CN106888051A - 室内可见光通信系统动态多用户接入超帧结构和接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法，主要解决现有多用户接入中碰撞概率大，信道资源利用率低的问题。本发明的超帧结构定义了多用户竞争接入阶段和动态信道时隙分配阶段，同步时段和用户工作时段构成动态信道时隙分配阶段；多用户接入方法包括有：在接入阶段针对多用户竞争引入冲突避免；在动态信道时隙分配阶段，基于优先级的时隙分配算法对用户时隙分配；引入空闲时隙竞争机制，充分利用用户空闲时隙，将用户不进行传输数据的时隙分配给其他用户竞争使用。本发明减少了多用户接入时的碰撞概率，提高了吞吐量，减少了信道带宽资源的浪费，可以用于室内可见光通信领域，也可延伸至无线光通信领域。

Description

室内可见光通信系统动态多用户接入超帧结构和接入方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及室内可见光通信的接入技术，具体是一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法，用于多用户的室内可见光通信系统中多用户接入。
背景技术
室内可见光通信(Visible light communication,VLC)是近年来迅速发展的一种新型无线通信方式，它将照明与通信相结合，在LED照明设施上增加数据传输功能，通过LED光源高速明暗闪烁来传递信息。相比射频无线通信而言，室内可见光通信具有可利用带宽大且不用授权、不会产生电磁辐射、安全性高等特点，可以应用于医院、加油站、机舱等要求电磁干扰小，安全性要求高的场所，而且能够有效缓解当前射频频带紧张问题，成为一种全新的室内无线通信网络的宽带接入方式。
由于发光二极管(light emitting diode，LED)具有许多优点，如节约能源和保护环境、良好的照明效果、可持续利用时间长等，使它成为未来的主要照明方式。LED所发出的光线是自然光，不易伤害到人类的双眼。随着白光LED技术日趋成熟，未来的照明装置将更多的采用LED阵列布局，会使得照明的能耗大幅度降低。
因此，将基于LED照明光源的VLC技术应用于下一代无线通信中具有可行性基础，是构建室内无线通信系统的一个备用选择，具有很大的工程应用前景。
在室内VLC系统中，存在移动多用户接入情况，由于LED终端上可集成的光探测器数目有限，而且在可见光通信网络中波长资源有限，多个使用相同波长的用户同时请求接入时会产生碰撞，降低网络的通信效率。因此，如何避免碰撞，有效的完成用户接入，是室内VLC系统急需解决的问题。在无线通信中存在的多址接入协议有固定多址接入协议(如TDMA、FDMA、CDMA等)、随机多址接入协议(如CSMA/CD、CSMA/CA等)。由于光载波不能监听信道状态，所以在无线通信中传统的多址接入方法不能简单地，直接用于室内可见光通信系统中。
解决多用户接入问题是室内可见光通信发展的关键技术之一。目前，针对这方面的研究相对较少。下面是几种解决方法：
IEEE 802.15.7提供了一种使用时隙CSMA/CA来避免碰撞的思想，但是它没有介绍多用户接入系统的详细步骤和具体方案。
J.Liu等人在“Experiment on Space and Time Division Multiple AccessScheme over Free Space Optical Communication”中提出一种空分/时分多址接入技术(SD/TDMA)，但是当用户移动时旋转反射镜的角度很难去定义，所以这个方法不适合移动网络。
Ratna Kalos Zakiah Sahbudin and Mazlin Kamarulzaman等人在“Performanceof SAC OCDMA-FSO communication systems”中提出使用光码分多址接入技术(OpticalCDMA)作为无线光通信的接入技术，但是当用户增多时，直接序列扩频很难保持完全正交，多址干扰将会变得严重。
综上，在室内可见光通信系统中，现有的多用户接入技术主要存在承担的接入用户数量有限，多用户接入时碰撞概率大，信道资源利用率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法。
