一種基于CSMA/CA的VLC系統(tǒng)多用戶接入方法研究

2014-12-13 12:36:57尚韜江濤張穎

中興通訊技術(shù) 2014年6期

尚韜+江濤+張穎

中圖分類號(hào)：TN929.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1009-6868 （2014） 06-0012-004

摘要：針對(duì)可見(jiàn)光的通信距離較短和帶寬有限的特點(diǎn)，提出了一種多終端組網(wǎng)的可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)于室內(nèi)可見(jiàn)光通信（VLC）系統(tǒng)多用戶接入碰撞問(wèn)題，我們分析了這種網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)，提出了一種基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）的多用戶接入方法，給出了多用戶接入時(shí)碰撞概率和系統(tǒng)吞吐量的表達(dá)式，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。仿真結(jié)果表明模型和接入方法合理有效。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)可見(jiàn)光通信;多用戶接入;載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免

Abstract：Visible light is only used to communicate over a short distance， and the bandwidth is limited. In this paper， we propose a network model based on multi-terminal networking. To address the multi-user access collision problem， we analyze the network model and propose a multi-user access method based on CSMA/CA. We give the mathematical formulas for collision probability and system throughput and run corresponding simulations. The results show that multi-user access based on CSMA/CA is a reasonable and effective method.

Keywords：indoor VLC; multi-users access; CSMA/CA

由于具有亮度高、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光二極管（LED）燈已成為未來(lái)主要的照明方式。隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，2000年，日本KEIO課題組提出了白光LED用于家庭通信的基本思想[1]，并在2004年，首次公布了基于白光LED的無(wú)線通信技術(shù)的基本原理和信道模型[2]。相比于其他的無(wú)線通信方式，可見(jiàn)光通信（VLC）具有成本效益高、免執(zhí)照、抗電磁干擾、高傳輸速率及安全性好等優(yōu)點(diǎn)。VLC已被建議取代Wi-Fi作為提供室內(nèi)手機(jī)、IPAD等設(shè)備高速接入網(wǎng)路的技術(shù)方案，特別是在一些禁止電磁波信號(hào)的環(huán)境，如在醫(yī)院和飛機(jī)上。目前，基于LED燈的室內(nèi)可見(jiàn)光通信引起了廣泛的關(guān)注[3-5]，并取得了一定的研究進(jìn)展（如在光源調(diào)制帶寬[6]、波分復(fù)用（WDM）[7]、光源布局[8]、克服多徑效應(yīng)[9]等技術(shù)，以及IEEE關(guān)于VLC統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7[10]等方面的進(jìn)展）。

實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)需要適合的全雙工通信方式。上下行鏈路都采用可見(jiàn)光時(shí)[11]，鏈路之間的相互干擾難以滿足通信的要求，需要采用一定技術(shù)進(jìn)行光信號(hào)的分離。即使可以分離光信號(hào)[12]，整個(gè)系統(tǒng)的帶寬也會(huì)受到很大限制，此外，很難解決多用戶情況下的信息干擾問(wèn)題。一些學(xué)者提出上行鏈路用紅外而下行鏈路用可見(jiàn)光的全雙工方式以避免上下行鏈路間的相互干擾[13]。

由于可見(jiàn)光的通信距離較短，單個(gè)可見(jiàn)光終端無(wú)法滿足較大的室內(nèi)空間。由于可見(jiàn)光帶寬有限，對(duì)于多個(gè)可見(jiàn)光終端的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)每個(gè)可見(jiàn)光終端傳輸不同信息時(shí)，可以提高VLC的帶寬利用率。傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)時(shí)，用戶上下行鏈路所對(duì)應(yīng)的終端一般是固定不變的。在VLC系統(tǒng)中，當(dāng)室內(nèi)用戶隨意移動(dòng)時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光終端可能發(fā)生變化，且不同可見(jiàn)光終端下行鏈路傳輸不同的信息，使得用戶組網(wǎng)時(shí)的接入問(wèn)題變得更加復(fù)雜。

