船舶间可见光通信技术的MAC协议开发与实现.pdf
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1、第45卷第17 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.45,No.17Sep.,2023船舶间可见光通信技术的MAC协议开发与实现王萌 1,2(1.中国传媒大学信息与通信工程学院,北京10 0 0 2 4;2.河南科技职业大学信息工程学院,河南周口46 6 0 0 0)摘要:船舶间可见光通信技术近年来逐渐受到关注,可见光通信技术利用可见光波段进行通信,具有高速、低功耗、安全等优点,适用于船舶间的短距离通信。目前,对于船舶间可见光通信技术研究还相对较少。本文针对船舶间可见光通信技术的MAC协议开发与实现问题进行研究,搭建了船舶可见光通信的系统框
2、架,提出一种基于时隙分配的MAC协议设计方案。该方案具有较高的通信速率、较低的通信延迟和较好的通信质量,可以为船舶间可见光通信技术的应用提供一定的参考和借鉴。关键词:可见光通信;MAC协议;通信速率中图分类号:U623.58文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)17-0 158-0 4Development and implementation of MAC protocol for visible light(1.Communication University of China School of Information and Communication Engineer
3、ing,Beijing 100024,China;2.Henan Vocational University of Science and Technology,School of Information Engineering,Zhoukou 466000,China)Abstract:Visible light communication technology between ships has gradually attracted attention in recent years,andvisible light communication technology uses visib
4、le light band for communication,which has the advantages of high speed,low power consumption and safety,and is suitable for short-distance communication between ships.At present,there is stillrelatively litle research on visible light communication technology between ships.This paper studies the dev
5、elopment andimplementation of MAC protocol for inter-ship visible light communication technology,builds a system framework for shipvisible communication,and proposes a MAC protocol design scheme based on time slot allocation,which has high commu-nication rate,low communication delay and good communi
6、cation quality,which can provide certain reference and referencefor the application of inter-ship visible light communication technology.Key words:visible light communication;MAC protocol;communication rate0引言可见光通信技术是当前无线通信领域研究的热点之一,其基本原理是利用发光二极管作为信号光源,光信号通过光纤或自由空间传输。在光纤中,光信号通过光纤的全反射传输,光信号通过调制传输数据。常
7、见的调制方式包括强度调制和频率调制,强度调制通过改变光信号的强度表示数字信息,例如高亮表示1,低亮表示0。频率调制通过改变光信号的频率表示数字信息。可见光通信的接收器接收到光信号后,将收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 6作者简介:王萌(1990),女,硕士,讲师,研究方向为通信与信息技术。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.17.031communication technology between shipsWANG Mengl?光信号转换为电信号,然后,电信号经过解调器解调,将数字信息还原出来。可见光通信技术应用潜力非常广泛,涵盖了室内通信
8、、车载通信、室外通信、室内定位、光通信网络等多个领域,可以提供高速、安全、可靠的无线通信服务。本文介绍可见光通信系统的基本原理和框架,分析可见光的信号特性,重点开发了船舶间可见光通信技术的MAC协议,对于改善传统的船舶可见光通信系统的性能有推动作用。第45卷1船舶可见光通信系统的基本原理与构成可见光通信相对传统通信方式的优点包括:1)更高的带宽。可见光通信利用光波进行传输,光波的频率非常高,因此可支持更高的数据传输速率和更大的带宽。2)更安全的通信。可见光通信是一种定向传输方式,只有在光波直接照射到接收器时才能接收到信息。因此,可见光通信可以提供更高的安全性,防止信息被窃听或干扰。3)低功耗。
9、可见光通信使用LED灯或激光器进行传输,相比传统的无线通信设备,LED灯或激光器的功耗更低,因此可见光通信可以提供更长的续航时间。4)抗干扰性强。可见光通信不受电磁干扰的影响,因为光波在传输过程中不会受到电磁波的干扰,可以在电磁干扰较严重的环境中提供稳定的通信质量。5)环境友好。可见光通信不会产生电磁辐射,也不会对环境造成污染,因此更加环保。可见光通信系统分为发射端和接收端两部分,信号由发射端发射,经过数模转化器、解调器到达接收端,可见光通信系统的基本框架如图1所示。LED灯王萌:船舶间可见光通信技术的MAC协议开发与实现镜增益;g(n)用下式计算:ndsin?(m)nnc,g(n)=0,式中
10、:ndd为滤波器的损耗;nc为接收端的视野角度,即可以接收光源的最大角度。影响可见光通信性能的因素包括多径效应、阴影效应和多普勒效应等。1)多径效应当光信号在传输过程中遇到障碍物或反射面时,会产生多个不同路径的光线。这些不同路径的光线以不同的相位和强度到达接收器,导致接收到的信号出现失真和干扰。多径效应导致信号衰减、频率偏移和时延扩展,从而降低可见光通信的性能。严重的多径干扰使接收端只收到反射和漫射信号,无法正确接收直射信号。图2 为可见光通信中的多径效应示意图,光通信发射模块与接收端之间同时存在主径反射和多径发射信号。二极管 159距离;A为光源的表面积;为光源的发射角度;n为人射角度;g(
11、n)为光滤波器增益;cos(n)为接收端的透else。主径:一次反射.+多径:多次反射数模转化器发射端图1可见光通信系统的基本框架图Fig.1 Basic frame diagram of visible light communication system可见光通信系统是一个电-光-电的转换过程!,定义可见光的发射功率为Pt,接收功率为Pi,可得:P;=P,H(O),式中,H(O)为信道的直流增益。由于可见光通信不像电磁波通信一样存在明显的信号衰落,发射端的LED灯光强度分布模型可进行适当的简化,信道的直流增益用下式计算:(m+1)AH(O)=cos-l(0)g(n)cos(n),0 n n
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