基于LED可见光的网络通信系统设计

乔 琪，张 悦

（江苏电子信息职业学院，江苏 淮安 223003）

0 引 言

随着信息技术的不断发展，无线通信技术手段不断丰富。可见光作为电磁波的一种，用来传递信息的历史较为悠久，如历史上的“烽火”和近代的“信号弹”等[1]。随着发光LED技术的不断成熟以及嵌入式和光敏元器件技术的不断进步，对LED可见光进行调制，以期达到高速信号智能传输的目标[2]。

近年来不少学者对LED光通信进行研究，实现了基于LED的电光信号转换、光信号传输接收以及光电信号解析，达到了数字信息通信的效果[3-5]。张熠程等提出了一种基于照明用LED的室内可见光通信系统设计方法，给出了面向文字传输、音频传输以及视频传输的LED光通信电路设计，对上位机信号调制及软件设计方法进行了介绍，达到了LED光通信效果[6]。可见光在数据传输过程中会存在较多干扰，如其他光源的亮度干扰令光敏元器件对信号源的感知能力下降，信号光源的光亮遮挡造成瞬间信号中断，可见光的漫反射及多径传输效应，造成信号混乱，误码率增大等。针对上述问题，边禹提出了一种基于可见光通信的信号均衡算法，构造了FFE-DFE-MAP的均衡结构，并改进了双曲正切误差函数，改善了可见光通信中的码间串扰现象[7]。基于LED可见光通信及信号传输优化技术，黄鑫等对室内光通信系统组网方法进行了研究，给出了LED光通信灯组的最优布局策略，对通信链路方式、信道建模等技术进行了介绍[8]。

在当前LED光通信技术基础上，本文给出了一种基于LED可见光的网络通信系统设计方法，描述网络通信系统架构，阐述LED光通信网络节点、网络层次结构以及网络传输协议等技术，对丰富LED可见光通信技术理论具有重要意义。

1 LED可见光网络通信系统的架构设计

LED可见光网络通信系统架构分为4个层级。第一层为光通信网络节点层，主要是指集成了光信号收发装置的单个智能设备节点，各节点均能利用通信时隙实现面向LED可见光的信号收发及信号感知。第二层为LED光通信簇层，主要是指根据光源环境和光传输实际情况等因素而聚类起来共享光源，并在簇内通信协议下进行数据通信的LED光通信节点集合。第三层为LED光通信局域层，主要是指根据组织结构、地域因素等划分的通信片区，LED光通信局域层由多个LED光通信簇构成，通过在每个簇内部署光信息交互物理设施、定义簇间通信协议，实现簇间通信。第四层为LED光通信跨区域层，主要由LED光通信局域层构成，接入因特网，可实现LED光通信网络节点与因特网的信息交互，实现面向LED可见光网络通信系统的LED光通信协议与TCP/IP因特网通信协议的转换。

1.1 光通信网络节点

光通信网络节点定义如下，本文将LED可见光通信网络节点形式化为一个六元组，LTP=（Adress，EleoptCon，OpteleCon，Nodepro，Bindistr，Applications）。其中，Adress唯一标识了一个光通信网络节点，格式为32位十六进制数；EleoptCon标识了电光转换部分，能够将二进制的数字信号调制为规律闪烁的LED光信号；OpteleCon标识了光电转换部分，能够感知规律闪烁的LED可见光，并解析为电信号；Nodepro标识了节点通信协议，每个节点需要按照通信协议进行数据通信，如向目标节点发送信息、接收特定节点的网络信息等；Bindistr标识了节点需要进行电光转换或进行完光电转换后生成的二进制数字码流；Applications标识了节点的网络应用，如文字通信、音视频通信等。

网络中每个光通信节点的Adress由网络管理员统一生成，且保证唯一性。EleoptCon部分的实现原理如下，定义一个比特位传输周期为R，将R分为n个时隙，对于一个二进制0和1，可定义LED光源的频闪协议，本文定义传输数字1时LED需在传输周期的第i个时隙进行均匀间隔的两次频闪，传输数字0时LED需在传输周期的第i个时隙不发光。OpteleCon部分的实现通过光敏元器件感知光源频闪信息，当在一个位传输周期R的第i个时隙接收到均匀间隔的两次频闪信息后，则将信息解析为数字1；当在一个位传输周期R的第i个时隙感知到无光源信息后，则将信息解析为数字0。在LED可见光通信系统研究中，下行通信较为常见，而上行通信较为困难。外在表现为一个LED光源进行信息发送，通信节点仅能进行信息接收，不进行信息上传。本文通过Nodepro进行数据互通，将光通信网络节点的数据通信阶段分为信息接收阶段和信息传输阶段，且两个阶段不相交，即光通信网络节点采用分时通信策略，通过半双工模式进行数据互通。在传输报文中均加入结束标志，节点在接收报文时均需检测结束标志。用户使用的Applications在进行网络通信应用时，均将发送信息转换为数字化的二进制码流Bindistr，在接收时将位信息再组合为二进制码流Bindistr。