此外，單個(gè)可見(jiàn)光終端由若干LED燈和紅外接收單元組成，由于紅外接收單元個(gè)數(shù)有限，當(dāng)多個(gè)用戶在單個(gè)可見(jiàn)光終端下通信時(shí)，用戶的接入碰撞問(wèn)題將無(wú)法避免。日本的中川研究組為了區(qū)分不同用戶終端的紅外數(shù)據(jù)信息，提出了一種碰撞檢測(cè)技術(shù)[14]，能一定程度解決單個(gè)可見(jiàn)光終端情況下多用戶之間上行鏈路干擾的問(wèn)題，但并不適用于多個(gè)可見(jiàn)光終端的情況。

因此，對(duì)于室內(nèi)多終端情況下的VLC組網(wǎng)，多用戶接入技術(shù)的研究是迫切需要的。在這種情況下，本文提出了一種多終端組網(wǎng)的可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)模型，具體分析了這種網(wǎng)絡(luò)模型的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）的多用戶接入方法，給出了多用戶接入時(shí)碰撞概率和系統(tǒng)吞吐量的表達(dá)式，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。仿真結(jié)果表明，本文提出的模型和接入方法是合理有效的。

1 室內(nèi)VLC系統(tǒng)多用戶

接入方法

1.1 VLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

室內(nèi)VLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示?？梢?jiàn)光終端由A、B、C、D表示。為了充分利用紅外頻譜，我們提出多波長(zhǎng)紅外通信，在此，設(shè)定每個(gè)終端的紅外接收波長(zhǎng)分別是λ1～λ4，每個(gè)可見(jiàn)光終端上有3個(gè)相同波長(zhǎng)的紅外接收器，用戶只能與波長(zhǎng)匹配的接收器進(jìn)行紅外通信;LED燈之間通過(guò)紅外互連。當(dāng)某個(gè)紅外接收器有多個(gè)用戶同時(shí)需要接入時(shí)，將會(huì)發(fā)生接入碰撞。此外，為提高帶寬利用率，4個(gè)可見(jiàn)光終端的下行鏈路傳輸不同信息，并且紅外通信的距離要比可見(jiàn)光通信距離遠(yuǎn)，這就使得用戶在移動(dòng)后，上行鏈路繼續(xù)與原可見(jiàn)光終端燈連接，而下行鏈路由新的可見(jiàn)光終端所覆蓋，即用戶的上、下行鏈路由不同的可見(jiàn)光終端負(fù)責(zé)管理。例如，圖1中用戶1在初始時(shí)刻，其上、下行鏈路都由可見(jiàn)光終端A負(fù)責(zé)管理，而當(dāng)用戶1移動(dòng)后，其上行鏈路仍然由A負(fù)責(zé)管理，而下行鏈路變?yōu)橛蒀負(fù)責(zé)管理。這樣，用戶在接入系統(tǒng)時(shí)，必須提供自己的相對(duì)位置信息，以便下行信息在可見(jiàn)光終端之間進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。endprint

1.2 基于CSMA/CA的多用戶接入方法

傳統(tǒng)CSMA/CA技術(shù)采用二進(jìn)制退避算法來(lái)避免信息碰撞，在其4次握手方案（請(qǐng)求發(fā)送/準(zhǔn)備接收（RTS/CTS））中[15]，加入了網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV），以獲得信道保持忙狀態(tài)的時(shí)間信息，降低無(wú)碰撞接入網(wǎng)絡(luò)概率。

傳統(tǒng)無(wú)線的CSMA/CA技術(shù)不能有效解決室內(nèi)VLC網(wǎng)絡(luò)模型的用戶接入問(wèn)題。其原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）用戶無(wú)法偵聽(tīng)紅外信道是否繁忙，因此不知道自己是否應(yīng)該發(fā)送信息，無(wú)法避免用戶接入網(wǎng)絡(luò)碰撞。

（2）用戶的上下行鏈路一般由不同終端負(fù)責(zé)信息發(fā)送，需要經(jīng)過(guò)終端間的轉(zhuǎn)發(fā)用戶才能收到CTS信息。

