CN116367110A - 一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法 - Google Patents

一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法，涉及无线通信技术领域。该系统包括：第一节点、中继节点和第二节点；所述中继节点分别与所述第一节点、所述第二节点连接；在所述第一节点中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li‑Fi通信发送给所述中继节点；在所述第二节点中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li‑Fi通信发送给所述中继节点；在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点和所述第二节点，利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。

Description

一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法。
背景技术
万物互联是未来的趋势，Li-Fi通信的优点在类似车辆跟驰等短距离场景下优势非常明显，可靠性高、能耗低、抗干扰、安全性好等。但是由于光的直线传播特性，如果仅仅依靠Li-Fi模块而没有其他备份手段来进行通信，极端遮挡情况下会造成通信中断。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于物理层网络编码的车队通信系统和方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种通信系统，包括：第一节点、中继节点和第二节点；所述中继节点分别与所述第一节点、所述第二节点连接；
在所述第一节点中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述第二节点中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点和所述第二节点。
本发明的有益效果是：本方案通过Li-Fi通信在短距离场景下优势非常明显，可靠性高、能耗低、抗干扰、安全性好。
利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，提高系统安全性、提高网络吞吐量、最大程度地提高频谱利用率、最大程度地降低系统的误码率等，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。
本方案提供了一种电磁兼容性好、抗干扰能力强、通信容量大、保密性强、网络吞吐量大的通信实现方式。
进一步地，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案充分利用可见光通信容量大、抗电磁干扰能力强、保密性强，以及微波通信距离长、范围大、不受遮挡影响等优点，采用Li-Fi与微波融合的技术手段。正常情况下以Li-Fi通信手段为主份，保证安全高效的通信，将微波作为通信备份，在极端遮挡情况下保证通信的畅通。
进一步地，所述在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
进一步地，还包括：
当所述第一节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
进一步地，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种基于物理层网络编码的车队通信方法，包括：
在所述第一节点中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述第二节点中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点和所述第二节点。
本发明的有益效果是：本方案通过Li-Fi通信在短距离场景下优势非常明显，可靠性高、能耗低、抗干扰、安全性好。
利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，提高系统安全性、提高网络吞吐量、最大程度地提高频谱利用率、最大程度地降低系统的误码率等，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。
本方案提供了一种电磁兼容性好、抗干扰能力强、通信容量大、保密性强、网络吞吐量大的通信实现方式。
进一步地，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
采用上述进一步方案的有益效果是：本方案充分利用可见光通信容量大、抗电磁干扰能力强、保密性强，以及微波通信距离长、范围大、不受遮挡影响等优点，采用与微波融合的技术手段。正常情况下以Li-Fi通信手段为主份，保证安全高效的通信，将微波作为通信备份，在极端遮挡情况下保证通信的畅通。
进一步地，所述在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
进一步地，还包括：
当所述第一节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
进一步地，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的一种基于物理层网络编码的车队通信系统的结构框图；
图2为本发明的实施例提供的一种基于物理层网络编码的车队通信方法流程图；
图3为本发明的其他实施例提供的基于微波和LiFi和物理层网络编码技术的无人车队通信系统结构图；
图4为本发明的其他实施例提供的物理层网络编码用于双向中继网络示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种通信系统，包括：第一节点1101、中继节点1102和第二节点1103；所述中继节点1102分别与所述第一节点1101、所述第二节点1103连接；需要说明的在车队运行中，中间的车可以作为中继节点1102，第一节点1101、第二节点1103可以为除中继节点1102车辆的其他车。需要说明的是，车内安装的Li-Fi通信系统包括Li-Fi光学前端、微波收发终端以及基于物理层网络编码的信号处理系统；该通信系统可以应用于无人车队通信中。
Li-Fi光学前端包括LED调制发射器，光电探测器和光学透镜等。
在所述第一节点1101中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点1102；
需要说明的是，第一节点1101将数据a调制为可见光信号La，通过LiFi光学终端发送给中继节点1102。
在所述第二节点1103中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点1102；
需要说明的是，第二节点1103将数据b调制为可见光信号Lb，通过LiFi光学终端发送给中继节点1102。
