基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法

1.本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法。


背景技术：

2.为了满足室内环境的移动通信网络日渐增加的宽带业务需求以及频谱资源的短缺，可见光通信被纳入了室内组网的考虑范畴，可见光通信(vlc，visible light communication)具有不占用授权频谱资源、不受电磁干扰且保密性高、绿色可持续等组网优势，作为传统射频的补充进行异构组网，可以实现高速且高容量的移动通信网络，同时，在面临特殊的室内场景时，也可以与其他毫米波通信技术进行融合。
3.但在实际组网时，可见光通信的链路易受到遮挡从而导致信号中断而不得不触发网络的切换，且面向不同的业务需求的时候，也会进行切换，所以设计一种可以动态地适应用户移动、避免遮挡并且满足实时业务需求，同时针对光链路特性的异构组网垂直切换技术。
4.在矿井，大型地下停车场，军事基地等特殊室内场所，可以将可见光通信，红外光通信与传统射频通信进行融合，从而在满足保密性，不受电磁干扰，高速高容量通信的同时，也可以对链路进行互补，使通信质量更佳，在此基础上，对垂直切换算法进行改进与完善，使切换成本与乒乓效应最小化，并将实时应用业户不同的需求考虑在内，使用户在使用不同业务的情况下，也可以拥有较高的通信质量与用户体验质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，使移动用户在可见光通信vlc，射频通信rf与红外光通信ir三者异构融合的组网中可以获得更佳的体验，提高通信质量。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，包括下列步骤：
7.步骤1：搭设由多个vlc接入点、ir接入点和rf接入点构成的室内可见光通信异构组网环境；
8.步骤2：设置所述室内可见光通信异构组网环境中优先切换光链路；
9.步骤3：用户进入组网环境并发出接入请求，判断可见光通信链路是否遮挡，若未被遮挡，链路可用，则连接vlc链路，进入步骤5；
10.步骤4：若vlc链路被遮挡不可用，则设置驻留时间，等待驻留时间后再次判断vlc链路是否阻塞；
11.如果vlc链路继续阻塞，则按用户所在的通信范围选择ir链路或rf链路；
12.如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤3；
13.步骤5：用户在组网环境内移动，判断vlc链路是否受到遮挡而中断，若受到遮挡则
进入步骤4；
14.若没有收到遮挡，则通过室内定位技术以及对相似光信号强度的干扰的感知，判断是否进入了可见光通信的共通道干扰区域；
15.步骤6：进入共通道干扰区域后再次设置新的驻留时间，等待满新的驻留时间后再次判断用户所在位置是否仍位于共通道干扰区域，若是则判断是否在ir通信范围；
16.如果位于ir通信范围，则连接到ir链路；
17.如果否则转入步骤7；
18.步骤7：连接rf链路，若已经离开共通道干扰区域，则继续使用vlc链路，并记录经过共通道干扰区域的时间和次数，用于下一次驻留时间的计算，回到步骤3。
19.可选的，所述室内可见光通信异构组网环境中包括vlc链路、ir链路和rf链路，所述光链路包括vlc链路和ir链路。
20.可选的，所述驻留时间通过认用户所使用的实时应用类型确定，根据设置的时间进行切换前的驻留。
21.可选的，在步骤4如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤3的过程中，在返回执行步骤3前，记录阻塞的时间与次数，用于新的驻留时间的计算。
22.可选的，根据不同的业务类型调整切换前的驻留时间，增加在使用各类实时应用情况下的用户体验质量值。
23.本发明提供了一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，在网络架构上，采用vlc通信，ir通信与传统rf通信相结合的方案，通过三种通信方式的优劣互补，优先使用数据速率更高的光链路，从而总体通信容量与速率得到提升，具体根据每次可见光通信链路的阻塞情况，以及在光网络覆盖区域移动时进出共通道干扰区的情况，动态调整切换前的时间驻留，在尽量不减少通信速率与总体信号质量的同时，减少切换的次数，缓解乒乓效应，使切换成本有一定程度的降低，并且结合用户对于延迟时间的感知，提升用户体验质量qoe，弥补了现有技术的不足。
