一種基于CSMA/CA的VLC系統多用戶接入方法研究

尚韜+江濤+張穎

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0012-004

摘要：針對可見光的通信距離較短和帶寬有限的特點，提出了一種多終端組網的可見光網絡模型，對于室內可見光通信（VLC）系統多用戶接入碰撞問題，我們分析了這種網絡模型的特點，提出了一種基于載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）的多用戶接入方法，給出了多用戶接入時碰撞概率和系統吞吐量的表達式，并進行了相應的仿真。仿真結果表明模型和接入方法合理有效。

關鍵詞：室內可見光通信;多用戶接入;載波偵聽多路訪問/沖突避免

Abstract：Visible light is only used to communicate over a short distance， and the bandwidth is limited. In this paper， we propose a network model based on multi-terminal networking. To address the multi-user access collision problem， we analyze the network model and propose a multi-user access method based on CSMA/CA. We give the mathematical formulas for collision probability and system throughput and run corresponding simulations. The results show that multi-user access based on CSMA/CA is a reasonable and effective method.

Keywords：indoor VLC; multi-users access; CSMA/CA

由于具有亮度高、壽命長、性能穩定、節省能源等優點，發光二極管（LED）燈已成為未來主要的照明方式。隨著LED照明技術的發展，2000年，日本KEIO課題組提出了白光LED用于家庭通信的基本思想[1]，并在2004年，首次公布了基于白光LED的無線通信技術的基本原理和信道模型[2]。相比于其他的無線通信方式，可見光通信（VLC）具有成本效益高、免執照、抗電磁干擾、高傳輸速率及安全性好等優點。VLC已被建議取代Wi-Fi作為提供室內手機、IPAD等設備高速接入網路的技術方案，特別是在一些禁止電磁波信號的環境，如在醫院和飛機上。目前，基于LED燈的室內可見光通信引起了廣泛的關注[3-5]，并取得了一定的研究進展（如在光源調制帶寬[6]、波分復用（WDM）[7]、光源布局[8]、克服多徑效應[9]等技術，以及IEEE關于VLC統一標準IEEE 802.15.7[10]等方面的進展）。

實現室內可見光網絡需要適合的全雙工通信方式。上下行鏈路都采用可見光時[11]，鏈路之間的相互干擾難以滿足通信的要求，需要采用一定技術進行光信號的分離。即使可以分離光信號[12]，整個系統的帶寬也會受到很大限制，此外，很難解決多用戶情況下的信息干擾問題。一些學者提出上行鏈路用紅外而下行鏈路用可見光的全雙工方式以避免上下行鏈路間的相互干擾[13]。

由于可見光的通信距離較短，單個可見光終端無法滿足較大的室內空間。由于可見光帶寬有限，對于多個可見光終端的網絡，當每個可見光終端傳輸不同信息時，可以提高VLC的帶寬利用率。傳統的無線通信網絡在組網時，用戶上下行鏈路所對應的終端一般是固定不變的。在VLC系統中，當室內用戶隨意移動時，其所對應的可見光終端可能發生變化，且不同可見光終端下行鏈路傳輸不同的信息，使得用戶組網時的接入問題變得更加復雜。

此外，單個可見光終端由若干LED燈和紅外接收單元組成，由于紅外接收單元個數有限，當多個用戶在單個可見光終端下通信時，用戶的接入碰撞問題將無法避免。日本的中川研究組為了區分不同用戶終端的紅外數據信息，提出了一種碰撞檢測技術[14]，能一定程度解決單個可見光終端情況下多用戶之間上行鏈路干擾的問題，但并不適用于多個可見光終端的情況。

因此，對于室內多終端情況下的VLC組網，多用戶接入技術的研究是迫切需要的。在這種情況下，本文提出了一種多終端組網的可見光網絡模型，具體分析了這種網絡模型的特點。在此基礎上，提出了一種基于載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）的多用戶接入方法，給出了多用戶接入時碰撞概率和系統吞吐量的表達式，并進行了相應的仿真。仿真結果表明，本文提出的模型和接入方法是合理有效的。

