本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种基于OFDMA技术的可见光室内定位方法。
背景技术：
移动互联网时代，各种基于定位的位置服务系统应用越来越普遍。目前，应用最为广泛的室外无线电定位系统是美国的GPS全球定位系统，民用级定位精度可达15米以内。但在人们活动较为频繁的家庭办公室、大型商场等室内环境以及隧道、低下停车场等特殊环境，由于无线电信号的遮蔽效应导致GPS等传统卫星定位系统难以使用。过去10年，基于无线电波技术提出许多室内定位方案。主要有：WLAN、RFID、UWB、WIFI、超声系统、蓝牙等，这些方法提供了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，这些都直接影响了定位质量。
近年来，可见光通信(Visible Light Communication，VLC)由于具有同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。基于可见光通信的室内定位技术通过控制LED发射人体肉眼感受不到的高频光信号，对LED进行强度调制，发射定位的ID信号，相关的定位算法包括接收信号强度(Received signal strength,RSS)、到达时间(Time of arrival,TOA)和到达时间差(Time difference of arrival,TDOA)等方法。相对于传统室内定位技术，基于VLC技术的室内定位系统具有定位精度较高、保密性能好、兼顾通信与照明的需求，且具有无电磁辐射、不受电磁干扰等优点，已成为国内外研究人员的研究热点。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术的不足之处，提供一种基于OFDMA技术的可见光室内定位方法，该方法基于OFDMA(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，正交频分多址)技术，具有电磁兼容性良好、覆盖广泛的特点，能够实现高精度的室内定位。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于OFDMA技术的可见光室内定位方法，具体步骤包括：
S1、将天花板上的每个LED灯具的坐标信息编码成相应LED灯具的ID码，使每个LED灯具具有唯一的ID码；
S2、将每三个LED灯具分为一组，对每组中的三个LED灯具的ID码分别通过OFDM(正交频分复用)调制模块进行相同点数的OFDM调制，三个调制模块所用到的子载波是从同一频带中分割出来的三部分相互正交的子载波；调制后生成的OFDM信号通过数模转换电路转换成模拟量，再通过LED驱动电路加载到LED灯具上发射光信号；
S3、每个移动终端接收来自同组的三个LED灯具发射的光信号，并进行光电转换，对转换后的电信号进行OFDM解调，获取衰减后的LED灯具的ID码；
S4、将衰减后的LED灯具的ID码经电压抽样判决器恢复出原始ID码，然后把衰减后的ID码与原始ID码进行比较测得信号衰减量；根据ID码及相应的接收信号衰减量，利用三角定位算法实现移动终端的精确定位。
进一步地，所述通过OFDM调制模块进行相同点数的OFDM调制，具体为：所述相同点数可视信道带宽确定，包括64点、128点、256点等。
进一步地，所述同一频带分割出来的三部分相互正交的子载波，具体为：每一个LED灯具的ID信号占用一部分正交子载波，由于三个ID信号采用相同点数的OFDM调制，因此在其他ID信号占用的信道上，信号进行补零处理。
进一步地，所述步骤S3，具体包括：
S31、所述每组三个LED灯具发射的可见光信号在空间中叠加到一起，通过光电检测器件转化为电信号；
S32、转化后的电信号通过接收电路中的放大电路放大，再通过滤波器滤除噪声信号，得到待解调信号；
S33、所述待解调信号通过模数转换电路得到数字信号，再通过OFDM解调模块进行OFDM解调，从三部分子载波上分别解调出三个LED灯具的ID码。
进一步地，所述步骤S4，具体包括：
S41、LED灯具属于朗伯光源，第k个LED灯具的辐照度I(θk)可表示为：
其中，θk为第k个LED灯具相对于LED灯具垂直轴的发射角，mt表示朗伯发光阶数，由以下公式给出：
mt＝-ln2/lncosθ102
其中θ102为灯具的半功率角。光信号的空间传播路径为直视链路，因此从第k个LED到接收端直射视距光信道直流增益Hk(0)的数学表达式为：
其中，θk为第k个LED灯具的发射角，ψk为光电探测器的接收角，dk为光电探测器和第k个LED灯具的距离，A为光电检测器有效接收面积，Ts(ψk)为光滤波器增益，g(ψk)为聚光透镜增益。
将光电探测器接收到的衰减后第k个LED灯具的ID信号功率为解调后的信号通过电压抽样判决器得到LED灯具还原的原始ID信号功率为两者存在关系：
根据ID码上的信号功率及Hk(0)表达式即得出移动终端和对应LED灯具的距离dk:
其中，h为LED灯具与光电探测器的垂直距离；当光电探测器水平放置时，ψk＝θk；
S42、将LED灯具投影到移动终端所在的平面，rk为移动终端与第k个LED灯具的水平距离，且由此可得移动终端分别与定位单元中的3个LED灯具的坐标关系式：