附图说明
24.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。
25.图1是本发明的一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法的流程示意图。
26.图2是本发明的具体实施例的室内可见光通信异构组网框架结构图。
27.图3是本发明的具体实施例的切换方案流程示意图。
28.图4是本发明的具体实施例的用户随机移动模型仿真示意图。其中用户随机移动模型，根据随机游走模型，结合室内环境中移动终端用户随机移动的实际情况进行改进。
29.图5是本发明的链路阻塞模型随恢复率变化的曲线示意图。
30.图6是本发明的具体实施例中与其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法的性能对比示意图。
31.图7是本发明的具体实施例中与其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法的切换成本对比示意图。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.请参阅图1，本发明提供了一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，包括下列步骤：
34.s1：搭设由多个vlc接入点、ir接入点和rf接入点构成的室内可见光通信异构组网环境；
35.s2：设置所述室内可见光通信异构组网环境中优先切换光链路；
36.s3：用户进入组网环境并发出接入请求，判断可见光通信链路是否遮挡，若未被遮挡，链路可用，则连接vlc链路，进入步骤s5；
37.s4：若vlc链路被遮挡不可用，则设置驻留时间，等待驻留时间后再次判断vlc链路是否阻塞；
38.如果vlc链路继续阻塞，则按用户所在的通信范围选择ir链路或rf链路；
39.如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤s3；
40.s5：用户在组网环境内移动，判断vlc链路是否受到遮挡而中断，若受到遮挡则进入步骤s4；
41.若没有收到遮挡，则通过室内定位技术以及对相似光信号强度的干扰的感知，判断是否进入了可见光通信的共通道干扰区域；
42.s6：进入共通道干扰区域后再次设置新的驻留时间，等待满新的驻留时间后再次判断用户所在位置是否仍位于共通道干扰区域，若是则判断是否在ir通信范围；
43.如果位于ir通信范围，则连接到ir链路；
44.如果否则转入步骤s7；
45.s7：连接rf链路，若已经离开共通道干扰区域，则继续使用vlc链路，并记录经过共通道干扰区域的时间和次数，用于下一次驻留时间的计算，回到步骤s3。
46.其中，所述室内可见光通信异构组网环境中包括vlc链路、ir链路和rf链路，所述光链路包括vlc链路和ir链路。
47.所述驻留时间通过认用户所使用的实时应用类型确定，根据设置的时间进行切换前的驻留。
48.在步骤s4如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤s3的过程中，在返回执行步骤s3前，记录阻塞的时间与次数，用于新的驻留时间的计算。
49.根据不同的业务类型调整切换前的驻留时间，增加在使用各类实时应用情况下的用户体验质量值。
50.进一步的，请参阅2至图4，本发明还提出了一个具体实施例，通过仿真实验以及与其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法的对比作进一步说明：
51.1、环境架构：假设一个6m*6m*3m的室内环境，由9个vlc接入点，4个ir接入点，以及
1个rf接入点构成，通过外部的电力线和中央控制单元进行控制。
52.2、用户随机移动模型：用户移动模型在随机游走模型的基础上进行改进，令他符合现实生活中用户在室内移动的情况，具体的移动可以描述为：沿着随机的方向在连续运动一段随机的时间后随机停留一段时间，后继续上述运动。在仿真中，设置运动方向是随机的[0,2]；快步走时运动速度最大为v
max
＝1.4m/s，慢步走时运动速度最大为v
max
＝0.6m/s；每次持续运动的时间设置为随机的2-10s，每次停留的时间是随机的0-10s。
[0053]
3、切换过程中的具体步骤如图3所示：
[0054]
【1】用户进入室内，首先请求连接vlc链路，然后继续在室内进行随机的移动与停留，阻塞的概率符合泊松分布，若vlc链路遭遇阻塞，则进入步骤【2】；若vlc没有阻塞，则进入步骤【7】。
