一种可见光双向通信与定位系统

本发明涉及光学通信领域，更具体地，涉及一种可见光双向通信与定位系统。

背景技术：

可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)是当今一种新型的通信技术，相较于传统的通信方式，可见光通信技术(visiblelightcommunication，vlc)具有频谱资源丰富、无电磁干扰、绿色环保、可实现通照共用等优点，并且在某些领域如室内、水下等场所具有传统射频通信无法比拟的优势，所以发展可见光通信技术势在必行。

公开号为“cn105915284a”，公开日为2016年8月31日的中国专利公开一种双向传输的可见光通信装置，包括功能型led收发模组，pin/apd并led收发模组，接收端滤波模块、放大器；功能型led收发模组由n个在led外延结构上加了功能型材料的双功能led器件组成，双功能led能够分别工作于发光模式和光电探测模式；pin/apd并led收发模组由pin或apd光电探测器及led组成；接收端滤波、放大器由滤波电桥、自动增益放大器或运算放大器组成。所述装置的下行系统包括功能型收发模组中的led发射端，pin/apd光电探测器接收端，放大器；上行系统包括pin/apd并led收发模组中的led发射端、功能型收发模组中led接收端、滤波电路、放大器。所述双向通信装置能同时实现下载和上传数据信息，上行通信峰值波长与下行通信峰值波长相差20-100nm，可有效避免信号窜扰。

但是在上述的方案中，功能型led收发模组和pin/apd并led收发模组仅仅通过可见光进行互相通信，而在可见光通信链路中，要保持光源与接收机的对准，以保证接收到的信号足够强，使信号可以不失真地被解调出来，当接收机相对光源的位置发生改变时，可见光通信质量会变差，因此上述的技术方案只能实现定点的双向通信，无法在移动中进行通信，其局限性较大。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术中的可见光双向通信系统只能定点通信的问题，提供一种可见光双向通信与定位系统，能够实现可见光波段内两个通信节点同时上传和下载数据，并能定位跟踪，以实现两个通信节点即使发生相对运动也能保持光源和接收机的对准，保证通信质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可见光双向通信与定位系统，包括第一通信节点和第二通信节点，所述第一通信节点包括定位光源、第一通信光源、pin/apd探测器模组以及驱动所述第一通信光源和所述pin/apd探测器模组转动的第一驱动装置组件；所述第二通信节点包括复合接收机、第二通信光源和驱动所述第二通信光源转动的第二驱动装置；所述复合接收机用于接收所述定位光源和所述第一通信光源的信号，所述复合接收机包括多个探测器；所述pin/apd探测器模组用于接收所述第二通信光源的信号。

在上述的技术方案中，系统通过定位光源向复合接收机发出定位信息，对复合接收机的位置进行定位跟踪，系统根据复合接收机的定位跟踪结果，反馈控制信息至第一驱动装置组件和第二驱动装置，第一驱动装置组件可以为分别驱动第一通信光源和pin/apd探测器模组转动的两个电机，第二驱动装置为驱动第二通信光源转动的一个电机，第一通信光源被转动至对准复合接收机的方向，第二通信光源和pin/apd探测器模组被驱动至互相对准，使得第一通信节点和第二通信节点在发生相对运动过后也能保持光源与信号接收器的对准，以保证接收到的信号足够强，使信号可以不失真地被解调出来。

优选的，每个探测器接收所述定位光源的可见光信号，获得不同方位的光强信息，解析每个探测器当前位置处的光强值，根据多个计算参数建立探测器与接收光功率之比的位置关系，应用滤波跟踪算法对复合接收机的位置和速度进行预测，获得复合接收机的实时坐标和速度；第一驱动装置组件和第二驱动装置根据复合接收机的实时坐标和速度分别驱动所述第一通信光源、所述pin/apd探测器模组以及第二通信光源转动，令所述第一通信光源对准所述复合接收机，所述pin/apd探测器模组和第二通信光源互相对准。

