基于图像传感器的可见光无线局域网的制作方法
本发明属于可见光通信技术领域，涉及一种基于图像传感器的可见光无线局域网。
背景技术：
vlc以其频谱资源丰富、绿色节能、成本低廉和数据传输速率高等优点成为备受关注的新兴通信技术之一。现今，基于射频技术的传统无线通信面临频谱资源紧张等问题而无法满足未来终端的高数据传输速率、超宽带宽等方面的需求，蔚然兴起的vlc恰可作为现有无线通信的有效补充以解决频谱资源短缺的问题。
在可见光通信中最常用的光检测器有pin光电二极管、雪崩二极管等。随着cmos技术的发展，coms图像传感器被嵌入到许多电子设备中，如手机及监控装置。为了实现vlc的广泛应用，一种特殊的可见光通信技术应运而生——occ。occ以图像传感器作为光接收器件，相比于vlc其主要优势在于图像传感器具有空间分辨率，能够天然支持多输入多输出(multipleinputmultipleoutput，mimo)技术，从而轻松实现分集和复用，增强通信系统的有效性与可靠性。
近年来，可见光通信理论研究方兴未艾，研究成果大多集中在物理层，针对光网络链路层的研究成果较少。然而伴随无线终端数量的指数型增长，大量终端需要接入有限的共享无线信道中，所以带宽竞争冲突成为无线通信系统发展的瓶颈。如何高效、公平的分配有限带宽资源，缓解带宽竞争冲突是无线通信系统的媒体接入控制(mediaaccesscontrol,mac)层需要解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种能够缓解带宽竞争冲突，有效降低终端能耗与接入时延的基于图像传感器的可见光无线局域网。
为了解决上述技术问题，本发明的基于图像传感器的可见光无线局域网，多个终端与ap之间进行通信；在终端侧，每个终端设备上装置终端led和终端光检测器；在ap侧，ap设备上装置ap端led、ap端光检测器；终端led用于向ap设备发送接入请求及待传输的数据，终端光检测器用于接收ap设备的反馈信息；其特征在于ap设备上还装置图像传感器、处理器、控制器；ap端光检测器用于接收终端设备传输的数据；图像传感器接收终端侧传输的接入请求，并将采集的图像信息传送至处理器，处理器对图像信息进行处理得到反馈信息；反馈信息通过ap端led22发送到终端侧；控制器在时钟电路指示下控制图像传感器及ap端光检测器的有效接收时间；其中，由终端光检测器和ap端光检测器接收光信号的通信链路属于vlc链路，由图像传感接收光信号的通信链路属于occ链路；通过occ链路发送接入请求的频率远小于通过vlc链路传输的反馈信息和数据的频率。
本发明利用图像传感器的空间分辨率实现对终端接入请求的多包接收，从而缓解了无线局域网的接入碰撞问题，有效降低了终端的能耗与接入时延。
进一步，针对任一终端i，其与ap之间的距离不能超出一个极限值umax；
式(10)中，f为图像传感器焦距，l为终端led的直径，f1i为终端i发送接入请求的频率，n为图像传感器每次可曝光的像素行数，q为一个接入请求帧所包含的比特数，ρ为图像传感器所采集图像的有效像素密度，fe为图像传感器曝光频率。
终端与ap之间的距离不超过极限值umax，能够保证每个终端传输的接入请求帧能被ap完整接收。
各终端通过发送接入请求的频率大小来体现其优先级，发送接入请求的频率越小则终端优先级越高；在ap侧，处理器通过图像传感器采集的光斑图像中各个光斑的单位条带宽度w得到各个终端的优先级。
处理器根据各个终端的优先级信息、各个终端与ap间的距离以及各个终端的通信光源入射角通过优化算法为各个终端规划出合理的接入概率，将其作为反馈信息通过ap侧led发送到终端侧；其中终端与ap之间的距离u、终端led的光源入射角ψ如下：