本发明是一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构，其特征在于，每个超帧包括有两部分，一部分是冲突避免(CA，collide avoid)竞争接入阶段，紧接着是TDMA动态信道时隙分配阶段，所述冲突避免竞争接入时段采用CA方法，完成多个用户接入终端过程；所述TDMA动态信道时隙分配阶段采用改进的动态时隙分配的TDMA协议，完成用户与终端间的数据传输；TDMA动态信道时隙分配阶段划分为N+1个时段，其中第一时段为控制同步时段CU，紧接着为N个连续且各自独立的用户工作时段WU，同步时段CU用于完成终端与用户的同步并告知用户TDMA动态信道时隙分配的结果；N个用户工作时段用于各用户传输数据。
本发明的超帧结构利用了固定多址接入协议的优势，在多用户传输数据情况下，保证每个用户均分配到合适的信道资源，使信道资源得到充分利用，并在用户传输数据过程中不产生冲突碰撞，得到很高的吞吐量；
本发明还是一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，在权利要求1-2所述的任一室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构上实现，其特征在于，为时分复用/冲突避免多址接入方法(TDMA/CA)，接入过程包括：
(1)在一个超帧的开始，即进入一个时帧时，终端发送一个广播CTS(Clear toSend)短帧，通知想要接入终端的用户可以开始竞争接入；
(2)用户接收到CTS广播后，想要接入终端的用户根据CA方法发送RTS短帧尝试接入，在竞争接入过程中如果接入过程中没有产生碰撞，则终端广播CTS短帧，告知该用户已成功接入；如果竞争接入过程中产生碰撞，则申请接入的用户执行退避算法，重新尝试接入；
(3)当多用户竞争接入后，终端获得接入用户的总数量和接入的用户信息，给每个接入的用户进行动态信道时隙分配，紧接着开始动态信道时隙分配阶段；
(4)终端在控制同步时段CU对所有接入用户进行同步，通知用户可以进行数据传输；
(5)用户得知可以进行数据传输后，判断在分配的用户工作时段WU内是否有数据需要传输；
(6)如果用户判断结果是在其WU时段上有要传输的数据，则用户开始传输数据；
(7)如果用户判断结果是在其WU时段上没有要传输的数据，则终端通知已接入的有传输数据需要的用户通过竞争使用此WU时段，其中一个用户竞争成功后，使用此WU时段进行传输数据；
(8)所有接入的用户在各自WU时段上执行步骤(5)、(6)、(7)进行数据传输，这一超帧时间结束，下一超帧从步骤(1)再次开始，反复运行，实现室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法。
本发明的思路是：提出一种减少碰撞概率，提高吞吐量，减少带宽资源浪费的室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明提出的一种在室内可见光通信系统动态多用户接入中的超帧结构，此超帧结构设计综合了固定多址接入协议和冲突避免的各自优势，利用了冲突避免的优势，解决无线光通信中无法监听信道的问题，减少多用户接入时的碰撞概率；利用了固定多址接入协议的优势，保证每个用户均分配到合适的信道资源，充分利用信道资源，减少用户传输数据过程中的碰撞概率，提高吞吐量。
2.本发明在动态时隙分配阶段引入了空闲时隙竞争机制，当用户在分配的工作段内没有数据传输，则终端通知其他用户竞争使用此空闲时隙，其他需要传输数据的用户可以使用此空闲时隙传输数据，避免了在动态时隙分配阶段用户在工作时段不传输数据时产生空闲时隙导致信道资源浪费问题，更充分地使用信道带宽资源。
3.本发明在动态信道时隙分配阶段，采用了一种基于优先级的动态时隙分配算法(PDSA)，终端根据用户的总数量、优先级及用户需要传输的数据量动态地分配信道时隙给用户，满足不同用户对信道资源的需求，更好的利用信道资源。
附图说明：
图1：是本发明的室内可见光通信系统动态多用户接入方法整体流程图；
图2：是本发明TDMA/CA的超帧结构总体示意图；
图3：是本发明TDMA/CA的超帧结构中动态信道时隙分配阶段的帧内结构示意图；
图4：是本发明多个用户节点接入时竞争接入阶段示意图；
图5：是本发明基于优先级的动态时隙分配算法(PDSA)的性能对比图，其中图5(a)是采用了优先级的动态时隙分配算法时每个用户分配的时隙数，图5(b)是采用平均时隙分配时用户分配的时隙数；
图6：是本发明中有无空闲时隙竞争机制的性能对比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作详细描述：
实施例1
