一种可见光多用户时分复用多址传输方法及系统

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其涉及一种可见光多用户时分复用多址传输方法及系统。

可见光通信技术具有绿，高效，泛在等突出优点，十分适于室内通信。典型的可见光室内通信场景包括多个可见光通信灯作为无线连接点，每个灯照射区内包含多个移动的可见光用户终端。每个可见光通信灯和其照射区内的用户终端构成一个双向单对多系统。常见的实现方式是：下行链路由可见光通信灯以广播形式发出通信光信号，用户终端接收相同的信号并从中提取目标为自身的信息即可。上行由用户终端使用自身的发送灯发出红外或可见光信号，可见光通信灯进行接收。因每个终端是独立的，如果同时开灯发送则信号产生碰撞导致无法接收，因此上行需要使用多址技术进行控制。当前工程上常用的一种多址技术是时分多址，每个终端在不同的时隙打开发送灯发送信息，时隙完毕后关闭发送灯，另一个终端接续发送，构成时分复用系统。时隙协调方式多采用令牌式。当前，在实际工程设计中，光接收电路前端多使用锁相环路实现载波锁定和位同步，在时隙切换时，由于各用户的发送时钟是完全异步的，锁相环路需重新锁定，其锁定时间根据信噪比和距离的不同需要数毫秒到数十毫秒，极端情况下可以达到数百毫秒甚至秒级。锁定过程中接收后端电路无法接收到有效的信息。其示意图如图1所示。

为此，用户终端必须在开发送灯后先发送导频信息，预估等待可见光通信灯上环路锁定后才能发送有用数据，需留有很大的保护间隔，造成传输效率很低。如果保护间隔太小，又会造成丢包。

因此，在可见光通信时，如何实现多个用户终端之间的同步无缝切换，有效提高传输效率，是一项亟待解决的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种可见光多用户时分复用多址传输方法，能够利用下行链路提取的载波作为所有用户终端共同的时间基准来控制时分复用发射，实现了多个用户终端之间的同步无缝切换，有效提高了传输效率。

本发明提供了一种可见光多用户时分复用多址传输方法，应用于可见光多用户时分复用多址传输系统，所述可见光多用户时分复用多址传输系统包括：可见光通信灯和N个用户终端，其中，N≥2，所述方法包括：

在所述可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，所述可见光通信灯发送下行数据信号；

每个用户终端分别通过锁相环路锁定所述下行数据信号，提取载波；

所述可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令；

每个用户终端分别接收所述邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

所述可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数；

所述可见光通信灯发送开始通信指令；

每个用户终端接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。

优选地，所述根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，包括：

设置时分复用周期；

基于所述时分复用周期设置每个用户终端的时隙时间；

基于所述每个用户终端的时隙时间确定每个用户终端的下行载波周期数。

优选地，所述设置时分复用周期包括：

基于公式TT＝kTD设置时分复用周期TT，其中，k为延迟预留系数，TD为可见光多用户时分复用多址传输系统性能指标要求的上行数据最大的延迟时间；

所述基于所述时分复用周期设置每个用户终端的时隙时间，包括：

基于公式计算每个用户终端的时隙时间Tn，其中，Rn为第n个用户的时分占用系数；

所述基于所述每个用户终端的时隙时间确定每个用户终端的下行载波周期数，包括：

基于公式Cn＝TnSD计算每个用户终端的下行载波周期数，其中，SD为可见光通信灯发送数据速率。

优选地，所述延迟预留系数k为0.8。

优选地，所述方法还包括：

通过所述可见光通信灯计算出每个用户终端的时间抖动，并通过下行链路将每个用户终端的时间抖动发送至相应的用户终端；

相应的，每个所述用户终端接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信，包括：

所述用户终端接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信时，每个用户终端提前用户终端对应的时间抖动发送数据。

