CN113301665B - 一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线光通信技术及组网技术领域的一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法，旨在解决现有技术中多个紫外光通信终端节点竞争接入时的冲突损失和公平性缺少的技术问题。其包括基于光的叠加，在紫外光通信网络信道中提出一个光总线；基于光总线的状态，各节点间通信基于动态优先级竞争接入紫外光通信网络信道。本发明能够通过采用动态优先级调整，从而在提高信道利用率、简化协议设计和实现复杂度的同时，具有较高的信道接入公平性。

Description

一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法，属于无线光通信技术及组网技术领域。

背景技术

近年来，人们试图在借鉴无线电通信自组网的相关协议基础上，根据紫外光通信的物理特性和自身技术特点来设计新型组网方法与接入机制。其中：

基于时分复用的传统接入系统及方法存在带宽利用率低、网络吞吐量小以及网络时延大等不足，不适于网络节点较多的场合；而基于异步分组的随机接入协议，由于引入了冲突检测、碰撞避免以及时间退让等复杂机制与算法，因此其协议的复杂性大大增加，紫外光通信网络系统性能也不理想；

综合这两类协议各自的特点，提出新型紫外光通信网络无损竞争接入方法：基于光的叠加，充分利用节点发光状态与信道整体状态的逻辑关系来解决节点通信接入的竞争冲突问题。由于避免了复杂的碰撞检测和冲突回避等机制和算法，其设计和实现复杂度大大降低；

然而，该方法同时带来相应的网络公平性问题，极端情况下可能会导致低优先级节点极少甚至不能获得信道资源；为了解决上述问题，本申请提出了一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法，可在保证最大限度减少竞争冲突损失的同时，获得较高的节点接入网络系统的公平性。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入方法，包括以下步骤：

基于光的叠加，在紫外光通信网络信道中提出一个光总线；

基于光总线的状态，各节点间通信基于动态优先级竞争接入紫外光通信网络信道；

其中，

所述光总线的状态由独立发光的各网络节点的发光状态共同决定；

所述动态优先级包括在各节点间通信的数据帧结构中，加入优先级Pri字段。

优选的，所述光总线的状态由独立发光的各网络节点的发光状态共同决定包括：

在紫外光通信网络信道的网络节点中，若有1个及1个以上的网络节点发光，则紫外光通信网络信道的光总线的状态为有光状态；

在紫外光通信网络信道的网络节点中，若所有网络节点均不发光，则紫外光通信网络信道的光总线的状态为无光状态；

其中，所有网络节点均处于其他节点的有效通信范围内，均可有效接收和感知其他节点是否发光。

优选的，所述在各节点间通信的数据帧结构中，加入优先级Pri字段包括：

数据帧结构包括帧起始、仲裁字段、控制字段、数据字段以及帧结束，所述仲裁字段包括节点ID，在仲裁字段中加入优先级Pri字段；

将优先级Pri字段以及节点ID组成反映优先级高低的优先级ID字段；

其中，所述优先级ID字段的数值越小，优先级越高。

优选的，所述竞争接入紫外光通信网络信道包括：

进行竞争的节点按照其优先级ID字段的数值由高到低的顺序，依次发送其优先级ID字段的bit信息；

当一个节点发送的优先级ID字段的当前bit信息为0时，则其他节点均不会对当前的节点接入紫外光通信网络信道产生影响；

当一个节点发送的优先级ID字段的当前bit信息为1时，若其他节点中有优先级ID字段的当前bit值为0，则该节点接入紫外光通信网络信道，当前节点自动退出接入竞争，且持续监测紫外光通信网络信道的状态，等待下次竞争接入；

其中，各节点采用OOK调制方式，即bit信息为0，节点发光；bit信息为1，节点不发光。

本发明还提供了一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统，包括运行在紫外光通信网络节点上的叠加模块和竞争模块；

所述叠加模块用于构成紫外光通信网络信道的光总线的状态；

所述竞争模块用于基于动态优先级进行竞争接入紫外光通信网络信道；

其中，

紫外光通信网络的所有节点在数据通信前需要竞争信道资源；

所有节点在传输数据前，即竞争成功前均处于信道监测状态。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明的一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入系统及其方法，相比于异步随机竞争接入和固定分配时隙的时分复用方案，本发明采用无损竞争接入方案，基于光的叠加逻辑可实现无损失的多节点竞争接入，无需采用专门的复杂冲突避免和退避算法。因此，更适合于紫外光通信网络的带宽资源受限、节点接入数目灵活多变的特点。