在无线通信中，多用户接入问题上已经很有很多解决方法，如固定多址接入协议、随机多址接入协议等，能很好地解决无线通信中多用户接入碰撞问题和信道资源浪费问题，在室内可见光通信中，由于光载波不能监听信道状态，所以在无线通信中传统的多址接入方法不能简单地，直接用于室内可见光通信系统中。室内可见光通信是近年来迅速发展的一种新型无线通信方式，它有着十分广阔的应用前景，本发明是在本技术领域进行开发与研究，本发明提出一种室内可见光通信系统动态多用户接入方法和超帧结构，可以很好地解决室内可见光系统多用户接入时接入碰撞和资源浪费问题。
本发明是一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构，参见图2，本发明的每个超帧在时间轴上相当于一个传统意思上的时帧，每个超帧包括有两部分，一部分是冲突避免(CA，collide avoid)竞争接入阶段，参见图2，紧接着是TDMA动态信道时隙分配阶段，本发明在冲突避免竞争接入阶段采用CA方法，CA方法即改进的CSMA/CA协议，用CA方法完成多个用户接入终端过程；本发明的TDMA动态信道时隙分配阶段采用改进的动态时隙分配的TDMA协议，完成用户与终端间的数据传输。本发明的TDMA动态信道时隙分配阶段划分为n+1个时段，其中第一时段为控制同步时段CU，紧接着为n个连续且各自独立的用户工作时段WU，参见图3，换一种说法是依据时间顺序依次设有第一时段CU和n个连续且各自独立的用户工作时段WU。WU为分配给对应用户节点的工作时段。动态信道时隙分配阶段的第一个时段是控制同步时段，同步时段CU用于完成终端与用户的同步并告知用户TDMA动态信道时隙分配的结果；其后的n个用户工作时段用于各用户传输数据。
本发明提出的一种在室内可见光通信系统动态多用户接入中的超帧结构，此超帧结构设计综合了固定多址接入协议和冲突避免的各自优势，利用了冲突避免的优势，解决无线光通信中无法监听信道的问题，减少多用户接入时的碰撞概率；利用了固定多址接入协议的优势，保证每个用户均分配到合适的信道资源，充分利用信道资源，减少用户传输数据过程中的碰撞概率，提高吞吐量。
实施例2
室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构的构成同实例1，WU工作时段的结构以竞争时隙开始，其竞争时隙的多少与是否竞争和竞争过程有关，接着为用户用于传输数据时隙。
参见图3，如果分配到此WU工作时段的用户有数据需要传输，则此WU工作时段不包括用于竞争的时隙，用户直接在此WU工作时段中传输数据，如果分配到此WU工作时段的用户没有数据需要传输，则用户在WU工作时段向终端发送RTS短帧，告知此WU工作时段空闲，终端接收到RTS后广播BTS短帧，通知其他用户竞争使用此WU工作时段，其他用户接收到BTS短帧后发送RTS短帧竞争此WU工作时段，竞争完毕后，终端发送CTS短帧告知竞争成功的用户使用此WU工作时段进行数据传输。
实施例3
本发明还是一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，室内可见光通信系统包括有用户，终端，用户和终端之间通过可见光实现通讯。室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法在上述的任一室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构上实现，参见图1，本发明也称为时分复用/冲突避免多址接入方法(TDMA/CA)，接入过程包括：
(1)在一个超帧的开始，即进入一个时帧时，多个用户开始接入终端，终端发送一个广播CTS(Clear to Send)短帧，通知想要接入终端的用户可以开始竞争接入。
(2)用户接收到CTS广播后，想要接入终端的用户根据CA方法发送RTS短帧，尝试接入，在竞争接入过程中如果接入过程中没有产生碰撞，则终端广播CTS短帧，告知该用户已成功接入；如果竞争接入过程中产生碰撞，则申请接入的用户执行退避算法，重新尝试接入。
(3)当多用户竞争接入后，终端获得接入用户的总数量和接入的用户信息，给每个接入的用户进行动态信道时隙分配，紧接着开始动态信道时隙分配阶段。
(4)终端在控制同步时段CU对所有接入用户进行同步，通知用户可以进行数据传输。
(5)用户得知可以进行数据传输时，首先判断在分配的用户工作时段WU内是否有数据需要传输。
(6)如果用户判断结果是在其WU时段上有要传输的数据，则用户开始传输数据。
(7)如果用户判断结果是在其WU时段上没有要传输的数据，告知终端此WU时段空闲，则终端通知已接入的有传输数据需要的用户通过竞争使用此WU时段，就是用户通过竞争使用空闲时隙。其中一个用户竞争成功后，使用此WU时段进行传输数据。
