一种基于室分复用（rdm）的室内可见光通信（vlc）混合组网方案及其切换的实现方法
【专利摘要】本发明提出一种基于室分复用（RDM）的室内可见光通信（VLC）混合组网方案及其切换的实现方法。在该混合组网中，上行采用WiFi，下行采用基于LED阵列的VLC。通过VLC网络调度器读写来自/去向外部网络的数据帧，以及对网络的配置和管理，实现室分复用（RDM）多址接入方式，同时使得用户在不同房间之间的切换可以高效完成；与传统的广播式室内可见光通信（VLC）网络相比，网络的吞吐量大幅提高。
【专利说明】—种基于室分复用(RDM)的室内可见光通信(VLC)混合组网方案及其切換的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可见光通信(VLC)领域，尤其涉及一种基于室分复用(RDM)的室内可见光通信(VLC)混合组网方案及其切換的实现方法。
【背景技术】
[0002]过去的几十年中，无线通信，尤其是移动通信取得了巨大的进步，满足了普遍的接入需求，同时我们日常生活的品质也得到了提高。然而，无线通信发展受到微波频段频谱资源紧张的制约，在现有频段上通过技术改进来提高带宽，效果有限，因而近年来陆续出现了毫米波通信和太赫兹通信等研究热点，都是g在将无线通信所用频段向更高频率方向拓展，以提高传输带宽。而随着白光LED器件的出现，利用频率更高的可见光频段进行无线通信成为可能，不仅理论上可以达到更高的传输速率，同时避开了紧张的无线授权波段。另ー方面，白光LED器件被称为下一代緑色固体光源，与荧光光源相比具有更低的功耗、更高的亮度和更小的尺寸，同时其发出的光可以用作载波调制信号，因而实现了緑色照明和节能通信的结合。此外，可见光频段的光波对人体无伤害，可以保证长时间通信下的环保安全。VLC最大的优点是天花板上安装緑色光源LED，同时兼顾照明和通信，高效节能。
[0003]传统的VLC网络采用广播方式发送信息，室外电カ线得到的用户信息直接发送至所有LED阵列，并以时分复用(TDM)方式广播给用户。但在本文提出的RDM方案中，首先根据用户位置，信息被分为不同组。某房间中的LED阵列以TDM形式，只广播相应用户的信息组。这样每个房间中的光信号仍均匀分布，但是相邻房间的信号自然被墙壁和门分开，无任何干扰，同时大大提高网络的吞吐量。此外，RDM与其他多址和调制(例如TDM，0FDM)方式相客，所以在实际网络中，RDM可以与其他机制共同应用从而提高网络的呑吐量。
[0004]此外，上行采用何种机制是VLC网络一直以来待解决的问题，目前已有:可见光上行方案和红外微波上行方案，二者适用于对电磁干扰敏感及安全通信的环境，且可以达到较高的上行传输速度。但是其通信方式需要对硬件进行更新，收发端的系统集成设计是一个巨大的挑战，而且对人眼安全造成威胁，甚至损伤。本文采用的上行机制为传统的射频信道W1-Fi。这一方案适用于对电磁不敏感的区域，例如卧室，办公室，超市等。由于接入网中上行数据量远少于下行数据量，故W1-Fi可以承载上行服务。W1-Fi又是目前无线接入的主流标准，其无线地位已经日益牢固。故使用成熟的W1-Fi技术的混合VLC网络是非常有前景且值得研究的。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种基于室分复用(RDM)多址方式的室内可见光通信(VLC)组网方案及其切換的实现方法，从而解决室内可见光通信(VLC)网络吞吐量以及切换效率低的问题。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]网络采用下行链路基于RDM的VLC、上行链路W1-Fi的混合网络，这与传统的广播式可见光通信网络不同。目前可见光上行方案和红外微波上行方案，前者会带来一定的硬件更新开销，且散射的上行可见光信号对人眼造成伤害；而而则带来收发端系统集成的复杂开销，同时也会威胁人眼安全。而W1-Fi不但可以安全有效的承载上行服务，而且是目前无线接入的主流标准，其无线地位已经日益牢固。用户终端安装ro和W1-Fi传输器，分别用于下行接收和上行传输。