其中f为图像传感器焦距，l为终端led的直径，ρ为图像传感器所采集图像的有效像素密度，l’为终端led成像的光斑直径所占的像素数，s’为终端led成像的光斑中心距整幅图像中心的距离。
所述的图像传感器优选全景图像传感器，采用卷帘曝光接收接入请求。利用图像传感器的卷帘效应以不同的信号发送频率来体现终端的优先级，从而使接入请求帧中无需包含优先级字段，节省了通信系统开销。
进一步，在终端侧，由时钟电路、频率调整装置、编码器、调制器、驱动电路、开关电路、终端led组成信息发送设备；由解调器、解码器、终端光检测器组成信息接收设备；频率调整装置对时钟电路输出的时钟信号进行处理得到发送接入请求频率和发送数据频率对应的脉冲信号；用户发送的接入请求或待传输的数据经过编码器进行曼彻斯特编码，编码后的信息通过调制器进行开关键控调制，而后通过驱动电路与开关电路控制终端led12的亮灭状态进行信息的传输；频率调整装置输出的脉冲信号用于按照对应于发送接入请求和发送数据的频率控制开关电路开关，从而控制终端led12的亮灭状态进行接入请求和发送数据的传输；终端光检测器接收ap侧反馈的光信号并将其进行光/电转换，电信号再经解调器和解码器解出原始的反馈信息；
在ap侧，由编码器、调制器、开关电路、驱动电路、ap端led组成信息发送设备；由ap端光检测器、解调器、解码器组成接收设备；其中，ap端光检测器接收终端侧传输的数据，而后由解调器、解码器对数据进行解析；编码器和调制器将反馈信息进行曼彻斯特编码及ook调制，通过开关电路和驱动电路控制ap侧led的亮灭状态进行反馈信号的传输，反馈信号通过vlc链路反馈到终端光检测器。
在ap侧，处理器将非最高优先级终端的接入概率规划为0，并计算得到优先级最高终端的接入概率，而后通过信息发送设备将规划所得的接入概率发送到各终端侧；优先级最高终端的接入概率计算方法如下：
一、根据公式(11)、(12)计算ap端光检测器接收到的光功率por
por＝h(0)×pot(11)
其中h(0)为信道直流增益，pot为终端led平均发射光功率，a表示ap端光检测器的物理接收面积，m表示朗伯辐射阶数，u表示终端led与ap端光检测器之间的距离，
二、根据公式(13)、(14)、(15)计算vlc系统的噪声功率ntotal，其中nshot表示散粒噪声功率，nthermalt表示热噪声功率。
ntotal＝nshot+nthermal(13)
nshot＝2qereporbn+2qeibgi2bn(14)
公式(13)、(14)、(15)中的以下参数均为ap端光检测器固有参数，其中qe是电子的电荷量，re表示光检测器的光电转换效率，bn表示等效噪声带宽，ibg表示背景电流，i2与i3是噪声带宽因子，k是波尔兹曼常数，tk表示绝对温度，g表示开环电压增益，η是光探测器单位面积的固定电容，gm表示场效应管的跨导，γ表示场效应管沟道噪声因子；
三、根据公式(16)计算每个终端在ap侧所对应的信噪比γ：
四、根据公式(17)、(18)、(19)计算终端i吞吐量：
ri＝blog2(1+γi)(17)
ri为ap对终端i的服务速率，b为信道带宽，γi为终端i在ap侧的信噪比γi，pis为接入成功概率，pi为终端i的接入概率，n是终端数量，si是终端i的吞吐量；
五、根据公式(20)计算终端设备间的公平度fi；
六、通过粒子群算法的迭代更新搜索得出各优先级最高终端的接入概率，即当公平度fi最大时对应的各优先级最高终端的接入概率。
其中，p＝[p1,p2,…,pi,…,pn-1,pn]t。
本发明优点：
