DOI: 10.11991/yykj.201604015
2. Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330003, China
可见光通信技术(visible light communication,VLC)是一种全新的光无线通信技术，该项技术可以被广泛应用在室内照明、交通灯、路灯、广告牌等场景下。与传统的无线通信技术相比，可见光通信技术可以使用大量免费频谱，可以在提供照明等用途的同时提供通信服务。同时，相对射频系统而言可见光系统对人体的影响较小，而且由于可见光的直线传播特性，信号的保密性可以得到提升[1]。可以预见，在室内通过终端与白光LED顶灯进行通信的技术将因其在通信速率、信息安全、环保节能等方面的优势而拥有巨大潜力[2]。
本文对一种室内可见光通信系统的MAC层协议进行了分析，根据系统的自身特点指出了该系统下传统CSMA/CA协议的不足，并有针对性地进行了改进，最后使用OPNET进行了仿真和对比。
1 系统描述在空旷的室内，顶层LED灯位于天花板正中央，并连接着主电源，照明范围与通信范围如图 1中的锥形区域所示[3-4]。
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| 图 1 一种室内可见光通信系统的示意图 |
发射端和接收端均采用Xilinx Vertex5 FPGA进行数字信号处理[5]。原始数据流通过RJ45接口发送到数字基带板上的以太网接口并传输到FPGA[6]。在FPGA内部数字信号处理和数字调制后经过DAC进行转换，并由驱动电路进行功率放大后调制到LED发射。物理层发送速率为50 Mbps。接收端光电二极管的光电流经过TIA放大后由ADC采样，采样速率是发送速率2倍，即50×2=100 MHz。采样后数据送入FPGA进行解调和组帧，恢复出原始数据流，传至接收端PC。
室内终端随机分布在房间各处，由于终端能量有限，所以终端的通信距离小于顶层LED节点的通信距离，因此如果房间边缘处的终端节点(例如终端07) 希望与顶层LED节点进行通信，需要先将信息通过多跳的方式传递至距离顶层LED节点较近的终端节点(例如终端04) ，然后该终端节点将信息传递至顶层LED节点。
该室内可见光通信系统的拓扑结构如图 2所示，由顶层LED节点发往个终端节点的下行数据采用单跳传播，而由各个终端发往顶层LED节点的数据采用多跳传播。
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| 图 2 室内可见光通信系统拓扑 |
该室内可见光通信系统初始化后，首先要进行的便是拓扑建立，在该过程中，每个终端加入自己所选择的子网，并建立起自己相对于顶层LED节点的梯度。系统初始化时，每个终端节点有唯一的节点地址。
2.1.1 邻居发现顶层LED节点广播同步帧，该帧中包含该节点的地址和它对应的子网(personal area network,PAN)编号[7]；终端节点i接收到顶层LED节点发来的同步帧之后，记录下该PAN编号，并开始广播hello消息来进行邻居发现，该帧中携带自己的地址及PAN号；终端节点j在发送hello消息后的特定时间内，接收到来自相同PAN的终端节点i回应，就将发送节点i放入自己的邻居表中。
在上述过程中，如果顶层LED节点也参与hello消息的回应的话，会导致所有终端节点都收到回应消息，大大增加了发生冲突的概率。因此，顶层LED节点首先记录所有发送给自己hello消息的源节点，在所有终端节点的广播与回应过程完成后，顶层LED节点广播一个消息，消息中携带了这些源节点的序号，所有收到该帧的终端节点检查自己是否在序号组中，若是，则将顶层LED节点加入到邻居表中。
2.1.2 梯度建立顶层LED节点的梯度初始化为0，邻居中包含顶层LED节点的终端将梯度初始化为1，其余终端节点的梯度初始化为100。每个梯度为1的终端节点广播自己的梯度建立帧(记为gradient帧)，该帧中包含自己的梯度；当终端节点i接收到终端节点j转发来的梯度建立帧之后，如果终端节点j在终端节点i的邻居表中，则将节点j的梯度Gj以及该帧的RSSI(received signal strength indicator)值保存；同时如果终端节点i的梯度Gi满足Gi>Gj+1，则将Gi置为Gj+1，然后终端节点i广播自己的gradient帧，直至所有终端节点的梯度建立完成。