其中，(x,y)为移动终端的坐标，(xi,yi)为第i个LED灯具的坐标；通过求解上述方程组，即可确定移动终端所在的精确位置(x,y)。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用OFDMA技术实现正交频分多址，具有更高的频谱效率；
2、使用OFDM调制具有更高的数据传输速率；
3、使用OFDM调制更好的抗衰落性能，能够很好地解决信号干扰问题，具有较高的信噪比。
附图说明
图1为本发明实现一种基于OFDMA技术的可见光室内定位的示意图；
图2为本实施例中三个LED灯具经OFDM调制发射光信号的流程图；
图3为本实施例接收光信号并进行定位的流程图；
图4本实施例中三个LED灯具投影到移动终端所在的平面的投影图；
图5为本发明实施例中真实位置与测量位置的对比图；
图6为本发明实施例在不同信噪比下的定位误差分布统计直方图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细的说明，但本发明的实施方式并不限于此。
实施例1
如图1所示为一种基于OFDMA技术的可见光室内定位的示意图。根据室内环境的需要在天花板上安装M个LED灯具，其中M≥3，每三个相邻LED灯具为一组定位单元。
一种基于OFDMA技术的可见光室内定位方法，具体包括：
S1、将每个LED灯具的坐标信息编码成相应LED灯的ID码，使每个LED灯具有唯一的ID码；
S2、将每三个LED灯具分为一组，对每组中的三个LED灯具的ID码分别通过OFDM调制模块进行OFDM调制，调制后生成的OFDM符号通过数模转换电路转换成模拟量，再通过LED驱动电路加载到LED灯具上发射光信号；
如图2所示为本实施例中三个LED灯具经OFDM调制发射光信号的流程图。本实施例中，三个LED灯具位置信息的ID码分别经过符号映射后都进行N点OFDM调制，同时为了能在接收端区分出三个LED灯具的ID信号，基于OFDMA原理将子载波分为三个部分，如图2所示的一种分割方法具体为：将N个子载波分为1～N/2号子载波，N/2+1～3N/4号子载波，3N/4+1～N号子载波三部分，三个ID信号分别占用了不同的子载波通道，将LED1的ID信息调制到1～N/2号子载波，当前调制模块剩余子载波上的调制的信号进行补零处理；LED2的ID信息调制到N/2+1～3N/4号子载波，当前调制模块剩余子载波上的调制信号进行补零处理；LED3的ID信息调制到3N/4+1～N号子载波，当前调制模块剩余子载波上的调制信号进行补零处理。之后对调制信号进行加循环前缀、上采样、数模转换处理后传输到光学前端电路并加载到LED灯具上。
如图3所示为本实施例接收光信号并进行定位的流程图。
S3、PD接收来自同组的三个LED灯具发射的光信号，光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，电信号通过接收电路的放大电路、滤波器处理，得到待解调信号；待解调信号经过模数转换电路得到数字信号，对所述数字信号进行OFDM解调，获取衰减后的LED灯具的ID码；
S4、将衰减后的LED灯具的ID码经电压抽样判决器恢复出原始ID码，然后把衰减后的ID码与原始ID码进行比较测得信号衰减量；根据ID码及相应的衰减量，利用三角定位算法实现移动终端的精确定位。
如图4所示为本实施例中三个LED灯具投影到移动终端所在的平面的投影图。r1，r2，r3分别是d1，d2，d3在水平面的投影，(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)分别为三个LED灯具的坐标，三个圆形的交点即是移动终端的位置(x,y)。解如下方程组即可求得移动终端的坐标(x,y)，实现精确定位。
实施例2
通过MATLAB基于OFDMA的原理仿真实现三个LED灯具的ID信号在256点OFDM调制系统中的三部分正交子信道中传输，其中LED1的ID信息占用1～128号子载波，剩余未占用子载波上的信号进行补零处理；LED2的ID信息占用129～192号子载波，剩余未占用子载波上的信号进行补零处理；LED3的ID信息占用193～256号子载波，剩余未占用子载波上的信号进行补零处理。由于信道的正交性，在接收端采用可解调出混合信号中对应的LED灯具的ID信息。信道采用加性高斯白噪声作为噪声干扰，利用小波滤波进行去噪，建立以2m×2m×3m为单元的室内空间，其中LED灯具位于单元的端点处。由于利用三个LED灯具即可实现定位，因此将正方形区域再划分为三角形区域，选取最近的三个LED光源进行定位，其坐标A(0,0,2)、B(0,2,0)、C(0,0,2。将2m×2m的平面空间每隔(0.25m,0.25m取一个点，得到28个坐标点。
在信噪比为35dB的条件下，真实位置和测量位置的对比图如图5所示，定位的最大误差为1.7cm。图6为在不同信噪比条件下的定位误差分布统计直方图，由图可知，在30dB的信噪比条件下，最大误差在12cm以内，85％的点的定位误差在4cm以内。因此可以看出基于OFDMA技术的可见光室内方法的定位精度高。
以上实施例仅为本发明优选的实施方式，但本发明专利的保护范围并不限于此。任何本领域内的技术在不脱离本发明构思的前提下所做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。