1、本发明利用图像传感器的空间分辨率实现对终端接入请求的多包接收，从而缓解了无线局域网的接入碰撞问题，从而有效降低了终端的能耗与接入时延。
2、本发明利用图像传感器的卷帘效应以不同的信号发送频率来体现终端的优先级，从而使接入请求帧中无需包含优先级字段，节省了通信系统开销。
3、本发明利用接入概率优化算法为各个终端合理规划接入概率，从而实现了相同优先级终端的公平接入。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是基于图像传感器的可见光无线局域网示意图。
图2是终端设备结构框图。
图3是ap设备结构框图。
图4是接入机制工作流程图。
图5是时隙结构图。
图6是全局曝光原理图。
图7是卷帘曝光原理图。
图8是接入请求帧格式示意图。
图9是图像传感器在卷帘曝光工作模式下采集的光斑示意图。
图10是图像传感器成像原理图。
图11是采用基于图像传感器的可见光无线局域网新型媒体接入控制机制的系统公平性能仿真图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于图像传感器的可见光无线局域网，多个终端与ap之间进行通信；每个终端设备1上装置终端led12和终端光检测器11，ap设备2上装置ap端led22、ap端光检测器21和图像传感器23；终端led12用于向ap设备2发送接入请求及待传输的数据，终端光检测器11用于接收ap设备2反馈的信息；ap端led22用于向各终端设备1发送反馈信息，图像传感器用于接收终端设备1的接入请求，ap端光检测器用于接收终端设备1传输的数据。
其中，由终端光检测器11和ap端光检测器21接收光信号的通信链路属于vlc链路，由图像传感23接收光信号的通信链路属于occ链路。图像传感器优选全景图像传感器，360°的视场角能成倍扩大该网络的覆盖范围。
如图2所示，在现有的终端设备1中，由时钟电路、编码器、调制器、驱动电路、开关电路、终端led12组成信息发送设备；由解调器、解码器、终端光检测器11组成信息接收设备；本发明在信息发送设备中增加了频率调整装置、接入概率调整装置，通过在终端固有处理器内部嵌入相应的程序代码以实现这两种功能。
如图3所示，在现有的ap设备2中，由编码器、调制器、开关电路、驱动电路、ap端led22组成信息发送设备；ap端光检测器21、解调器、解码器组成的信息接收设备。本发明在信息发送设备中增加了图像传感器、处理器、控制器和时钟电路；其中处理器、控制器均为ap固有设备。
在终端侧，对于信息发送设备，接入请求或待传输的数据首先经过编码器进行曼彻斯特编码，编码后的信息通过调制器进行开关键控(on-offkeying,ook)调制，而后通过驱动电路与开关电路控制终端led12的亮灭状态进行信息的传输。其中终端设备1的接入请求通过occ链路传输，终端设备1待传输的数据通过vlc链路传输，考虑到两钟链路的光接收器件(图像传感器和光检测器)可达采样频率的差异，还需通过频率调整装置产生不同频率的脉冲信号控制开关电路，从而发送频率不同两类信息，即接入请求和数据。对于信息接收设备，通过终端光检测器11接收ap端led22的光信号并将其进行光/电转换，电信号再经解调器和解码器解出原始的反馈信息。
在ap侧，对于信息接收设备，控制器在时钟电路指示下控制图像传感器及ap端光检测器21的有效接收时间。其中，图像传感器接收终端led12发送的接入请求，并将采集的图像信息传送至处理器，处理器将处理结果作为反馈信息交由信息发送设备。对于信息发送设备，编码器和调制器将反馈信息进行曼彻斯特编码及ook调制，通过开关电路、驱动电路、ap端led，以及vlc链路反馈给各个终端设备；ap端光检测器21接收终端led12传输的数据，而后由解调器、解码器对数据进行解析。