本文提出了一種改進(jìn)的CSMA/CA方法，通過(guò)廣播上行鏈路占用信息，用戶獲得接入等待時(shí)間，收到可以接入確認(rèn)（ACK）信號(hào)，用戶即可接入網(wǎng)絡(luò)，終端通過(guò)廣播CTS信息，尋找用戶位置，建立用戶完整鏈路信息，達(dá)到用戶高效接入網(wǎng)絡(luò)的目的。具體過(guò)程如下：

（1）假設(shè)用戶S上行鏈路由可見(jiàn)光終端A管理，其所處任意位置，準(zhǔn)備接入室內(nèi)可見(jiàn)光系統(tǒng)，用戶S會(huì)收到網(wǎng)絡(luò)分配向量，知道信道保持忙狀態(tài)的時(shí)間信息，當(dāng)時(shí)間到后，用戶接到ACK信息即可向終端A發(fā)送請(qǐng)求接入信息RTS，預(yù)約信道。如果用戶在分布式幀間間隙（DIFS）時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到該信道被占用信息，用戶可立即發(fā)送請(qǐng)求接入信息RTS。

（2）A收到RTS信息后，將S的地址存入路由列表，附上自己的地址后通過(guò)可見(jiàn)光下行鏈路發(fā)送CTS反饋信息，并通知其他終端，告知信道已被預(yù)約及預(yù)約的時(shí)間，其他終端將信息發(fā)送到所覆蓋區(qū)域。若A沒(méi)有收到RTS信息，說(shuō)明用戶S發(fā)送的RTS信息發(fā)生了碰撞，A不會(huì)發(fā)送任何反饋信息，用戶在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接受到任何反饋信息，即認(rèn)為發(fā)送的RTS信息發(fā)生碰撞，此時(shí)用戶啟動(dòng)碰撞退避算法，等待下次接入。

（3）當(dāng)用戶S在A的可見(jiàn)光通信區(qū)域，用戶S會(huì)即刻收到A的CTS信息和A的物理地址，用戶S向A在次發(fā)送RTS信息，信息包括管理自己下行鏈路的終端A的物理地址，這時(shí)終端A獲得用戶S完整的上、下行鏈路管理信息，終端A再次發(fā)送CTS信息告訴用戶S發(fā)送數(shù)據(jù)信息，用戶A完成室內(nèi)VLC網(wǎng)絡(luò)的接入，若用戶在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到終端A的CTS信息，即說(shuō)明用戶S不在終端A覆蓋范圍，則以廣播方式同時(shí)向相鄰的照明/通信終端B和D發(fā)送通告信息。

（4）B和D收到此通告信息并分別附上自己的地址，通過(guò)可見(jiàn)光下行鏈路發(fā)送CTS信息

（5）若S收到D發(fā)送的上述消息，則向A發(fā)送D的地址信息，A將獲得S完整的上、下行路由信息，用戶S完成網(wǎng)絡(luò)接入，即S分別與A和D建立上行紅外鏈路和可見(jiàn)光下行鏈路。若S在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答信息，則通知終端B和D繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RTS信息。當(dāng)用戶處在終端C的可見(jiàn)光通信范圍時(shí)，終端會(huì)收到終端B和D轉(zhuǎn)發(fā)的RTS信息，終端C對(duì)于相同的RTS信息，任意處理一個(gè)即可。上述過(guò)程的流程如圖2所示。

1.3 用戶碰撞概率和系統(tǒng)吞吐量

定義包發(fā)送概率為[τ]，碰撞概率為p。碰撞窗口為W，W由數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗的次數(shù)決定。在第一次發(fā)送時(shí)，W設(shè)為最小碰撞窗口CWmin，發(fā)送數(shù)據(jù)包不成功時(shí)W值加倍，直到達(dá)到最大碰撞窗口CWmax = 2mCWmin，CWmin和CWmax由物理層來(lái)指定。

最大退避次數(shù)為m，則包發(fā)送概率為：

[τ=2（1-2p）（1-2p）（W+1）+pW（1-（2p）m）] ? ?（1）

假設(shè)室內(nèi)同一紅外波長(zhǎng)的用戶數(shù)為n，且每個(gè)用戶都有信息發(fā)送，我們?cè)O(shè)計(jì)的可見(jiàn)光終端中，有3個(gè)相同波長(zhǎng)的接收器，則碰撞概率為：

