一种基于CSMA/CA的VLC系统多用户接入方法研究

2014-12-13尚韬江涛张颖

中兴通讯技术 2014年6期

尚韬+江涛+张颖

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 06-0012-004

摘要：针对可见光的通信距离较短和带宽有限的特点，提出了一种多终端组网的可见光网络模型，对于室内可见光通信（VLC）系统多用户接入碰撞问题，我们分析了这种网络模型的特点，提出了一种基于载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的多用户接入方法，给出了多用户接入时碰撞概率和系统吞吐量的表达式，并进行了相应的仿真。仿真结果表明模型和接入方法合理有效。

关键词：室内可见光通信;多用户接入;载波侦听多路访问/冲突避免

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、寿命长、性能稳定、节省能源等优点，发光二极管（LED）灯已成为未来主要的照明方式。随着LED照明技术的发展，2000年，日本KEIO课题组提出了白光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的无线通信技术的基本原理和信道模型[2]。相比于其他的无线通信方式，可见光通信（VLC）具有成本效益高、免执照、抗电磁干扰、高传输速率及安全性好等优点。VLC已被建议取代Wi-Fi作为提供室内手机、IPAD等设备高速接入网路的技术方案，特别是在一些禁止电磁波信号的环境，如在医院和飞机上。目前，基于LED灯的室内可见光通信引起了广泛的关注[3-5]，并取得了一定的研究进展（如在光源调制带宽[6]、波分复用（WDM）[7]、光源布局[8]、克服多径效应[9]等技术，以及IEEE关于VLC统一标准IEEE 802.15.7[10]等方面的进展）。

实现室内可见光网络需要适合的全双工通信方式。上下行链路都采用可见光时[11]，链路之间的相互干扰难以满足通信的要求，需要采用一定技术进行光信号的分离。即使可以分离光信号[12]，整个系统的带宽也会受到很大限制，此外，很难解决多用户情况下的信息干扰问题。一些学者提出上行链路用红外而下行链路用可见光的全双工方式以避免上下行链路间的相互干扰[13]。

由于可见光的通信距离较短，单个可见光终端无法满足较大的室内空间。由于可见光带宽有限，对于多个可见光终端的网络，当每个可见光终端传输不同信息时，可以提高VLC的带宽利用率。传统的无线通信网络在组网时，用户上下行链路所对应的终端一般是固定不变的。在VLC系统中，当室内用户随意移动时，其所对应的可见光终端可能发生变化，且不同可见光终端下行链路传输不同的信息，使得用户组网时的接入问题变得更加复杂。

此外，单个可见光终端由若干LED灯和红外接收单元组成，由于红外接收单元个数有限，当多个用户在单个可见光终端下通信时，用户的接入碰撞问题将无法避免。日本的中川研究组为了区分不同用户终端的红外数据信息，提出了一种碰撞检测技术[14]，能一定程度解决单个可见光终端情况下多用户之间上行链路干扰的问题，但并不适用于多个可见光终端的情况。

因此，对于室内多终端情况下的VLC组网，多用户接入技术的研究是迫切需要的。在这种情况下，本文提出了一种多终端组网的可见光网络模型，具体分析了这种网络模型的特点。在此基础上，提出了一种基于载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）的多用户接入方法，给出了多用户接入时碰撞概率和系统吞吐量的表达式，并进行了相应的仿真。仿真结果表明，本文提出的模型和接入方法是合理有效的。

1 室内VLC系统多用户

接入方法

1.1 VLC系统网络模型

室内VLC系统网络模型如图1所示。可见光终端由A、B、C、D表示。为了充分利用红外频谱，我们提出多波长红外通信，在此，设定每个终端的红外接收波长分别是λ1～λ4，每个可见光终端上有3个相同波长的红外接收器，用户只能与波长匹配的接收器进行红外通信;LED灯之间通过红外互连。当某个红外接收器有多个用户同时需要接入时，将会发生接入碰撞。此外，为提高带宽利用率，4个可见光终端的下行链路传输不同信息，并且红外通信的距离要比可见光通信距离远，这就使得用户在移动后，上行链路继续与原可见光终端灯连接，而下行链路由新的可见光终端所覆盖，即用户的上、下行链路由不同的可见光终端负责管理。例如，图1中用户1在初始时刻，其上、下行链路都由可见光终端A负责管理，而当用户1移动后，其上行链路仍然由A负责管理，而下行链路变为由C负责管理。这样，用户在接入系统时，必须提供自己的相对位置信息，以便下行信息在可见光终端之间进行转发。endprint

1.2 基于CSMA/CA的多用户接入方法

传统CSMA/CA技术采用二进制退避算法来避免信息碰撞，在其4次握手方案（请求发送/准备接收（RTS/CTS））中[15]，加入了网络分配向量（NAV），以获得信道保持忙状态的时间信息，降低无碰撞接入网络概率。

传统无线的CSMA/CA技术不能有效解决室内VLC网络模型的用户接入问题。其原因主要有以下几点：

（1）用户无法侦听红外信道是否繁忙，因此不知道自己是否应该发送信息，无法避免用户接入网络碰撞。

（2）用户的上下行链路一般由不同终端负责信息发送，需要经过终端间的转发用户才能收到CTS信息。

本文提出了一种改进的CSMA/CA方法，通过广播上行链路占用信息，用户获得接入等待时间，收到可以接入确认（ACK）信号，用户即可接入网络，终端通过广播CTS信息，寻找用户位置，建立用户完整链路信息，达到用户高效接入网络的目的。具体过程如下：

