可見光通信是近年來迅速發(fā)展的信息傳輸技術(shù),該技術(shù)以可見光作為傳輸媒介,能夠與日常照明系統(tǒng)結(jié)合,使得可見光通信系統(tǒng)同時(shí)具備通信與照明的功能。同時(shí),可見光通信技術(shù)以其頻帶寬、速率高、功耗低、安全性好和無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),引起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。隨著研究的不斷深入,可見光通信中調(diào)制技術(shù)、均衡技術(shù)和MIMO技術(shù)的研究趨向成熟,系統(tǒng)通信速率也在不斷提高,但是在可見光局域網(wǎng)的以太網(wǎng)接入方案、對應(yīng)的組網(wǎng)方式和局域網(wǎng)安全功能等方面的研究相對較少�？梢姽饩钟蚓W(wǎng)和以太網(wǎng)的結(jié)合既拓展了可見光通信的應(yīng)用場景也提供了更安全高速的局域網(wǎng)接入方案,并且授權(quán)接入和數(shù)據(jù)加密技術(shù)保障了無線網(wǎng)絡(luò)的通信安全。本文分別對可見光局域網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、多路訪問控制協(xié)議、接入認(rèn)證協(xié)議以及數(shù)據(jù)加解密算法進(jìn)行了相應(yīng)的研究設(shè)計(jì)以及FPGA實(shí)現(xiàn),并測試了局域網(wǎng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)。本文的研究內(nèi)容主要包括:1.根據(jù)LED的傳輸特性,本文提出了一種可見光局域網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建方案,其中包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、上下行鏈路傳輸介質(zhì)的選擇以及硬件平臺搭建等。2.基于CSMA/CA協(xié)議,本文針對多終端接入可見光局域網(wǎng)的情況,設(shè)計(jì)并利用FPGA實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)的多路訪問控制協(xié)議,其中包括虛擬載波監(jiān)聽模式設(shè)計(jì)、控制幀沖突解決方案、控制幀格式設(shè)計(jì)以及發(fā)送接收數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置等。3.基于WPA協(xié)議,本文根據(jù)可見光局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn),設(shè)計(jì)并利用FPGA實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)的接入認(rèn)證協(xié)議和數(shù)據(jù)加解密協(xié)議,其中包括接入認(rèn)證握手過程設(shè)計(jì)、相關(guān)幀格式設(shè)計(jì)、密鑰生成算法和數(shù)據(jù)加解密算法的實(shí)現(xiàn)等。4.本文從FPGA仿真、chipscope數(shù)據(jù)采集、串口數(shù)據(jù)傳輸以及接入互聯(lián)網(wǎng)等方面分別對局域網(wǎng)組網(wǎng)功能和安全功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,驗(yàn)證了可見光局域網(wǎng)高速和安全的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性。同時(shí),本文定量測試了可見光局域網(wǎng)的性能指標(biāo),包括寬帶接入速度、系統(tǒng)吞吐量、系統(tǒng)時(shí)延、丟包率和覆蓋范圍等。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

見光局域網(wǎng)上行鏈路傳輸介質(zhì)包括可見光、無線射頻信號鏈路采用可見光，雖然擁有高速傳輸、無電磁干擾、安全等可見光會給人眼帶來較強(qiáng)烈不適感。而對于射頻傳輸，市捷的應(yīng)用模塊，但是違背了可見光局域網(wǎng)設(shè)計(jì)的無電磁。所以本系統(tǒng)考慮采用近紅外光來傳輸上行數(shù)據(jù)，既不會其較弱的穿透性保證了可見光局域網(wǎng)的安全特性，也不生干擾。??局域網(wǎng)整體硬件架構(gòu)??搭建一個(gè)基于集中式星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可見光局域網(wǎng)系一個(gè)ＡＰ和多個(gè)終端。ＡＰ由以太網(wǎng)、ＬＡＮ９３１３交換機(jī)、ＦＰ光發(fā)射及接收電路組成，其作用包括協(xié)調(diào)整個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。相應(yīng)的，終端由通信設(shè)備、ＬＡＮ９３１３信號控制模塊和光發(fā)射及接收電路組成，多個(gè)終端通過競

?圖２．?３可見光局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖??可見光局域網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２．３所示，終端由電腦、ＬＡＮ９５００交換芯片、??ＦＰＧＡ板和信號收發(fā)電路板組成，ＡＰ由ＬＡＮ９３１３芯片、ＦＰＧＡ板和信號收發(fā)??電路板構(gòu)成。以下行數(shù)據(jù)傳輸為例，因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過Ｒ．丨４５接口傳輸至??ＬＡＮ９３１３?芯片，數(shù)據(jù)幀通過媒體獨(dú)立接口（Ｍｅｄｉａ?Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，?ＭＩＩ）??傳輸?shù)剑疲校牵�。在ＦＰＧＡ中�?shù)據(jù)將經(jīng)過ＭＡＣ和Ｐ丨ＩＹ兩個(gè)處理模塊，其中ＭＡＣ??模塊包括通信系統(tǒng)中的多路訪問控制、接入認(rèn)證和數(shù)據(jù)加解密操作，而ＰＨＹ??模塊則對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編解碼，以適應(yīng)可見光的傳輸。數(shù)據(jù)從ＦＰＧＡ傳輸?shù)娇梢??光驅(qū)動(dòng)模塊，并在驅(qū)動(dòng)模塊中被調(diào)制轉(zhuǎn)換為可見光信號傳輸至大氣信道�？梢�??光數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣傳輸至終端的光接收模塊

?圖２．?４可見光局域網(wǎng)通信模型??本文可見光局域網(wǎng)的通信模型如圖２．４所示，在可見光局域網(wǎng)中，完整的??ＡＰ或終端由通信設(shè)備、網(wǎng)卡以及可見光局域網(wǎng)的ＭＡＣ層和ＰＨＹ層組成。其??中通信設(shè)備處理網(wǎng)絡(luò)傳輸中的上層協(xié)議，例如ＩＰ協(xié)議、ＴＣＰ協(xié)議和ＨＴＴＰ協(xié)議??等，而ＭＡＣ網(wǎng)卡的功能是完成以太網(wǎng)中的ＭＡＣ協(xié)議，主要功能為解析數(shù)據(jù)??包以及成幀操作。本局域網(wǎng)的通信模型只包括可見光局域網(wǎng)ＭＡＣ和ＰＨＹ，?ＭＡＣ??的主要功能是增加多路訪問協(xié)議使得局域網(wǎng)的組網(wǎng)功能得以實(shí)現(xiàn)，并且通過增??加接入認(rèn)證和加解密功能使得局域網(wǎng)的安全得以保障�？梢姽饩钟蚓W(wǎng)的ＰＩ?１Ｙ??層主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)編解碼功能和光電、電光轉(zhuǎn)換功能，其中編解碼過程包括??１５??
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本文編號：2855932