室内可见光通信组网关键技术研究与实现

发布时间：2017-09-27 04:32

  本文关键词：室内可见光通信组网关键技术研究与实现

  更多相关文章： 可见光通信 媒体接入控制 网络无缝覆盖 下行资源分配 光链路快速恢复

【摘要】：可见光通信(Visible Light Communication, VLC)是一种新兴的短距高速无线通信技术,该技术为现有室内网络接入提供了有力的补充。为面向各种应用场景需求,可见光通信需要组网技术的支撑。然而,光链路强方向性,使得终端无法在发送端使用载波侦听技术有效避免上行数据冲突;光链路覆盖范围小,为满足大规模多用户组网需要构建无缝的多小区网络；光链路脆弱性,导致通信链路受障碍物遮挡和终端移动影响而频繁中断。光链路特性限制了适用于传统射频无线通信中组网技术在可见光通信中的应用。针对上述问题,本文研究了单接入点(Access Point, AP)网络中的多址接入技术,作为可见光通信组网基础；研究了基于同频光小区的网络覆盖优化、基于使用RGB-LED的频分光小区下行信道分配,完成多小区组网;研究了光链路快速恢复算法,保证网络鲁棒性。论文主要工作及创新点包括：1.针对单AP网络下定向隐藏终端问题,提出一种基于活动终端数预测的媒体接入控制(Media Access Control, MAC)协议。提出一种基于扩展卡尔曼滤波的活动终端数预测算法,周期预测网络的上行业务量,仿真分析可得,不同业务量条件下,预测的均方误差低于3,可以满足对网络活动终端数的实时预测要求；AP根据预测结果对上行业务传输执行中心调度,以此在接收端控制上行数据冲突的发生。仿真表明,提出的中心调度协议在不同业务量条件下吞吐性能平稳,可以达到87%。2.针对可见光小区边缘信道干扰问题,提出网络下行覆盖优化和资源分配策略。基于同频光小区,提出一种网络下行无缝覆盖的优化方法,以最小化室内通信盲区面积和照明盲区面积为目标,分析了不同光源布局对网络覆盖的影响,基于遗传算法对不同LED半功率角和布设高度进行全局优化,仿真表明,通过LED布局及参数的全局优化,有效通信面积提升75%,可以满足室内照明需求,并实现通信无缝覆盖；基于使用RGB-LED的频分光小区,提出一种多用户下行资源分配算法,构建了多用户下行链路的冲突图模型,通过接入用户全局分配算法,有效的提高小区利用率,提出一种基于图着色的信道分配策略,保证信道资源的充分利用。仿真表明,提出的下行资源分配算法相比于小区信道固定分配,在保证用户下行通信公平性的同时,网络平均吞吐量提高一倍。3.针对光链路频繁中断问题,提出一种增强可见光链路鲁棒性的快速恢复算法。基于接收信噪比快速发现链路中断；对不同类型的链路中断进行建模分析,提出基于支持向量机的中断分类识别方法；综合考虑时延和信令开销构建了链路中断代价函数,并基于此提出一种光链路快速恢复算法。仿真表明,提出的链路中断分类识别方法整体准确率和召回率可以达到99.4%；在不同网络条件下,光链路恢复算法均取得较小的时延性能和最低的中断代价,增强了通信链路的鲁棒性。4.针对煤矿井下特殊的组网环境和应用需求,设计并实现了基于VLC的煤矿井下综合信息系统MAC协议。基于前期理论研究,分析了网络业务特点,给出了协议帧格式和协议流程,设计了协议的软件实现方案。通过系统测试,验证了设计的MAC协议满足系统示范功能要求。
【关键词】：可见光通信 媒体接入控制 网络无缝覆盖 下行资源分配 光链路快速恢复
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 研究目的及意义15
• 1.3 研究现状15-20
• 1.3.1 可见光通信网络标准化15-17
• 1.3.2 可见光通信网络多址接入技术17-18
• 1.3.3 可见光通信网络覆盖与信道资源分配18-20
• 1.3.4 光链路中断快速检测及恢复机制20
• 1.4 论文组织结构安排20-24
• 第二章 基于活动终端数预测的可见光网络MAC协议24-36
• 2.1 问题描述24-25
• 2.2 可见光网络中心调度MAC协议25-28
• 2.2.1 可见光单小区网络模型25
• 2.2.2 协议帧格式25-27
• 2.2.3 协议流程描述27-28
• 2.3 基于EKF的活动终端数估计算法28-31
• 2.3.1 基于EKF的活动终端数预测模型28-30
• 2.3.2 网络活动终端数预测算法30-31
• 2.4 仿真与分析31-34
• 2.4.1 不饱和吞吐率仿真与分析31-33
• 2.4.2 饱和吞吐率仿真与分析33-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第三章 可见光网络下行覆盖优化与资源分配36-56
• 3.1 室内照明通信网络覆盖优化36-45
• 3.1.1 问题描述36-37
• 3.1.2 系统模型37-38
• 3.1.3 网络覆盖优化建模38-40
• 3.1.4 优化求解和仿真分析40-44
• 3.1.5 性能比较与分析44-45
• 3.2 可见光多小区网络下行资源分配45-54
• 3.2.1 问题描述45-47
• 3.2.2 系统模型47-48
• 3.2.3 接入用户全局分配算法48-50
• 3.2.4 基于图着色的下行信道分配算法50-52
• 3.2.5 仿真与分析52-54
• 3.3 本章小结54-56
• 第四章 增强可见光链路鲁棒性的快速恢复算法56-68
• 4.1 问题描述56-57
• 4.2 可见光通信多小区网络模型57
• 4.3 光链路中断建模及分类识别57-61
• 4.3.1 光链路中断发现及其特征分析57-59
• 4.3.2 基于SVM的链路中断分类识别59-60
• 4.3.3 仿真结果与分析60-61
• 4.4 光链路恢复算法61-64
• 4.4.1 光链路恢复代价分析与建模61-63
• 4.4.2 光链路恢复算法描述63-64
• 4.5 仿真与分析64-66
• 4.6 本章小结66-68
• 第五章 基于VLC的煤矿井下综合信息系统MAC层实现68-80
• 5.1 系统总体设计68-69
• 5.1.1 系统整体架构68-69
• 5.1.2 系统分工69
• 5.2 矿下可见光局域网设计69-75
• 5.2.1 功能要求和需求分析69-70
• 5.2.2 协议设计息想70-71
• 5.2.3 帧格式设计71-74
• 5.2.4 协议流程描述74-75
• 5.3 软件实现方案75-78
• 5.3.1 矿帽终端软件实现75-77
• 5.3.2 巷道灯终端软件实现77-78
• 5.4 系统功能测试78-79
• 5.4.1 测试环境78
• 5.4.2 功能测试78-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第六章 结论80-82
• 6.1 全文总结80-81
• 6.2 工作展望81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-90
• 作者简历90
• 一、个人简历90
• 二、攻读硕士学位期间发表的学术论文90
• 三、攻读硕士学位期间申请专利情况90
• 四、攻读硕士学位期间的科研情况90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 郑重;刘璐;胡薇薇;;应用于可见光通信的上行链路方案探讨[J];中兴通讯技术;2014年06期