1 室內VLC系統多用戶

接入方法

1.1 VLC系統網絡模型

室內VLC系統網絡模型如圖1所示。可見光終端由A、B、C、D表示。為了充分利用紅外頻譜，我們提出多波長紅外通信，在此，設定每個終端的紅外接收波長分別是λ1～λ4，每個可見光終端上有3個相同波長的紅外接收器，用戶只能與波長匹配的接收器進行紅外通信;LED燈之間通過紅外互連。當某個紅外接收器有多個用戶同時需要接入時，將會發生接入碰撞。此外，為提高帶寬利用率，4個可見光終端的下行鏈路傳輸不同信息，并且紅外通信的距離要比可見光通信距離遠，這就使得用戶在移動后，上行鏈路繼續與原可見光終端燈連接，而下行鏈路由新的可見光終端所覆蓋，即用戶的上、下行鏈路由不同的可見光終端負責管理。例如，圖1中用戶1在初始時刻，其上、下行鏈路都由可見光終端A負責管理，而當用戶1移動后，其上行鏈路仍然由A負責管理，而下行鏈路變為由C負責管理。這樣，用戶在接入系統時，必須提供自己的相對位置信息，以便下行信息在可見光終端之間進行轉發。endprint

1.2 基于CSMA/CA的多用戶接入方法

傳統CSMA/CA技術采用二進制退避算法來避免信息碰撞，在其4次握手方案（請求發送/準備接收（RTS/CTS））中[15]，加入了網絡分配向量（NAV），以獲得信道保持忙狀態的時間信息，降低無碰撞接入網絡概率。

傳統無線的CSMA/CA技術不能有效解決室內VLC網絡模型的用戶接入問題。其原因主要有以下幾點：

（1）用戶無法偵聽紅外信道是否繁忙，因此不知道自己是否應該發送信息，無法避免用戶接入網絡碰撞。

（2）用戶的上下行鏈路一般由不同終端負責信息發送，需要經過終端間的轉發用戶才能收到CTS信息。

本文提出了一種改進的CSMA/CA方法，通過廣播上行鏈路占用信息，用戶獲得接入等待時間，收到可以接入確認（ACK）信號，用戶即可接入網絡，終端通過廣播CTS信息，尋找用戶位置，建立用戶完整鏈路信息，達到用戶高效接入網絡的目的。具體過程如下：

（1）假設用戶S上行鏈路由可見光終端A管理，其所處任意位置，準備接入室內可見光系統，用戶S會收到網絡分配向量，知道信道保持忙狀態的時間信息，當時間到后，用戶接到ACK信息即可向終端A發送請求接入信息RTS，預約信道。如果用戶在分布式幀間間隙（DIFS）時間內沒收到該信道被占用信息，用戶可立即發送請求接入信息RTS。

（2）A收到RTS信息后，將S的地址存入路由列表，附上自己的地址后通過可見光下行鏈路發送CTS反饋信息，并通知其他終端，告知信道已被預約及預約的時間，其他終端將信息發送到所覆蓋區域。若A沒有收到RTS信息，說明用戶S發送的RTS信息發生了碰撞，A不會發送任何反饋信息，用戶在一定時間內沒有接受到任何反饋信息，即認為發送的RTS信息發生碰撞，此時用戶啟動碰撞退避算法，等待下次接入。

（3）當用戶S在A的可見光通信區域，用戶S會即刻收到A的CTS信息和A的物理地址，用戶S向A在次發送RTS信息，信息包括管理自己下行鏈路的終端A的物理地址，這時終端A獲得用戶S完整的上、下行鏈路管理信息，終端A再次發送CTS信息告訴用戶S發送數據信息，用戶A完成室內VLC網絡的接入，若用戶在一定時間內沒有收到終端A的CTS信息，即說明用戶S不在終端A覆蓋范圍，則以廣播方式同時向相鄰的照明/通信終端B和D發送通告信息。

（4）B和D收到此通告信息并分別附上自己的地址，通過可見光下行鏈路發送CTS信息

（5）若S收到D發送的上述消息，則向A發送D的地址信息，A將獲得S完整的上、下行路由信息，用戶S完成網絡接入，即S分別與A和D建立上行紅外鏈路和可見光下行鏈路。若S在一定時間內沒有收到應答信息，則通知終端B和D繼續轉發RTS信息。當用戶處在終端C的可見光通信范圍時，終端會收到終端B和D轉發的RTS信息，終端C對于相同的RTS信息，任意處理一個即可。上述過程的流程如圖2所示。