（1）假设用户S上行链路由可见光终端A管理，其所处任意位置，准备接入室内可见光系统，用户S会收到网络分配向量，知道信道保持忙状态的时间信息，当时间到后，用户接到ACK信息即可向终端A发送请求接入信息RTS，预约信道。如果用户在分布式帧间间隙（DIFS）时间内没收到该信道被占用信息，用户可立即发送请求接入信息RTS。

（2）A收到RTS信息后，将S的地址存入路由列表，附上自己的地址后通过可见光下行链路发送CTS反馈信息，并通知其他终端，告知信道已被预约及预约的时间，其他终端将信息发送到所覆盖区域。若A没有收到RTS信息，说明用户S发送的RTS信息发生了碰撞，A不会发送任何反馈信息，用户在一定时间内没有接受到任何反馈信息，即认为发送的RTS信息发生碰撞，此时用户启动碰撞退避算法，等待下次接入。

（3）当用户S在A的可见光通信区域，用户S会即刻收到A的CTS信息和A的物理地址，用户S向A在次发送RTS信息，信息包括管理自己下行链路的终端A的物理地址，这时终端A获得用户S完整的上、下行链路管理信息，终端A再次发送CTS信息告诉用户S发送数据信息，用户A完成室内VLC网络的接入，若用户在一定时间内没有收到终端A的CTS信息，即说明用户S不在终端A覆盖范围，则以广播方式同时向相邻的照明/通信终端B和D发送通告信息。

（4）B和D收到此通告信息并分别附上自己的地址，通过可见光下行链路发送CTS信息

（5）若S收到D发送的上述消息，则向A发送D的地址信息，A将获得S完整的上、下行路由信息，用户S完成网络接入，即S分别与A和D建立上行红外链路和可见光下行链路。若S在一定时间内没有收到应答信息，则通知终端B和D继续转发RTS信息。当用户处在终端C的可见光通信范围时，终端会收到终端B和D转发的RTS信息，终端C对于相同的RTS信息，任意处理一个即可。上述过程的流程如图2所示。

1.3 用户碰撞概率和系统吞吐量

定义包发送概率为[τ]，碰撞概率为p。碰撞窗口为W，W由数据包发送失败的次数决定。在第一次发送时，W设为最小碰撞窗口CWmin，发送数据包不成功时W值加倍，直到达到最大碰撞窗口CWmax = 2mCWmin，CWmin和CWmax由物理层来指定。

最大退避次数为m，则包发送概率为：

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

假设室内同一红外波长的用户数为n，且每个用户都有信息发送，我们设计的可见光终端中，有3个相同波长的接收器，则碰撞概率为：

[p=1-（1-13τ）n-1] （2）

由于在室内可见光通信中，传播时延可以忽略，基于文献[15]，时间变量定义如表1所示。

N个用户至少有一个数据包在发送的概率为：

[ptr=1-（1-τ）n] （3）

N个用户至少有一个数据发送并成功的概率为：

根据表1给出的时间数据，我们可以计算出成功接入时间为：

其中，p为转发次数，则接入失败时间可表示为：

[Tfail = RTS/RateIR + DIFS ] （6）

归一化吞吐量为：

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

2 仿真结果与分析

用户接入网络时发生碰撞概率的仿真结果如图3所示。

从图3可以看出，用户接入碰撞概率较小，这是由于在一个照明-通信终端上含有3个相同波长的接收阵元的缘故，随着集成技术的提高，同波长接收阵元的增加，碰撞概率将会变得更小。

从图3也可以看出，随着用户的增多，接入网络的碰撞概率将会增大。例如，当用户数量为5个时，其接入碰撞概率为0.1左右;当用户达到10个时，其接入碰撞概率也只有0.24左右。

我们选取上行红外链路速率为10 Mb/s，下行可见光链路速100 Mb/s，对网络的吞吐量进行了仿真，结果如图4所示。可以看出，影响网络吞吐量的主要因素是用户接入过程中信息的转发次数p。当p=0时，归一化吞吐量达到0.8左右，这种情况对应用户上行链路终端负责用户下行链路通信;当p=1时，S达到0.7左右，这种情况对应用户上行链路管理终端的相邻终端负责用户下行链路通信;而当p=2时，S达到0.6左右，这种情况对应用户上行链路管理终端对角终端负责用户下行链路通信。无论哪种情况，网络性能都很好，说明我们提出的接入方法有效的。endprint

3 结束语

室内VLC系统不仅可以提供高品质的照明，而且可以实现高速、可靠的数据通信。随着LED技术的发展，VLC展现出巨大的应用前景。采用合理的全双工方式可以消除链路之间的干扰，即上行链路使用红外通信，下行链路使用可见光通信。基于上述方式，我们提出了一种VLC系统网络模型和新颖的多用户接入方法，以符合室内VLC系统通信特点，同时满足用户移动通信要求。从用户接入碰撞概率和网络吞吐量的仿真结果可以看出，我们提出的多用户接入方法是合理可行的。

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