基于LED可見光的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬 琪，張 悅

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)手段不斷豐富?？梢姽庾鳛殡姶挪ǖ囊环N，用來傳遞信息的歷史較為悠久，如歷史上的“烽火”和近代的“信號(hào)彈”等[1]。隨著發(fā)光LED技術(shù)的不斷成熟以及嵌入式和光敏元器件技術(shù)的不斷進(jìn)步，對LED可見光進(jìn)行調(diào)制，以期達(dá)到高速信號(hào)智能傳輸?shù)哪繕?biāo)[2]。

近年來不少學(xué)者對LED光通信進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了基于LED的電光信號(hào)轉(zhuǎn)換、光信號(hào)傳輸接收以及光電信號(hào)解析，達(dá)到了數(shù)字信息通信的效果[3-5]。張熠程等提出了一種基于照明用LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，給出了面向文字傳輸、音頻傳輸以及視頻傳輸?shù)腖ED光通信電路設(shè)計(jì)，對上位機(jī)信號(hào)調(diào)制及軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，達(dá)到了LED光通信效果[6]?？梢姽庠跀?shù)據(jù)傳輸過程中會(huì)存在較多干擾，如其他光源的亮度干擾令光敏元器件對信號(hào)源的感知能力下降，信號(hào)光源的光亮遮擋造成瞬間信號(hào)中斷，可見光的漫反射及多徑傳輸效應(yīng)，造成信號(hào)混亂，誤碼率增大等。針對上述問題，邊禹提出了一種基于可見光通信的信號(hào)均衡算法，構(gòu)造了FFE-DFE-MAP的均衡結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)了雙曲正切誤差函數(shù)，改善了可見光通信中的碼間串?dāng)_現(xiàn)象[7]?；贚ED可見光通信及信號(hào)傳輸優(yōu)化技術(shù)，黃鑫等對室內(nèi)光通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法進(jìn)行了研究，給出了LED光通信燈組的最優(yōu)布局策略，對通信鏈路方式、信道建模等技術(shù)進(jìn)行了介紹[8]。

在當(dāng)前LED光通信技術(shù)基礎(chǔ)上，本文給出了一種基于LED可見光的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，描述網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)，闡述LED光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議等技術(shù)，對豐富LED可見光通信技術(shù)理論具有重要意義。

1 LED可見光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

LED可見光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)架構(gòu)分為4個(gè)層級(jí)。第一層為光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層，主要是指集成了光信號(hào)收發(fā)裝置的單個(gè)智能設(shè)備節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)均能利用通信時(shí)隙實(shí)現(xiàn)面向LED可見光的信號(hào)收發(fā)及信號(hào)感知。第二層為LED光通信簇層，主要是指根據(jù)光源環(huán)境和光傳輸實(shí)際情況等因素而聚類起來共享光源，并在簇內(nèi)通信協(xié)議下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的LED光通信節(jié)點(diǎn)集合。第三層為LED光通信局域?qū)樱饕侵父鶕?jù)組織結(jié)構(gòu)、地域因素等劃分的通信片區(qū)，LED光通信局域?qū)佑啥鄠€(gè)LED光通信簇構(gòu)成，通過在每個(gè)簇內(nèi)部署光信息交互物理設(shè)施、定義簇間通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簇間通信。第四層為LED光通信跨區(qū)域?qū)樱饕蒐ED光通信局域?qū)訕?gòu)成，接入因特網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)LED光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)的信息交互，實(shí)現(xiàn)面向LED可見光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的LED光通信協(xié)議與TCP/IP因特網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

1.1 光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義如下，本文將LED可見光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形式化為一個(gè)六元組，LTP=（Adress，EleoptCon，OpteleCon，Nodepro，Bindistr，Applications）。其中，Adress唯一標(biāo)識(shí)了一個(gè)光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，格式為32位十六進(jìn)制數(shù)；EleoptCon標(biāo)識(shí)了電光轉(zhuǎn)換部分，能夠?qū)⒍M(jìn)制的數(shù)字信號(hào)調(diào)制為規(guī)律閃爍的LED光信號(hào)；OpteleCon標(biāo)識(shí)了光電轉(zhuǎn)換部分，能夠感知規(guī)律閃爍的LED可見光，并解析為電信號(hào)；Nodepro標(biāo)識(shí)了節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息、接收特定節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息等；Bindistr標(biāo)識(shí)了節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換或進(jìn)行完光電轉(zhuǎn)換后生成的二進(jìn)制數(shù)字碼流；Applications標(biāo)識(shí)了節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如文字通信、音視頻通信等。

