可見光通信的MAC協(xié)議研究

施麗慧

【摘 要】可見光通信作為一種新興的無線通信技術，具有極大的發(fā)展前景。介紹了IEEE 802.15.7標準（草案），該標準對MAC協(xié)議進行了詳細的定義。標準中提出的MAC協(xié)議的功能有很多，可以從信道接入、GTS分配、信道分配、合作通信等方面對MAC協(xié)議進行優(yōu)化，通過對這些優(yōu)化技術的研究討論，進一步改善可見光通信的性能。

【關鍵詞】可見光通信 MAC協(xié)議 CAMA/CA GTS

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0076-06

1 引言

可見光通信是一種短距離的無線通信系統(tǒng)，是在白光LED（Light-Emitting Diode）技術上發(fā)展起來的新興的無線光通信技術。白光LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點，特別是其響應靈敏度非常高，因此可以用來進行超高速數(shù)據(jù)通信。在可見光通信系統(tǒng)中，可見光既是傳輸介質又可用于照明。這是因為白光LED的亮度很高，且調(diào)制速率非常高，人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。此外，可見光通信還有如下優(yōu)點：對人體無害，安全度高，數(shù)據(jù)傳輸速率高，頻段免費，與射頻系統(tǒng)尤其是飛機設備或醫(yī)療機械之間不會產(chǎn)生干擾。因而VLC（Visible Light Communication，可見光通信）技術具有極大的發(fā)展前景，已引起人們的廣泛關注和研究。但是可見光通信也存在缺點：可見光信號不能穿越障礙物，在可見光網(wǎng)絡中的載波偵聽沒有射頻網(wǎng)絡一樣的魯棒性。

2011年提出的IEEE 802.15.7[1]是針對利用可見光進行短距離無線通信的一個標準。該標準中對MAC協(xié)議的功能進行了詳細的定義，如信道接入、個人局域網(wǎng)的建立和維持、同步、傳輸接收確認、GTS（Guaranteed Time Slot，保障時隙）的分配和管理、快速鏈接恢復、多信道資源管理、顏色功能和標準化等。

本文做如下安排：第一部分介紹一種多參數(shù)的隨機接入機制；第二部分介紹兩種不同的GTS分配方法；第三部分介紹兩種基于優(yōu)先級的信道分配方法；第四部分介紹合作通信；最后進行總結。

2 隨機接入機制

IEEE 802.15.7標準中的個人局域網(wǎng)支持三種拓撲結構：點對點拓撲結構、星型拓撲結構和廣播型拓撲結構。該標準中MAC協(xié)議有以下兩個信道接入機制：基于競爭的和無競爭的?；诟偁幍脑L問允許設備利用隨機接入退避算法在CAP（Contention-Access Period，競爭周期）時訪問信道，無競爭訪問完全通過協(xié)調(diào)器在CFP（Contention-Free Period，無競爭周期）時對GTS的利用。

在IEEE 802.15.7中時隙的CSMA/CA（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance，帶碰撞避免的載波偵聽多路訪問機制）中，MAC子層首先初始化了兩個變量：NB（Number of Backoffs，退避次數(shù)）和BE（Back-off Exponent，退避指數(shù)）。當介質忙碌的時候，算法會嘗試退避。BE與一個設備試圖訪問信道前必須等待的退避期間的個數(shù)有關。BE的初始值定義為macMinBE?；贐E的值，該算法能夠定位設備的下一個退避周期的邊界。設備產(chǎn)生一個在0到（2BE-1）間的隨機數(shù)，然后等待，直到該隨機數(shù)被減至零，然后執(zhí)行CCA（Clear-Channel Assessment，空閑信道評估）。物理層執(zhí)行CCA，檢測信道是否忙碌。如果信道忙，當BE的值等于或小于macMaxBE值時，算法將NB和BE的值加一。如果NB超過macMaxRABackoffs的值，則信道訪問失敗，該數(shù)據(jù)包將被丟棄。如果NB小于等于macMaxRABackoffs的值，該算法將重新定位退避周期的邊界。然后，它會再次應用補償延時過程。如果信道是空閑的，數(shù)據(jù)包發(fā)送，設備等待ACK（Acknowledgment，確認幀），接收到確認幀表示發(fā)送成功。

基于IEEE 802.15.7的時隙CSMA/CA，考慮星型拓撲結構中的信標使能模式，對于不同的服務應用，文獻[2]中利用退避次數(shù)、退避指數(shù)、CW（Contention Window，競爭窗口）和RT（Retransmission Times，重傳次數(shù)）這四個參數(shù)提出了一種在VPAN中提供優(yōu)先級的機制。在VPAN中支持優(yōu)先級的規(guī)則是，具有較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)成功的比例較高，延時更小。將四個變量分別定義了不同的優(yōu)先級。

