室内可见光通信系统中的动态多用户接入方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Dynamic multi user access, over frame structure and access method for indoor visible light communication system

The invention discloses a dynamic multi-user access super frame structure and an access method in an indoor visible light communication system, mainly solving the problems of large collision probability and low utilization ratio of channel resources in the existing multi-user access. Super frame structure of the invention defines the user access and dynamic channel time slot allocation phase, synchronization time and work time of the user dynamic channel time slot allocation stage; multi user access method comprises: the access stage for multi-user competition into conflict avoidance; in dynamic channel time slot allocation stage, based on the user time slot allocation the priority assignment algorithm; introducing competition mechanism to make full use of idle time, user idle time, users will not time slot allocation data transmission to other users using competition. The invention reduces collision probability when multi-user accesses, improves throughput, reduces waste of channel bandwidth resources, can be used in indoor visible light communication field, and can extend to wireless optical communication field.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于通信
，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。
技术介绍
室内可见光通信(Visiblelightcommunication,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(lightemittingdiode，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：IEEE802.15.7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“ExperimentonSpaceandTimeDivisionMultipleAccessSchemeoverFreeSpaceOpticalCommunication”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。RatnaKalosZakiahSahbudinandMazlinKamarulzaman等人在“PerformanceofSACOCDMA-FSOcommunicationsystems”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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，collideavoid)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。本专利技术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；本专利技术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(CleartoSend)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。本专利技术的思路是：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。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1.本专利技术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.本专利技术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.本专利技术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：是本专利技术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：是本专利技术TDMA/CA的超帧结构总体示意图；图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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，collideavoid)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(CleartoSend)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵昭磊，尚韬，高妍，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61