可见光局域网系统中组网技术和安全技术的研究
可见光通信系统是一种通过可见光媒介来传输信息的无线通信技术。
该技术通过在发光二极管（LED）电路中嵌入数据处理芯片，将LED和数据处理芯片作为可见光局域网的无线访问接入点（AP）。
能够将信息通过LED传输到空间信道中，使得通信终端能够在LED可见光覆盖的范围内随时接入网络。
近年来，LED以高光效、低功耗、无辐射、寿命长等优点迅速地代替了传统白炽灯的市场，同时也极大地推动了可见光通信的发展。
与传统的照明方式不同，白色LED能够在人眼无法察觉的情况下高速且稳定地切换光照强度，与通信系统的信号调制相结合之后，能够同时兼顾照明和通信的需求。
本文根据LED的传输特点设计并搭建了可见光局域网的硬件连接系统，并基于FPGA设计实现了可见光局域网的MAC层相关协议。
其中包括多路访问控制协议、接入认证协议和数据加解密协议等。
本文在局域网的系统平台上设计测试方案来验证MAC协议的正确性，并且通过专业测试工具来定量测试局域网的性能指标。
本文的研宄成果如下：首先，本文研究了可见光通信的发展背景、可见光局域网MAC协议的研宄意义和可见光通信研宄的国内外现状，针对研宄的不足提出本文的研究内容和创新点。
其次，本文分别在硬件系统和通信模型方面分析了可见光局域网系统的设计。
本文通过分析LED可见光的传播特点和应用场景，研究了局域网的拓扑结构设计、上下行链路传输介质分析以及局域网的具体硬件连接。
之后，本文对多路访问控制协议、接入认证协议和数据加解密协议的原理和设计方案进行了详细的研究。
其设计内容主要包括：握手过程的设计、帧格式和帧间隔的设计、控制帧冲突解决方案、协议之间优先级设定以及加密算法的选择。
在此基础上，本文分别给出终端和AP的FPGA实现方案以及在硬件编程中的主要计算模块，包括ＣＲＣ计算、伪随机数生成、哈希计算和加密的实现。
最后，本文对可见光局域网系统进行了实验平台搭建和测试方案设计，分别从MAC协议功能验证和系统性能测量方面进行测试。
验证方法主要包括FPGA仿真测试、chipscope信号采集和Socket串口数据传输等，实验可得，MAC协议保证了多个终端可以同时且安全地接入局域网。
系统性能测量主要包括利用360软件测试系统的宽带接入速度、利用chariot工具测试系统吞吐量、利用ping命令行工具测试系统的丢包率和时延特性以及通过控制可见光收发设备的距离来估测局域网正常工作的覆盖范围。
通过实验可得，本文局域网的实时宽带接入速度约为1.5MB/s，系统吞吐量约为18.5MB/s，丢包率约为4%，局域网覆盖范围约为5米。
本文研究了可见光局域网的系统搭建、MAC协议设计与FPGA实现，完成了局域网通信的大部分工作，并且在现有实验条件下，对局域网系统性能指标进行了多方面的测量。
但是，可见光局域网通信的MAC协议设计和测试方案仍有许多可待改进的工作。
本文将LED可见光接入到系统的下行链路并对系统性能进行了测量，但是对于上行链路介质的选择，本文只在理论层面进行了分析对比。
由于实验室器材有限，没有通过实验来对比分析不同上行链路介质的优缺点，所以今后的研究需要涵盖上行链路介质的实验分析。
在MAC层的接入认证协议方面，本文由于没有过多服务端研宄的基础和经验，选择了适用于家庭或工作等小型局域网的共享密钥认证方式，但是开放式系统认证方式在灵活性和保密性方面有较大的优势。
可见光局域网的研究应该与无线通信的前沿技术相结合，这可以丰富可见光局域网的功能并拓宽局域网的应用场景。
本文的研究重点在于系统的硬件连接和MAC层协议的设计，属于功能性的研究。
而系统性能中的吞吐量和覆盖范围等指标很大程度地依赖于调制解调技术、复用技术以及光发射接收技术等。
在本局域网系统平台上，既可以通过优化MAC协议来扩充系统功能，又可以通过优化可见光的发送驱动电路和光接收电路来不断提高系统性能。