编码方式选用曼彻斯特编码的原因如下，首先，人眼睛的截止频率fc大于100hz，若led传输信息的频率小于fc，人的眼睛就能感知到led的闪烁。曼彻斯特编码使得连续出现相同逻辑比特的最大长度不超过2，若采用该种编码方式，理论上只要发送信息的频率超过200hz，即可实现人眼无感知的可见光通信。其次，利用曼彻斯特编码的无效编码型(00与11)可实现错误检测，而无需增加编码开销。
基于图像传感器的可见光无线局域网采用新型媒体接入控制机制，工作流程如图4所示，首先终端i以频率f1i发送接入请求；ap利用处理器处理图像传感器所接收的接入请求，而后以频率f2发送接入请求的反馈信息；终端i根据ap的反馈信息调节自身接入概率pi，而后以频率f2依概率pi将数据接入网络。考虑到光检测器与图像传感器可达采样频率的差异，通常情况下f2>>f1i。根据以上流程划分的时隙结构如图5所示，终端侧的时钟电路将根据上述时隙结构精准控制系统各阶段工作时间。
图像传感器的工作流程主要分为曝光与数据读出两个步骤，其中曝光又分为全局曝光与卷帘曝光两种方式。全局曝光的原理如图6所示，一幅图像的所有像素都是在同一时刻曝光的(曝光时间极短，可近似为一个时刻)，所以采用这种方式曝光的一幅图像只能记录被拍摄物体在曝光时刻的一种状态。卷帘曝光的原理如图7所示，一幅图像的像素是按行曝光的，即不同行的像素曝光的时刻并不相同，所以采用这种方式曝光的一幅图像能记录被拍摄物体在不同曝光时刻的多种状态。显然，利用卷帘曝光的分时曝光特性能成倍提升occ的系统容量。
在终端i，用户选择以频率f1i发送接入请求，接入请求的帧格式如图8所示，接入请求帧由q个比特组成，其中前五个比特为帧同步码用于解调时定位接入请求帧的首部，11110的形式方便与其后经曼彻斯特编码的地址字段进行区分。地址字段用于向ap提供反馈信息的目的地址，每个终端的地址都是唯一的。结束标志0将当前帧的地址字段与下一帧的帧同步码字段分隔开来。
若ap侧图像传感器采用卷帘曝光接收接入请求，该图像传感器每次可曝光n行像素，曝光频率为fe。则图像传感器采集各个终端led12的光斑示意图如图9所示，其中，黑色的光斑代表此终端led12所属的终端并没有发送接入请求，即该终端在此次接入过程中没有参与竞争；黑白条带相间的光斑代表此终端led12所属的终端发送了接入请求，各终端以不同的发送频率f1i发送接入请求则各个光斑的单位条带宽度w就互不相同，w的表达式如(1)所示。
如果将终端根据时延要求分成不同的优先级，则各终端可以通过发送接入请求的频率f1i来体现其优先级，f1i越小则终端优先级越高。ap侧可通过图像传感器采集的光斑图像中各个光斑的单位条带宽度w(w越宽则其所对应终端的优先级越高)得知各个终端的优先级并将优先级信息统一发送至处理器。(图9中，如果终端发送的信息是1010……则光斑的条带一样宽，即一条黑一条白,一条黑，一条白，如果我们发送随机的信息1001011……会出现一条黑，两条白，一条黑，一条白，两条黑)。根据图像传感器接收到的光斑图像，可知每个光斑直径所占的像素数l’，式(2)保证了每个终端传输的接入请求帧能被ap完整接收。通过式(3)可将光斑直径的单位从像素转化为微米，其中其单位为μm/pixel。
l＝ρ×l'(3)
q为一个接入请求帧所包含的比特数。
