一种基于可见光通信的精确定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于无线通信技术领域，公开一种基于可见光通信的精确定位系统。基于LED可见光通信技术，本发明通过可见光LED阵列发送时钟信号，结合时分码分正交频分复用TC?OFDM系统，并结合IEEE1588网络同步技术，可以发送出精确时钟信号；在接收机端，使用复合抛物面聚光器结构，增加进入高速光电探测器的光强，以提高接收机的灵敏度；并结合静态目标定位和动态目标定位，来提高精度。本发明可以提高可见光通信定位的精度和灵敏度，在LED照明的同时实现精确定位。
【专利说明】
一种基于可见光通信的精确定位系统
技术领域
[0001]本发明属于无线通信技术领域，具体设计一种基于可见光通信的精确定位系统。
【背景技术】
[0002]定位技术有着广泛的应用，可以用于手机和汽车地图导航、船舶、飞机、紧急救助等领域，近年来吸引了国内外广泛的关注和研究，定位的精度也越来越高。室外定位一般是通过GPS全球定位卫星实现，中国也提供了自己的卫星定位系统-北斗卫星定位系统，但是在卫星信号在一些场合信号比较弱，比如地下停车场等，因而不能有效高精度定位。
[0003]面对室内等区域定位导航和高精度定位的需求，涌现了红外线定位、超声波定位、蓝牙技术定位、超宽带技术定位和可见光LED定位技术等，国内外正在积极进行这方面的研究。
[0004]LED已经普遍用于室内和室外照明系统，借助于现有的LED照明装置进行高精度定位将大大减少设备安装成本，并且LED定位具有安全、无辐射、速度快、精度高等优势，并可以应用于易燃易爆、飞机、高铁等特殊场合，在高精度导航定位系统领域是很具有吸引力的解决方案。目前多数可见光LED定位多数基于LED可见光标签、LED的发光强度、接收端图像传感器成像定位等。这些技术定位精度都有待提高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种可见光定位精度高的定位系统，即基于可见光通信的精确定位系统。
[0006]本发明提供的基于可见光通信的精确定位系统，使用LED阵列广播精确时钟，使用TC-OFDM系统和IEEE1588同步协议，优化接收端光学天线，结合静态和动态目标定位，从而提尚可见光定位的精度。
[0007]本发明的技术方案如下:
一种基于可见光通信的精确定位系统，包括如下几个部分:
LED驱动10;
发射端11;为LED光源，与LED驱动和时钟信号10相连；
无线光通信链路12;
接收端(用户)13;包括光学天线、光电探测器等。
[0008]其中:
所述的LED驱动10，将交流电转换为直流，并加入时钟信号，来驱动LED阵列。
[0009]所述的无线光通信链路12采用时分码分正交频分复用TC-OFDM (Time & CodeDivis1n-Orthogonal Frequency Divis1n Multiplexing)系统，并结合米用IEEE1588网络同步技术。
[0010]使用TCMFDM信号体制的系统，融合定位和通信信号，结合了OFDM和⑶MA两种技术的优势，其中OFDM通信信号用于提高频谱利用率，克服多径衰落引起的符号间干扰，CDMA导航定位信号用于提高扩频增益和定位。
[0011]采用IEEE1588网络同步技术，IEEE1588同步协议通过精确度非常高的时间同步协议PTP(Precis1n Time Protocol)应用于LED阵列组成的网络，与用户设备达到很高的同步精度。
[0012]所述的接收端13的光学天线采取复合抛物面聚光器结构，光电探测器采用高速光电探测器芯片，其接收面积一般在毫米和微米量级，本聚光器将厘米量级的入射光汇聚到光电探测器芯片表面，提高接收端的灵敏度。
[0013]所述的接收端使用PIN或者Aro雪崩光电探测器。
[0014]本发明中，接收端的定位，采用静态定位和动态定位两种算法，根据精确时钟测得LED光到达光电探测器的时间(TOA)，能够计算出不同参考点到达光电探测器的时间差(TDOA);基于多个LED的TOA或者TDOA实现对用户设备的静态定位，通过定位不同时间的用户设备的位置，实现对用户设备的动态定位;结合静态定位和动态定位算法，可进一步提高定位精度。
[0015]基于可见光通信的精确定位系统的工作流程如下:
在室内或者室外区域安装可见光LED光源阵列，每个LED灯的精确位置已知，定位系统把交流电转化为直流电作为LED驱动，并在每个LED的直流驱动中加入时钟信号，形成LED组网；
通过发射端11的LED光源将电信号转换为光信号；
结合时分码分正交频分复用TC-OFDM系统，并结合IEEE1588网络同步技术，通过LED阵列来广播精确时钟信号，并且每个LED灯都发射出精确位置信息；
接收端(用户)13通过(复合抛物面聚光器)光学天线收集发射端11的LED光源发出的光信号；
接收端(用户)13将LED光源信号转换为电信号；
解调TC-OFDM信号，结合静态定位和动态定位两种算法，来精确定位目标位置。
[0016]本发明基于LED可见光通信技术，结合TCMFDM通信定位和IEEE1588网络同步技术，可以发送出精确时钟信号，使用复合抛物面聚光器结构提高接收机的灵敏度，结合静态目标定位和动态目标定位，通过联合优化来提高精度。本发明可以提高可见光通信定位的精度和灵敏度，在LED照明的同时实现精确定位。