[0055]
【2】根据此刻移动终端正在运行的实时应用类型来确定切换前的驻留时间，根据设置的时间进行切换前的驻留，减少一定的切换成本。
[0056]
【3】若为消息类实时应用，则切换前的驻留时间设置为d1，d1根据记录的长中断的持续时间以及用户对于信息数据类实时应用延迟的最大容忍时间而定，阻塞的时间tblock满足一个设定的范围，恢复率与终端时间成反比，设为gama＝1/tblock。网络使用者在只等待2s的时间里，会对当前任务失去兴趣；超过2s，视频观众开始离开网站的浏览；到达10s，约一半以上离开。
[0057]
综上，在消息交互类的实时应用中，可以将用户的可忍受延迟最大时间tdata设置为1.9～2.6s；在音频类实时应用中，则taudio为1.1～1.9s；视频类应用中，tvideo设置为0.2～1s。
[0058]
将tblock与tdata对比，若前者较大，则立刻切换，d1为0；若后者较大则d1等于长中断的最短时间。
[0059]
【4】若为音频类的实时应用，则将切换前的停留时间设置为d2，d2根据记录的短中断的平均值来定，将tblock与taudio对比，若前者较大，则立刻切换，d2为0；若后者较大则d2等于短中断的最长时间。
[0060]
【5】若为视频类实时应用，则对于链路中断极其敏感，以用户端的实际感受为主，根据用户对延迟的最大容忍时间来确定停留时间d3，将tblock与tvideo对比，若前者较大，则立刻切换，d3为0；若后者较大则d3等于对于视频应用延迟的最大忍耐时间tvideo与最大短中断时间的平均值，最小短中断时间设为twmax＝2s，即sum([tvideo,twmax])/2。
[0061]
【6】驻留时间到达后，则对目前移动终端和链路的状态进行判断，若vlc链路仍阻塞，则判断移动终端是否在ir通信覆盖范围，若不在ir通信范围则切换到rf通信，若在则连接ir通信；若vlc链路不阻塞了，则回到步骤【1】。
[0062]
如图5所示，图5是链路阻塞模型随恢复率变化的曲线示意图。
[0063]
【7】若vlc没有阻塞，则判断移动终端是否处于cci(共通道干扰)区域，若移动终端没有在cci区域，则回到步骤【1】；若处于cci区域，那么根据此刻移动终端正在运行的实时应用类型来确定切换前的驻留时间，根据设置的时间进行切换前的驻留，减少一定的切换成本。
[0064]
【8】若移动终端正在进行信息交互类或网页浏览类的实时应用，则切换前的驻留时间设置为d4，d4根据通过cci区域的时间和用户对于信息数据类应用延迟的最大容忍时
间而定，根据vlcaps在网络架构中的位置，覆盖半径约为(m)，对其覆盖面积与交叠区域的最长距离和最短距离进行计算，得到覆盖区域的平均距离l，预期通过交叠区域的时间是平均距离l与用户移动的实时速度之间的比值，设定为tcci。则将tcci与tdata进行对比，若前者较大，那么d4为0，立即进行切换；若后者较大，则停留对信息交互类应用中断的最大忍耐时间tdata与tcci的两者的最大值max(max(ttext),etfile(n_ac_vho))。
[0065]
【9】若正在进行音频播放与交互类的实时应用，则切换前的驻留时间设置为d5，d5根据记录的通过cci区域的平均时间以及用户对于音频交互与播放类实时应用延迟的最大容忍时间而定，则将tcci与taudio进行对比，若前者较大，那么d5为0，立即进行切换；若后者较大，则d5设置为sum([taudio,tcci])/2。
[0066]
【10】若正在运行视频播放与交互类实时应用，则切换前的驻留时间设置为d6，d6根据用户对于视频类实时应用延迟时间的最大容忍时间来决定，将tcci与tvideo进行对比，若前者较大，那么d6为0，立即进行切换；若后者较大，则d6设置为对于视频类实时应用中断容忍时间的最小值min(tvideo)。
[0067]
【11】驻留时间到达后，则对目前移动终端和链路的状态进行判断，若移动终端仍处于cci区域，则判断移动终端是否在ir通信覆盖范围，若不在ir通信范围则切换到rf通信，若在则连接ir通信；若移动终端不处于cci区域，那么则返回步骤【1】。
[0068]
进一步地，在具体实施例中，本发明方法与其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法进行性能与成本的比较，请参阅图6和图7，图6是本发明方法相较于其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法的性能对比情况，可以看出在总体的qoe以及数据传输速率方面有较大的提升。
