基于LED可見光的網絡通信系統設計

喬 琪，張 悅

（江蘇電子信息職業學院，江蘇 淮安 223003）

0 引 言

隨著信息技術的不斷發展，無線通信技術手段不斷豐富。可見光作為電磁波的一種，用來傳遞信息的歷史較為悠久，如歷史上的“烽火”和近代的“信號彈”等[1]。隨著發光LED技術的不斷成熟以及嵌入式和光敏元器件技術的不斷進步，對LED可見光進行調制，以期達到高速信號智能傳輸的目標[2]。

近年來不少學者對LED光通信進行研究，實現了基于LED的電光信號轉換、光信號傳輸接收以及光電信號解析，達到了數字信息通信的效果[3-5]。張熠程等提出了一種基于照明用LED的室內可見光通信系統設計方法，給出了面向文字傳輸、音頻傳輸以及視頻傳輸的LED光通信電路設計，對上位機信號調制及軟件設計方法進行了介紹，達到了LED光通信效果[6]。可見光在數據傳輸過程中會存在較多干擾，如其他光源的亮度干擾令光敏元器件對信號源的感知能力下降，信號光源的光亮遮擋造成瞬間信號中斷，可見光的漫反射及多徑傳輸效應，造成信號混亂，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均衡算法，構造了FFE-DFE-MAP的均衡結構，并改進了雙曲正切誤差函數，改善了可見光通信中的碼間串擾現象[7]。基于LED可見光通信及信號傳輸優化技術，黃鑫等對室內光通信系統組網方法進行了研究，給出了LED光通信燈組的最優布局策略，對通信鏈路方式、信道建模等技術進行了介紹[8]。

在當前LED光通信技術基礎上，本文給出了一種基于LED可見光的網絡通信系統設計方法，描述網絡通信系統架構，闡述LED光通信網絡節點、網絡層次結構以及網絡傳輸協議等技術，對豐富LED可見光通信技術理論具有重要意義。

1 LED可見光網絡通信系統的架構設計

LED可見光網絡通信系統架構分為4個層級。第一層為光通信網絡節點層，主要是指集成了光信號收發裝置的單個智能設備節點，各節點均能利用通信時隙實現面向LED可見光的信號收發及信號感知。第二層為LED光通信簇層，主要是指根據光源環境和光傳輸實際情況等因素而聚類起來共享光源，并在簇內通信協議下進行數據通信的LED光通信節點集合。第三層為LED光通信局域層，主要是指根據組織結構、地域因素等劃分的通信片區，LED光通信局域層由多個LED光通信簇構成，通過在每個簇內部署光信息交互物理設施、定義簇間通信協議，實現簇間通信。第四層為LED光通信跨區域層，主要由LED光通信局域層構成，接入因特網，可實現LED光通信網絡節點與因特網的信息交互，實現面向LED可見光網絡通信系統的LED光通信協議與TCP/IP因特網通信協議的轉換。

1.1 光通信網絡節點

光通信網絡節點定義如下，本文將LED可見光通信網絡節點形式化為一個六元組，LTP=（Adress，EleoptCon，OpteleCon，Nodepro，Bindistr，Applications）。其中，Adress唯一標識了一個光通信網絡節點，格式為32位十六進制數；EleoptCon標識了電光轉換部分，能夠將二進制的數字信號調制為規律閃爍的LED光信號；OpteleCon標識了光電轉換部分，能夠感知規律閃爍的LED可見光，并解析為電信號；Nodepro標識了節點通信協議，每個節點需要按照通信協議進行數據通信，如向目標節點發送信息、接收特定節點的網絡信息等；Bindistr標識了節點需要進行電光轉換或進行完光電轉換后生成的二進制數字碼流；Applications標識了節點的網絡應用，如文字通信、音視頻通信等。

網絡中每個光通信節點的Adress由網絡管理員統一生成，且保證唯一性。EleoptCon部分的實現原理如下，定義一個比特位傳輸周期為R，將R分為n個時隙，對于一個二進制0和1，可定義LED光源的頻閃協議，本文定義傳輸數字1時LED需在傳輸周期的第i個時隙進行均勻間隔的兩次頻閃，傳輸數字0時LED需在傳輸周期的第i個時隙不發光。OpteleCon部分的實現通過光敏元器件感知光源頻閃信息，當在一個位傳輸周期R的第i個時隙接收到均勻間隔的兩次頻閃信息后，則將信息解析為數字1；當在一個位傳輸周期R的第i個時隙感知到無光源信息后，則將信息解析為數字0。在LED可見光通信系統研究中，下行通信較為常見，而上行通信較為困難。外在表現為一個LED光源進行信息發送，通信節點僅能進行信息接收，不進行信息上傳。本文通過Nodepro進行數據互通，將光通信網絡節點的數據通信階段分為信息接收階段和信息傳輸階段，且兩個階段不相交，即光通信網絡節點采用分時通信策略，通過半雙工模式進行數據互通。在傳輸報文中均加入結束標志，節點在接收報文時均需檢測結束標志。用戶使用的Applications在進行網絡通信應用時，均將發送信息轉換為數字化的二進制碼流Bindistr，在接收時將位信息再組合為二進制碼流Bindistr。

