室内光通信系统中基于预判信息的链接切换方法与流程

本发明涉及一种应用于室内光通信系统中的链接切换方法，特别是涉及一种应用于室内光通信系统中基于预判信息的链接切换方法。

背景技术：

白光led具有功效低、使用寿命长、尺寸小、易驱动、绿色环保等优点，被视为第四代节能环保型照明产品。白光led的响应灵敏度非常高，具有良好的调制特性，可以用白光led进行高速无线通信。因此，白光led进行照明的同时，也可以作为无线通信的接入点。将室内的通信基站与白光led照明设备结合在一起，并将其接入其他通信网络，这就是可见光通信(visibelightcommunication,vlc)。

目前可见光通信技术备受国内外瞩目，室内vlc系统最早于2000年由tanaka等人提出，由于其广阔的应用前景和巨大的社会、经济效益，而得到包括美国、欧洲、亚洲等多国科研院所和协会的关注和研究。2003年，日本成立了可见光通信协会(visibelightcommunicationconsortium,vlcc)，该协会主要致力于vlc的研究、推广和标准的制定。2008年，美国国家基金会成立了智能光工程技术研究中心(smartlightingengineeringresearchcenter,rec),其主要目的是使智能照明系统同时兼备照明和提供高速数据接入及对生物和生化危机的检测的功能。同年，ieee成立了可见光通信组，专门研究可见光标准ieee802.15.7。

在国内，随着可见光通信系统技术的不断成熟，可见光通信技术更具备市场应用前景，目前可见光通信已经应用到很多场景，例如交通信号系统、汽车安全系统、室内定位系统等等。但是，随着对可见光通信的不断研究和探索，面临的一个实际困难是：led光源发出的光具有方向性，此造成led的光照覆盖范围有限，现有技术在应对移动用户在不同led覆盖范围走动时，难以保证通信的连续性，影响通信质量。目前除了可见光通信系统，其他类似的以光作为信号传输媒介的室内通信系统都存在这个问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供了一种室内光通信系统中基于预判信息的链接切换方法，针对用户的移动性，基于预判算法得到用户的位置信息，根据位置信息决定是否启动预切换和切换过程。该算法能够在保证通信连续性的前提下，有效提高通信质量。

技术方案：本发明提供一种室内光通信系统中基于预判信息的链接切换方法，此系统内包括3个以上的网络接入点led阵列和至少1个网关，包括以下步骤：第一步根据预判信息设定移动终端的预切换条件和切换条件；第二步网关以t1为周期进行预切换条件的检测，如果不满足预切换条件，则继续执行本步骤，如果满足预切换条件，则启动预切换命令，执行第三步；第三步网关以t2为周期进行切换条件的检测，如果不满足切换条件，则继续执行本步骤，如果满足切换条件，则启动切换命令，完成切换过程，t2≤t1。

上述的预切换条件的判断包括以下步骤：第一步计算移动终端接收到的3条上行功率最大链路的传输距离，分别为d1、d2、d3；第二步计算移动终端的位置坐标(xe，ye，ze):引入优化因子δ1、δ2、δ3，其中，

k为衰减常数，k≤0，

通过本算法即可得到用户位置坐标(xe，ye，ze)；第三步当移动终端在网络接入点ap1和ap2间移动时，满足条件

时，网关启动预切换命令，其中l是ap1和ap2之间的距离,h是它们距离水平面的高度，ap1的坐标为(x1，y1,z1)，ap2的坐标为(x2，y2,z2)。

上述的切换条件为:移动终端在信号源ap1和ap2间移动时满足条件

时，网关发起链路切换请求，开始进行切换。

为了提高了预判信息的准确性，与理论计算结果误差更小，上述步骤里的衰减常数k＝-10。

上述移动终端自网络接入点ap1到ap2的预切换命令步骤为：第一步网关启动预切换命令并将数据同时传输给网络接入点ap1和ap2；第二步网关通知移动终端，移动终端接收到网关的预切换信令后，开启ap2网络接入，此时移动终端应用层的数据仍来自ap1网络接入点；第三步网关以周期t2检测移动终端。

上述移动终端自网络接入点ap1到ap2的切换命令步骤为：第一步当网关检测到移动终端满足切换条件，向移动终端发出切换信令；第二步移动终端打开ap2网络接入点数据链接，关闭与ap1数据链接；第三步网关接收到移动终端的切换成功报告；第四步网关删除ap1网络接入点链路，切换完成。