(8)所有接入的用户在各自WU时段上均执行步骤(5)、(6)、(7)进行数据传输，这一超帧时间结束，下一超帧从步骤(1)再次开始，反复运行，实现室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法。
本发明在动态时隙分配阶段引入了空闲时隙竞争机制，当用户在分配的工作段内没有数据传输，则终端通知其他用户竞争使用此空闲时隙，其他需要传输数据的用户可以使用此空闲时隙传输数据，从而避免了在动态时隙分配阶段用户在工作时段不传输数据时产生空闲时隙导致信道资源浪费问题，更充分地使用信道带宽资源。同时本发明不存在光码分多址接入技术存在的必须保证直接序列扩频完全正交的要求，也不存在严重多址干扰的问题。
本发明结合了固定多址接入协议和冲突避免方法，引入空闲时隙竞争机制和动态时隙分配算法，以解决多用户接入时产生的碰撞问题，提高网络的通信效率，提高网络的吞吐量，减小带宽资源浪费，满足不同优先级用户的服务质量要求。
实施例4
室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法同实施例1-3，其中室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法步骤(2)所述的CA方法，其过程包括：
(2.1)用户接收到CTS后，等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS信息给终端。
(2.2)如果只有一个用户节点发送RTS短帧，则在信道上只存在一个RTS，不会产生碰撞，终端检测到RTS短帧，经过一个SIFS时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，用户接受到CTS短帧后，得知已经接入成功。
(2.3)如果有两个或两个以上用户同时发送RTS短帧，则在信道上存在两个或两个以上的RTS短帧，会产生碰撞，终端不能接收到RTS，不会回复任何信息，用户等待SIFS后没有收到CTS，则用户可以判断发生了碰撞，执行退避算法。退避一段时间后，用户重新发送RTS，重新尝试接入终端。
以图4为例进行更详细的说明，本例包括3个用户节点，1个终端，其接入过程为：
(1)终端发送一个广播短帧CTS，通知其覆盖范围内想要接入终端的用户可以开始竞争接入。
(2)接收到CTS信息后，3个用户分别等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法。
(3)用户节点1等待一短时间后，发送RTS短帧，此时信道上只有用户节点1发送RTS短帧，不会在信道上产生碰撞，信道接收到RTS短帧后，经过一个SIFS，发送一个广播短帧CTS给3个用户节点。
(4)3个用户节点接收到CTS短帧后，用户节点1被告知已成功接入，用户节点2和用户节点3均被告知可以竞争接入终端。
(5)用户节点2和用户节点3等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS短帧。
(6)此时，用户节点2和用户节点3同上发送了RTS短帧，在信道上存在两个RTS短帧，产生碰撞，终端检测不到RTS短帧，不会回复CTS短帧。
(7)用户节点2和用户节点3等待SIFS后没有收到CTS，判断出发生了碰撞，用户节点2和用户节点3再等待一段随机时间尝试接入终端。
(8)用户节点2等待一段时间后，发送RTS短帧竞争接入终端，此时信道上只有一个用户发送RTS短帧，不会产生碰撞，终端收到RTS短帧后，回复CTS短帧，告知用户节点2已成功接入，告知节点3可以开始接入。
(9)用户节点3收到CTS短帧后，等待一段时间发送一个RTS短帧，此时只有用户节点3发送RTS短帧，在信道上不会产生碰撞，终端接收到RTS短帧后回复一个CTS短帧，告知用户节点3已成接入。
(10)到此，3个用户节点均成功接入终端。
实施例5
室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法同实施例1-4，室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法步骤(3)所述的动态信道时隙分配，是采用了一种基于优先级的动态时隙分配算法(PDSA)，其算法描述如下：
假设有n个用户UN，在所有用户中一共存在Q个优先级，每个优先级所对应的用户需要的时隙数量为aj(j＝1,2,...Q)；预先设置的优先级所占比例为c1:c2:…:cQ；超帧中包含的总时隙数量为D，则第i个用户UNi，其优先级为j，在一个超帧中所占的时隙数量yij，表示为：