1.2 光通信簇層

光通信簇層包括若干光通信網絡節點，具有如下的基本特征。一是存在一個公共光源節點能夠覆蓋到簇中的所有節點；二是每個節點專有的通信光源可覆蓋到簇中的非自身節點；三是簇中僅有一個簇頭節點，即公共光源節點，簇中節點通信規則通過簇頭節點進行有序管理。下面給出簇內節點通信實施流程。

第一環節：節點加入簇。定義簇中節點的最大數量為m，在數據傳輸周期中，定義p個通信時隙為節點加入簇時隙，令p＞3m，且在p個加入簇時隙中，簇中節點和簇頭節點LED均不發光。擬加入簇的節點隨機選擇p個加入簇時隙中的一個時隙，向簇頭節點發送兩個頻閃信息申請加入簇。若簇頭節點成功接收到加入簇信息，則通過廣播模式詢問擬加入簇節點的專有信息如Adress等，進而將信息存入簇頭節點，完成節點加入簇流程。

第二環節：簇內節點通信。第一步，構建簇內節點靜態網絡地址表，地址表屬性包括Adress、備注等信息。簇頭節點在獲取新加入簇節點網絡地址信息后進行信息廣播，簇內節點收到廣播信息后更新本地網絡地址表。第二步，假定簇內光通信節點數為t個，則在數據傳輸周期中新開辟t個通信時隙為簇內節點間通信時隙，且每個節點間通信時隙與特定的光通信節點相對應，每個節點可在規定的通信時隙中發送信息，且在其他通信時隙感知信息，并令LED不發光。定義數據報文格式為“報文起始信息+發送節點地址+接收節點地址+數據內容+報文結束信息”。報文起始信息以3個ox表示，結束信息以3個bx結束，數據內容還可以拆分為應用類型、校驗模式、組合協議和數據區域等。第三步，假定簇內節點e向簇內節點i發送信息，且簇內節點e被允許的通信時隙為k，則節點e生成待發送的二進制碼流Bindistr，在簇內光通信時隙k進行逐個數位傳輸。第四步，節點i在簇內光通信時隙進行數位接收后，將從每個通信時隙接收到的數據進行二進制碼流重組，并按照數據報文格式進行信息析出。若報文的接收地址不是本地節點，則舍棄報文；反之，則將報文信息上報到節點的Applications應用部分進行使用。

1.3 光通信局域層與跨區域層

LED光通信局域層由若干光通信簇構成，基本特征有以下3點。一是簇間節點通信僅通過簇頭節點完成，簇內非簇頭節點不能直接進行簇間信息交互，即簇間通信采用代理機制；二是簇頭節點采用有線通信模式連接，直接進行電信號的傳遞，不再進行電光-光電信息轉換；三是存在一個局域層網絡管理節點對各簇頭進行通信管理。下面給出簇間節點通信實施流程。

第一環節：加入LED光通信局域層。擬加入局域層的LED光通信簇頭節點通過有線鏈路向局域層網絡管理節點發送申請加入報文，得到允許后將所在簇中的地址等信息上報到管理節點。管理節點將新加入的簇頭節點信息及簇內節點地址等信息進行存儲，并更新靜態路由表。

第二環節：簇間節點通信。簇頭節點x按照簇內節點通信實施流程，在各個簇內節點間通信時隙感知光信息，并重組為二進制碼流信息，進而還原報文信息。若當前報文的接收地址不在本簇內，則將報文向各簇頭節點進行轉發。各簇頭節點接收到網絡中的廣播報文后，提取報文信息。若報文接收地址不在本簇內，則將此報文信息丟棄；反之，則按照簇內節點通信實施流程，在規定的簇內節點間通信時隙進行報文廣播，并向報文發送地址所指向的簇頭節點x發送回復報文。若在有效等待回復時間段內簇頭節點x未收到回復報文，則將此數據報文轉發至LED光通信局域層管理節點存儲，由管理節點向目標簇頭發送信息提取報文，若超出存儲時限，則將此報文丟棄。簇內節點按照簇內節點通信實施流程，在各個簇內節點間通信時隙感知光信息，并重組為二進制碼流信息，進而還原報文信息完成簇間節點通信。

LED光通信跨區域層主要由若干LED光通信局域層構成，基本特征如下。一是各LED光通信局域層間通信僅由各局域層管理節點完成，各簇頭及其他節點不直接進行局域網間信息交互；二是各管理節點通過有線模式連接；三是可進行LED光通信協議與TCP/IP因特網通信協議的轉換[9]。跨區域層中管理節點間的通信理念與簇間節點通信實施流程相似，包括加入跨區域層和局域網層間信息交互兩個階段。面向整個網絡系統的光通信協議與TCP/IP協議轉換基本理念為按照簇內節點通信實施流程思想，將網絡節點感知的光信號轉換為二進制碼流，并重組為報文。管理節點可利用高級編程語言中TCP/IP網絡傳輸函數將數據發往因特網，實現協議轉換[10]。

2 結 論

為進一步豐富LED可見光網絡通信系統構建理論，解決LED光通信雙向傳輸及組網通信問題，本文給出了一種基于LED可見光的網絡通信系統設計方法，通過介紹當前LED可見光通信技術現狀，給出了4層LED可見光通信網絡架構，并對雙向可收發光通信節點進行了形式化描述，給出了簇內、簇間等網絡通信協議，實現了LED可見光網絡組網通信功能。下一步將對光信號通信優化進行研究，降低通信誤碼率，提高LED光通信質量。