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)光通信節(jié)點(diǎn)的Adress由網(wǎng)絡(luò)管理員統(tǒng)一生成，且保證唯一性。EleoptCon部分的實(shí)現(xiàn)原理如下，定義一個(gè)比特位傳輸周期為R，將R分為n個(gè)時(shí)隙，對于一個(gè)二進(jìn)制0和1，可定義LED光源的頻閃協(xié)議，本文定義傳輸數(shù)字1時(shí)LED需在傳輸周期的第i個(gè)時(shí)隙進(jìn)行均勻間隔的兩次頻閃，傳輸數(shù)字0時(shí)LED需在傳輸周期的第i個(gè)時(shí)隙不發(fā)光。OpteleCon部分的實(shí)現(xiàn)通過光敏元器件感知光源頻閃信息，當(dāng)在一個(gè)位傳輸周期R的第i個(gè)時(shí)隙接收到均勻間隔的兩次頻閃信息后，則將信息解析為數(shù)字1；當(dāng)在一個(gè)位傳輸周期R的第i個(gè)時(shí)隙感知到無光源信息后，則將信息解析為數(shù)字0。在LED可見光通信系統(tǒng)研究中，下行通信較為常見，而上行通信較為困難。外在表現(xiàn)為一個(gè)LED光源進(jìn)行信息發(fā)送，通信節(jié)點(diǎn)僅能進(jìn)行信息接收，不進(jìn)行信息上傳。本文通過Nodepro進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，將光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信階段分為信息接收階段和信息傳輸階段，且兩個(gè)階段不相交，即光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用分時(shí)通信策略，通過半雙工模式進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。在傳輸報(bào)文中均加入結(jié)束標(biāo)志，節(jié)點(diǎn)在接收報(bào)文時(shí)均需檢測結(jié)束標(biāo)志。用戶使用的Applications在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用時(shí)，均將發(fā)送信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的二進(jìn)制碼流Bindistr，在接收時(shí)將位信息再組合為二進(jìn)制碼流Bindistr。

1.2 光通信簇層

光通信簇層包括若干光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有如下的基本特征。一是存在一個(gè)公共光源節(jié)點(diǎn)能夠覆蓋到簇中的所有節(jié)點(diǎn)；二是每個(gè)節(jié)點(diǎn)專有的通信光源可覆蓋到簇中的非自身節(jié)點(diǎn)；三是簇中僅有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，即公共光源節(jié)點(diǎn)，簇中節(jié)點(diǎn)通信規(guī)則通過簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有序管理。下面給出簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程。

第一環(huán)節(jié)：節(jié)點(diǎn)加入簇。定義簇中節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量為m，在數(shù)據(jù)傳輸周期中，定義p個(gè)通信時(shí)隙為節(jié)點(diǎn)加入簇時(shí)隙，令p＞3m，且在p個(gè)加入簇時(shí)隙中，簇中節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)LED均不發(fā)光。擬加入簇的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇p個(gè)加入簇時(shí)隙中的一個(gè)時(shí)隙，向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)頻閃信息申請加入簇。若簇頭節(jié)點(diǎn)成功接收到加入簇信息，則通過廣播模式詢問擬加入簇節(jié)點(diǎn)的專有信息如Adress等，進(jìn)而將信息存入簇頭節(jié)點(diǎn)，完成節(jié)點(diǎn)加入簇流程。

第二環(huán)節(jié)：簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信。第一步，構(gòu)建簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址表，地址表屬性包括Adress、備注等信息。簇頭節(jié)點(diǎn)在獲取新加入簇節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址信息后進(jìn)行信息廣播，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到廣播信息后更新本地網(wǎng)絡(luò)地址表。第二步，假定簇內(nèi)光通信節(jié)點(diǎn)數(shù)為t個(gè)，則在數(shù)據(jù)傳輸周期中新開辟t個(gè)通信時(shí)隙為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)隙，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)隙與特定的光通信節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可在規(guī)定的通信時(shí)隙中發(fā)送信息，且在其他通信時(shí)隙感知信息，并令LED不發(fā)光。定義數(shù)據(jù)報(bào)文格式為“報(bào)文起始信息+發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址+接收節(jié)點(diǎn)地址+數(shù)據(jù)內(nèi)容+報(bào)文結(jié)束信息”。報(bào)文起始信息以3個(gè)ox表示，結(jié)束信息以3個(gè)bx結(jié)束，數(shù)據(jù)內(nèi)容還可以拆分為應(yīng)用類型、校驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒔M合協(xié)議和數(shù)據(jù)區(qū)域等。第三步，假定簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)e向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)i發(fā)送信息，且簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)e被允許的通信時(shí)隙為k，則節(jié)點(diǎn)e生成待發(fā)送的二進(jìn)制碼流Bindistr，在簇內(nèi)光通信時(shí)隙k進(jìn)行逐個(gè)數(shù)位傳輸。第四步，節(jié)點(diǎn)i在簇內(nèi)光通信時(shí)隙進(jìn)行數(shù)位接收后，將從每個(gè)通信時(shí)隙接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制碼流重組，并按照數(shù)據(jù)報(bào)文格式進(jìn)行信息析出。若報(bào)文的接收地址不是本地節(jié)點(diǎn)，則舍棄報(bào)文；反之，則將報(bào)文信息上報(bào)到節(jié)點(diǎn)的Applications應(yīng)用部分進(jìn)行使用。