图像传感器的成像原理图如图10所示，o为透镜中心，f为焦点，f为焦距，l为终端led的直径，l为终端led成像的光斑直径，u为物距，u为像距。其中，物距、像距与焦距三者之间的关系如式(4)所示，根据δabo与δcdo的相似关系可得式(5)，将式(3)、(5)带入式(4)可得u的表达式如式(6)。终端led的直径l是可知的，根据图像传感器接收到的光斑图像，终端led成像的光斑直径l’也是可知的，此时由式(6)即可计算出终端与ap之间的距离u。
若各终端led的直径相同，为保证每个终端传输的接入请求帧能被ap完整接收，终端i与ap之间的距离不能超出一个极限值umax，将式(1)、(6)代入式(2)可得umax的表达式(7)。
根据图像传感器接收到的光斑图像，还可知每个光斑的中心距整幅图像中心的距离s’，类比式(5)可得式(8)，其中s为终端led与图像传感器之间的水平距离。将式(8)代入式(4)可得s的表达式(9)。
此时，根据终端led与图像传感器间的距离u与水平距离s即可由式(10)求出各个终端led的光源入射角度ψ。
假设每个终端的终端led平均发射光功率均为pot，则ap通过ap端光检测器接收到的光功率por的表达式如(11)所示，其中h(0)为信道直流增益。h(0)的表达式如(12)所示，a表示ap端光检测器的物理接收面积，u表示终端led与ap端光检测器之间的距离，
por＝h(0)×pot(11)
vlc系统中光检测器的噪声主要包括散粒噪声和热噪声。其中，由于载流子的离散特性造成的电流波动产生的噪声是散粒噪声，而由于导体介质内的自由电子与振动离子的热相互作用所带来的抖动产生的噪声是热噪声。这里将它们均建模成高斯白噪声，而且二者是不相关的，由此可得vlc系统的噪声功率ntotal的表达式如(13)所示，其中散粒噪声功率nshot与热噪声功率nthermalt的表达式分别如(14)(15)所示。qe是电子的电荷量，re表示光检测器的光电转换效率，bn表示等效噪声带宽，ibg表示背景电流，i2与i3是噪声带宽因子，k是波尔兹曼常数，tk表示绝对温度，g表示开环电压增益，η是光探测器单位面积的固定电容，gm表示场效应管的跨导，γ表示场效应管沟道噪声因子。上述re、bn、ibg、i2、i3、g、η、gm、γ均为ap端光探测器的固有参数。
ntotal＝nshot+nthermal(13)
nshot＝2qereporbn+2qeibgi2bn(14)
综上可得各终端在ap侧所对应的信噪比γ的表达式如(16)所示。
ap对终端i的服务速率ri的表达式如(17)所示，其中b为信道带宽。从式(17)可知每个终端在ap侧的信噪比γi越大，ap对其服务速率ri越大。对于终端i而言，在一次接入过程中成功接入指的是在其他终端都没有接入的前提下，只有终端i单独接入，其接入成功概率pis的表达式如(18)所示。由此可得终端i吞吐量的表达式如(19)所示。
ri＝blog2(1+γi)(17)
各个终端的终端led与ap端光检测器之间的距离u，终端led的光源入射角度ψ一般是各不相同的。由以上推导可知，当各个终端的接入概率pi相同时，距离ap越远，光源入射角度越大的终端其吞吐量越小，这样的接入机制对于上述终端显然是不公平的。所以在ap侧需要一个能规划各个终端接入概率pi的算法来提升系统的公平性。
为了更清晰的说明系统公平性问题，我们使用jain’sfairnessindex(fi)来描述终端设备间的公平度，fi的表达式如(20)所示，其中n是终端数量，si是终端i的吞吐量。fi是一个0-1的值，当公平度增加的时候，fi的值就会增加。
在式(20)的基础上我们将建立一个以系统公平性为优化目标的优化问题如式(21)所示。通过粒子群算法的迭代更新搜索得出优先级最高终端的接入概率，即当公平度fi最大时对应的各优先级最高终端的接入概率。在图11中实线表示当所有终端均为同一优先级前提下，使用本发明提出的接入机制系统可达的公平性；虚线表示在同样的前提下所有终端均以概率1/n接入网络时系统可达的公平性，图11表明本发明所提出的接入机制是一个更加公平的接入方法。
