可见光通信的MAC协议研究

施丽慧

【摘 要】可见光通信作为一种新兴的无线通信技术，具有极大的发展前景。介绍了IEEE 802.15.7标准（草案），该标准对MAC协议进行了详细的定义。标准中提出的MAC协议的功能有很多，可以从信道接入、GTS分配、信道分配、合作通信等方面对MAC协议进行优化，通过对这些优化技术的研究讨论，进一步改善可见光通信的性能。

【关键词】可见光通信 MAC协议 CAMA/CA GTS

中图分类号：TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-03-0076-06

1 引言

可见光通信是一种短距离的无线通信系统，是在白光LED（Light-Emitting Diode）技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。在可见光通信系统中，可见光既是传输介质又可用于照明。这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。此外，可见光通信还有如下优点：对人体无害，安全度高，数据传输速率高，频段免费，与射频系统尤其是飞机设备或医疗机械之间不会产生干扰。因而VLC（Visible Light Communication，可见光通信）技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。但是可见光通信也存在缺点：可见光信号不能穿越障碍物，在可见光网络中的载波侦听没有射频网络一样的鲁棒性。

2011年提出的IEEE 802.15.7[1]是针对利用可见光进行短距离无线通信的一个标准。该标准中对MAC协议的功能进行了详细的定义，如信道接入、个人局域网的建立和维持、同步、传输接收确认、GTS（Guaranteed Time Slot，保障时隙）的分配和管理、快速链接恢复、多信道资源管理、颜色功能和标准化等。

本文做如下安排：第一部分介绍一种多参数的随机接入机制；第二部分介绍两种不同的GTS分配方法；第三部分介绍两种基于优先级的信道分配方法；第四部分介绍合作通信；最后进行总结。

2 随机接入机制

IEEE 802.15.7标准中的个人局域网支持三种拓扑结构：点对点拓扑结构、星型拓扑结构和广播型拓扑结构。该标准中MAC协议有以下两个信道接入机制：基于竞争的和无竞争的。基于竞争的访问允许设备利用随机接入退避算法在CAP（Contention-Access Period，竞争周期）时访问信道，无竞争访问完全通过协调器在CFP（Contention-Free Period，无竞争周期）时对GTS的利用。

在IEEE 802.15.7中时隙的CSMA/CA（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance，带碰撞避免的载波侦听多路访问机制）中，MAC子层首先初始化了两个变量：NB（Number of Backoffs，退避次数）和BE（Back-off Exponent，退避指数）。当介质忙碌的时候，算法会尝试退避。BE与一个设备试图访问信道前必须等待的退避期间的个数有关。BE的初始值定义为macMinBE。基于BE的值，该算法能够定位设备的下一个退避周期的边界。设备产生一个在0到（2BE-1）间的随机数，然后等待，直到该随机数被减至零，然后执行CCA（Clear-Channel Assessment，空闲信道评估）。物理层执行CCA，检测信道是否忙碌。如果信道忙，当BE的值等于或小于macMaxBE值时，算法将NB和BE的值加一。如果NB超过macMaxRABackoffs的值，则信道访问失败，该数据包将被丢弃。如果NB小于等于macMaxRABackoffs的值，该算法将重新定位退避周期的边界。然后，它会再次应用补偿延时过程。如果信道是空闲的，数据包发送，设备等待ACK（Acknowledgment，确认帧），接收到确认帧表示发送成功。

基于IEEE 802.15.7的时隙CSMA/CA，考虑星型拓扑结构中的信标使能模式，对于不同的服务应用，文献[2]中利用退避次数、退避指数、CW（Contention Window，竞争窗口）和RT（Retransmission Times，重传次数）这四个参数提出了一种在VPAN中提供优先级的机制。在VPAN中支持优先级的规则是，具有较高优先级的数据包发送数据成功的比例较高，延时更小。将四个变量分别定义了不同的优先级。