基于離散馬爾克夫鏈模型，分析該機制在非飽和環(huán)境下的性能并探討該機制對延時和可靠性的影響。結果表明，優(yōu)先級越高的數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)目煽啃栽礁撸訒r越小。

3 GTS分配

IEEE 802.15.7標準中的MAC協(xié)議支持帶信標使能和無信標使能兩種模式。無信標使能的情況采用無時隙的隨機接入機制。信標使能的情況，協(xié)調(diào)器以超幀的結構產(chǎn)生周期性的信標幀。為了支持實時的數(shù)據(jù)傳輸，IEEE 802.15.7標準和802.15.4標準[3]一樣提供了一種保障時隙（GTS）機制來分配超幀中指定的一個連續(xù)時間段來傳輸數(shù)據(jù)。超幀結構如圖1所示：

IEEE 802.15.7標準中GTS分配方案是針對信標使能模式而言的。一個節(jié)點的帶寬要求取決于CFP剩余的時隙。但在超幀的16個時隙中，一個時隙作為網(wǎng)絡信標，一些時隙保留給CAP，所以CFP是有限的。在CAP時，需要資源的節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求。在收到這些請求后，協(xié)調(diào)器將檢查超幀中是否有足夠的時隙。如果超幀中的可用時隙的數(shù)量小于所請求的時隙數(shù)量，GTS分配請求將被拒絕，否則接受。如果GTS分配請求被接受，被接受的節(jié)點必須跟蹤信標幀，檢查當前超幀中是否分配時隙。已經(jīng)有一些研究分析GTS分配方案的最大吞吐量和延遲性能[4，5]。由此可以看到，標準GTS分配方案有兩方面的挑戰(zhàn)：首先，GTS數(shù)量是有限的；其次，當業(yè)務速率小于可用帶寬時，會浪費更多的服務時隙。

3.1 UGAS

針對如何有效地分配保障時隙，很多研究結果已經(jīng)發(fā)布。一個辦法是將分開的GTS分成更小的時隙，這樣更多的設備可以使用GTS，浪費的帶寬也會減少[6]。還有一種I-GAME機制允許幾個設備同時使用相同的GTS，這樣帶寬的使用率和使用同等數(shù)量GTS的設備數(shù)也會增加[7]。

正如之前提到的，將CFP劃分成更小的時隙能更有效地分配帶寬資源。然而，時隙的數(shù)量是有限的，如果不打破原有的標準結構，是不能增加的。根據(jù)標準中的GTS分配，帶寬是浪費的。相對于文獻[6]中將時隙分成相同的更小時隙的方法，文獻[8]提出了一種不平衡的UGAS（Unbalanced GTS Allocation Scheme，GTS分配方案），該方法是將CFP分成不同的持續(xù)時隙。通過這種方式，該方案可確保突發(fā)業(yè)務的QoS。UGAS對每個節(jié)點進行嚴格的帶寬分配，小請求分配到的資源少，反之則多。

與GTS的標準配置方案相比，UGAS方案可解決三個問題：最大剩余時隙的數(shù)量、實現(xiàn)有效的GTS分配、QoS保證。

3.2 鏈接切換時的GTS分配

當設備從一個傳輸器連接到另一個的時候，即鏈接切換（Link Switching），如何有效地分配資源是VLC網(wǎng)絡和其他無線網(wǎng)絡中都要解決的一個問題。文獻[9]提出了一種靈活的支持鏈接切換的GTS分配機制。當一個設備處理鏈接切換程序時，或者設備和傳輸器之間建立新的鏈接時，設備必須向協(xié)調(diào)器請求新的GTS。當CFP階段剩余的時隙無法滿足鏈接切換請求時，請求就會被拒絕。為了保證無縫鏈接，從已存在的非即時的訪問中借用一些時隙分配給鏈接切換，這就是該機制的主要思想。

假設鏈接切換請求到達和離開的過程都符合泊松分布，提出的機制可以用M/M/K/K排隊模型來建模。仿真結果顯示，相對于傳統(tǒng)的GTS分配機制，文獻中提出的方法可以容納更多的訪問并且有效地降低鏈接切換訪問失敗的概率。

4 信道分配

4.1 信道優(yōu)先級

根據(jù)IEEE 802.15.7標準，不同的顏色代表了不同的信道。當可見光通信中的信道有限時，不同類型的業(yè)務就會同時出現(xiàn)，并可使用不同顏色的信道。系統(tǒng)根據(jù)用戶優(yōu)先級和實時信道條件來分配資源，以此維持服務質量（QoS）。為了給高優(yōu)先級用戶提供更好的服務質量，必然會降低訪問限制率，確定的門信道會降低資源使用率。文獻[10]提出了一種動態(tài)的信道分配機制，在不消耗巨大資源的前提下，合理地降低高優(yōu)先級用戶的訪問限制率。該機制只在訪問負載較大時使用。

