可见光局域网系统中组网技术和安全技术的研究

发布时间：2020-10-25 20:42

　　 可见光通信是近年来迅速发展的信息传输技术,该技术以可见光作为传输媒介,能够与日常照明系统结合,使得可见光通信系统同时具备通信与照明的功能。同时,可见光通信技术以其频带宽、速率高、功耗低、安全性好和无电磁干扰等优点,引起了国内外研究机构的广泛关注。随着研究的不断深入,可见光通信中调制技术、均衡技术和MIMO技术的研究趋向成熟,系统通信速率也在不断提高,但是在可见光局域网的以太网接入方案、对应的组网方式和局域网安全功能等方面的研究相对较少。可见光局域网和以太网的结合既拓展了可见光通信的应用场景也提供了更安全高速的局域网接入方案,并且授权接入和数据加密技术保障了无线网络的通信安全。本文分别对可见光局域网的系统架构、多路访问控制协议、接入认证协议以及数据加解密算法进行了相应的研究设计以及FPGA实现,并测试了局域网的系统性能指标。本文的研究内容主要包括:1.根据LED的传输特性,本文提出了一种可见光局域网系统的构建方案,其中包括拓扑结构、上下行链路传输介质的选择以及硬件平台搭建等。2.基于CSMA/CA协议,本文针对多终端接入可见光局域网的情况,设计并利用FPGA实现了局域网的多路访问控制协议,其中包括虚拟载波监听模式设计、控制帧冲突解决方案、控制帧格式设计以及发送接收数据优先级设置等。3.基于WPA协议,本文根据可见光局域网的数据传输特点,设计并利用FPGA实现了局域网的接入认证协议和数据加解密协议,其中包括接入认证握手过程设计、相关帧格式设计、密钥生成算法和数据加解密算法的实现等。4.本文从FPGA仿真、chipscope数据采集、串口数据传输以及接入互联网等方面分别对局域网组网功能和安全功能进行实验测试,验证了可见光局域网高速和安全的网络传输特性。同时,本文定量测试了可见光局域网的性能指标,包括宽带接入速度、系统吞吐量、系统时延、丢包率和覆盖范围等。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

见光局域网上行链路传输介质包括可见光、无线射频信号链路采用可见光，虽然拥有高速传输、无电磁干扰、安全等可见光会给人眼带来较强烈不适感。而对于射频传输，市捷的应用模块，但是违背了可见光局域网设计的无电磁。所以本系统考虑采用近红外光来传输上行数据，既不会其较弱的穿透性保证了可见光局域网的安全特性，也不生干扰。??局域网整体硬件架构??搭建一个基于集中式星型网络拓扑结构的可见光局域网系一个ＡＰ和多个终端。ＡＰ由以太网、ＬＡＮ９３１３交换机、ＦＰ光发射及接收电路组成，其作用包括协调整个局域网内数网之间的数据传输。相应的，终端由通信设备、ＬＡＮ９３１３信号控制模块和光发射及接收电路组成，多个终端通过竞

?图２．?３可见光局域网系统结构框图??可见光局域网系统结构如图２．３所示，终端由电脑、ＬＡＮ９５００交换芯片、??ＦＰＧＡ板和信号收发电路板组成，ＡＰ由ＬＡＮ９３１３芯片、ＦＰＧＡ板和信号收发??电路板构成。以下行数据传输为例，因特网的数据通过Ｒ．丨４５接口传输至??ＬＡＮ９３１３?芯片，数据帧通过媒体独立接口（Ｍｅｄｉａ?Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，?ＭＩＩ）??传输到ＦＰＧＡ。在ＦＰＧＡ中数据将经过ＭＡＣ和Ｐ丨ＩＹ两个处理模块，其中ＭＡＣ??模块包括通信系统中的多路访问控制、接入认证和数据加解密操作，而ＰＨＹ??模块则对数据帧进行编解码，以适应可见光的传输。数据从ＦＰＧＡ传输到可见??光驱动模块，并在驱动模块中被调制转换为可见光信号传输至大气信道。可见??光数据经过大气传输至终端的光接收模块

?图２．?４可见光局域网通信模型??本文可见光局域网的通信模型如图２．４所示，在可见光局域网中，完整的??ＡＰ或终端由通信设备、网卡以及可见光局域网的ＭＡＣ层和ＰＨＹ层组成。其??中通信设备处理网络传输中的上层协议，例如ＩＰ协议、ＴＣＰ协议和ＨＴＴＰ协议??等，而ＭＡＣ网卡的功能是完成以太网中的ＭＡＣ协议，主要功能为解析数据??包以及成帧操作。本局域网的通信模型只包括可见光局域网ＭＡＣ和ＰＨＹ，?ＭＡＣ??的主要功能是增加多路访问协议使得局域网的组网功能得以实现，并且通过增??加接入认证和加解密功能使得局域网的安全得以保障。可见光局域网的ＰＩ?１Ｙ??层主要实现了数据编解码功能和光电、电光转换功能，其中编解码过程包括??１５??
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本文编号：2855932