CN108134630B - 一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，针对用户节点少、网络覆盖范围小的室内可见光通信系统，提供可靠、高速、实时的信道接入方法，本发明提出的hopping pattern概念的MAC层接入方案基于的硬件实施较为方便，可利用已有商用元器件即可实施，hopping pattern控制通过软件即可实现，成本低，具有商用价值。本发明提出的hopping pattern概念可支持照明与通信双重功能，对于室内可见光通信系统的需求(既满足室内照明，又具备通信功能)，具有实用价值，可应用于生产中。本发明是针对室内可见光通信系统网络的特点提出的，hopping pattern在终端初次建立信道接入时就降低相邻网络接入点AP的信道干扰，取代RTS/CTS握手协议，简化接入流程，具有可行性及有效性。

Description

一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法

技术领域

本发明属于无线光通信网络控制领域，尤其涉及一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法。

背景技术

IEEE 802.15.7-2011标准于2011年9月发布，该标准描述了无线个域网(wirelesspersonal area network，WPAN)的可见光通信(visible light communication,VLC)使用，定义了VLC的物理层(physical layer,PHY)和MAC层。VLC在光透明介质中采用可见光进行通信，光频谱的范围为波长380-780nm。该标准要求传输速率足够支持音频、视频、多媒体业务。由于VLC系统需要与外部照明及其他光技术共存，因此国内外的主要研究包括可见光链路的移动性、与可见光基础设施的兼容性，以及由于环境光的噪声和干扰等。另外，标准中重要的一点是VLC还必须支持照明并遵守用眼安全法规。标准中规定VLC设备可以分为基础设施、移动和车载设备等几类。标准支持单向和双向数据传输，采用点到点、点到多点链接方式。标准支持的拓扑结构包括：对等网(peer-to-peer)、星型(star)和广播(broadcas)。

标准中VLC根据传输距离选择分组大小，对于低数据速率应用，分组大小为256B；对于高数据速率应用，分组大小为1024B，并要求误码率(PER)为8％。VLC通过对光源(如LED)强度进行调制实现数据传输。一些关键特性包括：

1)星型或对等网。

2)支持照明、照明调节，引入保证时隙。

3)具有冲突避免的随机接入。

4)具备传输确认的可靠性协议。

与其他WPAN标准不同的是，802.15.7中规定的PHY支持3种模式：

1)PHY-I：针对数十米传输距离和低速数据速率(数十Kbps)的应用。采用开关键控(ON/OFF Keying,OOK)和可变脉冲位置调制(variable pulse-position modulation,VPPM)。

2)PHY-II：针对数十米传输距离和中速数据速率(数十Mbps)的应用。支持颜色键控(color-shift keying,CSK)调制及OOK、VPPM。

3)PHY-III：针对使用多光源和多检测器的CSK调制应用，支持数十米传输距离及中高速数据速率(数数十Mbps)。

802.15.7的MAC层通过MCPS-SAP和MLME-SAP与上下层互通。MAC层协议包括信道接入、可见光个人局域网的建立和维持、同步、传输接收确认机制、保障时隙分配、快速链路恢复、多信道资源管理、颜色功能和合作通信等。在信道接入方面，分为基于竞争和非竞争的信道访问机制，前者采用CSMA/CA,后者由协调器使用保证时隙方式管理信道。

目前国内外的研究都集中在802.15.7 MAC层竞争接入的网络特性下，并未紧密联系协议在室内环境下的网络特性，因此，本专利提出一种针对室内环境的特点：用户节点少、网络覆盖范围小、传输距离短、时延小、业务量大小随机、相邻用户节点无载波检测，给出一种多用户MAC信道接入的方法，并提出一种hopping pattern概念，应用于本专利的MAC信道接入方法中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于hoppingpattern的多用户MAC信道接入方法，其提出的hopping pattern概念的MAC层接入方案基于的硬件实施较为方便，可利用已有商用元器件即可实施，hopping pattern控制通过软件即可实现，成本低，具有商用价值。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，具体包含如下步骤：