[p=1-（1-13τ）n-1] ? ?（2）

由于在室內(nèi)可見(jiàn)光通信中，傳播時(shí)延可以忽略，基于文獻(xiàn)[15]，時(shí)間變量定義如表1所示。

N個(gè)用戶至少有一個(gè)數(shù)據(jù)包在發(fā)送的概率為：

[ptr=1-（1-τ）n] ? ?（3）

N個(gè)用戶至少有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送并成功的概率為：

根據(jù)表1給出的時(shí)間數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出成功接入時(shí)間為：

其中，p為轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，則接入失敗時(shí)間可表示為：

[Tfail = RTS/RateIR + DIFS ] ? ?（6）

歸一化吞吐量為：

[S=psptr（Header + Payload）/RateIRpsptrTsucc+ptr（1-ps）Tfail] ? ?（7）

2 仿真結(jié)果與分析

用戶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)發(fā)生碰撞概率的仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，用戶接入碰撞概率較小，這是由于在一個(gè)照明-通信終端上含有3個(gè)相同波長(zhǎng)的接收陣元的緣故，隨著集成技術(shù)的提高，同波長(zhǎng)接收陣元的增加，碰撞概率將會(huì)變得更小。

從圖3也可以看出，隨著用戶的增多，接入網(wǎng)絡(luò)的碰撞概率將會(huì)增大。例如，當(dāng)用戶數(shù)量為5個(gè)時(shí)，其接入碰撞概率為0.1左右;當(dāng)用戶達(dá)到10個(gè)時(shí)，其接入碰撞概率也只有0.24左右。

我們選取上行紅外鏈路速率為10 Mb/s，下行可見(jiàn)光鏈路速100 Mb/s，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯绊懢W(wǎng)絡(luò)吞吐量的主要因素是用戶接入過(guò)程中信息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)p。當(dāng)p=0時(shí)，歸一化吞吐量達(dá)到0.8左右，這種情況對(duì)應(yīng)用戶上行鏈路終端負(fù)責(zé)用戶下行鏈路通信;當(dāng)p=1時(shí)，S達(dá)到0.7左右，這種情況對(duì)應(yīng)用戶上行鏈路管理終端的相鄰終端負(fù)責(zé)用戶下行鏈路通信;而當(dāng)p=2時(shí)，S達(dá)到0.6左右，這種情況對(duì)應(yīng)用戶上行鏈路管理終端對(duì)角終端負(fù)責(zé)用戶下行鏈路通信。無(wú)論哪種情況，網(wǎng)絡(luò)性能都很好，說(shuō)明我們提出的接入方法有效的。endprint

3 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)VLC系統(tǒng)不僅可以提供高品質(zhì)的照明，而且可以實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，VLC展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。采用合理的全雙工方式可以消除鏈路之間的干擾，即上行鏈路使用紅外通信，下行鏈路使用可見(jiàn)光通信?；谏鲜龇绞?，我們提出了一種VLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型和新穎的多用戶接入方法，以符合室內(nèi)VLC系統(tǒng)通信特點(diǎn)，同時(shí)滿足用戶移動(dòng)通信要求。從用戶接入碰撞概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的仿真結(jié)果可以看出，我們提出的多用戶接入方法是合理可行的。

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3 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)VLC系統(tǒng)不僅可以提供高品質(zhì)的照明，而且可以實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，VLC展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。采用合理的全雙工方式可以消除鏈路之間的干擾，即上行鏈路使用紅外通信，下行鏈路使用可見(jiàn)光通信。基于上述方式，我們提出了一種VLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型和新穎的多用戶接入方法，以符合室內(nèi)VLC系統(tǒng)通信特點(diǎn)，同時(shí)滿足用戶移動(dòng)通信要求。從用戶接入碰撞概率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的仿真結(jié)果可以看出，我們提出的多用戶接入方法是合理可行的。