其中，[.]函数用于取最接近一个数的整数，是第i个用户所需要的带宽，上标(j)表示第i个用户的优先级。
本例中假设有4个用户节点UN接入终端，4个用户节点中存在3个优先级，用户节点UN1，UN2，UN3，UN4的优先级分别为1，2，2，3；4个用户节点传输数据所需要的时隙数分别为30，280，120和100；3个优先级预先设置的所占比例为5：3：2。参见图5，可以看到采用PDSA算法时时隙分配结果，参见如5(a)，和采用平均分配的时隙分配结果，参见图5(b)，可以看到，采用PDSA算法时4个用户节点都传输完数据需要3个超帧时间，采用平均分配时隙方法时4个用户节点都传输完数据需要6个超帧时间。
由两个结果对比可以看出，本发明采用PDSA算法更好地满足不同用户对信道资源的需求，更大程度地利用信道资源，提高吞吐量。
本发明采用的基于优先级的动态时隙分配算法(PDSA)，根据用户的总数量、优先级及用户需要传输的数据量动态地分配信道时隙给用户，可以满足不同用户对信道资源的需求，更好的利用信道资源。
实施例6
室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法同实施例1-5，室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法步骤(7)中所述的用户竞争空闲时隙包括：
(7.1)如果用户判断结果是在分配的WU时段上没有要传输的数据，则向终端发送一个RTS短帧，告知终端此WU时段空闲。
(7.2)终端接收到RTS短帧后，发送广播短帧BTS，通知已接入的有传输数据需要的用户可以竞争使用此WU时段。
(7.3)有传输数据需要的用户接收到BTS短帧后，等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS短帧，申请使用此WU时段。
(7.4)如果此时只有一个用户申请使用此WU时段，当终端检测到该RTS，经过一个短帧间隔(SIFS)时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，告诉此用户申请成功，可以使用此WU时段。
(7.5)如果有两个或两个以上用户同时申请使用此WU时段，同时发送RTS短帧，则RTS在信道上会发生碰撞，终端不能检测到RTS，不会回复任何信息，用户等待短帧间隔(SIFS)后没有收到CTS短帧，可判断已发生碰撞，则执行退避算法，退避一段时间后，返回步骤(7.3)用户重新发送RTS，进行申请使用此WU时段。
在室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法中引入空闲时隙竞争机制后，将用户不进行传输数据时所占用的空闲时隙分配给其他用户，让其他用户竞争使用此空闲时隙来传输数据，可以减少信道带宽资源浪费。这里对两种多用户接入方案进行归一化吞吐量性能对比，参见图6，其中一条是使用本发明获得的曲线，即引入了空闲时隙竞争机制，另外一条是没有空闲时隙竞争机制的多用户接入方法获得的曲线，实验结果是：当6个接入用户节点进行传输数据时，本发明的多用户接入方法可以达到的归一化吞吐量为0.85，没有空闲时隙竞争机制的多用户接入方法可以达到的归一化吞吐量为0.79，通过性能对比，本发明引进了空闲时隙竞争机制，得到更大的吞吐量。
下面给出一个连贯详细的例子，对本发明进一步说明，
实施例7
室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法同实施例1-6，用户遵循以下过程进行接入终端：
(1)在一个超帧开始，即进入一个时帧时，用户接入过程开始，终端发送一个广播CTS(Clear to Send)短帧，通知想要接入终端的用户可以开始竞争接入；
(2)接收到CTS信息后，想要接入终端的用户等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS(Request To Send)短帧，尝试接入终端；
(3)如果此时只有一个用户申请接入终端，当终端检测到该RTS，经过一个短帧间隔(SIFS)时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，告知该想要接入终端的用户已成功接入终端，并告诉其他用户可以申请接入终端；
(4)如果有两个或两个以上用户同时申请接入，同时发送RTS短帧，则RTS在信道上会发生碰撞，终端不能检测到RTS，不会回复任何信息，用户等待短帧间隔(SIFS)后没有收到CTS短帧，可判断已发生碰撞，则执行退避算法，退避一段时间后，返回步骤(2)用户重新发送RTS，进行接入；