步骤1，当终端有数据需要发送时，根据终端自带的光电传感器检测hoppingpattern模式，确定检测到的R、G、B工作时的颜色图案模式与对应的AP点建立信道接入请求；其中R是红色发光二极管、G是绿色发光二极管、B是蓝色发光二极管；

其中，hopping pattern模式是发射端的数据在LED中的R\G\B二极管上是按照一定规则轮流发送的，

其中一定规则为：AP1、AP2、AP3均是不同颜色的发光二极管在传输数据；

步骤2，终端向协调器报备，协调器计数，记录当前接入APn的终端个数，计数值初始值为Count，则第一个检测到相应APn颜色图案模式的终端，令Count＝1，当多个用户接入时，依次类推Count＝1…n；

步骤3，初始化APn下的NB和BE，其中,NB为退避次数，BE是退避指数,且NB＝0，BE＝macMinBE；

步骤4，读取当前接入APn中的终端个数，并判断Count＝1是否成立：

若Count＝1，则该终端是接入APn中的第一个用户，则直接进入步骤5；反之，则发起退避流程，退避次数加1，并赋BE＝min{BE+1,macMaxBE}；

步骤5，判断当前APn接入是否为信标使能网络：如果是信标使能网络下，因其是根据时隙随机接入，并指定下一个退避时延的边界；反之，将跳过“指定退避时延”直接进入步骤6；

步骤6，MAC子层读取协调器中的计数器值Count，并给出一个随机数目的完整退避周期，随机数的范围在0～2^Count*BE-1之间；

步骤7，在随机退避后发送数据，并对计数器Count-1。

作为本发明一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法的进一步优选方案，在步骤1中，AP采用RGB-LED作为通信发射端。

作为本发明一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法的进一步优选方案，在步骤1中，AP1的RGB-LED颜色图案模式为：{R，B，G，G，G，R，G，B，R}。

作为本发明一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法的进一步优选方案，在步骤1中，AP2的RGB-LED颜色图案模式为：{G，G，R，B，R，G，B，R，G}。

作为本发明一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法的进一步优选方案，在步骤1中，AP3的RGB-LED颜色图案模式为：{B，R，B，R，B，B，R，G，B}。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出的hopping pattern概念的MAC层接入方案基于的硬件实施较为方便，可利用已有商用元器件即可实施，hopping pattern控制通过软件即可实现，成本低，具有商用价值；

2、本发明提出的hopping pattern概念可支持照明与通信双重功能，对于室内可见光通信系统的需求，既满足室内照明，又具备通信功能，具有实用价值，可应用于生产中；

3、本发明是针对室内可见光通信系统网络的特点提出的，hopping pattern在终端初次建立信道接入时就降低相邻网络接入点AP的信道干扰，取代RTS/CTS握手协议，简化接入流程，具有可行性及有效性。

附图说明

图1是本发明AP接入点的hopping pattern概念的颜色图案模式；

图2是本发明的hopping pattern概念的多用户MAC信道接入流程图；

图3是本发明方法在网络节点＝3的情况下，网络吞吐量仿真分析结果图；

图4是本发明方法在网络节点＝3的情况下，网络包重发率仿真分析结果图；

图5是本发明方法在网络节点＝3的情况下，网络平均时延仿真分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明应用于室内可见光通信系统，以下统称VLC。

本发明中的VLC网络包括若干VLC接入点(VLC Access Point,AP)和多个用户节点。支持IEEE 802.15.7协议中的对等网、星型和广播网络拓扑结构。

本发明中的AP采用RGB-LED作为通信发射端，其中R是红色发光二极管、G是绿色发光二极管、B是蓝色发光二极管。

本发明的发射端RGB-LED发射出的白光支持IEEE 802.15.7协议中的室内照明功能。

本发明的发射端RGB-LED通信功能。其中R、G、B三路二极管支持采用OOK开关键控传输数据，光强度调制。当R管传输数据时，即R管工作状态，B、G管休眠，此时R管采用占空比50％的归零码OOK信号传输，B、G管传输占空比100％的OOK信号传输，以此区分R、B、G管的工作状态。(但本发明不局限于采用占空比区分出工作状态的方法。)