在本发明所提出的无损竞争接入机制中，多个节点同时竞争接入信道时，通过采用动态优先级调整，从而在提高信道利用率、简化协议设计和实现复杂度的同时，具有较高的信道接入公平性。

附图说明

图1为本发明实施例的紫外光通信终端组网及网络状态示意图；

图2是本发明实施例的紫外光通信网络的数据帧结构示意图；

图3为本发明实施的紫外光通信网络竞争接入方法示意图；

图4是本发明实施例的紫外光通信网络节点竞争接入过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

紫外光通信网络系统中，各节点均处于其它节点的有效通信范围内；任一节点发送数据，其它节点均能接收，可视为广播数据；紫外光通信信道设定为单一光波长信道，即多个网络节点共享单一光波长信道；各节点间通信基于竞争接入信道资源，需解决相应的多节点竞争接入冲突问题。

图1所示为紫外光通信终端组网及网络状态示意图。假定紫外光通信终端的紫外光源的两种状态，即发光和不发光，分别定义为紫外光源所在节点的明态和暗态。根据各个紫外光通信终端的发光状态，基于光功率叠加，可获得紫外光通信网络的信道状态，同样定义为明态和暗态。

根据光功率的叠加，可获得以下基本结论：

n个紫外光通信节点中，如果有一个以上(包括1个)的紫外光通信节点发光，则紫外光通信网络的空间信道状态为有光信号，该状态称之为明态，处于该紫外光通信节点通信范围内的所有节点均能获得该信道状态；

反之，n个紫外光通信节点，如果所有节点均不发光，则紫外光通信网络的空间信道状态为无光信号，该状态称之为暗态，此时处于其通信范围内的所有紫外光通信节点可检测判断信道状态为隐形状态；

当紫外光通信网络的空间信道状态为明态时，新加入竞争的紫外光通信节点无论发光或不发光，不会改变现有紫外光通信网络的空间信道状态。

图2给出了紫外光通信网络的数据帧结构示意图，包括：帧起始、帧结束、控制字段、数据字段、仲裁字段等部分。其中：

帧起始和帧结束，分别用于表示帧数据的开始和结束，帧结束部分还加入相应校验字段，以实现数据差错检测；

控制字段，主要用于通信双方的紫外光通信节点之间协商、状态控制以及紫外光通信网络维护字节等；

数据字段，主要是通信双方的紫外光通信节点之间的交互数据；

仲裁字段，是本发明的帧结构设计的关键部分，用于解决多节点的竞争接入问题和公平性。包括优先级ID等部分，由优先级Pri和节点ID组成，其中优先级Pri随机变化，节点ID为网络节点的唯一标识。

图3给出了紫外光通信网络竞争接入方法示意图，其中

SOF表示：帧开始；RTR表示：差错情况下的重发请求；

注1：节点B的ID第5位是暗态，节点A和C为明态，信道状态为明态，节点B退出信道竞争

注2：节点C的ID第3位是暗态，节点A为明态，信道状态为明态，节点C退出信道竞争

可具体描述如下：

根据随机变化的Pri字段和节点ID共同组成某节点当前的优先级ID，该优先级ID即为当前预设优先级。

按照预设优先级对信道进行竞争的紫外光通信节点，按照由高到低的顺序，依次发送其优先级ID的信号bit。(设定紫外光通信网络中各终端节点光源采用OOK调制方式，即信号bit“0”时光源发光，信号bit“1”时光源不发光来。)

当高优先级紫外光通信节点发送其优先级ID的某bit值为“0”时，该紫外光通信节点的发光模块发光。此时，其它作为竞争终端接入的预设优先级ID为低优先级的节点，无论发送其优先级ID的当前bit值为“0”还是“1”(即该节点当前bit时刻发光或不发光)，均不会对高优先级紫外光通信节点产生影响。

反之，当某个紫外光通信节点发送其优先级ID的bit值为“1”时，若其他节点的当前优先级ID的bit值均为“0”，该紫外光通信节点退出竞争。此时，多个紫外光通信节点的接入虽然存在竞争冲突，但不会带来损失。最终，低优先级节点自动退出本次竞争，高优先级节点竞争胜出而占有信道资源。