1.3 用戶碰撞概率和系統吞吐量

定義包發送概率為[τ]，碰撞概率為p。碰撞窗口為W，W由數據包發送失敗的次數決定。在第一次發送時，W設為最小碰撞窗口CWmin，發送數據包不成功時W值加倍，直到達到最大碰撞窗口CWmax = 2mCWmin，CWmin和CWmax由物理層來指定。

最大退避次數為m，則包發送概率為：

[τ=2（1-2p）（1-2p）（W+1）+pW（1-（2p）m）] ? ?（1）

假設室內同一紅外波長的用戶數為n，且每個用戶都有信息發送，我們設計的可見光終端中，有3個相同波長的接收器，則碰撞概率為：

[p=1-（1-13τ）n-1] ? ?（2）

由于在室內可見光通信中，傳播時延可以忽略，基于文獻[15]，時間變量定義如表1所示。

N個用戶至少有一個數據包在發送的概率為：

[ptr=1-（1-τ）n] ? ?（3）

N個用戶至少有一個數據發送并成功的概率為：

根據表1給出的時間數據，我們可以計算出成功接入時間為：

其中，p為轉發次數，則接入失敗時間可表示為：

[Tfail = RTS/RateIR + DIFS ] ? ?（6）

歸一化吞吐量為：

[S=psptr（Header + Payload）/RateIRpsptrTsucc+ptr（1-ps）Tfail] ? ?（7）

2 仿真結果與分析

用戶接入網絡時發生碰撞概率的仿真結果如圖3所示。

從圖3可以看出，用戶接入碰撞概率較小，這是由于在一個照明-通信終端上含有3個相同波長的接收陣元的緣故，隨著集成技術的提高，同波長接收陣元的增加，碰撞概率將會變得更小。

從圖3也可以看出，隨著用戶的增多，接入網絡的碰撞概率將會增大。例如，當用戶數量為5個時，其接入碰撞概率為0.1左右;當用戶達到10個時，其接入碰撞概率也只有0.24左右。

我們選取上行紅外鏈路速率為10 Mb/s，下行可見光鏈路速100 Mb/s，對網絡的吞吐量進行了仿真，結果如圖4所示。可以看出，影響網絡吞吐量的主要因素是用戶接入過程中信息的轉發次數p。當p=0時，歸一化吞吐量達到0.8左右，這種情況對應用戶上行鏈路終端負責用戶下行鏈路通信;當p=1時，S達到0.7左右，這種情況對應用戶上行鏈路管理終端的相鄰終端負責用戶下行鏈路通信;而當p=2時，S達到0.6左右，這種情況對應用戶上行鏈路管理終端對角終端負責用戶下行鏈路通信。無論哪種情況，網絡性能都很好，說明我們提出的接入方法有效的。endprint

3 結束語

室內VLC系統不僅可以提供高品質的照明，而且可以實現高速、可靠的數據通信。隨著LED技術的發展，VLC展現出巨大的應用前景。采用合理的全雙工方式可以消除鏈路之間的干擾，即上行鏈路使用紅外通信，下行鏈路使用可見光通信。基于上述方式，我們提出了一種VLC系統網絡模型和新穎的多用戶接入方法，以符合室內VLC系統通信特點，同時滿足用戶移動通信要求。從用戶接入碰撞概率和網絡吞吐量的仿真結果可以看出，我們提出的多用戶接入方法是合理可行的。

參考文獻

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室內VLC系統不僅可以提供高品質的照明，而且可以實現高速、可靠的數據通信。隨著LED技術的發展，VLC展現出巨大的應用前景。采用合理的全雙工方式可以消除鏈路之間的干擾，即上行鏈路使用紅外通信，下行鏈路使用可見光通信。基于上述方式，我們提出了一種VLC系統網絡模型和新穎的多用戶接入方法，以符合室內VLC系統通信特點，同時滿足用戶移動通信要求。從用戶接入碰撞概率和網絡吞吐量的仿真結果可以看出，我們提出的多用戶接入方法是合理可行的。

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