0 引　言

可见光通信技术是当前无线通信领域研究的热点之一，其基本原理是利用发光二极管作为信号光源，光信号通过光纤或自由空间传输。在光纤中，光信号通过光纤的全反射传输，光信号通过调制传输数据。常见的调制方式包括强度调制和频率调制，强度调制通过改变光信号的强度表示数字信息，例如高亮表示1，低亮表示0。频率调制通过改变光信号的频率表示数字信息。可见光通信的接收器接收到光信号后，将光信号转换为电信号，然后，电信号经过解调器解调，将数字信息还原出来。可见光通信技术应用潜力非常广泛，涵盖了室内通信、车载通信、室外通信、室内定位、光通信网络等多个领域，可以提供高速、安全、可靠的无线通信服务。

本文介绍可见光通信系统的基本原理和框架，分析可见光的信号特性，重点开发了船舶间可见光通信技术的MAC协议，对于改善传统的船舶可见光通信系统的性能有推动作用。

1 船舶可见光通信系统的基本原理与构成

可见光通信相对传统通信方式的优点包括：

1）更高的带宽。可见光通信利用光波进行传输，光波的频率非常高，因此可支持更高的数据传输速率和更大的带宽。

2）更安全的通信。可见光通信是一种定向传输方式，只有在光波直接照射到接收器时才能接收到信息。因此，可见光通信可以提供更高的安全性，防止信息被窃听或干扰。

3）低功耗。可见光通信使用LED灯或激光器进行传输，相比传统的无线通信设备，LED灯或激光器的功耗更低，因此可见光通信可以提供更长的续航时间。

4）抗干扰性强。可见光通信不受电磁干扰的影响，因为光波在传输过程中不会受到电磁波的干扰，可以在电磁干扰较严重的环境中提供稳定的通信质量。

5）环境友好。可见光通信不会产生电磁辐射，也不会对环境造成污染，因此更加环保。

可见光通信系统分为发射端和接收端两部分，信号由发射端发射，经过数模转化器、解调器到达接收端，可见光通信系统的基本框架如图1所示。

可见光通信系统是一个电-光-电的转换过程^[1]，定义可见光的发射功率为 $ {P_t} $ ，接收功率为 $ {P_i} $ ，可得：

$ {P_i} = {P_t} \times H\left( 0 \right) \text{，} $

式中， $ H\left( 0 \right) $ 为信道的直流增益。

由于可见光通信不像电磁波通信一样存在明显的信号衰落，发射端的LED灯光强度分布模型可进行适当的简化，信道的直流增益用下式计算：

$ H(0) = \frac{{(m + 1)A}}{{2 \text{π} {D^2}}}{\cos ^{ - 1}}(\theta )g(\eta )\cos (\eta ),\quad 0 \leqslant \eta \leqslant {\eta _c} 。$

其中，m为光源辐射的阶数。

$ m = - \frac{{\ln z}}{{\ln \left( {\cos {\phi _t}} \right)}} \text{，} $

式中： $ {\phi _t} $ 为功率辐射角度；D为接收端与光源之间的距离；A为光源的表面积； $ \theta $ 为光源的发射角度； $ \eta $ 为入射角度； $ g(\eta ) $ 为光滤波器增益； $ \cos (\eta ) $ 为接收端的透镜增益； $ g(\eta ) $ 用下式计算：

$ g(\eta ) = \left\{ \begin{array}{ll} \dfrac{{{n^2}_{dd}}}{{{{\sin }^2}\left( \eta \right)}},&\eta \leqslant {\eta _c} ，\\ 0,&{\rm{else}} 。\end{array} \right. $

式中： $ {n_{dd}} $ 为滤波器的损耗； $ {\eta _c} $ 为接收端的视野角度，即可以接收光源的最大角度。

影响可见光通信性能的因素包括多径效应、阴影效应和多普勒效应等。

1）多径效应

当光信号在传输过程中遇到障碍物或反射面时，会产生多个不同路径的光线。这些不同路径的光线以不同的相位和强度到达接收器，导致接收到的信号出现失真和干扰。多径效应导致信号衰减、频率偏移和时延扩展，从而降低可见光通信的性能。严重的多径干扰使接收端只收到反射和漫射信号，无法正确接收直射信号。

图2为可见光通信中的多径效应示意图，光通信发射模块与接收端之间同时存在主径反射和多径发射信号。

2）阴影效应

当光信号在传输过程中遇到遮挡物时，遮挡物会阻挡部分光线的传播，导致接收器接收到的信号强度减弱。阴影效应会引起信号强度的不均匀分布，从而降低可见光通信的可靠性和覆盖范围。

3）多普勒效应

当光源或接收器相对于传输介质移动时，光信号的频率会发生变化。这种频率变化称为多普勒效应。多普勒效应会导致接收到的信号频率偏移，从而影响信号的解调和识别。特别是当光源或接收器的移动速度较快时，多普勒效应会更加显著，需要采取相应的补偿措施来保证可见光通信的性能。

2 船舶间可见光通信系统的通信协议研究 2.1 OSI网络通信模型

在开发船舶可见光通信系统的通信协议时，参考了OSI通信网络模型，它由国际标准化组织（ISO）制定，并于1984年发布^[2]。OSI模型将网络通信过程分为7个不同的层次，每个层次负责特定的功能。这些层次从底层到顶层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层（见图3）。