[0008]为了实现对混合网络的配置和管理，我们定义了 VLC网络调度器，该调度器是VLC网络结构中用于配置和管理的核心设备，包括以下模块:
[0009]a)网络控制模块
[0010]b)网络管理数据库模块
[0011]c)数据缓存模块
[0012]d)数字交换矩阵模块
[0013]e)室外网络MAC帧读/写模块
[0014]f) VLC MAC帧读/写模块
[0015]g)用户位置模块
[0016]h)用户移动性切换控制模块
[0017]VLC网络调度器提供室外与室内通信结构的双向接ロ:网络控制模块(即协调器)是调度器中的主要部分，该模块已经在IEEE802.15.7标准中有所定义；网络管理数据库模块用于存储用户信息，资源信 息和业务信息；数据缓存模块用于协调即将到来的数据帧，以及序列同步；数字交换矩阵模块用于数据分配；用户定位模块用于确定用户的位置；用户移动性切换模块用于对用户在不同房间的切換进行控制。
[0018]在传统的广播方式中，室外电カ线得到的用户信息直接发送至所有LED阵列，并以时分复用(TDM)方式广播给用户。但在RDM方案中，首先根据用户位置，信息被分为不同组。某房间中的LED阵列以TDM形式，只广播相应用户的信息组。以这种方式，每个房间中的光信号仍均匀分布，但是相邻房间的信号自然被墙壁和门分开，无任何干扰。传统的广播中，由于所有LED阵列传输相同的信号，网络容量Cb-与VLC系统提供的呑吐量Cb-相等。由于房屋通常都是由很多房间组成，故假设房屋包括n个房间,贝U有:CBMa(kast = Cvlc=Crooml = Croom2 = Croom3 =..? = Croomn ;若使用RDM，不同房间的LED阵列同时广播不同的信号。考虑最理想的情况，每个房间的广播速度均达到C-，则网络的呑吐量Ckdm达到=Cedm
Crooml+Croom2+Croom3+.? ?
+Croonm = nCVLC = nCBroadcast此外，RDM与其他多址和调制(例如TDM,0FDM)方式相客，所以在实际网络中，RDM可以与其他机制共同应用从而尽可能提高网络的
吞吐量。
[0019]用户进入房间后，首先要对其进行定位。目前已有许多基于LED的室内定位机制，然而，这些定位机制中LED阵列均设计用于照明和定位，不能同时用来通信，这就意味着这些机制中LED阵列要发送特定的信号用于用户終端定位，这样LED阵列便不能用于广播用户业务。我们提出ー个硬定位机制，该机制在VLC网络中很容易实现:不同的ro接收不同房间的用于上行数据帧，然后传输到调度器中不同的上行端ロ，这样调度器便可以通过上行端ロ号来区分不同房间的用户，便可实现定位。
[0020]如果用户要在不同房间之间切換，图2所示为ー种硬切换方式，具体流程为:用户进入房间后，收到包含改变的房间编号的下行帧；用户记录业务停止的位置，发送硬切换请求；协调器收到切换请求后开始进行硬切換，并询问用户信息；用户在新房间重新注册，并发送业务信息；协调器停止旧房间的业务传输，进行硬件切換；协调器开始新房间的业务数据传输；用户发送确认信息，继续业务的传输；硬切换结束。该方案易于实施但切换效率很低，因为只有用户进入新房间之后才能对其定位。如果用户穿过门，原始房间的广播信息会丢失，用户在新房间被重新定位之后通信才能继续。
[0021]为解决硬切换带来的问题，在用户到达房间的门之前，就应产生切換操作。这里我们提出切換区域和保护区域的概念，如图3所示。当用户经过门时，会有一个短暂的时间段，在该时间段中，两个房间的下行信号都是不可达的，因此我们设置了一个保护区域，在该区域中，业务传输将会中止以保障业务的质量。在保护区域外，有一个环形的切換区域，在该区域中，会提前产生切换操纵。环形切換区域的半径保证了相关信号流程的完成，这主要由软件操作过程和信息通信延迟決定。而保护区域的半径主要由硬切换延迟決定。
