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CN104253652B - 一种实现调光的方法及调光装置 - Google Patents

一种实现调光的方法及调光装置 Download PDF

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Abstract

一种实现调光的方法及调光装置，包括在MAC层，分割MSDU为两个或两个以上长度相等的子MSDU；将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MPDU中，并分别为各MPDU生成补偿帧；聚合地址相同的MPDU和补偿帧为PPDU的PDSU部分并传输物理帧。从本发明实现调光的方案可见，一方面，其独立于数据传输时的所采用的调制方式和信道编码方案，因此实现了灵活、精细地可见光通信系统中的调光；另一方面，本发明采用MAC帧聚合技术在帧内进行调光，节省了开销。

Description

一种实现调光的方法及调光装置
技术领域
本发明涉及可见光通信技术，尤指一种实现调光的方法及调光装置。
背景技术
可见光通信(VLC，Visible Light Communication)技术，是指使用人肉眼可见的、波长在400纳米(nm)到700nm范围内的光介质进行短距离光无线通信的技术。VLC技术具有不受电磁干扰、不存在与射频(RF)系统相关的干扰等优点，并且其所使用的频谱范围是免许可频谱(unlicensed spectrum)。使用可见光进行数据传输时，在发送端，可以通过快速地打开和关闭可见光源(例如，发光二极管)或者对可见光源亮度进行调制；在接收端，接收到经过调制的光信号之后，将其转化为接收端可以处理的数据。
在使用可见光进行通信时，首先必须保证在实现数据传输的同时，不影响到用户对照明设备的正常使用。这需要考虑以下两个问题：一是实现数据的高速传输；二是支持光源亮度的调节即调光(dimming)。
在现有的IEEE 802.15.7可见光通信标准中，解决亮度调节的方式大致有两种，一种方式是，发送端在空闲/接收状态下，使用空闲模式(idle pattern)即通过独立地发送用于调节光亮度的帧来实现调光，这种方式无疑增大了传输开销；另一种方式是，在物理层，使用与调制方式和信道编码方案密切相关的空闲模式进行调光，这种方式只能进行粗略的亮度调节，而且亮度值固定，降低了调光的灵活度。
发明内容
本发明提供一种实现调光的方法及调光装置，能够灵活、精细地实现可见光通信系统中的调光，同时节省开销。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种实现调光的方法，其特征在于，包括：分割MAC数据服务单元MSDU为两个或两个以上长度相等的子MSDU；
将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MAC协议数据单元MPDU中，并分别为各MPDU生成用于在数据传输过程中调节光源亮度的补偿帧CF；
聚合地址相同的MPDU和补偿帧CF为物理层协议数据单元PPDU的物理层服务数据单元PSDU部分并传输物理帧。
该方法之前还包括：判断出所述MSDU是单播地址。
所述各MPDU的补偿帧与其所在的MPDU具有相同的目标地址。
所述各MPDU与其对应的补偿帧CF在PSDU中的比例关系满足下面公式：
其中，B是光源在无数据传输状态下的亮度，ΔB是光源亮度变化，K是常数；
MPDU(i)表示用于封装第i个子MSDU的MPDU；补偿帧CF(i)表示与MPDU(i)对应的补偿帧；ni表示MPDU(i)中“1”的个数，mi表示补偿帧CF(i)的首部CFH(i)中“1”的个数；LenCFD(i)表示补偿帧CF(i)的数据部分CFD(i)的长度，LenMPDU(i)表示MPDU(i)的长度，LenCFH(i)表示CF(i)帧的首部CFH(i)长度。
所述MPDU与其补偿帧之间一一对应。
调光后的光源亮度变化，低于人眼能够感觉到的亮度变化。
当所述补偿帧用作调亮时，所述补偿帧的数据部分取值为全1序列。
所述全1序列的长度不同，不同的长度对应调亮的程度。
本发明还提供一种调光装置，至少包括处理模块、存储模块和光驱动传输模块，其中，
存储模块，用于保存不同长度的用于调节光源亮度的调光信息；
处理模块，用于将接收到的MSDU分割为两个或两个以上长度相等的子MSDU；将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MPDU中，并分别为各MPDU生成补偿帧；聚合地址相同的MPDU和补偿帧为PPDU的PSDU部分并传输至光驱动传输模块；
光驱动传输模块，用于实现数据传输和光源亮度调节并照明；
其中，所述补偿帧中的调光信息是从存储单元读取。
所述调光信息为不同长度的全1序列。
所述调光装置设置在可见光通信系统的发送端中，或单独设置在可见光系统的发送侧。
本申请技术方案提供包括在媒介访问控制(MAC)层，分割MAC数据服务单元(MSDU)为两个或两个以上长度相等的子MSDU；将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MAC协议数据单元(MPDU)中，并分别为各MPDU生成补偿帧；聚合地址相同的MPDU和补偿帧为物理层协议数据单元(PPDU)的物理层服务数据单元(PSDU)部分并传输物理帧。从本发明实现调光的方案可见，一方面，其独立于数据传输时的所采用的调制方式和信道编码方案，因此实现了灵活、精细地可见光通信系统中的调光；另一方面，本发明采用MAC层帧聚合技术在帧内进行调光，节省了开销。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实现调光的方法的流程图；
图2为IEEE802.15.7标准的MAC层和物理层的组成结构示意图；