一种可见光多用户时分复用多址传输系统，包括：可见光通信灯和N个用户终端，N≥2，其中：

所述可见光通信灯，用于在所述可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，发送下行数据信号；

每个所述用户终端，用于分别通过锁相环路锁定所述下行数据信号，提取载波；

所述可见光通信灯，还用于向下广播发送邀请接入指令；

每个所述用户终端，还用于分别接收所述邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

所述可见光通信灯，还用于收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

每个所述用户终端，还用于分别接收自身的下行载波周期数；

所述可见光通信灯，还用于发送开始通信指令；

每个所述用户终端，还用于接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。

优选地，所述可见光通信灯在根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数时，具体用于：

设置时分复用周期；

基于所述时分复用周期设置每个用户终端的时隙时间；

基于所述每个用户终端的时隙时间确定每个用户终端的下行载波周期数。

优选地，所述可见光通信灯在设置时分复用周期时，具体用于：

基于公式TT＝kTD设置时分复用周期TT，其中，k为延迟预留系数，TD为可见光多用户时分复用多址传输系统性能指标要求的上行数据最大的延迟时间；

所述可见光通信灯在基于所述时分复用周期设置每个用户终端的时隙时间时，具体用于：

基于公式计算每个用户终端的时隙时间Tn，其中，Rn为第n个用户的时分占用系数；

所述可见光通信灯在基于所述每个用户终端的时隙时间确定每个用户终端的下行载波周期数时，具体用于：

基于公式Cn＝TnSD计算每个用户终端的下行载波周期数，其中，SD为可见光通信灯发送数据速率。

优选地，所述延迟预留系数k为0.8。

优选地，所述可见光通信灯，还用于：

计算出每个用户终端的时间抖动，并通过下行链路将每个用户终端的时间抖动发送至相应的用户终端；

相应的，每个所述用户终端在接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信时，具体用于：

接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信时，提前用户终端对应的时间抖动发送数据。

综上所述，本发明公开了一种可见光多用户时分复用多址传输方法，在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，可见光通信灯发送下行数据信号；每个用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令；每个用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数；可见光通信灯发送开始通信指令；每个用户终端接收开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。本发明能够利用下行链路提取的载波作为所有用户终端共同的时间基准来控制时分复用发射，实现了多个用户终端之间的同步无缝切换，有效提高了传输效率。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的可见光多用户时分复用多址传输系统的通信示意图；

图2为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输方法实施例1的方法流程图；

图3为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输方法实施例2的方法流程图；

图4为本发明公开的一种用户终端发送时序关系示意图；

图5为本发明公开的一种可见光通信灯接收信号时序关系示意图；

图6为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输系统实施例1的结构示意图；

图7为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输系统实施例2的结构示意图。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术存在的问题，本发明在一种可见光多用户时分复用多址传输方法中提出了下行链路辅助上行锁定方法。因下行链路为广播链路，其信号是持续存在的，且各用户终端接收到的信号是一样的。用户终端中也使用相位锁定环路来进行载波提取，因此各用户终端可以提取相同的载波，以此载波为基准进行同步时分复用发送。根据可见光通信的特点，设计下行通告式动态时隙划分控制方式来代替常见的令牌方式进行多址控制，实现了多个用户终端之间的同步无缝切换，有效提高了传输效率。

如图2所示，为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输方法实施例1的方法流程图，应用于可见光多用户时分复用多址传输系统，所述可见光多用户时分复用多址传输系统包括：可见光通信灯和N个用户终端，其中，N≥2，所述方法可以包括以下步骤：

S201、在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，可见光通信灯发送下行数据信号；

在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，首先可见光通信灯开始发送下行数据信号。

S202、每个用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；

在可见光通信灯发送下行数据信号后，N个与可见光通信灯建立通信连接的用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波。

S203、可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令；

然后，可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令。

S204、每个用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

N个与可见光通信灯建立通信连接的用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数Rn。其中，时分占用系数为根据用户终端服务优先级设定的时隙划分系数，用于时隙分配。第n个用户终端的时分占用系数记做Rn。该系数设定可以采取多种方式，包括但不限于：预先设定、系统管理员设定、用户在一定范围内自设、可见光通信灯根据优化算法分配等。

S205、可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

在每个用户终端通过随机多址方式通过上行链路申请入网后，可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数Cn，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数。