2.1.3 数据转发设置当终端节点需要发送数据至顶层LED节点时，它首先判断自己的梯度是否为1，若为1则说明自己的数据可以直接到达顶层LED节点，否则需经过多次转发。当进行转发时，目的节点为邻居表中梯度比自己梯度小1的所有节点中RSSI值最大者。目的节点接收到数据后采用同样的原则进行转发，直至到达顶层LED节点[8]。
2.2 MAC层协议的改进最初该系统中信道接入采用的是传统的时隙CSMA/CA协议，每个终端节点在发送数据之前对信道进行监听，若信道空闲，再等待一段时间仍空闲，则发送数据。数据发送采用RTS/CTS机制[3]。
在传统的CSMA/CA协议中，节点在侦听到信道忙时，会在退避窗口0,Wi－1中随机选择一个数值进行退避，其中Wi=2iW，W是最小竞争窗口，i是退避指数。退避指数i的最大值为Emax，退避次数的最大值为Nmax。
如图 2所示的上行多跳、下行单跳的拓扑结构各个终端节点承担的任务量各不相同。梯度较低的终端节点离顶层LED节点较近，这些节点不但要发送自己的数据，也要帮助梯度较高的节点转发数据，从而梯度越低的节点发送数据的频率越高。在节点分布比较均匀的情况下，梯度越低的节点面临的信道竞争就越激烈[9-10]。
为了提高靠近顶层LED节点的终端节点的数据发送成功率，并且适当节约这些终端节点能量，我们让梯度较低的终端节点拥有较高的优先级。具体操作是让让梯度较低的节点拥有较小的退避窗口初始值Winit，并把最大退避指数Emax减小，以增加此类节点竞争接入信道的成功率；同时将最大退避次数Nmax增加，以使得在信道竞争过于激烈的情况下不至于丢失数据。
将终端节点的梯度记为k，改进后的退避窗口初始值记为Winit′，最大退避指数记为Emax′，最大退避次数记为Nmax′。Winit′、Emax′、Nmax′与终端节点的梯度k之间存在如下关系：
式中
在符合ISO组织规定的普通室内光照度304 lx的条件下[11]，使用OPNET仿真平台对改进后的MAC层协议进行仿真实验。
发射机和接收机的数据速率均配置为50 Mbps，短帧间间隔SIFS配置为28 μs，分布式协调帧间间隔DIFS配置为128 μs，每个slot时间长度为50 μs，RTS、CTS、ACK帧的长度均为160 bits，数据分组的大小均配置为4 096 bits，MAC帧头与PHY帧头的总长度为312 bits。
当采用时隙CSMA/CA仿真时，退避窗口初始值Winit为24，退避窗口最大值Wmax为1 024，最大退避次数Nmax为10，最大退避指数Emax为8。
仿真结果数据通过局部统计量及全局统计量的形式输出，并由MATLAB绘制成图表，不同梯度的终端节点发送失败的比例对比如图 3所示。可以看出，当采用传统的CSMA/CA协议时，数据发送失败的比例会随着终端节点的梯度降低而增加，这是由于梯度较低的节点承担的任务量较大，所以冲突较为频繁[13]。而在改进后的CSMA/CA协议中，梯度较低的节点发送失败的比例低于采用传统的CSMA/CA协议时的情况，可见改进的协议有效地提高了低梯度节点的优先级，保证了低梯度节点发送数据的成功率[14]。
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| 图 3 数据发送失败率与终端节点梯度的关系 |
归一化吞吐量与终端个数的关系如图 4所示。可以看出，不论采用传统的CSMA/CA协议还是改进后的协议，系统的归一化吞吐量都随着终端个数的增加而略有降低，但在这一过程中，采用改进后CSMA/CA协议的系统归一化吞吐量略高于原系统，并且随着终端数量的增加，吞吐量优势更加明显。
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| 图 4 归一化吞吐量与终端个数的关系 |
文章根据系统的自身特点指出了该系统下传统CSMA/CA协议的不足，提出了一种室内可见光通信系统的MAC层协议的改进方法。通过改变梯度较低的终端节点的优先级，达到增加节点竞争接入信道的成功率；增加最大退避次数，保证在各终端节点在激烈的信道竞争中不丢失数据。使用OPNET对改进后的协议进行了仿真实验。仿真结果表明，改进后的MAC层协议在本系统下可以很好地保证低梯度节点发送数据的成功率，能够适当地提高系统吞吐量，并且明显优于采用传统的CSMA/CA协议。后续还将进一步结合LED灯组资源调度算法，探讨相邻LED灯组同时向终端节点设备发送信息，从而分析其信号的覆盖质量。
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