一种多载波DS-CDMA技术在可见光定位系统中的应用方法与流程

本发明涉及一种多载波ds-cdma技术在可见光定位系统中的应用，属于可见光定位技术领域。

背景技术：

可见光通信技术是通过人眼无法识别的高频信号加载到led上进行传输，与传统定位技术相比，基于可见光的室内定位精确度高，无电磁污染，部署相对容易，既满足照明需求，又降低功耗和成本。随着下一代绿色led照明技术的发展，基于可见光的室内定位技术将是一种很有前景的室内定位备选方案。

直接序列码分多址(directspreadcodedivisionmultipleaccess,ds-cdma)调制通过利用扩频码的正交性，实现在时域和频域均重叠的信号分离，进而实现了码分复用解决了vlc定位系统中由于多个参考点而导致码间干扰的问题,但ds-cdma由于多址干扰和符号间干扰难以实现高速数据传输。

正交频分多路(ofdm)采用了并行传输技术，将快衰落造成的突发损伤有效地分散到多个符号中，而不是将相邻的若干个符号完全毁坏；此外ofdm的并行处理技术将传输信号的符号周期延长了，降低了信号对信道多径扩散的敏感性。

由于具有多址能力、抗衰落的稳健性、抗干扰能力强等特点，扩频码分多址(cdma)技术拥有毋庸置疑的竞争力。但由于扩频码分多址的容量受限于多址干扰和多径干扰，而多载波技术对多径和符号间串扰又有很强的鲁棒性，由此人们开始探索将多载波技术应用于cdma系中。

ofdm-cdma是近期提出的一种将cdma和ofdm相结合的技术,它结合了ofdm和cdma的优点，其每一正交的子载波经直扩后，与单载波ds-cdma系统相似，具有较强的抗多径、抗衰落能力，且对于高速数据的无线传输，其抗符号间干扰性能明显优于传统的单载波cdma。多载波cdma方案可分为频域扩频和时域扩频。频域扩频一般称为多载波cdma(mc-cdma)。而时域扩频又分为多载波ds-cdma(mc-ds-cdma)和多音调制cdma(mt-cdma)这两种不同的构成方法。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是一种多载波ds-cdma技术在可见光定位系统中的应用，主要是针对背景技术上的不足来提供一种将ofdm与ds-cdma相结合的方法，并应用到室内可见光定位中，克服多径效应对定位误差的影响，实现高速率传输，提高系统的频谱利用率，同时也满足了强度调制直接检测系统对非负实数信号的需求。

技术方案：一种多载波ds-cdma技术在可见光定位系统中的应用方法，包括如下步骤：

步骤1：将发送设备产生的包含有位置信息的串行数据流进行串并变换，转换成并行数据流；

步骤2：将高自相关值，低互相关值的双极性码作为扩频码，并通过发送端设置的序列发生器产生扩频码，为每一个用户分配一个特定的扩频码，对并行数据流与高速的扩频码模二加后产生复合码序列，来扩展并行数据的带宽，生成扩频信号；

步骤3：对步骤2中扩频信号进行厄米特映射操作，映射后输出信号满足厄米特对称性；

步骤4：通过快速傅里叶反变换将步骤3产生的满足厄米特对称特性的信号调制到不同子载波上，并对快速傅里叶变换后的信号进行限幅；

步骤5：对限幅后的信号添加循环前缀，经过并串变换，然后进行数模转换，通过led驱动器，将信号以光的形式发送到信道中；

步骤6：接收端通过光电检测器接收到的来自不同光源的可见光信号，并转化为电信号，经过模数转换对电信号进行离散化，经过串并变换，删除循环前缀操作后进行快速傅里叶变换；