具体的，首先可见光通信灯收集入网申请并根据终端数目，基于公式TT＝kTD设置时分复用周期TT，其中，k为延迟预留系数，一般可以取0.8，TD为可见光多用户时分复用多址传输系统性能指标要求的上行数据最大的延迟时间，单位为s；

然后，基于公式计算每个用户终端的时隙时间Tn，其中，n＝1,2,3,......,N，Rn为第n个用户的时分占用系数；

然后，基于公式Cn＝TnSD计算每个用户终端的下行载波周期数，其中，SD为可见光通信灯发送数据速率，单位为bps。Cn为第n个用户终端的下行载波周期数。

S206、每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数；

可见光通信灯通过下行链路下发所有用户终端的下行载波周期数，每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数，确认入网成功。如，用户终端n接收到自身的Cn后，确认入网成功。

S207、可见光通信灯发送开始通信指令；

然后，可见光通信灯发送开始通信指令。

S208、每个用户终端接收开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。

用户终端接收到开始通信指令后，开始进行时分复用通信。用户终端1接收到开始通信指令后开发送灯，开始发送数据，同时根据下行载波计时，周期数达到C1时，用户终端1停止发送并关灯。对于用户终端n(1＜n≤N)来说，接收到开始通信指令后首先根据下行载波计时，周期数达到时，开发送灯，开始发送数据，周期数达到时，停止发送并关灯。以上过程按TT时间周期进行。

进行若干周期后，可跳至步骤S102，由可见光通信灯重新发起进行入网和资源分配，实现用户终端动态接入和退出以及动态优先级分配等相关功能。

使用上述方法发送时序关系如图4所示(为简单起见，图中以2个用户终端为例，假设C1＝C2＝3)。

综上所述，在上述实施例中，在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，可见光通信灯发送下行数据信号；每个用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令；每个用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数；可见光通信灯发送开始通信指令；每个用户终端接收开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。明能够利用下行链路提取的载波作为所有用户终端共同的时间基准来控制时分复用发射，实现了多个用户终端之间的同步无缝切换，有效提高了传输效率。

如图3所示，为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输方法实施例2的方法流程图，应用于可见光多用户时分复用多址传输系统，所述可见光多用户时分复用多址传输系统包括：可见光通信灯和N个用户终端，其中，N≥2，所述方法可以包括以下步骤：

S301、在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，可见光通信灯发送下行数据信号；

在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，首先可见光通信灯开始发送下行数据信号。

S302、每个用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；

在可见光通信灯发送下行数据信号后，N个与可见光通信灯建立通信连接的用户终端分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波。

S303、可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令；

然后，可见光通信灯向下广播发送邀请接入指令。

S304、每个用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

N个与可见光通信灯建立通信连接的用户终端分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数Rn。其中，时分占用系数为根据用户终端服务优先级设定的时隙划分系数，用于时隙分配。第n个用户终端的时分占用系数记做Rn。该系数设定可以采取多种方式，包括但不限于：预先设定、系统管理员设定、用户在一定范围内自设、可见光通信灯根据优化算法分配等。

S305、可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

在每个用户终端通过随机多址方式通过上行链路申请入网后，可见光通信灯收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数Cn，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数。

具体的，首先可见光通信灯收集入网申请并根据终端数目，基于公式TT＝kTD设置时分复用周期TT，其中，k为延迟预留系数，一般可以取0.8，TD为可见光多用户时分复用多址传输系统性能指标要求的上行数据最大的延迟时间，单位为s；

然后，基于公式计算每个用户终端的时隙时间Tn，其中，n＝1,2,3,......,N，Rn为第n个用户的时分占用系数；

然后，基于公式Cn＝TnSD计算每个用户终端的下行载波周期数，其中，SD为可见光通信灯发送数据速率，单位为bps。Cn为第n个用户终端的下行载波周期数。

S306、每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数；

可见光通信灯通过下行链路下发所有用户终端的下行载波周期数，每个用户终端分别接收自身的下行载波周期数，确认入网成功。如，用户终端n接收到自身的Cn后，确认入网成功。