在所述中继节点1102中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点1101和所述第二节点1103。
在某一实施例中，第一节点1101的数据a和第二节点1103的数据b分别通过调制生成数据a的可见光信号La和数据b的可见光信号Lb并同时送达中继节点1102的光学接收端，在中继节点1102内经过合束器生成叠加光信号，并传输至调制模块调制为可见光信号Lab，然后将Lab通过车辆顶部的光学发送端分别发送至第一节点1101和第二节点1103，第一节点1101、第二节点1103分别对可见光信号Lab进行解调、异或操作后，第一节点1101得到第二节点1103的数据Lb，第二节点1103得到第一节点1101的数据La。
本方案通过Li-Fi通信在短距离场景下优势非常明显，可靠性高、能耗低、抗干扰、安全性好。
利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，提高系统安全性、提高网络吞吐量、最大程度地提高频谱利用率、最大程度地降低系统的误码率等，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。
本方案提供了一种电磁兼容性好、抗干扰能力强、通信容量大、保密性强、网络吞吐量大的通信实现方式。
在某一实施例中，如图3所示，一种基于LiFi和物理层网络编码技术的无人车队通信系统和装置。本发明旨在利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，具体包括：提高系统安全性、提高网络吞吐量、最大程度地提高频谱利用率、最大程度地降低系统的误码率等，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。
与微波、Wi-Fi等通信方式相比，Li-Fi具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、通信容量大、保密性强、体积轻巧等特点。
而车队中的通信采用物理层网络编码技术，是因为在复杂多节点系统中，物理层网络编码技术可大幅较少通信时隙。
本发明以三辆车组成的车队为例来介绍系统构成及工作原理。车内安装的Li-Fi通信系统包括Li-Fi光学前端、微波收发终端以及基于物理层网络编码的信号处理系统；该系统充分利用可见光通信容量、大抗电磁干扰能力强、保密性强，以及微波通信距离长、范围大、不受遮挡影响等优点，采用与WiFi、5G等微波通信方式融合的技术手段。正常情况下以Li-Fi通信手段为主份，保证安全高效的通信，将微波作为通信备份，在极端遮挡情况下保证通信的畅通。
Li-Fi光学前端装置为收发一体，支持点对点双向通信，安装于车辆驾驶室顶部以尽可能降低被遮挡的概率。
信号处理系统内含调制解调模块以及物理层网络编码模块。
三辆车编号分别为A、R、B。A车作为头车承担车队指挥功能，向R、B两车发送控制指令，同时接收R、B两车发回的车辆状态信息。R车在与A双向通信的同时，作为A车和B车间的中继节点1102，转发A、B两车间的数据。具体过程如下：
(1)A R：A车将信号调制为可见光信号La，通过LiFi光学终端发送给R车，同样R车也将可见光信号Lr发送给A车；
(2)A B：A车与B车间的双向通信需要通过R车作为中继节点1102来实现，即A RB。A车的数据a和B车的数据b分别通过调制生成数据a的可见光信号La和数据b的可见光信号Lb并同时送达R车光学接收端，在R车内经过合束光路进行叠加合并生成Lab，Lab经过解调后在R车的编码模块中进行物理层网络编码，即将叠加信号通过特定的编码方式生成异或编码数据a⊕b，并传输至调制模块调制为可见光信号Lab。
Lab(t)＝La(t)+Lb(t)＝(A⊕B)cos(ωt)，
其中，A∈{0,1},B∈{0,1}；
然后将Lab通过车辆顶部得光学发送端分别发送至A车和B车，A车、B车分别对可见光信号Lab进行解调、译码操作后，即可将自身的信息从Lab中分离出来，就能得到对方的数据，A车得到B车的数据Lb，B车得到A车的数据La，即通过R车作为中继点实现了A车与B车之间的实时通信，同时进行A→R→B和B→R→A的数据传输，仅需两个通信时隙，第一个时隙同时执行A→R、B→R，第二个时隙同时执行R→B、R→A，相较传统的A→R→B→R→A的路径，通信时隙缩短了一半。
步骤(1)和(2)同时开展。
可选地，在有些实施例中，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
本方案充分利用可见光通信容量、大抗电磁干扰能力强、保密性强，以及微波通信距离长、范围大、不受遮挡影响等优点，采用与微波融合的技术手段。正常情况下以Li-Fi通信手段为主份，保证安全高效的通信，将微波作为通信备份，在极端遮挡情况下保证通信的畅通。
可选地，在有些实施例中，所述在所述中继节点1102中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点1102中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
可选地，在有些实施例中，还包括：
当所述第一节点1101接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点1103接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
可选地，在有些实施例中，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
在某一实施例中，传统中继通信方式的信息传输过程分为以下四步，即通过中继节点R实现节点A与节点B之间的通信需要四个时隙：
①：A→R B，即节点A将数据a发送给中继节点R；
②：A R←B，即节点B将数据b发送给中继节点R；
③：A←R→B，即中继节点R将数据a发送给节点A、B；
④：A←R→B，即中继节点R将数据b发送给节点A、B。
而在本发明中，网络编码用于中继通信的信息传输过程分为以下三步，即通过中继节点R实现节点A与节点B之间的通信需要三个时隙：
1)：A→R B，即节点A将数据a发送给中继节点R；
2)：A R←B，即节点B将数据b发送给中继节点R；
3)：A←R→B，即中继节点R将XOR分组数据A⊕B发送给节点A、B
本发明为车联网场景提供了一种电磁兼容性好、抗干扰能力强、通信容量大、保密性强、网络吞吐量大的通信实现方式。
1)通过光实现通信相对微波传输安全性高，延迟低，能有效提高通信效率，实现高保密通信。
2)采用物理层网络编码手段，解决了信息双向高速交换的问题。
3)采用微波+LiFi融合的通信手段，解决了通信稳定性问题，保证在极端情况下通信的安全可靠。
本发明利用可见光通信的通信速率快、延时低、保密性强、对电磁干扰不敏感、布网简单等技术优势，解决了三辆以上车队安全、低延迟通信问题，保障车队的安全跟驰。
本发明将物理层网络编码技术引入车队通信，将中间车辆作为前后两车的中继实现车队双向高效通信。
本发明同时还适用于4辆及以上车辆组成的车队，前3辆车的通信过程不再赘述，A和D的双向通信过程为：
