一种包含双向可见光通信链路的到达时间测量系统及方法与流程

本发明涉及可见光通信技术和可见光定位领域，尤其涉及一种双向可见光通信链路的到达时间测量系统与方法。

背景技术：

可见光通信技术是一种将电信号调制到可见光上的一种通信方法。它采用led作为光源，光电探测设备进行检测。led发出的携带调制信号的非相光，在自由空间进行传输后，在光电探测器端进行信号检测，并恢复出原始电号。由于led光源具有较高的光效、低功耗和较长的使用寿命等优点，具有照明和通信两种功能的系统已经作为近年来的热点问题吸引了学术界和工业界的广泛关注。除了可见光通信之外，结合led器件的优势，人们发现可见光定位，尤其是室内可见光定位在未来的智能家居、机器人控制等领域具有广泛的应用。例如，室内定位在大型商场、购物中心采用，消费者可以快速定位所需的商品位置，通过个人信息和商品信息进行路线导航，实现智能导购；在医院采用，对于病人、医生及医疗设备的定位监管，能有效的提升工作效率；在突发灾难现场采用，可以引导救援人员快速解救被困人员。

2011年，意大利比萨圣安娜高等学校的等人将数据传输和室内定位的分离思路，在定位方面采用三角定位的算法，提出了利用可见光通信进行定位的可行性¹。同年，mohammad等人利用两组透镜和图像传感器在不传输位置信息以外的其它信息的情况下，实现了精度为0.15米的室内定位²。2013年，研究人员通过不同载频的多个灯发射的信号分离出各个灯的照明强度，通过强度算出与各个灯的距离进而实现定位，并且在0.4米的高度下实现了厘米级精度的定位³。

一般来说，定位技术是以距离测量技术为前提的，而距离测量技术有两类方法，一类是时间测量法，即测量信号的达到时间，从而测量距离；另一类是信号强度测量法，即测量信号从发送端到接收端的衰减情况，从而测量距离。

对于第一类方法来说，只要发送和接收端保持时间同步便可以精确的计算出信号传输所用的时间，从而计算出两终端的距离。此方法对终端的同步要求非常严格，因为信号为短距离传输，而且无线信号的传输速度又非常快，如果不能保证终端间的严格同步，则会计算产生很大的位置误差。

研究人员和工程师一直都在研究减少定位技术中时间测量误差的方法。

参考文献：

1gcossu，mpresi，rcorsini，etal，avisiblelightlocalizationaidedopticalwirelesssystem，globecomworkshops，2011，47(10)：802-807

2highprecisionindoorpositioningusinglightingledandimagesensor，msrahman，mmhaque，kdkim，internationalconferenceoncomputer&informationtechnology，2011：309-3143drkim，hskim，skhan，etal，anindoorvisiblelightcommunicationpositioningsystemusingarfcarrierallocationtechnique，ieeejournaloflightwavetechnology，2013，31(1)：134-144.

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术方法的不足，提供了一种双向可见光通信链路的到达时间测量系统与方法。在到达时间测量中，接收机的响应时间是影响准确测量的最重要原因，只有准确的估计出接收机的响应时间，才能够计算得到到达时间。该方法利用双向可见光通信链路，通过如下方法测量到达时间，在可见光定位技术领域均可以采用。

可见光定位系统包含上行链路(终端到接入端的数据传输)和下行链路(接入端到终端的数据传输)，均采用led可见光通信的方式进行数据传输，到达时间测量包含如下过程：

a)设备1先发送脉冲信号1至设备2，并记录当前发送脉冲信号1的时间t1；

b)设备1通过自身可见光接收模块接收到脉冲信号1，记录当前接收到脉冲信号1的时间t2，设备1计算出该设备的一次响应时间δt1＝t2-t1，并将该数值存放于设备1的本地存储器，计算更新设备1的平均响应时间，和分别为设备1的当前平均响应时间和历史平均响应时间；

c)设备2接收到脉冲信号1后，立即发送脉冲信号2至设备1，记录此时发送脉冲信号2的时间t3；

d)设备2通过自身可见光接收模块接收到脉冲信号2，记录当前接收到脉冲信号2的时间t4；

e)设备1接收到脉冲信号2后，记录当前接收脉冲信号2的时间t5；

f)设备2计算出该设备的一次响应时间δt2＝t4-t3，并将该数值存放于设备2的本地存储器，计算更新设备2的平均响应时间，和分别为设备2的当前平均响应时间和历史平均响应时间；