[0022]如果用户进入切換区域，调度器发送切换开始信息用于通知用户:数据的传输将中止一段时间，并在下ー个房间中继续传输。然后用户会返回开始应答信息到调度器，用于生成硬切換和数据库信息改变。硬切换应在用户退出保护区域之前完成。然后调度器周期性在新房间中发送切換完成信息，以验证用户是否从保护区域中退出，同时该信息中包含用于连续业务传输的新的时隙信息。为了简化，这里我们假设下行数据帧为同步TDM(时分复用)形式。如果用户通过回复完成应答确认在新房间的存在，调度器将继续通过新房间的LED阵列广播业务数据。切换过程中的信息交互如图4所示。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为VLC网络调度器的功能模块图
[0024]图2为用户在不同房间之间硬切换的流程图
[0025]图3为本文提出的用户在不同房间之间切换的示意图
[0026]图4为本文提出的用户在不同房间之间切换的流程图
【具体实施方式】
[0027]用户业务从室外传输到VLC网络后，根据调度器的管理和配置，用户的位置被分成几个组，某一房间的LED阵列只广播该房间用户的对应信息；光信号仍均匀分布在每个房间，但相邻房间的信号自然被墙壁和门分开，不存在干扰；同时，不同房间的LED灯同时传输不同的信息，网络的呑吐量从而得到提高。当下行链路数据帧到达调度器吋，MAC帧读/写模块读出其MAC地址，识别出用户，搜寻数据库，确定目的房间，然后生成数据帧并发送到数字交换矩阵，数字交换矩阵将该帧传输至相应的输出端ロ。为了在调度器中实现RDM，配置了用于用户定位和切换控制的软件模块。用户定位模块用于确定用户的位置，用户移动性切换模块用于对用户在不同房间的切換进行控制。具体方案如下:
[0028]用户一旦进入房间，VLC网络调度器中的用户位置模块开始对用户的位置进行定位，同时将用户相关信息存储到网络管理数据库中。
[0029]如果用户終端从房间A移动至房间B，进行如下的切換方法:
[0030]I)用户终端移动动到保护区域后，向房间A的调度器发送用于之前业务数据帧的确认信息；[0031]2)房间A的调度器接收到该信息后，向终端发送切换开始信息；
[0032]3)终端收到切换开始信息后，停止业务数据，井向房间A的调度器发送开始应答信息，同时移至切換区域；
[0033]4)房间A的调度器收到该应答信息后，进行硬件切換和数据库的修改，同时准备将业务数据送至房间B的输出端ロ ；
[0034]5)经过一段时间后，房间B的调度器向用户终端发送切換完成信息，此时硬件切换已经完成，并且将新的时隙资源分配给用户終端；
[0035]6)用户终端退出保护区域，并准备在新的时隙资源接收业务数据，井向房间B的调度器发送完成应答信息；
[0036]7)房间B的调度器继续向用户终端发送业务数据包；
[0037]8)用户终端接收到连续的业务数据，切換完成。
[0038]在该切换方法中，当用户经过门时，会有一个短暂的时间段，在该时间段中，两个房间的下行信号都是不可达的，因此我们设置了一个保护区域，在该区域中，业务传输将会中止以保障业务的质量。在保护区域外，有一个环形的切換区域，在该区域中，会提前产生切換操纵。环形切換区域的半径保证了相关信号流程的完成，这主要由软件操作过程和信息通信延迟決定。而保护区域的半径主要由硬切换延迟決定。用户进入切換区域后，调度器发送切换开始信息用于通知用户:数据的传输将中止一段时间，并在下一个房间中继续传输。然后用户会返回开始应答信息到调度器，用于生成硬切換和数据库信息改变。硬切換应在用户退出保护区域之前完成。然后调度器周期性在新房间中发送切換完成信息，以验证用户是否从保护区域中退出，同时该信息中包含用于连续业务传输的新的时隙信息。为了简化，这里我们假设下行数据帧为同步TDM (时分复用)形式。如果用户通过回复完成应答确认在新房间的存在，调度器将继续通过新房间的LED阵列广播业务数据。
【权利要求】