1）物理层（Physical Layer）负责在物理媒介上传输比特流。处理电子信号、光信号等物理媒介，并且控制如何在这些媒介上传输数据。

2）数据链路层（Data Link Layer）负责在直连的节点之间传输数据。将比特流划分为帧，并提供可靠的点对点数据传输，确保数据传输的完整性和可靠性。

3）网络层（Network Layer）负责在网络中传输数据。通过路由选择算法和转发表来确定数据的最佳路径，并将数据分组以进行传输，以确保数据从源节点到目标节点的正确传递。

4）传输层（Transport Layer）负责在端到端通信中提供可靠性和流控制功能。通过使用端口号来标识不同的应用程序之间的通信，并通过分段和重组数据来确保数据的完整性和顺序。

5）会话层（Session Layer）负责建立、管理和终止会话（或连接）。提供了会话管理、同步和对话控制等功能，以便在不同节点之间进行可靠的通信。

6） 表示层（Presentation Layer）负责数据的格式化、加密和压缩等操作。将数据从应用程序格式转换为网络可识别的格式，并在端到端通信中提供数据的共享和表达。

7） 应用层（Application Layer）提供网络应用程序与用户之间的接口。包含用于文件传输、电子邮件、远程登录等常见应用程序的协议和服务。

通过这种层次化的模型，网络通信协议可以根据各个层次的功能进行设计，使得不同的应用程序能够在不同的网络环境进行通信。

2.2 船舶可见光通信系统的MAC协议技术开发

在开发可见光通信网络模型时，物理层包括光发射接收机和底层的控制机制，MAC层负责为各种传输提供访问接口。基于OSI网络模型，优化MAC协议机制和算法，从而提高可见光通信系统的性能，包括物理载波监听机制和随机退避机制。

1） 物理载波监听机制

物理载波监听机制是一种用于无线通信中的监听技术。在可见光通信中，数据通过调制成载波信号的形式传输。物理载波监听机制是指通过监听载波信号的能量等特征来实现对无线通信的监听和监测，可用于网络监测、频谱管理、无线电频道分配等。可以帮助监测无线通信中的干扰情况，识别无线信号的类型和来源，以及检测无线通信中的异常行为。

图4为可见光通信的物理载波监听机制数据帧。数据帧中包括DIFS/NAV竞争窗口、退避窗口、ACK等。

物理载波监听机制通常通过接收器来实现。接收器会接收到传输中的载波信号，并对其进行分析和处理。通过分析载波信号的频率、幅度、相位等特征，可以判断出载波信号的类型和属性。同时，通过对多个载波信号的监听和比较，可以识别出干扰信号和正常信号之间的差异^[3]。

2）随机退避机制

随机退避机制是一种用于解决网络中冲突问题的算法。在网络中，当多个设备同时发送数据时，可能会发生冲突，导致数据包的丢失。为了避免冲突，随机退避机制被引入，其基本原理是当发生冲突时，设备会随机选择一个退避时间，然后等待该时间后再次尝试发送数据。退避时间根据一个随机数生成的，因此每个设备的退避时间可能不同，这样可以减少冲突的概率。如果在退避时间结束后，网络仍然繁忙（即其他设备仍在发送数据），设备会再次选择一个新的退避时间并等待。这个过程会一直重复，直到设备成功发送数据或达到最大重试次数。

随机退避机制可以有效地减少网络中的冲突，提高数据传输的成功率，被广泛应用于以太网等共享介质的网络中，以确保多个设备能够公平地共享网络资源。

图5为可见光通信系统的随机退避机制流程图。

3 船舶间可见光通信技术的MAC协议仿真测试

针对船舶可见光通信的MAC协议进行仿真测试，采用的测试软件包括Matlab、OPNET等，关键环节包括：

1）数据帧设计

用OPNET中的packer format工具来设计网络中的数据帧，定义数据帧的结构，包括帧头、帧体和帧尾等部分。帧头通常包含同步字节或标识符，用于同步接收方的时钟；帧体包含实际的数据信息；帧尾用于标识数据帧的结束。

2）链路模型设计

针对通信网络中的链路进行建模和设计，将可见光通信分为红外和白光，采用OPNET的link model来设置链路模型，同时考虑可见光通信过程的传输介质、物理连接方式、传输速率、传输损耗、噪声特性、信号传输距离等因素。

表1为仿真测试采用的可见光通信系统参数。

可见光通信测试信道容量满足香农定理^[4]，如下式：

$ C = B{\log _2}(1 + SNR) 。$

式中： $ SNR $ 为信噪比， $ SNR = \dfrac{{{P_R}}}{N} $ ；B为噪声带宽； $ {P_R} $ 为信号功率；N为发射功率。

仿真对比了A/B/C三种带宽下可见光通信系统的误码数据量，可知随着带宽的增加，数据误码的量呈下降的趋势。

4 结　语

本文对船舶间的可见光通信技术进行研究，针对可见光通信系统的MAC协议进行了优化开发，介绍了载波监听机制、随机退避机制等。通过仿真测试，验证了可见光通信系统的优越特性。