(5)当多用户竞争接入阶段结束后，终端获得接入用户的总数量和接入的用户信息，给每个接入的用户进行信道时隙分配，紧接着开始动态信道时隙分配阶段；
(6)终端在控制同步时段CU对所有接入用户进行同步，通知用户可以进行数据传输；
(7)用户得知可以进行数据传输后，判断在分配的用户工作时段WU内是否有数据需要传输；
(8)如果用户判断结果是在其WU时段上有要传输的数据，则用户开始传输数据；
(9)如果用户判断结果是在其WU时隙上没有要传输的数据，则向终端发送一个RTS短帧，告知终端此WU时隙空闲
(10)终端接收到RTS短帧后，发送广播短帧BTS，通知已接入的有传输数据需要的用户可以竞争使用此WU时隙；
(11)有传输数据需要的用户接收到BTS短帧后，等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS短帧，申请使用此WU时隙；
(12)如果此时只有一个用户申请使用此WU时隙，当终端检测到该RTS，经过一个短帧间隔(SIFS)时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，告诉此用户申请成功，可以使用此WU时隙；
(13)如果有两个或两个以上用户同时申请使用此WU时隙，同时发送RTS短帧，则RTS在信道上会发生碰撞，终端不能检测到RTS，不会回复任何信息，用户等待短帧间隔(SIFS)后没有收到CTS短帧，可判断已发生碰撞，则返回步骤(11)用户重新发送RTS，进行申请使用此WU时隙；
(14)所有接入的用户在各自WU时段上均执行步骤(7)到步骤(13)进行数据传输，这一超帧时间结束，下一超帧从步骤(1)再次开始，反复运行，实现室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法。
本发明的一种室内可见光通信(Visible light communication,VLC)中时分复用/冲突避免多址接入(time division multiple access/collision avoidance,TDMA/CA)结构及方法。解决了多用户的室内可见光通信系统中组网时多用户接入问题。
简而言之，本发明公开的一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构和接入方法，主要解决现有室内可见光通信系统中的动态多用户接入技术中存在的碰撞概率大，信道资源利用率低等问题。本发明的超帧结构定义了多用户竞争接入阶段和动态信道时隙分配阶段，同步时段和用户工作时段构成动态信道时隙分配阶段；本发明的多用户接入方法，在接入阶段针对多用户竞争引入冲突避免；在动态信道时隙分配阶段，基于优先级的时隙分配算法对用户时隙分配；引入空闲时隙竞争机制，充分利用用户空闲时隙，将用户不进行传输数据的时隙分配给其他用户竞争使用。本发明减少了多用户接入时的碰撞概率，提高了吞吐量，减少了信道带宽资源的浪费，可以用于室内可见光通信领域。

Claims (6)

1.一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构，其特征在于，每个超帧包括有两部分，一部分是冲突避免(CA，collide avoid)竞争接入阶段，紧接着是TDMA动态信道时隙分配阶段，所述冲突避免竞争接入时段采用CA方法，完成多个用户接入终端过程；所述TDMA动态信道时隙分配阶段采用改进的动态时隙分配的TDMA协议，完成用户与终端间的数据传输；TDMA动态信道时隙分配阶段划分为N+1个时段，其中第一时段为控制同步时段CU，紧接着为N个连续且各自独立的用户工作时段WU，同步时段CU用于完成终端与用户的同步并告知用户TDMA动态信道时隙分配的结果；N个用户工作时段用于各用户传输数据。
2.根据权利要求1所述的室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构，其特征在于，所述WU工作时段的结构以竞争时隙开始，其竞争时隙的多少与是否竞争和竞争过程有关，接着为用户用于传输数据时隙。
3.一种室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，在权利要求1-2所述的任一室内可见光通信系统中的动态多用户接入超帧结构上实现，其特征在于，为时分复用/冲突避免多址接入方法(TDMA/CA)，接入过程包括：
(1)在一个超帧的开始，即进入一个时帧时，终端发送一个广播CTS(Clear to Send)短帧，通知想要接入终端的用户可以开始竞争接入；