(1)A→B C←D，即节点A将数据a发送给节点B，节点D将数据d发送给节点C；
(2)A B→C D，即节点B将数据a发送给节点C，节点C将数据a发送给节点B，B、C两节点同时进行映射操作生成数据a⊕d；
(3)A←B C→D，即节点B将数据a⊕d发送给节点A，A根据自身数据通过异或操作获得数据d；同时节点C将数据a⊕d发送给节点D，D根据自身数据通过异或操作获得数据a。
只需要三个时隙即可完成4辆车的双向通信。
在某一实施例中，一种基于物理层网络编码的车队通信方法，包括：
在所述第一节点1101中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点1102；
在所述第二节点1103中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点1102；
在所述中继节点1102中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点1101和所述第二节点1103。
本方案通过Li-Fi通信在短距离场景下优势非常明显，可靠性高、能耗低、抗干扰、安全性好。
利用LiFi通信手段和物理层网络编码技术提高无线通信系统的性能，提高系统安全性、提高网络吞吐量、最大程度地提高频谱利用率、最大程度地降低系统的误码率等，高效可靠地支持无人车队车辆间超实时、不间断通信，实现车辆安全跟驰。
本方案提供了一种电磁兼容性好、抗干扰能力强、通信容量大、保密性强、网络吞吐量大的通信实现方式。
可选地，在有些实施例中，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
本方案充分利用可见光通信容量、大抗电磁干扰能力强、保密性强，以及微波通信距离长、范围大、不受遮挡影响等优点，采用与微波融合的技术手段。正常情况下以Li-Fi通信手段为主份，保证安全高效的通信，将微波作为通信备份，在极端遮挡情况下保证通信的畅通。
可选地，在有些实施例中，所述在所述中继节点1102中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点1102中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
可选地，在有些实施例中，还包括：
当所述第一节点1101接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点1103接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
可选地，在有些实施例中，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。
需要说明的是，上述各实施例是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施例中各可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。
在某一实施例中，物理层网络编码(PNC)作为网络编码的一个子领域，通过将接收端的叠加信号映射到其他形式的用户信息中，可以有效地提高无线网络的吞吐量。对PNC的研究主要集中在双向中继网络上，两个用户节点希望通过中继相互通信。PNC辅助的双向中继通信有两个阶段。第一阶段是多路访问阶段；第二阶段是广播阶段。如图4所示，在第一阶段，希望相互通信的用户1和用户2同时分别发送信息S1和信息S2到中继节点。然后，中继节点R根据接收到的两个用户的叠加信号生成网络编码分组S1⊕S2.然后在第二阶段，中继节点将S1⊕S2广播给1和2两个用户，接收到S1⊕S2后，用户1使用自身信息S1即可恢复用户2的信息S2：S2＝S1⊕(S1⊕S2)；对于用户2也是如此。这样，两个用户交换信息只需要两个时隙，相对于四个时隙的传统中继方案，吞吐量可以提高100％。在这个案例中，PNC的速率和解码性能方面优于传统传输方案。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于物理层网络编码的车队通信系统，其特征在于，包括：第一节点、中继节点和第二节点；所述中继节点分别与所述第一节点、所述第二节点连接；
在所述第一节点中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述第二节点中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点和所述第二节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的车队通信系统，其特征在于，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于物理层网络编码的车队通信系统，其特征在于，所述在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于物理层网络编码的车队通信系统，其特征在于，还包括：
当所述第一节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于物理层网络编码的车队通信系统，其特征在于，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
6.一种基于物理层网络编码的车队通信方法，其特征在于，包括：
在所述第一节点中，将第一数据调制成第一可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述第二节点中，将第二数据调制成第二可见光信号，并通过Li-Fi通信发送给所述中继节点；
在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，并将处理后的信号分别发送给所述第一节点和所述第二节点。
7.根据权利要求6所述的一种基于物理层网络编码的车队通信方法，其特征在于，还包括：将所述处理后的信号，通过微波通信上传到服务器进行数据备份。
8.根据权利要求6或7所述的一种基于物理层网络编码的车队通信方法，其特征在于，所述在所述中继节点中，将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行合并处理，具体包括：
在所述中继节点中，经过合束器将所述第一可见光信号和所述第一可见光信号进行处理，生成叠加光信号，获得处理后的信号。
9.根据权利要求6所述的一种基于物理层网络编码的车队通信方法，其特征在于，还包括：
当所述第一节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第二可见光信号；
当所述第二节点接收到所述处理后的信号后，对所述处理后的信号进行预设分离处理后，获得第一可见光信号。
10.根据权利要求9所述的一种基于物理层网络编码的车队通信方法，其特征在于，所述预设分离处理包括：解调和异或处理。
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