基于离散马尔克夫链模型，分析该机制在非饱和环境下的性能并探讨该机制对延时和可靠性的影响。结果表明，优先级越高的数据包，传输的可靠性越高，延时越小。

3 GTS分配

IEEE 802.15.7标准中的MAC协议支持带信标使能和无信标使能两种模式。无信标使能的情况采用无时隙的随机接入机制。信标使能的情况，协调器以超帧的结构产生周期性的信标帧。为了支持实时的数据传输，IEEE 802.15.7标准和802.15.4标准[3]一样提供了一种保障时隙（GTS）机制来分配超帧中指定的一个连续时间段来传输数据。超帧结构如图1所示：

IEEE 802.15.7标准中GTS分配方案是针对信标使能模式而言的。一个节点的带宽要求取决于CFP剩余的时隙。但在超帧的16个时隙中，一个时隙作为网络信标，一些时隙保留给CAP，所以CFP是有限的。在CAP时，需要资源的节点向协调器发送请求。在收到这些请求后，协调器将检查超帧中是否有足够的时隙。如果超帧中的可用时隙的数量小于所请求的时隙数量，GTS分配请求将被拒绝，否则接受。如果GTS分配请求被接受，被接受的节点必须跟踪信标帧，检查当前超帧中是否分配时隙。已经有一些研究分析GTS分配方案的最大吞吐量和延迟性能[4，5]。由此可以看到，标准GTS分配方案有两方面的挑战：首先，GTS数量是有限的；其次，当业务速率小于可用带宽时，会浪费更多的服务时隙。

3.1 UGAS

针对如何有效地分配保障时隙，很多研究结果已经发布。一个办法是将分开的GTS分成更小的时隙，这样更多的设备可以使用GTS，浪费的带宽也会减少[6]。还有一种I-GAME机制允许几个设备同时使用相同的GTS，这样带宽的使用率和使用同等数量GTS的设备数也会增加[7]。

正如之前提到的，将CFP划分成更小的时隙能更有效地分配带宽资源。然而，时隙的数量是有限的，如果不打破原有的标准结构，是不能增加的。根据标准中的GTS分配，带宽是浪费的。相对于文献[6]中将时隙分成相同的更小时隙的方法，文献[8]提出了一种不平衡的UGAS（Unbalanced GTS Allocation Scheme，GTS分配方案），该方法是将CFP分成不同的持续时隙。通过这种方式，该方案可确保突发业务的QoS。UGAS对每个节点进行严格的带宽分配，小请求分配到的资源少，反之则多。

与GTS的标准配置方案相比，UGAS方案可解决三个问题：最大剩余时隙的数量、实现有效的GTS分配、QoS保证。

3.2 链接切换时的GTS分配

当设备从一个传输器连接到另一个的时候，即链接切换（Link Switching），如何有效地分配资源是VLC网络和其他无线网络中都要解决的一个问题。文献[9]提出了一种灵活的支持链接切换的GTS分配机制。当一个设备处理链接切换程序时，或者设备和传输器之间建立新的链接时，设备必须向协调器请求新的GTS。当CFP阶段剩余的时隙无法满足链接切换请求时，请求就会被拒绝。为了保证无缝链接，从已存在的非即时的访问中借用一些时隙分配给链接切换，这就是该机制的主要思想。

假设链接切换请求到达和离开的过程都符合泊松分布，提出的机制可以用M/M/K/K排队模型来建模。仿真结果显示，相对于传统的GTS分配机制，文献中提出的方法可以容纳更多的访问并且有效地降低链接切换访问失败的概率。

4 信道分配

4.1 信道优先级

根据IEEE 802.15.7标准，不同的颜色代表了不同的信道。当可见光通信中的信道有限时，不同类型的业务就会同时出现，并可使用不同颜色的信道。系统根据用户优先级和实时信道条件来分配资源，以此维持服务质量（QoS）。为了给高优先级用户提供更好的服务质量，必然会降低访问限制率，确定的门信道会降低资源使用率。文献[10]提出了一种动态的信道分配机制，在不消耗巨大资源的前提下，合理地降低高优先级用户的访问限制率。该机制只在访问负载较大时使用。