(2)用户接收到CTS广播后，想要接入终端的用户根据CA方法发送RTS短帧尝试接入，在竞争接入过程中如果接入过程中没有产生碰撞，则终端广播CTS短帧，告知该用户已成功接入；如果竞争接入过程中产生碰撞，则申请接入的用户执行退避算法，重新尝试接入；
(3)当多用户竞争接入后，终端获得接入用户的总数量和接入的用户信息，给每个接入的用户进行动态信道时隙分配，紧接着开始动态信道时隙分配阶段；
(4)终端在控制同步时段CU对所有接入用户进行同步，通知用户可以进行数据传输；
(5)用户得知可以进行数据传输后，判断在分配的用户工作时段WU内是否有数据需要传输；
(6)如果用户判断结果是在其WU时段上有要传输的数据，则用户开始传输数据；
(7)如果用户判断结果是在其WU时段上没有要传输的数据，告知终端此WU时段空闲，则终端通知已接入的有传输数据需要的用户通过竞争使用此WU时段，其中一个用户竞争成功后，使用此WU时段进行传输数据；
(8)所有接入的用户在各自WU时段上均执行步骤(5)、(6)、(7)进行数据传输，这一超帧时间结束，下一超帧从步骤(1)再次开始，反复运行，实现室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法。
4.根据权利要求3所述的室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，其特征在于，步骤(2)所述的用户根据CA方法尝试接入终端，其过程包括：
(2.1)接收到CTS信息后，用户等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS信息给终端；
(2.2)如果只有一个用户节点发送RTS短帧，则在信道上只存在一个RTS，不会产生碰撞，终端可以检测到RTS短帧，经过一个SIFS时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，用户接受到CTS短帧后，得知已经接入成功；
(2.3)如果有两个或两个以上用户同时发送RTS短帧，则在信道上存在两个或两个以上的RTS短帧，会产生碰撞，终端不能接收到RTS，不会回复任何信息，用户等待SIFS后没有收到CTS，则用户可以判断发生了碰撞，执行退避算法。退避一段时间后，用户重新发送RTS，重新尝试接入终端。
5.根据权利要求3所述的室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，其特征在于，步骤(3)所述的动态信道时隙分配，是采用了一种基于优先级的动态时隙分配算法(PDSA)，其算法描述如下：
假设有n个用户UN，在所有用户中一共存在Q个优先级，每个优先级所对应的用户需要的时隙数量为aj(j＝1,2,...Q)；预先设置的优先级所占比例为c1:c2:…:cQ；时帧中包含的总时隙数量为D，则第i个用户UNi，其优先级为j，在一个时帧中所占的时隙数量yij，表示为：
y i j = [ [ D · a j c j / Σ s = 1 Q a s c s ] · w i ( j ) / Σ r = 1 n w r ( j ) ]
其中，[.]函数用于取最接近一个数的整数，是第i个用户所需要的带宽，上标(j)表示第i个用户的优先级。
6.根据权利要求3所述的室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法，其特征在于，步骤(7)中所述的用户竞争空闲时隙包括：
(7.1)如果用户判断结果是在其WU时段上没有要传输的数据，则向终端发送一个RTS短帧，告知终端此WU时段空闲
(7.2)终端接收到RTS短帧后，发送广播短帧BTS，通知已接入的有传输数据需要的用户可以竞争使用此WU时段；
(7.3)有传输数据需要的用户接收到BTS短帧后，等待一段随机时间段，此时间段遵循退避算法，然后发送RTS短帧，申请使用此WU时段；
(7.4)如果此时只有一个用户申请使用此WU时段，当终端检测到该RTS，经过一个短帧间隔(SIFS)时间，回复一个CTS(Clear to Send)短帧，告诉此用户申请成功，可以使用此WU时段；
(7.5)如果有两个或两个以上用户同时申请使用此WU时段，同时发送RTS短帧，则RTS在信道上会发生碰撞，终端不能检测到RTS，不会回复任何信息，用户等待短帧间隔(SIFS)后没有收到CTS短帧，可判断已发生碰撞，则执行退避算法，退避一段时间后，返回步骤(7.3)用户重新发送RTS，进行申请使用此WU时段。
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