有益效果：本方法与现有技术相比，其显著优点是：1、能够保证用户终端在不同网络接入点ap之间切换时通信的连续性，保障通信质量；2、本方法不需要额外增加新的测量参数，不会给终端移动设备带来更多的负担，减轻了系统的复杂性；3、本方法属于动态参数计算方法，可以适用于各种可见光通信系统的短距离通信技术中，具有实效性、可移植性。

附图说明

图1是本方法应用场景结构图；

图2是本方法的预切换和切换区域示意图；

图3是移动终端在相邻ap间切换的工作流程图；

图4是移动终端与相邻ap之间的链路切换过程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明发射端采用led阵列作为信号源，主要由预处理、调制和led发送模块组成，利用led的高速闪烁(二极管的开关特性)发送信息，且每个led阵列作为一个网络接入点ap(accesspoint,ap)，本系统至少包含3个led阵列，作为不同网络接入点ap,同时为用户提供照明。本发明的接收端可以使用具有移动性的用户终端，例如：手机，平板电脑，笔记本电脑等等，每个终端使用光电检测器作为“天线”检测信号，光电检测器利用光电转换效应，将尽可能多的光子转换为电子，并使得电子尽可能被外电路感知，移动终端在不同ap下移动时，不断地进行链路切换。

本发明led发出的光成朗伯空间分布，则在不同方向上发光强度可表示为：其中，是辐射的角度，i(0)为led中心发光强度，m是朗伯参数，i(0)＝(m+1)φ/(2π)，φ是可见光辐射范围内的光通量，单位面积上的水平方向的光通量e可以表示为：式中r是led到接收面积的距离，ψ是入射的角度。在可见光通信的接收端，接受到的光功率为：

a(ψ)＝at(ψ)g(ψ)cos(ψ)，

其中，pt表示平均传输光功率，r时发射端和接收端之间的距离，和ψ分别表示辐射角和入射角，t(ψ)和g(ψ)分别表示光滤波器增益和集中器增益，且g(ψ)＝n²/sin²(ψc),0＜ψ＜ψc，其中n表示折射率，ψc为接收端的视场角。根据发射端和接收端模型，得到以下公式：

preceive＝glospaverage，

其中朗伯参数为是led光源的半功率角，a是接收端的有效接收面积。如果接收端和地面平行，则发射角等于入射角φ。paverage表示led平均发射功率，paverage由传输距离r和所决定，光源到接收面的高度h是固定的，则通过接收到的功率即可算出传输距离

通过上述计算公式，计算出接收端收到的三条上行功率最大的链路d1、d2、d3。因为功率信号是影响算法精确度的关键因素，本发明引入优化因子δ1，δ2，δ3。其中，其中k为衰减常数，因为接收端接收到的光功率与发射端成反比，故k取负值。当k＝-10时，提高了预判信息的准确性，与理论计算结果误差更小。通过本算法即可得到用户位置坐标(xe，ye，ze)：

本发明根据led阵列覆盖范围，通过设定预切换保护区域，判断是否进行切换请求，预切换保护区域是预切换启动和执行切换之间的区域，假设将相邻ap网络覆盖范围重叠区域设为预切换保护区域。如图2所示，ap1和ap2的上行功率最大的链路d1、d2，假设ap1和ap2之间的距离为l,距离水平面的高度为h，设ap1的坐标为(x1，y1,z1)，ap2的坐标为(x2，y2,z2)。其中，

当时，移动终端从ap1向ap2移动进入图2中所示的预切换保护区域，此时网关启动预切换命令。当网关检测到移动终端满足

时，此时满足切换条件，网关发起链路切换请求，开始进行切换。

图3和图4描述了移动终端在相邻ap间切换时的工作流程和链路切换过程，网关以周期t1检测移动台位置信息，当移动终端位置满足预切换条件，即移动到图3中预切换保护区域时，网关以周期t2检测移动终端，同时启动预切换命令并将数据同时传输给两个ap网络接入点，并通知移动终端，移动终端接收到网关的预切换信令后，将开启ap2网络接入，此时终端应用层的数据仍来自ap1网络接入点。在下一个检测周期t2中，移动终端从ap1向ap2移动，若得到移动终端位置信息满足切换条件，网关通知移动终端执行切换，终端收到切换命令后，应用层将数据切换到ap2网络接入点，并关闭ap1链路的连接，网关接收到终端切换完成的报告后，切换完成。