可见光通信系统MAC层协议研究

摘要

可见光通信因为具有提供照明、频谱免许可、绿色环保、安全性高等优点，成为近年来无线通信领域的研究热点之一。本文主要研究室内可见光通信场景下的媒体接入控制(MAC)层协议，主要工作如下:
　　一、针对下行链路为多LED覆盖方案，上行链路为传统无线或红外光方案的室内可见光通信系统，提出了将无线通信场景下的接入协议应用于此室内可见光通信场景下的调整方案，并改进了接入方案中的退避算法。由于在多LED场景下，用户终端不能相互侦听，为了能够使协调器掌握用户终端的相对位置，因此在传统无线的RTS/CTS模式基础上，增加了一次RTS/CTS过程。推导了用户接入碰撞概率和系统归一化吞吐量的数学表达式。此外还针对接入方案中的退避算法，结合缓慢减小竞争窗口方案和快速解决碰撞方案的优点，提出了改善用户接入公平性的改进方案。
　　二、提出了一种改进的自适应保障时隙分配方案。结合不均匀的保障时隙分配方案和共享的保障时隙分配方案的优点，提出了改进的自适应保障时隙分配方案。改进方案融合了前两种方案，且用户周期性的反馈到达速率，从而使得协调器能够尽快调整保障时隙分配，避免由于用户到达速率的迅速下降引起的保障时隙带宽利用率的骤降。
　　三、提出了可见光通信场景下的用户接入和保障时隙分配优先级实现方案。用户接入优先级方案的基本思路:高优先级用户设置较小的初始竞争窗口和较小的最大退避阶数，而低优先级用户设置较大的初始竞争窗口和较大的最大退避阶数。与低优先级用户相比，高优先级用户更容易接入系统。此外还推导了优先级接入的用户接入碰撞概率和系统归一化吞吐量的数学表达式。保障时隙分配的优先级实现方案的思路:各个优先级用户可使用的保障时隙数目不定，与用户申请保障时隙的到达速率有关;高优先级用户可使用的保障时隙数目较多，相应的保障时隙申请阻塞率较低;低优先级用户可使用的保障时隙数目较少，相应的保障时隙申请阻塞率较高。
　　四、对比分析了可见光通信场景下硬切换和软切换性能差异。在介绍硬切换和软切换方案的区别的基础上，运用排队论方法，推导了两种切换方案的新呼叫阻塞率和切换呼叫丢弃率这两个性能指标的数学表达式。

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摘要

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表目录

缩略语

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 可见光通信概述

1．1．2 MAC层介绍

1．2 可见光通信MAC层研究背景

1．2．1 可见光通信标准概述

1．2．2 可见光通信MAC层协议研究方向和现状

1．3 本文研究内容

1．3．1 本文研究与前人工作的联系

1．3．2 论文内容提要

第2章 室内VLC系统多用户接入方案

2．1 引言

2．2 室内可见光通信系统模型

2．2．1 单LED覆盖的室内VLC系统模型

2．2．2 多LED覆盖的室内VLC系统模型

2．3 室内VLC系统多用户接入方案及性能分析

2．3．1 单LED覆盖的室内VLC系统接入方案描述

2．3．2 单LED覆盖的室内VLC系统接入方案性能分析

2．3．3 多LED覆盖的室内VLC系统接入方案描述

2．3．4 多LED覆盖的室内VLC系统接入方案性熊分析

2．4 改进的室内VLC系统多用户接入方案

2．4．1 缓慢减少竞争窗口方案(SD方案)

2．4．2 快速解决碰撞方案(FCR方案)

2．4．3 改善公平性的改进方案

2．5 仿真结果与分析

2．5．1 室内VLC系统多用户接入方案仿真

2．5．2 改进的多用户接入方案仿真与分析

2．6 本章小结

第3章 改进的保障时隙分配方案

3．1 引言

3．2 问题表述

3．2．1 保障时隙介绍

3．2．2 保障时隙分配问题

3．3 改进的保障时隙分配方案

3．3．1 不均匀的时隙分配方案(UGAS)

3．3．2 隐式GTS分配方案(I-GAME)

3．3．3 改进的自适应GTS分配方案

3．4 改进方案的带宽利用率分析

3．5 仿真结果与分析

3．6 本章小结

第4章 VLC系统用户优先级实现方案研究

4．1 引言

4．2 问题表述

4．2．1 用户接入优先级问题表述

4．2．2 保障时隙优先级问题表述

4．3 用户接入优先级实现方案与分析

4．3．1 用户接入优先级实现方案

4．3．2 用户接入优先级性能分析

4．4 保障时隙分配的优先级实现方案与分析

4．4．1 保障时隙分配优先级的实现方案

4．4．2 保障时隙分配优先级的实现方案性能分析

4．5 数值结果与分析

4．5．1 用户接入优先级数值结果与分析

4．5．2 保障时隙分配优先级数值结果与分析

4．6 本章小结

第5章 VLC系统子网切换方案性能比较

5．1 引言

5．2 可见光通信切换场景与策略

5．2．1 子网切换场景

5．2．2 传统的切换策略介绍

5．3 可见光通信硬切换方案及性能分析

5．3．1 硬切换方案

5．3．2 硬切换性能分析

5．4 可见光通信软切换方案及性能分析

5．4．1 软切换方案

5．4．2 软切换性能分析

5．5 数值结果与分析

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来展望

参考文献

硕士期间发表的学术论文及参与的科研项目

致谢