1.一种基于室分复用(RDM)的室内可见光通信(VLC)混合组网方案及其切換的实现方法，其特征在于，与传统的广播式可见光通信网络不同，本网络为下行链路基于RDM的VLC，上行链路W1-Fi的混合网络；用户业务从室外传输到VLC网络后，根据调度器的管理和配置，用户的位置被分成几个组，某一房间的LED阵列只广播该房间用户的对应信息；光信号仍均匀分布在每个房间，但相邻房间的信号自然被墙壁和门分开，不存在干扰；不同房间的LED灯同时传输不同的信息，网络的呑吐量从而得到提高；同时，提出切換区域和保护区域的概念，使得用户在不同房间之间的切换更加高效。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在干，下行链路采用基于RDM的VLC，上行采用W1-Fi。目前已有的可见光上行方案会带来一定的硬件更新开销，且散射的上行可见光信号对人眼造成伤害；而红外微波上行方案则带来收发端系统集成的复杂开销，同时威胁人眼安全。而W1-Fi不但可以安全有效的承载上行服务，而且是目前无线接入的主流标准，其无线地位已经日益牢固。用户终端安装和W1-Fi传输器，分别用于下行接收和上行传输。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在干，VLC网络调度器是VLC网络结构中用于配置和管理的核心设备，包括以下模块: a.VLC网络控制模块 b.网络管理数据库模块 c.数据缓存模块 d.数字交换矩阵模块 e.室外网络MAC帧读/写模块 f.VLC MAC帧读/写模块 g.用户位置模块 h.用户移动性切换控制模块
4.如权利要求3所述的方法，其特征在干，VLC网络调度器是VLC网络结构中用于配置和管理的核心设备，为了在调度器中实现RDM，应配置用于用户定位和切换控制的软件模块。用户定位模块用于确定用户的位置，用户移动性切换模块用于对用户在不同房间的切换进行控制。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在本文所提出的RDM方案中，定位的目的是为了区分用户所处的房间，所以我们首先提出ー个硬定位机制，该机制在VLC网络中很容易实现。不同的ro接收不同房间用于上行的数据帧，然后传输到调度器中不同的上行端ロ，这样调度器便可以通过上行端ロ号来区分不同房间的用户，便可实现定位。该方案易于实施但是对于不同房间之间的切換效率很低，因为只有用户进入新房间之后才能对其定位。如果用户穿过门，原始房间的广播信息会丢失，用户在新房间被重新定位之后通信才能继续。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在干，为解决切换效率低这ー问题，在用户到达房间的门之前，就应产生切換操作。这里我们提出切換区域和保护区域的概念。用户经过门时，会有一个短暂的时间段，在该时间段中，两个房间的下行信号都是不可达的，因此我们设置了一个保护区域，在该区域中，业务传输将会中止以保障业务的质量。在保护区域外，有一个环形的切換区域，在该区域中，会提前产生切換操纵。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，如果用户进入切換区域，调度器发送切换开始信息用于通知用户:数据的传输将中止一段时间，并在下一个房间中继续传输。然后用户会返回开始应答信息到调度器，用于生成硬切換和数据库信息改变。硬切换应在用户退出保护区域之前完成。然后调度器周期性在新房间中发送切換完成信息，以验证用户是否从保护区域中退出，同时该信息中包含用于连续业务传输的新的时隙信息。如果用户通过回复完成应答确认在新房间的存在，调度器将继续通过新房间的LED阵列广播业务数据。环形切換区域的半径保证了相关信号流程的完成，这主要由软操作过程和信息通信延迟决定。而保护区域的半径主要由硬切`换延迟決定。
【文档编号】H04B10/116GK103441797SQ201310416586
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】黄治同, 张馨跃, 纪越峰 申请人:北京邮电大学