本发明提出的hopping pattern的概念就是基于RGB-LED实现的。通过相邻AP点采用跳变的R、G、B管工作时的颜色图案模式进行通信，即

AP1的RGB-LED颜色图案模式为：{R，B，G，G，G，R，G，B，R}

AP2的RGB-LED颜色图案模式为：{G，G，R，B，R，G，B，R，G}

AP3的RGB-LED颜色图案模式为：{B，R，B，R，B，B，R，G，B}

如图1所示。AP1、AP2、AP3三个接入点均采用相同的光时钟频率，这样就保证了在同一光时钟时，AP1、AP2、AP3均是不同颜色的发光二极管在传输数据，这个方法可以避免相邻AP的信道之间的干扰。

本发明的hopping pattern概念，在终端初次建立信道接入时，就能通过终端光电传感器件检测出其所在AP1或AP2或AP3的范围，并与之建立接入流程。可降低AP1、AP2、AP3之间的信道干扰，提高接入准确率以及简化接入算法。

本发明为支持hopping pattern概念，提出的多用户MAC信道接入方法较IEEE802.15.7协议中的MAC接入方法方法更为简单，标准中只介绍了随机接入算法，该算法中的空闲信道估计采用的是物理载波侦听，而实际的室内VLC场景下，各个用户不能监听对方数据是否发送数据，因此许多研究均采用RTS/CTS握手协议来实现多用户的信道接入。而本发明的hopping pattern概念可以完全取代RTS/CTS握手协议，简化接入算法，提高网络性能。

本发明提出的hopping pattern概念的多用户MAC信道接入的方法能满足IEEE802.15.7协议的要求。根据标准中的帧定义,VLC网络的协调器使用超帧划分信道。超帧分为三个部分:信标帧,活跃期和非活跃期。活跃期又分为竞争接入周期(Contention-AccessPeriod,CAP)和无竞争接入周期(Contention-Free Period,CFP)。超帧是由数量可变的时隙组成。CAP阶段,允许设备以随机接入方式访问信道,而在CFP阶段,无竞争访问通过协调访问信道。

本发明不局限应用于信标使能或非信标使能的VLC网络中。如果VLC网络采用周期性的信标，则在超帧的CAP中MAC子层采用时隙随机接入算法实现。如果VLC网络没有采用周期性信标，则MAC子层采用非时隙随机算法接入。这两种情况下，均采用退避周期(backoffperiods)的时间单元执行，即一个光时钟(aUnitBackoffPeriod)。

本发明中，每一次发起接入流程时，每个AP点保持2个变量：NB和BE。NB(退避次数)是当尝试当前接入算法请求退回的次数；变量BE是退避指数，与终端在尝试接入信道之前等待的退避时间有关。

本发明中，由网络协调器，控制多个APn之间的信息，如接入APn网络中的终端个数计数Count功能。或其他协调信息，本发明不限制。

本发明的具体接入流程如图2所示。

1)当终端有数据需要发送时，首先根据终端自带的光电传感器(本发明不限制哪一种光电传感器，能够分别检测出R，G，B三色光光强即可，如雪崩光电二极管)检测hoppingpattern模式，当确定检测到的R、G、B管工作时的颜色图案模式符合AP1、AP2或AP3中的某一模式时，即确定与对应的AP点建立信道接入请求。

2)终端向协调器报备，协调器给当前接入的APn计数拟接入APn的终端个数。计数值初始值Count，第一个检测到对应APn颜色图案模式的终端，Count＝1，当多个用户接入时，依次类推Count＝1…n。

3)初始化APn下的NB和BE，其中,NB为退避次数，BE是退避指数,且NB＝0，BE＝macMinBE，NB(退避次数)是当尝试当前接入算法请求退回的次数；变量BE是退避指数，与终端在尝试接入信道之前等待的退避时间有关。