S307、通过可见光通信灯计算出每个用户终端的时间抖动，并通过下行链路将每个用户终端的时间抖动发送至相应的用户终端；

如图5所示，如果不考虑用户终端距离可见光通信灯的不同距离产生的相位差，则使用上述实施例1提供的方法，不同用户终端之间发送的数据在可见光通信灯上接收时是相位连续的，此时接收环路可以跨用户终端直接锁定，用户终端发送时不需要留有保护时间。可以高效的实现时分复用体制。

如果考虑用户终端距离可见光通信灯的不同距离产生的相位差，此时可见光通信灯上接收数据在不同用户终端切换时会产生一定的延时，对接收环路表现为时间抖动。设用户终端之间与灯的距离差为d，此时产生的时间抖动为

其中，c为光速。当TS小于相位锁定环路时间抖动容忍度时，无需进行相位补偿依然可以连续锁定。考虑一般室内空间的大小以及用户终端和可见光通信灯的位置关系，对于典型相位跟踪芯片(如常见的数据时钟恢复芯片CDR)，可见光用户终端发送灯发送的数据速率SU小于50Mbps的一般无需进行补偿。

如确需进行补偿时，在可见光通信灯上，用户n相对于用户1的距离dn可用如下方法估算：

dn＝α(In-I1)

其中，In为可见光通信灯上感知到的第n个上行灯的光信号强度。α为朗博辐射模型距离系数。据此计算出每个用户终端的时间抖动TSn，通过下行链路下发到各用户终端。

S308、可见光通信灯发送开始通信指令；

然后，可见光通信灯发送开始通信指令。

S309、用户终端接收所述开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信时，每个用户终端提前用户终端对应的时间抖动发送数据。

用户终端接收到开始通信指令后，开始进行时分复用通信。在上述实施例1的基础上，用户终端n在原发送起始时间基础上提前TSn开始发送即可补偿距离差引起的相位延时，在可见光通信灯上实现连续相位接收。

综上所述，本实施例在上述实施例1的基础上，针对高速系统，提出了相位补偿方法，确保可见光通信灯上接收端接收相位连续，进一步保证了本发明提供的方法能够适应各种场景环境。

如图6所示，为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输系统实施例1的结构示意图，所述系统可以包括：可见光通信灯61和N个用户终端62，N≥2，其中：

可见光通信灯61，用于在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，发送下行数据信号；

每个用户终端62，用于分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；

可见光通信灯61，还用于向下广播发送邀请接入指令；

每个用户终端62，还用于分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

可见光通信灯61，还用于收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

每个用户终端62，还用于分别接收自身的下行载波周期数；

可见光通信灯61，还用于发送开始通信指令；

每个用户终端62，还用于接收开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信。

本实施例公开的可见光多用户时分复用多址传输系统的工作原理与上述可见光多用户时分复用多址传输方法实施例1的工作原理相同，在此不再赘述。

如图7所示，为本发明公开的一种可见光多用户时分复用多址传输系统实施例2的结构示意图，所述系统可以包括：可见光通信灯71和N个用户终端72，N≥2，其中：

可见光通信灯71，用于在可见光多用户时分复用多址传输系统上电后，发送下行数据信号；

每个用户终端72，用于分别通过锁相环路锁定下行数据信号，提取载波；

可见光通信灯71，还用于向下广播发送邀请接入指令；

每个用户终端72，还用于分别接收邀请接入指令，通过随机多址方式通过上行链路申请入网，并报告自身的时分占用系数；

可见光通信灯71，还用于收集入网申请，并根据用户终端数目确定每个用户终端的下行载波周期数，通过下行链路下发全部用户终端的下行载波周期数；

每个用户终端72，还用于分别接收自身的下行载波周期数；

可见光通信灯71，还用于计算出每个用户终端的时间抖动，并通过下行链路将每个用户终端的时间抖动发送至相应的用户终端；

可见光通信灯71，还用于发送开始通信指令；

每个用户终端72，还用于接收开始通信指令，并基于自身的下行载波周期数进行时分复用通信时，提前用户终端对应的时间抖动发送数据。

本实施例公开的可见光多用户时分复用多址传输系统的工作原理与上述可见光多用户时分复用多址传输方法实施例2的工作原理相同，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。