图3为本发明PPDU的数据部分的构成结构示意图；
图4为IEEE802.15.7标准中的颜色/可见/调光(CVD)帧格式示意图；
图5为本发明实现调光装置的组成结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明实现调光的方法的流程图，如图1所示，包括：
步骤100：分割MSDU为两个或两个以上长度相等的子MSDU。
其中，与物理层首部相对应的调光帧、封装单个子MSDU的MPDU及与其对应的调光帧，这三者的长度之和必须小于或者等于PSDU长度的最大值(其值是固定值)。这样，就限定了单个子MSDU长度的上限值。
图2为IEEE802.15.7标准的MAC层和物理层的组成结构示意图。
本步骤之前还包括：判断封装上层数据单元的MSDU是否是单播地址，如果是才继续执行步骤100；否则直接传输物理帧。
步骤101：将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MPDU中，并分别为各MPDU生成补偿帧。
图3为本发明PPDU的数据部分的构成结构示意图，如图3所示，子MSDU被封装在独立的MPDU中。在周期T内，根据人肉眼可以感觉到的光源亮度变化，分别为每个MPDU生成一个与MPDU具有相同目标地址的补偿帧(CF)，CF用于在数据传输过程中调节光源亮度，补偿帧数据部分(CFD)为补偿帧CF的有效数据部分。MPDU(i)表示用于封装第i个子MSDU的MPDU，CF(i)表示用于对MPDU(i)帧进行调光的补偿帧，其中，参数i大于等于1。图3中，MHR表示MAC层首部，FCS表示MAC帧的校验值，Pad部分为对齐32位字边界的填充字段。为了达到更好的调光目的，Pad字段填充为全“1”，其长度为0至31位。
其中，在周期T内，通过公式(1)确定与MPDU(i)相对应的第i个补偿帧数据部分(CFD)的长度LenCFD(i)：
可以得到，
在公式(1)、(2)中，B是光源在无数据传输状态下的亮度，ΔB是光源亮度变化，常数K在实际应用中由主观实验得到。根据韦伯-费希纳定律(Weber-Fechner Law)，本领域技术人员知道，反映了周期T内人眼能够感觉到的亮度变化。ni表示MPDU(i)中“1”的个数，mi表示补偿帧CF(i)的首部(CFH，由CF帧中MHR字段和FCS字段组成)中“1”的个数，LenMPDU(i)表示MPDU(i)的长度，LenCFH(i)表示CF(i)帧的首部CFH(i)长度，LenCFD(i)表示CF(i)帧的数据部分CFD(i)的长度。Pad字段是全“1”序列的填充字段，并具有调光作用，而且其长度远远小于CF帧和MPDU帧的长度。在公式(1)中忽略Pad字段长度的计算，不影响由公式(1)计算出的补偿帧数据部分CFD的调光作用。
本步骤中，用于调光的补偿帧，可以采用IEEE802.15.7标准中的颜色/可见/调光(CVD)帧格式，如图4所示，MAC首部(MHR)字段包含CVD帧的控制信息，MAC尾部(FCS)字段包含MAC首部字段的校检信息，数据部分字段包含CVD帧的数据内容。对照图3，CVD帧的MHR字段和FCS字段，构成了补偿帧CF的首部CFH，CVD帧的数据部分字段对应补偿帧CF的数据部分CFD。
当补偿帧用作光源调亮时，补偿帧的取值为全“1”序列。当用户设置的光源发光状态为亮，即对应的开光状态为开启时，此时如果传输数据，会使光源的亮度比开启状态时弱，那么需要插入调亮补偿帧以恢复光源发光状态。用于调亮的补偿帧的取值(即数据部分内容)是相同的，即全“1”序列。补偿帧的长度可以不同，也就是说可以根据补偿帧的长度来确定调亮的程度。补偿帧长度取值的方法为：
预先设置不同长度的全“1”序列。在生成补偿帧时，直接将保存有的相应长度的调光信息赋予补偿帧即可。如果保存的长度不是需要的补偿帧的长度，可以通过对保存有的序列的组合，生成所需的补偿帧的长度的数据部分。比如：预先保存有长度为100位、200位和400位的全“1”序列，在并生成补偿帧时，除了可以表示保存有的长度的序列外，还可以表示长度为300位(即100位加200位)、500位(即100位加400位)、600位(即200位加400位)和700位(即100位加200位加400位)的全“1”序列。
步骤102：聚合地址相同的MPDU和补偿帧为PPDU的PDSU部分并传输物理帧。
由于封装子MSDU的MPDU和补偿帧具有相同的目的地址，因此，本步骤中，采用MAC层底部的帧聚合方法，将多个MPDU与多个补偿帧聚合为一个PSDU，如图3所示。本发明方法通过帧聚合技术，改进了由MSDU分段技术和补偿帧可能产生的传输效率下降的问题。
从本发明实现调光的方法可见，一方面，其独立于数据传输时的所采用的调制方式和信道编码方案，因此实现了灵活、精细地可见光通信系统中的调光；另一方面，本发明采用MAC帧聚合技术在帧内进行调光，节省了开销。
如图3所示，按照本发明图1所示的方法，1个MSDU被分割为两个数据段子MSDU(1)和子MSDU(2)；其中，子MSDU(1)封装生成MPDU(1)，子MSDU(2)封装生成MPDU(2)；根据公式(2)，分别生成与MPDU(1)和MPDU(2)对应的补偿帧CF(1)和CF(2)，CF(1)用于MPDU(1)帧的调光，CF(2)用于MPDU(2)帧的调光。CF与其对应的MPDU的目标地址相同。
特别地，CF(0)是用于物理层首部和前导码的调光。由于物理层首部(PHR)和前导码(SHR)在物理层生成，而CF(0)的生成位于MAC层，因此，CF(0)的长度不能直接使用公式(1)来获得。但是，由于PHR长度固定，SHR的长度和位序列是确定的，因此，CF(0)同样可以较为精确地为PHR和SHR字段进行调光。优选地，为了满足调光后的亮度变化小于人眼能够感觉到的亮度变化，可以假设PHR的位序列为全“0”，然后采用公式(1)计算得出CF(0)的长度。