g)设备1按照下述方法计算出设备1和设备2之间的到达时间t，即其中，和分别为设备1存储的设备1和设备2的平均响应时间。

进一步的，设备1可以是接入端，此时设备2为终端；或者，设备2是接入端，此时设备1为终端。

进一步的，发射模块和接收模块信号带宽允许的范围内，脉冲信号1和脉冲信号2的带宽尽可能的大，即脉冲尽可能的窄。

进一步的，设备2和设备1可以建立专用通信时隙，交换各自的响应时间信息，或者各自测量得到的到达时间。

进一步的，步骤g)中的可以是当前测量得到的设备2的平均响应时间，也可以是前一段时间设备2的平均响应时间。可以根据通信信道的流量情况，确定的更新频率。

本发明同时提出了一种包含双向可见光通信链路的到达时间测量系统，包括以下组成部分：

接入端可见光收发模块，包含第一led发射模块和第二可见光接收模块，其中，第一led发射模块可以发射信号至终端，或者发射信号至第二可见光接收模块，第二可见光接收模块可以接收第一led发射模块或者第二led发射模块的信息；接入端信号处理单元，用来处理第二可见光接收模块接收的信息，并具有一定的运算能力，用来从接收到的信息中提取终端位置信息；终端可见光收发模块，包含第二led发射模块和第一可见光接收模块，其中，第二led发射模块可以发射信号至接入端，或者发射信号至第一可见光接收模块，第一可见光接收模块可以接收第一led发射模块或者第二led发射模块的信息；终端信号处理单元，用来处理第一可见光接收模块接收的信息，并具有一定的运算能力，用来从接收到的信息中提取终端位置信息。

进一步的，在该系统中接入端信号处理单元，或者终端信号处理单元，可以包含高速数字信号处理器(dsp)，或者专用集成电路，来减少接收机的响应时间。

进一步的，终端可以是移动终端，也可以是固定终端；终端的数目可以是一个或者多个；移动终端的类型可以是手机、笔记本或者平板电脑等设备。

进一步的，led可以是rgb-led，也可以是蓝光led与荧光粉构成的白光led，或者是紫光led与荧光粉构成的白光led。

进一步的，接入端可以连接其它类型的网络，使得可见光通信能够兼容光纤通信或者3g、4g、5g移动接入方式。

该方法利用双向可见光通信链路具有交互通信的优点，通过设备1和设备2发送的两个脉冲，设备1测量了三个时刻，设备2测量了两个时刻，共计5个时刻，按照一定的计算方法最终完成了到达时间的测量。系统中包含了两套可见光收发模块和相关的信号处理模块。该方法和系统可以广泛应用在可见光通信的定位系统中，通过降低到达时间的测量误差，提高整个系统定位的精度。

附图说明：

图1：本发明提出的双向可见光通信链路的到达时间测量方法示意图。

图2：本发明提出的双向可见光通信链路的到达时间测量系统结构图。

具体实施方式

为了使本实用发明的技术手段、发明特征，以及达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

1到达时间测量举例

由于接收机的响应时间是影响准确测量的最重要原因，本发明采用两套收发设备分别测量5个接收点的时刻，从而计算接收机的响应时间，根据此响应时间，最终才能够计算得到到达时间。

假设可见光通信的信道情况较为简单，主要为视距传输的情况，即可见光的光源离墙面等反射面较远，或者墙面等反射体反射系数较小，对可见光的吸收较多的情况。在这种情况下，设定终端到接入端视距传输情况下的传播时延为需要测量的到达时间。假如发射机和接收机之间距离为2米，则到达时间应该为6.7ns。

按照如下过程测量：

1)设备1先发送脉冲信号1至设备2，并记录当前发送脉冲信号1的时间t1，绝对时刻没有太大意义，我们可以认为此时刻为0ns；

2)设备1通过自身可见光接收模块接收到脉冲信号1，记录当前接收到脉冲信号1的时间t2，此时刻离t1时刻较近，假如t2＝1.4ns，设备1计算出该设备的一次响应时间δt1＝t2-t1＝1.4ns，并将该数值存放于设备1的本地存储器，假如计算更新设备1的平均响应时间，令和分别为设备1的当前平均响应时间和历史平均响应时间；

3)设备2接收到脉冲信号1后，立即发送脉冲信号2至设备1，记录此时发送脉冲信号2的时间t3，假如t3＝8.9ns；

4)设备2通过自身可见光接收模块接收到脉冲信号2，记录当前接收到脉冲信号2的时间t4，假如t4＝10.9ns；

5)设备1接收到脉冲信号2后，记录当前接收脉冲信号2的时间t5，假如t5＝17.5ns；

6)设备2计算出该设备的一次响应时间δt2＝t4-t3＝2ns，并将该数值存放于设备2的本地存储器，假如计算更新设备2的平均响应时间，令和分别为设备2的当前平均响应时间和历史平均响应时间；

7)设备1按照下述方法计算出设备1和设备2之间的到达时间t，即此时，其中，和分别为设备1存储的设备1和设备2的平均响应时间。如果设备1存储的设备2的平均响应时间没有及时更新，则此时设备1和设备2之间的到达时间t＝(17.5-0-1.5-2.2)/2＝6.9ns。

2该方法对设备1和设备2同步的要求

由于该方法中设备1和设备2分别测量各自的时间，设备1和设备2只要保证本地系统时钟的正常运行即可，即使本地时钟有偏差，但是t5和t1均为设备1测量的结果，二者之差可以消除时钟偏差。同样的道理，δt1＝t2-t1，也可以消除时钟偏差。同样的道理，设备2只需计算其响应时间δt2＝t4-t3，其时钟偏差也可以消除。设备2只需定时发送其平均响应时间。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。