Page 25 - 网络电信2022年9/10月刊
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应的电流信号，再经过TIA转换成电压信号以后与比较门限比较 （3）收集各节点装置的数据；
后转换为高低电平值送入物理层（PHY）处理。因为LED对噪声 （4）向下游节点传递服务器信息。
比较敏感，因此必须使用金属屏蔽罩。 3.1.2 VLC设备
发射器使用N沟道 MOSFET 将物理层（PHY）输出的电信号 VLC设备是联通物联网传感器、执行器与VLC系统的单元。
放大后驱动LED变成光信号输出。为了防止在测试时产生光污 它负责将物联网设备上报的数据转成符合VLC协议的帧格式，并
染，发射器也加有金属屏蔽罩。设计完可见光收发部分的电路 以可见光的形式接入VLC网络。
后，还需设计一套切换电路，用来实现LED的收发切换。这种 3.1.3 VLC集线器和中继器
方式组成的半双工可见光收发电路可将LED时分复用为接收器件 VLC中继器的主要作用是对VLC网络的延长。有需要时中继
或发射器件，与传统的全双工相比，该方案仅使用一根光纤即 器也可以拥有VLC设备的某些功能，这种情况下中继器可以看成
可实现双向通信。单刀双掷开关处于Rx侧时，半双工可见光收 是某种特殊的VLC设备。
发电路工作在接收状态，由三极管构成的放大器将LED产生的电 VLC集线器的作为一个相对简易的多通道复用装置，可以看
流放大比较后送入物理层（PHY）进行处理；单刀双掷开关处于 作是一种特殊的中继器。其除了可以延长VLC网络外，还可以增
Tx侧时，半双工可见光收发器工作在发射状态，N沟道MOSFET 加接入系统的设备数量，用作具有协议准入功能的多通道中继
将物理层（PHY）输出的电信号放大后驱动LED变成光信号输出。 装置。它控制时钟域的同步，将其连接设备的上行报文封包，
该方式实现的通信速率并不会特别高，但完全可以满足家 并能够根据寻址规则转发主机发出的下行报文。
庭场景内传感器的数据量和通信频次的需求，同时降低了布设 集线器与中继器最大的不同在于，集线器具有VLC协议准入
难度和成本。 的功能。中继器不会解析协议包，也不具备封包的功能，它只
2. 简洁的帧结构 会将收到的数据向另一侧端口传输。但它可以增强可见光通信
应用于智慧家庭网络的通信协议应当拥有简洁的帧结构， 质量，修复时序、并在校验报文的正确与否。
对于传感器和执行器而言，单次传递的信息量通常只有几个字 2. VLC网络拓扑与定寻址
节，冗长的协议头相当于降低了通信效率。下面（如图3）展示 VLC网络的各个下游装置通过树型拓扑与主机连接，如图
了针对这种信息量级设计的帧结构，帧头大约5字节长度，包含 5。VLC设备可直接连在主机的下游端口，也可以通过集线器或
前缀码（PRE）、CRC8 校验、长度、目的地址（DA）、源地址 中继器连接。VLC网络的定址空间由2个4bit地址组成，适应家
（SA）、类型（Type），保证组网和寻址逻辑的同时，能够提 庭网络这种较小的网络规模。
升通信效率，降低通信时延。 VLC定址方案中每个树节点下配置最多15个直接从属节点。
此外，为支持VLC信息的广播，将目标地址为0xFF报文定义为广
图3 可见光通信协议的帧格式
播。采用这种定址方案的VLC系统最多可向下
拓展两层网络，并能支持最多254个网络装置的接入。
3. 通信模式
VLC系统采用时分多址（TDMA）模型进行通信。由于这是一
种半双工的通信方式，主机需要与给每个下游节点同步时序，
并为其分配一个报文发送时隙。
VLC 系统将通信时隙的循环划分在一秒的基本周期（表
1）上。其中的时隙可分为两种类型：
（1）主机时隙，从VLC时隙开始的100毫秒的时间范围内，
三．可见光通信组建智慧家庭网络的方案 主机可以在这段时间发送时序同步等系统命令、对下游设备进
1. 系统组成 行轮询和广播消息。
基于可见光通信（VLC）技术的组网方案可以采用的是一 （2）设备时隙，从主机时隙结束后开始计算，总时长为
种轻量级、低时延的通信协议，包括：物理层、数据链路层、 800毫秒。其中以50毫秒为一个单位时隙分配给一个下游设备。
网络协议层和应用层。协议规范了主机和各种 VLC装置之间的 最多可分配16个单位时隙，对应设备编号0到15，编号顺序从0
链路建立和数据交互规则。VLC系统的通信方式采用时分多址 开始。对于单个设备，原则上允许获得多个单位时隙。
（TDMA）的半双工通信方式，系统内各节点装置按照主机分配 表1 VLC周期定义
的时隙共享带宽。
VLC系统的架构（图4）由VLC主机、VLC集线器及中继器、
VLC设备三类装置构成。
3.1.1 VLC主机
VLC 主机是整个系统的信息处理中枢和调配器。它的主要
工作内容包括：
（1）对新连接的VLC设备、集线器和中继器进行准入验证；
（2）对自身时域相同的装置发起时间同步；
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