在訪問負載較小時，沒有優(yōu)先機制來提高資源使用率，不同類型的訪問可以分配到所有的信道。當訪問負載較大時，不同類型的訪問分配到的信道是不確定的，信道分配的數(shù)目主要取決于訪問到達率、總信道數(shù)和確定的最小信道數(shù)。

將業(yè)務從高優(yōu)先級到低優(yōu)先級分成1、2、3…M個級別。XM（t）為保留給不同優(yōu)先級的業(yè)務的信道數(shù)；C為分配給所有業(yè)務的最小信道數(shù)，是確定數(shù)；N為系統(tǒng)中的信道總數(shù)。不同的業(yè)務分配到的信道如圖2所示：

圖2 文獻[10]提出的信道分配模型

最后仿真顯示，相比于無優(yōu)先級的機制，優(yōu)先級越高的用戶訪問限制率越低，同時它的信道使用率幾乎和無優(yōu)先級的機制一樣，并未占用過多的資源。

4.2 用戶優(yōu)先級

無線通信系統(tǒng)中資源有限，當不同優(yōu)先級的不同用戶使用相同的網(wǎng)絡資源的時候，為了最優(yōu)化資源使用率，如何根據(jù)優(yōu)先級來分配資源，并降低擁堵概率和訪問掉線比率尤其重要。

在可見光通信中用可見光的不同顏色來定義信道。波長從375nm到780nm的可見光頻段分成N個信道。N的大小取決于LED和檢光器（Photo Detector）的特性。文獻[11]將這N個信道再分成三類：1到N1、N1+1到N2、N2+1到N。論文中將用戶分成三類：高級用戶、中級用戶和低級用戶。高級用戶可以使用整個信道，中級用戶可以使用1到N2，低級用戶可以使用1到N1，如圖3所示：

圖3 文獻[11]提出的信道分配模型

當一個新用戶想要進入系統(tǒng)時，系統(tǒng)先檢驗該用戶的類型。如果是低級用戶，則檢測1到N1的信道是否空閑。如果空閑，就接受；否則拒絕。如果是中級用戶，則檢測1到N2的信道是否空閑。由于N2>N1，所以中級用戶被接受的概率要大于低級用戶。同理，高級用戶被接受的概率大于中級用戶。

理論上分析，假設這個系統(tǒng)有很多區(qū)域，每個區(qū)域都有N個信道，每個信道的維持時間呈指數(shù)分布。所有用戶請求到達某個區(qū)域的過程假設為泊松過程，低級用戶、中級用戶和高級用戶的泊松參數(shù)不同。只研究其中一個區(qū)域，假設這一個區(qū)域中的活動是（N+1）階的馬爾科夫過程，建立典型的M/M/N/N排隊模型，得出不同優(yōu)先級用戶的阻塞概率。結果顯示，采用了這種基于優(yōu)先級的資源分配機制的各類用戶的阻塞概率要比未采用這種機制的用戶低得多。

5 合作通信

在無線通信中，合作通信被視為最有潛力的提高系統(tǒng)可靠性和性能的一項技術?？梢姽馔ㄐ诺膫鬏斁嚯x有限，只能在可視范圍內(nèi)傳輸，這種情況下，合作通信更具優(yōu)勢。無線介質的廣播特性可用于提高系統(tǒng)的性能，通過節(jié)點而不是源和目標，積極幫助數(shù)據(jù)幀正確地傳送到目的地。這種做法被稱為合作式通信。合作通信的出現(xiàn)被認為是克服無線通信限制的一種空間多樣性的新形式。在這種技術中，多個節(jié)點同時接收、解碼和重傳數(shù)據(jù)包。

文獻[12]提出了一種用于VLC網(wǎng)絡的協(xié)同傳輸模型。從源節(jié)點到目的節(jié)點路徑上的節(jié)點變成中繼節(jié)點，其任務是將前向錯誤數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的節(jié)點。因此，從一個源節(jié)點到宿節(jié)點的經(jīng)典路徑被多跳協(xié)同路徑代替，經(jīng)典的點至點的通信被替換為許多到許多的合作式通信。

合作式MAC協(xié)議同樣基于用于短距離可見光通信的IEEE 802.15.7標準中的MAC協(xié)議。該協(xié)議充分利用了合作通信，通過多點中繼來提高從源到目的地的可靠性和吞吐量。具體來說，就是發(fā)送方和接收方會選擇一些中繼節(jié)點來進行合作通信。相對于單中繼合作，多節(jié)點合作的吞吐量更大。如果主鏈路所施加的直接通信可以提供足夠的帶寬和服務質量要求，則采用傳統(tǒng)的MAC協(xié)議沒有協(xié)同傳輸。否則，發(fā)送方和目的接收方會初始化為合作機制，尋找供合作通信的中繼節(jié)點。本文提出了IEEE 802.15.7 MAC層中的控制流程和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男聟f(xié)議，同時保持向后兼容目前的MAC。三種通信方案的比較如圖4所示。