由以上描述可知，由于高位先出现bit值为“0”的优先级ID值小，而bit值为“1”的优先级ID值较大。因此，优先级ID值越小，则优先级越高。由此可以看出，当高优先级节点接入信道时，其它低优先级节点的随机接入对其不会产生任何影响。最终，低优先级的紫外光通信节点将自动退出竞争，而高优先级的紫外光通信节点则竞争胜出而接入信道。

以上优先级动态变化的紫外光通信网络接入方法，对于各终端节点而言具有了动态的优先级，因而在一定程度上可保证每个终端节点均有一定的信道资源接入机会，可避免原有机制中低优先级节点始终无法接入信道而出现“饿死”的情况，因而网络公平性可大大提升。

图4给出了紫外光通信网络节点竞争接入过程示意图。

根据以上描述的紫外光通信网络接入系统及方法的工作机理和帧结构定义，具有动态优先级的的紫外光通信网络的接入协议的具体流程如图3所示，可描述如下：

假设节点A、B、C都需要接入信道，发送以上格式的结构帧，它们竞争总线过程为：

节点B的优先级ID第5bit为暗态(不发光，“1”bit)，节点A、C的为明态(发光，“0”bit)，总线光状态为明态，节点B退出总线竞争；

依次类推，节点C的优先级ID第3bit为暗态，节点A的为明态，总线光状态为明态，节点C退出总线竞争。

由此，节点A在三个节点的竞争接入中胜出。在该竞争中，虽然多个节点同时接入存在冲突，但高优先级节点自动竞争胜出，低优先级节点自动退出竞争，即多节点节之间虽然存在竞争但不会引起冲突损失，高优先级的通信不受任何影响。

由于组成优先级ID的Pri字段可动态变化，各节点优先级ID值也随之变化。因此，以上竞争接入过程中的节点A并不总是具有高的优先级，节点B和C也可能随着Pri变化而具有高的优先级，从而可能在下次竞争中胜出而占有信道资源，因此本发明的竞争接入协议具有高的接入公平性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于光的叠加，在紫外光通信网络信道中提出一个光总线；

基于光总线的状态，各节点间通信基于动态优先级竞争接入紫外光通信网络信道；其中，

所述光总线的状态由独立发光的各网络节点的发光状态共同决定；

所述动态优先级包括在各节点间通信的数据帧结构中，加入优先级Pri字段；所述数据帧结构包括帧起始、仲裁字段、控制字段、数据字段以及帧结束，所述仲裁字段包括节点ID，在仲裁字段中加入优先级Pri字段；将优先级Pri字段以及节点ID组成反映优先级高低的优先级ID字段；

所述竞争接入紫外光通信网络信道包括：

进行竞争的节点按照其优先级ID字段的数值由高到低的顺序，依次发送其优先级ID字段的bit信息；

当一个节点发送的优先级ID字段的当前bit信息为0时，则其他节点均不会对当前的节点接入紫外光通信网络信道产生影响；

当一个节点发送的优先级ID字段的当前bit信息为1时，若其他节点中有优先级ID字段的当前bit值为0，则该节点接入紫外光通信网络信道，当前节点自动退出接入竞争，且持续监测紫外光通信网络信道的状态，等待下次竞争接入；

其中，各节点采用OOK调制方式，即bit信息为0，节点发光；bit信息为1，节点不发光。

2.根据权利要求1所述的一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入方法，其特征在于，所述光总线的状态由独立发光的各网络节点的发光状态共同决定包括：

在紫外光通信网络信道的网络节点中，若有1个及1个以上的网络节点发光，则紫外光通信网络信道的光总线的状态为有光状态；

在紫外光通信网络信道的网络节点中，若所有网络节点均不发光，则紫外光通信网络信道的光总线的状态为无光状态；

其中，所有网络节点均处于其他节点的有效通信范围内，均可有效接收和感知其他节点是否发光。

3.根据权利要求1所述的一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入方法，其特征在于，所述优先级ID字段的数值越小，优先级越高。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的一种具有动态优先级的紫外光通信网络接入方法的系统，其特征在于，包括运行在紫外光通信网络节点上的叠加模块和竞争模块；

所述叠加模块用于构成紫外光通信网络信道的光总线的状态；

所述竞争模块用于基于动态优先级进行竞争接入紫外光通信网络信道；

其中，

紫外光通信网络的所有节点在数据通信前需要竞争信道资源；

所有节点在传输数据前，即竞争成功前均处于信道监测状态。

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