[0069]
如图7所示，相较于其他几种可见光通信异构组网中时间驻留类垂直切换算法的切换成本对比，可以看到本发明即(ac-vho)的切换成本明显降低。
[0070]
综上所述，本发明的具有以下优点：
[0071]
1、根据每次可见光通信链路的阻塞情况，以及在光网络覆盖区域移动时进出共通道干扰区的情况，动态调整切换前的时间驻留，在尽量不减少通信速率与总体信号质量的同时，减少切换的次数，缓解乒乓效应，使切换成本有一定程度的降低。
[0072]
2、根据不同的业务类型调整切换前的时间驻留，增加在使用各类实时应用情况下的总体用户体验质量(qoe)值，并且也减少了一定的乒乓效应，即切换成本，切换成本有明显降低。
[0073]
3、切换时优先考虑光链路(vlc以及ir)，总体的通信速率更高，同时也提升了总体的qoe值。
[0074]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：搭设由多个vlc接入点、ir接入点和rf接入点构成的室内可见光通信异构组网环境；步骤2：设置所述室内可见光通信异构组网环境中优先切换光链路；步骤3：用户进入组网环境并发出接入请求，判断可见光通信链路是否遮挡，若未被遮挡，链路可用，则连接vlc链路，进入步骤5；步骤4：若vlc链路被遮挡不可用，则设置驻留时间，等待驻留时间后再次判断vlc链路是否阻塞；如果vlc链路继续阻塞，则按用户所在的通信范围选择ir链路或rf链路；如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤3；步骤5：用户在组网环境内移动，判断vlc链路是否受到遮挡而中断，若受到遮挡则进入步骤4；若没有收到遮挡，则通过室内定位技术以及对相似光信号强度的干扰的感知，判断是否进入了可见光通信的共通道干扰区域；步骤6：进入共通道干扰区域后再次设置新的驻留时间，等待满新的驻留时间后再次判断用户所在位置是否仍位于共通道干扰区域，若是则判断是否在ir通信范围；如果位于ir通信范围，则连接到ir链路；如果否则转入步骤7；步骤7：连接rf链路，若已经离开共通道干扰区域，则继续使用vlc链路，并记录经过共通道干扰区域的时间和次数，用于下一次驻留时间的计算，回到步骤3。2.如权利要求1所述的基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，其特征在于，所述室内可见光通信异构组网环境中包括vlc链路、ir链路和rf链路，所述光链路包括vlc链路和ir链路。3.如权利要求2所述的基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，其特征在于，所述驻留时间通过认用户所使用的实时应用类型确定，根据设置的时间进行切换前的驻留。4.如权利要求3所述的基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，其特征在于，在步骤4如果vlc链路不再阻塞，则返回执行步骤3的过程中，在返回执行步骤3前，记录阻塞的时间与次数，用于新的驻留时间的计算。5.如权利要求4所述的基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，其特征在于，根据不同的业务类型调整切换前的驻留时间，增加在使用各类实时应用情况下的用户体验质量值。

技术总结
本发明涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种基于特殊室内场景的可见光通信异构组网垂直切换方法，在网络架构上，采用VLC通信，Ir通信与传统RF通信相结合的方案，通过三种通信方式的优劣互补，优先使用数据速率更高的光链路，从而总体通信容量与速率得到提升，具体根据每次可见光通信链路的阻塞情况，以及在光网络覆盖区域移动时进出共通道干扰区的情况，动态调整切换前的时间驻留，在尽量不减少通信速率与总体信号质量的同时，减少切换的次数，缓解乒乓效应，使切换成本有一定程度的降低，并且结合用户对于延迟时间的感知，提升用户体验质量QoE，弥补了现有技术的不足。弥补了现有技术的不足。弥补了现有技术的不足。


技术研发人员：李传起 崔冰琪 周省邦 陈东 曾倩 刘志强 冷阳洋
受保护的技术使用者：南宁师范大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28