1.2 光通信簇层

光通信簇层包括若干光通信网络节点，具有如下的基本特征。一是存在一个公共光源节点能够覆盖到簇中的所有节点；二是每个节点专有的通信光源可覆盖到簇中的非自身节点；三是簇中仅有一个簇头节点，即公共光源节点，簇中节点通信规则通过簇头节点进行有序管理。下面给出簇内节点通信实施流程。

第一环节：节点加入簇。定义簇中节点的最大数量为m，在数据传输周期中，定义p个通信时隙为节点加入簇时隙，令p＞3m，且在p个加入簇时隙中，簇中节点和簇头节点LED均不发光。拟加入簇的节点随机选择p个加入簇时隙中的一个时隙，向簇头节点发送两个频闪信息申请加入簇。若簇头节点成功接收到加入簇信息，则通过广播模式询问拟加入簇节点的专有信息如Adress等，进而将信息存入簇头节点，完成节点加入簇流程。

第二环节：簇内节点通信。第一步，构建簇内节点静态网络地址表，地址表属性包括Adress、备注等信息。簇头节点在获取新加入簇节点网络地址信息后进行信息广播，簇内节点收到广播信息后更新本地网络地址表。第二步，假定簇内光通信节点数为t个，则在数据传输周期中新开辟t个通信时隙为簇内节点间通信时隙，且每个节点间通信时隙与特定的光通信节点相对应，每个节点可在规定的通信时隙中发送信息，且在其他通信时隙感知信息，并令LED不发光。定义数据报文格式为“报文起始信息+发送节点地址+接收节点地址+数据内容+报文结束信息”。报文起始信息以3个ox表示，结束信息以3个bx结束，数据内容还可以拆分为应用类型、校验模式、组合协议和数据区域等。第三步，假定簇内节点e向簇内节点i发送信息，且簇内节点e被允许的通信时隙为k，则节点e生成待发送的二进制码流Bindistr，在簇内光通信时隙k进行逐个数位传输。第四步，节点i在簇内光通信时隙进行数位接收后，将从每个通信时隙接收到的数据进行二进制码流重组，并按照数据报文格式进行信息析出。若报文的接收地址不是本地节点，则舍弃报文；反之，则将报文信息上报到节点的Applications应用部分进行使用。

1.3 光通信局域层与跨区域层

LED光通信局域层由若干光通信簇构成，基本特征有以下3点。一是簇间节点通信仅通过簇头节点完成，簇内非簇头节点不能直接进行簇间信息交互，即簇间通信采用代理机制；二是簇头节点采用有线通信模式连接，直接进行电信号的传递，不再进行电光-光电信息转换；三是存在一个局域层网络管理节点对各簇头进行通信管理。下面给出簇间节点通信实施流程。

第一环节：加入LED光通信局域层。拟加入局域层的LED光通信簇头节点通过有线链路向局域层网络管理节点发送申请加入报文，得到允许后将所在簇中的地址等信息上报到管理节点。管理节点将新加入的簇头节点信息及簇内节点地址等信息进行存储，并更新静态路由表。

第二环节：簇间节点通信。簇头节点x按照簇内节点通信实施流程，在各个簇内节点间通信时隙感知光信息，并重组为二进制码流信息，进而还原报文信息。若当前报文的接收地址不在本簇内，则将报文向各簇头节点进行转发。各簇头节点接收到网络中的广播报文后，提取报文信息。若报文接收地址不在本簇内，则将此报文信息丢弃；反之，则按照簇内节点通信实施流程，在规定的簇内节点间通信时隙进行报文广播，并向报文发送地址所指向的簇头节点x发送回复报文。若在有效等待回复时间段内簇头节点x未收到回复报文，则将此数据报文转发至LED光通信局域层管理节点存储，由管理节点向目标簇头发送信息提取报文，若超出存储时限，则将此报文丢弃。簇内节点按照簇内节点通信实施流程，在各个簇内节点间通信时隙感知光信息，并重组为二进制码流信息，进而还原报文信息完成簇间节点通信。

LED光通信跨区域层主要由若干LED光通信局域层构成，基本特征如下。一是各LED光通信局域层间通信仅由各局域层管理节点完成，各簇头及其他节点不直接进行局域网间信息交互；二是各管理节点通过有线模式连接；三是可进行LED光通信协议与TCP/IP因特网通信协议的转换[9]。跨区域层中管理节点间的通信理念与簇间节点通信实施流程相似，包括加入跨区域层和局域网层间信息交互两个阶段。面向整个网络系统的光通信协议与TCP/IP协议转换基本理念为按照簇内节点通信实施流程思想，将网络节点感知的光信号转换为二进制码流，并重组为报文。管理节点可利用高级编程语言中TCP/IP网络传输函数将数据发往因特网，实现协议转换[10]。

2 结 论

为进一步丰富LED可见光网络通信系统构建理论，解决LED光通信双向传输及组网通信问题，本文给出了一种基于LED可见光的网络通信系统设计方法，通过介绍当前LED可见光通信技术现状，给出了4层LED可见光通信网络架构，并对双向可收发光通信节点进行了形式化描述，给出了簇内、簇间等网络通信协议，实现了LED可见光网络组网通信功能。下一步将对光信号通信优化进行研究，降低通信误码率，提高LED光通信质量。