4)读取当前接入APn中的终端个数，判断Count＝1？如果是，则表示该终端是接入APn中的第一个用户，即直接进入下一步骤；如果否，则发起退避流程，退避次数加1，并赋BE＝min{BE+1,macMaxBE}。

5)判断当前APn接入是信标使能网络，还是非信标使能网络。如果是信标使能网络下，因其是根据时隙随机接入，并指定下一个退避时延的边界。

5)MAC子层读取协调器中的计数器值Count，并给出一个随机数目的完整退避周期，随机数的范围在0～2^Count*BE-1之间。

6)在随机退避后发送数据，并对计数器Count-1。

7)成功。

流程结束。

本发明实施例通过MATLAB建立模型，根据室内VLC网络情况设计网络节点＝3的情况下，本发明提出的接入方法的网络性能仿真。

图3是本发明方法在网络节点＝3(AP个数)的情况下，网络吞吐量仿真分析结果图，从图中可以看出网络接入点AP在hopping pattern模式下网络吞吐量情况，从曲线可以看出在40s前，网络处于接入高峰，在60s左右趋于稳定，整体网络性能稳定，抖动小。

图4是本发明方法在网络节点＝3(AP个数)的情况下，网络包重发率仿真分析结果图，图中曲线可以看出在60s前，碰撞概率小，网络重发率在40％左右，随着时间推移，碰撞时延越大，碰撞概率就越大，网络重发率也就越高，但是本发明的应用领域在于网络覆盖范围小的室内可见光通信系统，在40s前即可完成接入。

图5是本发明方法在网络节点＝3(AP个数)的情况下，网络平均时延仿真分析结果图，基于hopping pattern的AP最大时延为0.2s，说明本发明方法的hopping pattern可以降低相邻AP点之间的干扰，这相较于其他的接入方式可有效降低网络接入时延。

Claims (5)

1.一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，当终端有数据需要发送时，根据终端自带的光电传感器检测hopping pattern模式，确定检测到的R、G、B工作时的颜色图案模式与对应的AP点建立信道接入请求；其中R是红色发光二极管、G是绿色发光二极管、B是蓝色发光二极管；

其中，hopping pattern模式是发射端的数据在LED中的R\G\B二极管上是按照一定规则轮流发送的，

其中一定规则为：AP1、AP2、AP3均是不同颜色的发光二极管在传输数据；

步骤2，终端向协调器报备，协调器计数，记录当前接入APn的终端个数，计数值初始值为Count，则第一个检测到相应APn颜色图案模式的终端，令Count＝1，当多个用户接入时，依次类推Count＝1…n；

步骤3，初始化APn下的NB和BE，其中,NB为退避次数，BE是退避指数,且NB＝0，BE＝macMinBE；

步骤4，读取当前接入APn中的终端个数，并判断Count＝1是否成立：

若Count＝1，则该终端是接入APn中的第一个用户，则直接进入步骤5；反之，则发起退避流程，退避次数加1，并赋BE＝min{BE+1,macMaxBE}；

步骤5，判断当前APn接入是否为信标使能网络：如果是信标使能网络下，因其是根据时隙随机接入，并指定下一个退避时延的边界；反之，将跳过“指定退避时延”直接进入步骤6；

步骤6，MAC子层读取协调器中的计数器值Count，并给出一个随机数目的完整退避周期，随机数的范围在0～2^Count*BE-1之间；

步骤7，在随机退避后发送数据，并对计数器Count-1。

2.根据权利要求1所述的一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，其特征在于：在步骤1中，AP采用RGB-LED作为通信发射端。

3.根据权利要求2所述的一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，其特征在于：在步骤1中，AP1的RGB-LED颜色图案模式为：{R，B，G，G，G，R，G，B，R}。

4.根据权利要求2所述的一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，其特征在于：在步骤1中，AP2的RGB-LED颜色图案模式为：{G，G，R，B，R，G，B，R，G}。

5.根据权利要求2所述的一种基于hopping pattern的多用户MAC信道接入方法，其特征在于：在步骤1中，AP3的RGB-LED颜色图案模式为：{B，R，B，R，B，B，R，G，B}。

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