在访问负载较小时，没有优先机制来提高资源使用率，不同类型的访问可以分配到所有的信道。当访问负载较大时，不同类型的访问分配到的信道是不确定的，信道分配的数目主要取决于访问到达率、总信道数和确定的最小信道数。

将业务从高优先级到低优先级分成1、2、3…M个级别。XM（t）为保留给不同优先级的业务的信道数；C为分配给所有业务的最小信道数，是确定数；N为系统中的信道总数。不同的业务分配到的信道如图2所示：

图2 文献[10]提出的信道分配模型

最后仿真显示，相比于无优先级的机制，优先级越高的用户访问限制率越低，同时它的信道使用率几乎和无优先级的机制一样，并未占用过多的资源。

4.2 用户优先级

无线通信系统中资源有限，当不同优先级的不同用户使用相同的网络资源的时候，为了最优化资源使用率，如何根据优先级来分配资源，并降低拥堵概率和访问掉线比率尤其重要。

在可见光通信中用可见光的不同颜色来定义信道。波长从375nm到780nm的可见光频段分成N个信道。N的大小取决于LED和检光器（Photo Detector）的特性。文献[11]将这N个信道再分成三类：1到N1、N1+1到N2、N2+1到N。论文中将用户分成三类：高级用户、中级用户和低级用户。高级用户可以使用整个信道，中级用户可以使用1到N2，低级用户可以使用1到N1，如图3所示：

图3 文献[11]提出的信道分配模型

当一个新用户想要进入系统时，系统先检验该用户的类型。如果是低级用户，则检测1到N1的信道是否空闲。如果空闲，就接受；否则拒绝。如果是中级用户，则检测1到N2的信道是否空闲。由于N2>N1，所以中级用户被接受的概率要大于低级用户。同理，高级用户被接受的概率大于中级用户。

理论上分析，假设这个系统有很多区域，每个区域都有N个信道，每个信道的维持时间呈指数分布。所有用户请求到达某个区域的过程假设为泊松过程，低级用户、中级用户和高级用户的泊松参数不同。只研究其中一个区域，假设这一个区域中的活动是（N+1）阶的马尔科夫过程，建立典型的M/M/N/N排队模型，得出不同优先级用户的阻塞概率。结果显示，采用了这种基于优先级的资源分配机制的各类用户的阻塞概率要比未采用这种机制的用户低得多。

5 合作通信

在无线通信中，合作通信被视为最有潜力的提高系统可靠性和性能的一项技术。可见光通信的传输距离有限，只能在可视范围内传输，这种情况下，合作通信更具优势。无线介质的广播特性可用于提高系统的性能，通过节点而不是源和目标，积极帮助数据帧正确地传送到目的地。这种做法被称为合作式通信。合作通信的出现被认为是克服无线通信限制的一种空间多样性的新形式。在这种技术中，多个节点同时接收、解码和重传数据包。

文献[12]提出了一种用于VLC网络的协同传输模型。从源节点到目的节点路径上的节点变成中继节点，其任务是将前向错误数据包发送到目的节点。因此，从一个源节点到宿节点的经典路径被多跳协同路径代替，经典的点至点的通信被替换为许多到许多的合作式通信。

合作式MAC协议同样基于用于短距离可见光通信的IEEE 802.15.7标准中的MAC协议。该协议充分利用了合作通信，通过多点中继来提高从源到目的地的可靠性和吞吐量。具体来说，就是发送方和接收方会选择一些中继节点来进行合作通信。相对于单中继合作，多节点合作的吞吐量更大。如果主链路所施加的直接通信可以提供足够的带宽和服务质量要求，则采用传统的MAC协议没有协同传输。否则，发送方和目的接收方会初始化为合作机制，寻找供合作通信的中继节点。本文提出了IEEE 802.15.7 MAC层中的控制流程和数据传输的新协议，同时保持向后兼容目前的MAC。三种通信方案的比较如图4所示。