可見光區域網路系統中組網技術和安全技術的研究
可見光通信系統是一種通過可見光媒介來傳輸資訊的無線通信技術。
該技術通過在發光二極管（LED）電路中嵌入資料處理晶片，将LED和資料處理晶片作為可見光區域網路的無線通路接入點（AP）。
能夠将資訊通過LED傳輸到空間信道中，使得通信終端能夠在LED可見光覆寫的範圍内随時接入網絡。
近年來，LED以高光效、低功耗、無輻射、壽命長等優點迅速地代替了傳統白熾燈的市場，同時也極大地推動了可見光通信的發展。
與傳統的照明方式不同，白色LED能夠在人眼無法察覺的情況下高速且穩定地切換光照強度，與通信系統的信号調制相結合之後，能夠同時兼顧照明和通信的需求。
本文根據LED的傳輸特點設計并搭建了可見光區域網路的硬體連接配接系統，并基于FPGA設計實作了可見光區域網路的MAC層相關協定。
其中包括多路通路控制協定、接入認證協定和資料加解密協定等。
本文在區域網路的系統平台上設計測試方案來驗證MAC協定的正确性，并且通過專業測試工具來定量測試區域網路的性能名額。
本文的研宄成果如下：首先，本文研究了可見光通信的發展背景、可見光區域網路MAC協定的研宄意義和可見光通信研宄的國内外現狀，針對研宄的不足提出本文的研究内容和創新點。
其次，本文分别在硬體系統和通信模型方面分析了可見光區域網路系統的設計。
本文通過分析LED可見光的傳播特點和應用場景，研究了區域網路的拓撲結構設計、上下行鍊路傳輸媒體分析以及區域網路的具體硬體連接配接。
之後，本文對多路通路控制協定、接入認證協定和資料加解密協定的原理和設計方案進行了詳細的研究。
其設計内容主要包括：握手過程的設計、幀格式和幀間隔的設計、控制幀沖突解決方案、協定之間優先級設定以及加密算法的選擇。
在此基礎上，本文分别給出終端和AP的FPGA實作方案以及在硬體程式設計中的主要計算子產品，包括ＣＲＣ計算、僞随機數生成、哈希計算和加密的實作。
最後，本文對可見光區域網路系統進行了實驗平台搭建和測試方案設計，分别從MAC協定功能驗證和系統性能測量方面進行測試。
驗證方法主要包括FPGA仿真測試、chipscope信号采集和Socket序列槽資料傳輸等，實驗可得，MAC協定保證了多個終端可以同時且安全地接入區域網路。
系統性能測量主要包括利用360軟體測試系統的寬帶接入速度、利用chariot工具測試系統吞吐量、利用ping指令行工具測試系統的丢包率和時延特性以及通過控制可見光收發裝置的距離來估測區域網路正常工作的覆寫範圍。
通過實驗可得，本文區域網路的實時寬帶接入速度約為1.5MB/s，系統吞吐量約為18.5MB/s，丢包率約為4%，區域網路覆寫範圍約為5米。
本文研究了可見光區域網路的系統搭建、MAC協定設計與FPGA實作，完成了區域網路通信的大部分工作，并且在現有實驗條件下，對區域網路系統性能名額進行了多方面的測量。
但是，可見光區域網路通信的MAC協定設計和測試方案仍有許多可待改進的工作。
本文将LED可見光接入到系統的下行鍊路并對系統性能進行了測量，但是對于上行鍊路媒體的選擇，本文隻在理論層面進行了分析對比。
由于實驗室器材有限，沒有通過實驗來對比分析不同上行鍊路媒體的優缺點，是以今後的研究需要涵蓋上行鍊路媒體的實驗分析。
在MAC層的接入認證協定方面，本文由于沒有過多服務端研宄的基礎和經驗，選擇了适用于家庭或工作等小型區域網路的共享密鑰認證方式，但是開放式系統認證方式在靈活性和保密性方面有較大的優勢。
可見光區域網路的研究應該與無線通信的前沿技術相結合，這可以豐富可見光區域網路的功能并拓寬區域網路的應用場景。
本文的研究重點在于系統的硬體連接配接和MAC層協定的設計，屬于功能性的研究。
而系統性能中的吞吐量和覆寫範圍等名額很大程度地依賴于調制解調技術、複用技術以及光發射接收技術等。
在本區域網路系統平台上，既可以通過優化MAC協定來擴充系統功能，又可以通過優化可見光的發送驅動電路和光接收電路來不斷提高系統性能。