2 李f ;陈建平;;用于VLC的LED半功率角优化布局方法研究[J];中兴通讯技术;2014年06期

3 尚韬;江涛;张颖;;一种基于CSMA/CA的VLC系统多用户接入方法研究[J];中兴通讯技术;2014年06期

4 于海凤;迟学芬;刘健;;An integrated PHY-MAC analytical model for IEEE 802.15.7 VLC network with MPR capability[J];Optoelectronics Letters;2014年05期

5 费棣;;全双工可见光通信系统MAC层研究[J];科技传播;2014年07期

6 冯庆;方安安;汪蓉蓉;;基于OCDMA的改进型室内可见光无线局域网分析[J];电视技术;2014年03期

7 迟楠;王源泉;王一光;黄星星;陆肖元;;Ultra-high-speed single red green blue light-emitting diode-based visible light communication system utilizing advanced modulation formats[J];Chinese Optics Letters;2014年01期

8 李荣玲;商慧亮;雷雨;王一光;王源泉;陆肖元;迟楠;;高速可见光通信中关键使能技术研究[J];激光与光电子学进展;2013年05期

9 丁德强;柯熙政;;一种通用白光LED数学发光模型研究[J];光学学报;2010年09期

10 童超;牛建伟;龙翔;高小鹏;;移动模型研究综述[J];计算机科学;2009年10期

，

本文编号：927652