其中，p＝[p1,p2,…,pi,…,pn-1,pn]t。
本发明提出了一种新型媒体接入控制机制以缓解无线局域网的接入碰撞问题，从而有效降低终端的能耗与接入时延。此外，该机制内部的终端接入概率优化算法能提升系统公平性，实现相同优先级终端的公平接入。基于图像传感器的可见光无线局域网新型媒体接入控制机制主要包括：
(1)各终端以一定的频率通过occ链路向ap发送接入请求帧，终端不同的时延要求对应不同的发送优先级，不同的优先级则对应不同的接入请求发送频率。
(2)ap侧的图像传感器采用卷帘曝光的工作模式接收终端的接入请求，而后将采集的光斑图像传送至处理器。
(3)ap侧处理器首先根据图像中每个光斑帧同步字段的单位条带宽度解析出各个终端的优先级并通过地址字段解析出终端的地址信息。然后根据最高优先级终端的光斑尺寸及其所在位置估计出该终端与ap之间的距离及终端led的光源入射角。最后将非最高优先级终端的接入概率规划为0，最高优先级终端的接入概率将通过建立以系统公平性最优为目标的优化问题并采用粒子群算法搜索得出。
(4)ap通过vlc链路向各个终端发送接入请求的反馈信息，即将接入概率规划算法的结果反馈给各个终端。
(5)各个终端根据ap反馈的信息调节自身接入概率pi，而后依概率pi通过vlc链路接入网络。
本发明设计了一种适用于以上媒体接入控制机制的接入请求帧。该帧由q个比特组成，其中前五个比特为帧同步码用于解调时定位接入请求帧的首部，11110的形式方便与其后经曼彻斯特编码的地址字段进行区分。地址字段用于向ap提供反馈信息的目的地址，每个终端的地址都是唯一的。结束标志0将当前帧的地址字段与下一帧的帧同步码字段分隔开来。
本发明提出了一种利用图像传感器的卷帘效应，各终端以不同的信息发送频率体现其优先级的方案。本方案将终端根据时延要求分成不同的优先级，各终端可以通过发送接入请求的频率f1i来体现其优先级，f1i越小则终端优先级越高。ap侧采用卷帘曝光的图像传感器接收接入请求，该图像传感器每次可曝光n行像素，曝光频率为fe，则ap可通过图像传感采集的光斑图像中各个光斑的单位条带宽度得知各个终端的优先级。当每个终端led的直径相同时，为保证每个终端传输的接入请求帧能被ap完整接收，终端与ap之间的距离不能超出一个极限值umax,其表达式如式(10)所示，其中f为图像传感器焦距，ρ为图像传感器采集图像的有效像素密度，q为接入请求帧所包含的比特数，l为终端led的直径，f1i为终端i接入请求的发送频率。
本发明提出了一种基于图像传感器采集光斑图像中各个光斑的尺寸及位置信息计算终端与ap间距离及终端终端led光源入射角的方法。终端led的直径l是可知的。根据图像传感器接收到的光斑图像，终端led成像的光斑直径l’及每个光斑的中心距整幅图像中心的距离s’也是可知的。根据图像传感器成像原理及三角形相似定理，即可推导出计算终端与ap之间的距离u及终端终端led光源入射角ψ的公式如(6)、(22)所示。
本发明提出了一种终端接入概率优化算法，算法在考虑终端时延要求的前提下，实现同一优先级终端的公平接入。算法首先根据各终端的优先级信息将非最高优先级终端的接入概率置0，而后优先级最高终端的接入概率将通过建立最大化jain’sfairnessindex(fi)为目标的优化问题并采用粒子群算法搜索得出。
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