1.3 光通信局域?qū)优c跨區(qū)域?qū)?/h3>

LED光通信局域?qū)佑扇舾晒馔ㄐ糯貥?gòu)成，基本特征有以下3點(diǎn)。一是簇間節(jié)點(diǎn)通信僅通過簇頭節(jié)點(diǎn)完成，簇內(nèi)非簇頭節(jié)點(diǎn)不能直接進(jìn)行簇間信息交互，即簇間通信采用代理機(jī)制；二是簇頭節(jié)點(diǎn)采用有線通信模式連接，直接進(jìn)行電信號(hào)的傳遞，不再進(jìn)行電光-光電信息轉(zhuǎn)換；三是存在一個(gè)局域?qū)泳W(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)對各簇頭進(jìn)行通信管理。下面給出簇間節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程。

第一環(huán)節(jié)：加入LED光通信局域?qū)?。擬加入局域?qū)拥腖ED光通信簇頭節(jié)點(diǎn)通過有線鏈路向局域?qū)泳W(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送申請加入報(bào)文，得到允許后將所在簇中的地址等信息上報(bào)到管理節(jié)點(diǎn)。管理節(jié)點(diǎn)將新加入的簇頭節(jié)點(diǎn)信息及簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)地址等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并更新靜態(tài)路由表。

第二環(huán)節(jié)：簇間節(jié)點(diǎn)通信。簇頭節(jié)點(diǎn)x按照簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程，在各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)隙感知光信息，并重組為二進(jìn)制碼流信息，進(jìn)而還原報(bào)文信息。若當(dāng)前報(bào)文的接收地址不在本簇內(nèi)，則將報(bào)文向各簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。各簇頭節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)中的廣播報(bào)文后，提取報(bào)文信息。若報(bào)文接收地址不在本簇內(nèi)，則將此報(bào)文信息丟棄；反之，則按照簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程，在規(guī)定的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)隙進(jìn)行報(bào)文廣播，并向報(bào)文發(fā)送地址所指向的簇頭節(jié)點(diǎn)x發(fā)送回復(fù)報(bào)文。若在有效等待回復(fù)時(shí)間段內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)x未收到回復(fù)報(bào)文，則將此數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至LED光通信局域?qū)庸芾砉?jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，由管理節(jié)點(diǎn)向目標(biāo)簇頭發(fā)送信息提取報(bào)文，若超出存儲(chǔ)時(shí)限，則將此報(bào)文丟棄。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程，在各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)隙感知光信息，并重組為二進(jìn)制碼流信息，進(jìn)而還原報(bào)文信息完成簇間節(jié)點(diǎn)通信。

LED光通信跨區(qū)域?qū)又饕扇舾蒐ED光通信局域?qū)訕?gòu)成，基本特征如下。一是各LED光通信局域?qū)娱g通信僅由各局域?qū)庸芾砉?jié)點(diǎn)完成，各簇頭及其他節(jié)點(diǎn)不直接進(jìn)行局域網(wǎng)間信息交互；二是各管理節(jié)點(diǎn)通過有線模式連接；三是可進(jìn)行LED光通信協(xié)議與TCP/IP因特網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換[9]。跨區(qū)域?qū)又泄芾砉?jié)點(diǎn)間的通信理念與簇間節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程相似，包括加入跨區(qū)域?qū)雍途钟蚓W(wǎng)層間信息交互兩個(gè)階段。面向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光通信協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換基本理念為按照簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)施流程思想，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)感知的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼流，并重組為報(bào)文。管理節(jié)點(diǎn)可利用高級(jí)編程語言中TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)往因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換[10]。

2 結(jié) 論

為進(jìn)一步豐富LED可見光網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)構(gòu)建理論，解決LED光通信雙向傳輸及組網(wǎng)通信問題，本文給出了一種基于LED可見光的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過介紹當(dāng)前LED可見光通信技術(shù)現(xiàn)狀，給出了4層LED可見光通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對雙向可收發(fā)光通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了形式化描述，給出了簇內(nèi)、簇間等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了LED可見光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信功能。下一步將對光信號(hào)通信優(yōu)化進(jìn)行研究，降低通信誤碼率，提高LED光通信質(zhì)量。