步骤7：快速傅里叶变换后的输出信号，用与发射端同步的伪随机序列相关解扩频，恢复所传输的信息，通过三角定位算法对接收机进行位置定位。

进一步地，步骤1具体为，串行数据流经多路分配器后变成k路并行输出，发送信息为am(t)，通过多路分配器后串行数据流转换为k路并行数据流：

其中，αmk为第m个传输数据的第k行并行数据，q(t-it0)为t时刻矩形波，t0为矩形波周期长度，αm为第m个传输数据的矩阵表示形式。

进一步地，步骤2中，每路数据经相同的扩频码扩频，再分别调制到k个相邻子载波上，具体为：

对并行数据流进行扩频后为xm(t)：

其中，pi∈[-1，+1]，pm(t)是为第m个用户分配的扩频码，tc为码片长度，g为扩频码长度。

进一步地，在步骤3中对扩频调制后的信号进行厄米特映射和快速傅里叶反变换操作，映射后使信号满足奇数子载波上包含信息，而偶数子载波上为0，则映射后的信号为xm：

其中与xm(g-1)互为共轭对称函数，满足厄米特对称性的信号xm，在进行ifft变换操作后输出的为实信号xifft：

xifft＝f^hxm

xifft(k)＝-xifft(k+n/2)k＝0，1，2....n/2-1

其中f为n×n的归一化离散傅里叶变换矩阵，n为快速傅里叶逆变换(ifft)的长度，h表示矩阵的共轭转置。

进一步地，在步骤4中对信号进行限幅，将xifft中小于零的值删除，得到单极性实数信号xclip(k)：

其中nclip(k)为限幅噪声，限幅后的信号对应的频域信号为：

通过上式可看出，映射后使信号xm奇数位上包含信息，而偶数位上为0，有用信号在奇数子载波上，幅度是未限幅频域信号的一半，而限幅噪声都落在偶数位子载波上。

有益效果：

1、基于单载波ds-cdma的室内可见光定位系统，易受系统多径效应的影响，将ds-cdma与ofdm相结合，既保留了ds-cdma的易于实现，抗干扰能力强，保密性好等优势，又有效的降低了系统因多径效应引起的码间干扰问题。

2、基于ds-cdma的室内可见光定位系统，系统的容量大小受多址干扰影响较大，当系统led灯多时，系统受到多址干扰较大，导致定位误差较大，采用多载波ds-cdma技术，可有效提高系统容量。

3、传统基于码分多址的室内可见光定位系统，采用的是强度调制直接检测技术，系统传输的是非负实信号，而扩频码的相关性决定了系统的抗多址干扰能力，为了提高抗多址干扰能力，一般选用双极性的伪随机码，为此将双极性信号转换为单极性信号成为一难题，而在多载波ds-cdma系统中，对扩频调制后的信号映射成具有厄米特对称性，然后ifft操作，可有效解决双极性转单极性码问题。

附图说明

图1是室内可见光定位系统的发射机框图；

图2是传统的多载波ds-cdma原理框图；

图3是室内可见光定位系统的接收机框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明提出一种多载波ds-cdma技术在可见光定位系统中的应用方法，是对现有的室内定位技术的一种改进，将室内每盏led灯发送的数据进行直接序列扩频(ds-cdma)，输出的扩频信息搬运到互相正交的子载波上，实现正交频分复用(ofdm)。本方案是将直接序列扩频技术与正交频分复用技术通过迭代的方式应用于室内定位系统中，可有效的克服系统的多址干扰和多径效应引起的定位误差，同时，在ifft变换前后对数据的厄米特映射和限幅操作，实现双极性复数信号转换成单极性实数信号的过程，解决了可见光定位系统不能传送双极性信号的问题。在接收端通过光电检测器检测到来自不同光源的信息，通过分离出不同光源信息，并对信息进行解调等操作来分离出不同光源的位置信息，并通过rss定位算法确定接收机的位置信息。

图1是室内可见光定位系统的发射机框图，首先是将串行数据流进行拆分，转换成多行并行数据流，系统安置2个相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的扩频调制和接收前端的扩频解调，发送端的序列发生器产生伪随机序列作为扩频码，扩频码与并行数据流相乘进行扩频，并将扩频后的数据进行快速傅里叶反变换。为了能正确进行信号的解扩频处理，接收机接收到信号后，通过码同步技术捕捉到发送来的扩频码的准确相位，由此产生与发送来的伪随机码相位完全一致的解扩频码，以便准确恢复发送信息。