【附图说明】
[0017]图1为本发明中提供的LED可见光通信驱动、发射端、无线光通信链路和接收端的示意图。
[0018]图2为本发明中提供的接收端光学天线的侧面结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0020]步骤1:如图1所示，系统在室内区域安装可见光LED灯阵列，室内长宽50米，高度3米，每个LED灯的精确位置(x，y，z)已知，并且对每个LED进行编号，系统把220V交流电转化为直流电600mA作为LED驱动10，并在每个LED的直流驱动中加入时钟信号10，形成LED组网；步骤2:每个LED的-3dB光电调制带宽为5-20MHZ，通过发射端LED光源11将电信号转换为光信号，发光功率为3W，并经过光学系统覆盖直径为4米左右的区域，保证足够的照明功率，能够在照明同时实现通信定位功能；
步骤3:结合时分码分正交频分复用TC-OFDM系统12，融合定位和通信信号，结合了 OFDM和CDMA两种技术的优势，其中OFDM通信信号用于提高频谱利用率，克服多径衰落引起的符号间干扰，CDMA导航定位信号用于提高扩频增益和定位，并结合IEEE1588网络同步技术12，通过精确度非常高的时间同步协议PTP(Precis1n Time Protocol)应用于LED阵列组成的网络，与用户设备达到很高的同步精度，通过LED阵列来广播精确时钟信号，并且每个LED灯都发射出精确位置信息；
步骤4:接收端/用户13通过复合抛物面聚光器光学天线收集发射端LED光源11发出的光信号，高速光电探测器芯片的接收面积一般在毫米和微米量级，本聚光器将厘米量级的入射光汇聚到光电探测器芯片表面，提高接收端的灵敏度。如图2所示的侧视图，聚光器两边为抛物线面，并绕抛物线焦点有10度的旋转，上方入射口直径为13mm，下方出射口直径为4_，收集的角度小于10度的光都可以在下方出射口由光电探测器收集；
步骤5:接收端/用户13使用PIN或者AH)光电探测器将LED光源信号转换为电信号；
步骤6:解调TC-OFDM信号，结合静态定位和动态定位两种算法，根据精确时钟测得LED光到达光电探测器的时间(TOA)，能够计算出不同参考点到达光电探测器的时间差(TDOA)，基于多个LED的TOA或者TDOA实现对用户设备的静态定位，通过定位不同时间的用户设备的位置，实现对用户设备的动态定位，并结合静态定位和动态定位算法进一步提高定位精度，定位精度达到厘米量级。
[0021]本发明基于LED可见光通信技术，结合TC-OHM通信定位和IEEE1588网络同步技术，可以发送出精确时钟信号，使用复合抛物面聚光器结构提高接收机的灵敏度，结合静态目标定位和动态目标定位，通过联合优化来提高精度。本发明可以提高可见光通信定位的精度和灵敏度，在LED照明的同时实现精确定位。
[0022]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于可见光通信的精确定位系统，其特征在于，包括: LED驱动10; 发射端11;为LED光源，与LED驱动10相连； 无线光通信链路12; 接收端13;包括光学天线、光电探测器； 其中: 所述的LED驱动10，将交流电转换为直流，并加入时钟信号，来驱动LED阵列； 所述的无线光通信链路12采用时分码分正交频分复用TC-OFDM系统，并结合采用IEEE1588网络同步技术。2.根据权利要求1所述的基于可见光通信的精确定位系统，其特征在于，所述的接收端13的光学天线采取复合抛物面聚光器结构，光电探测器采用高速光电探测器芯片，其接收面积在毫米和微米量级，聚光器将厘米量级的入射光汇聚到光电探测器芯片表面，以提高接收端的灵敏度。3.根据权利要求2所述的基于可见光通信的精确定位系统，其特征在于，所述的接收端使用PIN或者AH)雪崩光电探测器。4.根据权利要求2所述的基于可见光通信的精确定位系统，其特征在于，接收端的定位采用静态定位和动态定位两种算法，根据精确时钟测得LED光到达光电探测器的时间(TOA)，计算出不同参考点到达光电探测器的时间差(TDOA);基于多个LED的TOA或者TDOA实现对用户设备的静态定位，通过定位不同时间的用户设备的位置，实现对用户设备的动态定位;结合静态定位和动态定位算法，以进一步提高定位精度。5.根据权利要求1所述的基于可见光通信的精确定位系统，其特征在于，定位系统的工作流程如下: 在室内或者室外区域安装可见光LED光源阵列，每个LED灯的精确位置已知，定位系统把交流电转化为直流电作为LED驱动，并在每个LED的直流驱动中加入时钟信号，形成LED组网； 通过发射端11的LED光源将电信号转换为光信号； 结合时分码分正交频分复用TC-(FDM系统，并结合IEEE1588网络同步技术，通过LED阵列来广播精确时钟信号，并且每个LED灯都发射出精确位置信息； 接收端13通过光学天线收集发射端11的LED光源发出的光信号； 接收端13将LED光源信号转换为电信号； 解调TC-OFDM信号，结合静态定位和动态定位两种算法，来精确定位目标位置。
【文档编号】G01S5/16GK105911522SQ201610442008
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】田朋飞, 郑立荣, 邹卓, 朱逸飞, 刘冉
【申请人】复旦大学