一种室内可见光定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及室内可见光通信定位技术领域，尤其涉及基于正交频分复用的可见光 定位系统
【背景技术】
[0002] 随着多媒体业务的快速发展，人们对定位与导航的需求日益增加，尤其在复杂的 室内环境，如机场大厅、仓库、超市、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或 其持有者、设施与物品在室内的位置信息。室外定位可以借助全球定位系统(GPS)，通过接 受4个或4个以上的卫星信号估计接收终端的位置信息。但对于室内环境，受障碍物及建筑 物的影响，其定位精度及灵敏度严重下降。尽管用于室内定位的射频识别(RFID)、红外线、 无线局域网(WLAN)等技术可以提供从几米到几十厘米的定位精度。然而，大多数基于无线 通信的系统会受到电磁干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下降，不仅影响定位 质量，而且不能保障安全性。
[0003]可见光通信作为一种新兴无线通信方式，因其能效高，绿色环保，不受电磁干扰影 响，兼具照明和通信两种功能等优势而成为近年来的一个研究热点，基于可见光通信的室 内定位技术也随之被提出，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。常见的可见光定位 系统采用基于LED标签的方法将位置信息加载到不同的LED上，接收端通过对位置信息进行 解调处理实现被动定位，其采用基于00K的强度调制直接检测的方式，易于实现、算法复杂 度低、成本低，但是这种方式的定位误差较大，同时存在相邻LED小区光信号干扰。针对相邻 LED小区光信号干扰，一种基于可见光标签的室内定位方法(CN103823204B)提出了利用对 每个LED编制唯一的ID号来抵抗相邻光干扰。但该方法直接定义利用等边三角形估算接收 端坐标位置，未考虑光的遮挡性以及信号传播过程中多径效应的影响。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的是提供一种室内可见光定位系统及方法，其可增强通信 的可靠性，提高定位精度，有效抵抗LED小区之间通信的干扰。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种室内可见光定位方法，通过如下步骤实现：
[0007]步骤1:将各个LED灯的二进制位置信息的比特序列进行串并转换，得到多路并行 的二进制位置信息，并将此多路并行的二进制位置信息调制到相互正交的子载波上，得到 多路并行的调制位置信息；
[0008]步骤2:对步骤1所得的多路并行的调制位置信息分别依次进行逆离散傅里叶变 换、加入循环前缀和并串转换，分别得到调制编码后的信号，再分别通过驱动电路将相应的 调制编码后的信号转换为光信号，通过相应的LED灯将此光信号以光照明的形式发送到空 气信道；
[0009]步骤3:通过手持接收终端对上述各个LED灯发送来的可见光进行汇聚并转化为电 信号；
[0010] 步骤4:对上述各个电信号分别依次进行同步、去掉循环前缀、串并转换、离散傅里 叶变换和子载波解调，对解调后所得的各个子载波进行判断，选取其中射频功率最强的三 个子载波；
[0011] 步骤5:根据此射频功率最强的三个子载波的射频功率信息采用基于朗伯辐射模 型的公式估算相应的三个LED灯的位置坐标分别与探测节点之间的距离，分别得到估算的 J?iL|Si{t{del,de2,de3}；
[0012]步骤6:通过此估算的距离值{del，de2，de3}利用三边测量法进行定位计算，其公式 如下：
[0013]
[0014]其中，Xi、yi、Zi(i= 1，2，3)分别为与射频功率最强的三个子载波相应的三个LED灯 的位置坐标，x、y、z为探测节点的位置坐标，求解式中的三个线性方程，便得到探测节点的 具体位置。