图2是传统的多载波ds-cdma原理框图，是将ds-cdma与ofdm技术相结合应用到了室内可见光定位系统。发送的串行数据流通过串并转换操作装置(s/p)，输出并行数据，并行数据与分配的扩频码cm(n-1)相乘，此过程实现了数据的直接序列扩频。系统中的正交频分复用是通过快速傅里叶反变换(ifft)操作实现的，在ifft操作之前，对扩频后的数据进行映射操作，使扩频信息满足厄米特对称特性，也即奇数子载波上包含信息，偶数子载波为0，满足厄米特对称特性的信号在ifft变换后输出的为实数信号，此后对信号进行限幅操作，将双极性信号转换为单极性信号，便于后续的传输。之后进行并串变换，加循环前缀，数模转换等操作，然后通过led驱动器将电信号转换为光信号发射到信道中传输。

图3是此发明系统接收端原理框图，接收器接收到来自不同光源的可见光信号，并转化为电信号，经过模数转换对信号进行离散化，然后串并变换，删除循环前缀操作后进行快速傅里叶变换。快速傅里叶变换后的输出信号，与发射端同步的伪随机序列相关解扩频，恢复出所传输的信号。

传统的室内可见光定位技术普遍采用频率标识以及时隙轮转的方法，在概念上类似于无线通信中的频分复用和时分复用技术，但这两种方法占用频率范围较大，时钟同步精度高，使得系统的定位误差较大，所以本文提出一种思想：多载波ds-cdma在定位中的应用，将cdma技术引入到定位系统中来，很大程度上提高了系统的性能，系统采用相关性较好得扩频码，在接收端可有效的区分来自不同的光源信息，ofdm的引入可降低多径效应对系统的影响，提高系统容量，提高定位精确度。

一种多载波ds-cdma技术在可见光定位系统中的应用方法，包括如下步骤：

步骤1：将发送设备产生的包含有位置信息的串行数据流进行串并变换，转换成并行数据流。步骤1具体为，串行数据流经多路分配器后变成k路并行输出，发送信息为am(t)，通过多路分配器后串行数据流转换为k路并行数据流：

其中，amk为第m个传输数据的第k行并行数据，q(t-it0)为t时刻矩形波，t0为矩形波周期长度，am为第m个传输数据的矩阵表示形式。

步骤2：将高自相关值，低互相关值的双极性码作为扩频码，并通过发送端设置的序列发生器产生扩频码，为每一个用户分配一个特定的扩频码，对并行数据流与高速的扩频码模二加后产生复合码序列，来扩展并行数据的带宽，生成扩频信号。每路数据经相同的扩频码扩频，再分别调制到k个相邻子载波上，具体为：

对并行数据流进行扩频后为xm：

其中，pi∈[-1,+1]，pm(t)是为第m个用户分配的扩频码，tc为码片长度，g为扩频码长度。

步骤3：对步骤2中扩频信号进行厄米特映射操作，映射后输出信号满足厄米特对称性。在步骤3中对扩频调制后的信号进行厄米特映射和快速傅里叶反变换操作，映射后使信号满足奇数子载波上包含信息，而偶数子载波上为0，则映射后的信号为xm：

其中与xm(g-1)互为共轭对称函数，满足厄米特对称性的信号xm，在进行ifft变换操作后输出的为实信号xifft：

xifft＝f^hxm

xifft(k)＝-xifft(k+n/2)k＝0，1，2·…n/2-1

其中f为n×n的归一化离散傅里叶变换矩阵，n为快速傅里叶逆变换(ifft)的长度，h表示矩阵的共轭转置。

步骤4：通过快速傅里叶反变换将步骤3产生的满足厄米特对称特性的信号调制到不同子载波上，并对快速傅里叶变换后的信号进行限幅。在步骤4中对信号进行限幅，将xifft中小于零的值删除，得到单极性实数信号xclip(k):

其中nclip(k)为限幅噪声，限幅后的信号对应的频域信号为：

通过上式可看出，映射后使信号xm奇数位上包含信息，而偶数位上为0，有用信号在奇数子载波上，幅度是未限幅频域信号的一半，而限幅噪声都落在偶数位子载波上

步骤5：对限幅后的信号添加循环前缀，经过并串变换，然后进行数模转换，通过led驱动器，将信号以光的形式发送到信道中；

步骤6：接收端通过光电检测器接收到的来自不同光源的可见光信号，并转化为电信号，经过模数转换对电信号进行离散化，经过串并变换，删除循环前缀操作后进行快速傅里叶变换；

步骤7：快速傅里叶变换后的输出信号，用与发射端同步的伪随机序列相关解扩频，恢复所传输的信息，通过三角定位算法对接收机进行位置定位。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。