后译码可见光通信数据帧帧头文件中的识别码，若识别码属于可见光热点重叠覆盖区域则通过WLAN发送时隙分配失败信息；若识别码显示移动节点没有处于可见光热点重叠覆盖区且光信道增益大于阈值，服务器向移动节点所在的可见光热点发送同步序列及时隙分配信息；

1-4）移动节点若没有接收到同步序列及时隙分配信息或者时隙分配失败信息，则判断计时器2是否计时结束，若没有结束则继续等待，若结束则转入步骤1-7）；

1-5）若移动节点接收到同步序列及时隙分配信息，则接收数据并判断数据接收是否正确，若接收数据发生错误，则通过WLAN向服务器发送接入失败信息，并转步骤1-2），服务器接收到移动节点的接入失败反馈后中断数据传输；若接收数据正确，则在一帧结束后返回步骤1-1）；

1-6）若移动节点接收到时隙分配失败信息，则判断计时器2是否结束，若已经结束则转入步骤1-7），若未结束，移动节点则随机等待一段时间后转步骤1-3）；

1-7）移动节点向WLAN发送接入请求，若接入成功则发送数据并设置计时器3，当计时器3计时结束后转步骤1-2）。

3.根据权利要求1或2所述的可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于：不同的可见光热点被赋予不同的识别号，且相邻热点的识别号相加与其他热点的识别号不同，服务器能够根据识别号之和唯一地判别某一组相邻的可见光热点。

4.根据权利要求1或2所述的可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于：可见光热点周期性地广播光信号，信号帧分为帧头和数据传输时隙两部分，帧头包括同步序列、训练序列和热点识别号三部分；同步序列的作用是使移动节点与可见光热点达到同步；训练序列的作用是使移动节点能够检测可见光信道的信道质量并通过WLAN反馈给服务器；热点识别号的作用是使得服务器能够获知移动节点在网络中的位置。

5.根据权利要求1或2所述的可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于：所述步骤2）中垂直切换和水平切换的算法是由光信号的强弱、可见光热点的最大容纳节点数、WLAN上下行信道数量及移动节点的数据业务服务质量决定。

6.根据权利要求1或2所述的可见光通信网与WLAN融合方法，其特征在于：所述步骤2）中的设定阈值包含WLAN及服务器处理信息的时间，并与移动节点的运动速度成反比。

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