[0015]上述各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是:将空间按照类似移动通信蜂窝布 局规则，一个区域划分为8个小区，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区 域之间相邻处子载波不同，消除相邻小区之间的干扰;每个小区中心点处设置一个LED灯， 此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点构成不 同的倒三棱锥结构;不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空间单元，每个倒三棱锥空 间单元中，相应的三个LED灯围成此倒三棱锥空间单元的底面，探测节点为此倒三棱锥空间 单元顶点。
[0016] -种室内可见光定位系统，包括前端信号处理部分、发射端和手持接收终端，前端 信号处理部分的输出端连接发射端的输入端，发射端与手持接收终端之间通过空气通道传 输信息；
[0017]前端信号处理部分包括依次连接的信号产生模块、第一串并转换模块和子载波调 制模块，其中：
[0018]信号产生模块，产生对应于各个LED灯的二进制位置信息；
[0019]第一串并转换模块，将各所述二进制位置信息的比特序列进行串并转换，得到多 路并行的二进制位置信息；
[0020] 子载波调制模块，将所述多路并行的二进制位置信息调制到相互正交的不同的子 载波上，得到多路并行的调制位置信息；
[0021] 发射端对应于各个LED灯设置有多个，每个发射端包括依次连接的逆离散傅里叶 变换模块、加入循环前缀模块、并串转换模块、驱动电路和LED灯，其中：
[0022] 逆离散傅里叶变换模块，连接于子载波调制模块的相应输出端，对相应的上述调 制位置信息进行逆离散傅里叶变换；
[0023]加入循环前缀模块，为上述逆离散傅里叶变换模块输出的信息加入循环前缀；
[0024]并串转换模块，对上述加入循环前缀模块输出的信号进行并串转换，得到调制编 码后的信号；
[0025]驱动电路，将上述调制编码后的信号转换为光信号；
[0026] LED灯，通过LED灯将上述光信号以光照明的形式发送到空气信道；
[0027]上述手持接收终端具有光学透镜、光电探测器、同步模块、去循环前缀模块、第二 串并转换模块、离散傅里叶变换模块、子载波解调模块和信号处理模块，光电探测器设置于 光学透镜的出光侧，且光电探测器、同步模块、去循环前缀模块、第二串并转换模块、离散傅 里叶变换模块、子载波解调模块和信号处理模块依次电连接，其中：
[0028] 光学透镜，对各个LED灯发送来的可见光进行汇聚，得到汇聚可见光；
[0029]光电探测器，将上述汇聚可见光的光信号转换为电信号；
[0030]同步模块，对光电探测器输出电信号进行同步处理；
[0031]去循环前缀模块，将经同步处理的上述电信号中的循环前缀模块去除；
[0032]串并转换模块，将对上述去循环前缀模块输出的信号进行串并转换；
[0033]离散傅里叶变换模块，将上述串并转换模块输出的信号变换到频域，进行信道均 衡；
[0034]子载波解调模块，对上述离散傅里叶变换模块输出的信号进行解调；
[0035]信号处理模块，对上述子载波解调模块输出的各个解调后的子载波进行判断，选 取其中射频功率最强的三个子载波，根据此三个子载波的射频功率信息采用基于朗伯辐射 模型的公式估算相应的三个LED灯的位置坐标分别与探测节点之间的距离，分别得到估算 的距离值{(^，(^，(^，通过此估算的距离值⑷^^ -丨利用三边测量法进行定位计算， 其公式如下：
[0036]
[0037]其中，Xi、yi、Zi( i=1，2，3)分别为与射频功率最强的三个子载波相应的三个LED灯 的位置坐标，x、y、z为探测节点的位置坐标，求解式中的三个线性方程，便得到探测节点的 具体位置。
[0038]上述各个LED灯采用小区网格方式布局，具体是:将空间按照类似移动通信蜂窝布 局规则，一个区域划分为8个小区，相邻小区之间采用相互正交的子载波，同时保证多个区 域之间相邻处子载波不同，消除相邻小区之间的干扰;每个小区中心点处设置一个LED灯， 此时在同一区域及边缘相邻区域之间组成多个三角形，各个三角形分别与探测节点构成不 同的倒三棱锥结构;不同频分区域相互组合，形成多个倒三棱锥空