最后，如图3所示，将这些目标地址相同的补偿帧和MPDU聚合为一个PSDU，该PSDU构成了PPDU的数据部分，然后再将其进行物理层传输即可。
图5为本发明实现调光装置的组成结构示意图，可以设置在可见光通信系统的发送端中，也可以独立设置，如图5所示，至少包括处理模块、存储模块和光驱动传输模块，其中，
存储模块，用于保存不同长度的用于调节光源亮度的调光信息，包括不同长度的全“1”序列。
处理模块，用于将从逻辑链路控制(LLC)子层接收到的MSDU分割为两个或两个以上长度相等的子MSDU；将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MPDU中，并分别为各MPDU生成补偿帧CF；聚合地址相同的MPDU和补偿帧CF为PPDU的PSDU部分并传输至光驱动传输模块。
光驱动传输模块，用于实现数据传输和光源亮度调节并照明，具体实现属于现有技术，其实现不用于限定本发明的保护范围，这里不再赘述。
其中，补偿帧中的调光信息是从存储单元读取的不同长度的全“1”序列。
以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现调光的方法，其特征在于，包括：判断数据服务单元MSDU是否是单播地址，如果不是，则直接传输物理帧，否则分割MAC数据服务单元MSDU为两个或两个以上长度相等的子MSDU；
将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MAC协议数据单元MPDU中，并分别为各MPDU生成用于在数据传输过程中调节光源亮度的补偿帧CF；
聚合地址相同的MPDU和补偿帧CF为物理层协议数据单元PPDU的物理层服务数据单元PSDU部分并传输物理帧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各MPDU的补偿帧与其所在的MPDU具有相同的目标地址。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述各MPDU与其对应的补偿帧CF在PSDU中的比例关系满足下面公式：
<mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Len</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>F</mi> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Len</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>P</mi> <mi>D</mi> <mi>U</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Len</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>F</mi> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Len</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>F</mi> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>K</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>B</mi> </mrow> <mi>B</mi> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，B是光源在无数据传输状态下的亮度，ΔB是光源亮度变化，K是常数；
MPDU(i)表示用于封装第i个子MSDU的MPDU；补偿帧CF(i)表示与MPDU(i)对应的补偿帧；ni表示MPDU(i)中“1”的个数，mi表示补偿帧CF(i)的首部CFH(i)中“1”的个数；LenCFD(i)表示补偿帧CF(i)的数据部分CFD(i)的长度，LenMPDU(i)表示MPDU(i)的长度，LenCFH(i)表示CF(i)帧的首部CFH(i)长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MPDU与其补偿帧之间一一对应。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，调光后的光源亮度变化，低于人眼能够感觉到的亮度变化。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述补偿帧用作调亮时，所述补偿帧的数据部分取值为全1序列。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述全1序列的长度不同，不同的长度对应调亮的程度。
8.一种调光装置，其特征在于，至少包括处理模块、存储模块和光驱动传输模块，其中，
存储模块，用于保存不同长度的用于调节光源亮度的调光信息；
处理模块，用于将接收到的MSDU分割为两个或两个以上长度相等的子MSDU；将分割后的子MSDU分别封装到各自独立的MPDU中，并分别为各MPDU生成补偿帧；聚合地址相同的MPDU和补偿帧为PPDU的PSDU部分并传输至光驱动传输模块；
光驱动传输模块，用于实现数据传输和光源亮度调节并照明；
其中，所述补偿帧中的调光信息是从存储单元读取。
9.根据权利要求8所述的调光装置，其特征在于，所述调光信息为不同长度的全1序列。
10.根据权利要求8或9所述的调光装置，其特征在于，所述调光装置设置在可见光通信系统的发送端中，或单独设置在可见光系统的发送侧。
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