优选的，所述第二通信节点包括三棱台基座；所述复合接收机包括四个探测器，其中一个探测器设置于所述三棱台基座的顶面中心，为顶面探测器，另外三个探测器分别设置于速搜三棱台基座的三个侧面的中心，为侧面探测器；所述第二驱动装置和所述第二通信光源均设置于所述三棱台基座上。第一通信节点也可以设置一个立体基台，第一通信光源、pin/apd探测器模组、第一驱动装置组件均设置在该立体基台上。定位光源、第一通信光源和第二通信光源均可以为led灯，第一通信光源、第二通信光源和pin/apd探测器模组可以与电机的转轴连接，从而能够被带动转动一定的角度。

优选的，所述复合接收机的坐标具体公式为：

式中，(xr4,yr4,zr4)表示顶面探测器pd的坐标；(xri,yri,zri)是侧面探测器pdi的坐标，i＝1、2、3；θ为地面三角形垂直平分线之间的夹角，且θ<90°；a为底面中心到各端点的距离；h为棱台高度；顶面探测器pd的坐标也作为所述复合接收机的坐标，所述复合接收机的坐标就是第二通信节点的坐标。

(xr4,yr4,zr4)的求解过程如下：

令mi为探测器的光轴向量，i＝1、2、3、4；则：

令ki为发射端至接收端的向量，则

ki＝[xt-xri，yt-yri，zt-zri](3)

其中，(xt,yt,zt)为led光源坐标；

发射端平面法向量为：

n＝[0,0,1](4)

令为光源光线发射角，为探测器光线入射角，入射角满足的关系如下：则

发射端到接收端的距离为di，i＝1、2、3、4；则：

假设led灯服从朗伯辐射模型，在直射视距链路下信道增益h(0)可以表示为：

其中，为光源光线发射角；为探测器光线入射角；θ0为探测器光学前端的视场角；a为探测器的接收面积；表示光滤波器增益；m为朗伯辐射模式数；为探测器光学前端的增益；m为光源朗伯阶数；di为接收机到led光源之间的距离。

将式(2)(3)(4)(5)(6)代入到式(7)中，计算得到光电探测器的接收光功率可以分别表示为：

pri＝p_led*h(0)(8)

其中p_led为led的发射光功率

利用式(8)，求得倾斜pd接收光功率与水平pd接收光功率之比为：

将(1)式代入(8)中，可得方程，未知数为xr4，yr4，zr4，解方程组，可得复合接收机的坐标(xr4,yr4,zr4)；

优选的，所述第一通信节点分为128个子信道，所述定位光源发射的定位信息加载到1个子信道上，所述第一通信光源发射的信号加载到其余127个子信道上。由于定位和通信信号传输频带的范围不同，可以直接通过滤波器装置将两种信号进行分离，然后通过不同的子信道单独处理分离的信号来实现系统的定位和通信功能，令复合接收机能够同时接收定位信号和通信信号。

优选的，所述定位光源和所述第一通信光源的工作峰值波长与所述第二通信光源的峰值波长相差20-100nm，避免定位信号和通信信号之间的串扰。

优选的，滤波跟踪算法为卡尔曼滤波算法、扩展卡尔曼滤波算法、无迹卡尔曼滤波算法或粒子滤波算法中的一种。

优选的，所述探测器包括pin管、pin管的阵列、apd管和apd管的阵列中的一种或多种；所述探测器设置有增强入射光和信号强度的透镜。

优选的，所述复合接收机分集合并处理通信信号的方式为选择式sc、最大值mrc或等增益egc中的一种。

优选的，所述第一通信节点还包括位于通信发射端的均衡电路、放大器和偏置树；所述第二通信节点的还包括：位于通信发射端的均衡电路、放大器和偏置树和位于接收端电路的光电转换电路、带通滤波器和放大器。第一通信节点向第二通信节点进行通信的具体过程为通过子载波调制的方式将通信信号搬运到相应的通信子信道上传输，调制信号通过均衡电路，放大器，偏置树，驱动第一通信光源进入发光模式，实现电光转换，发射信号并经过自由空间到达第二通信节点的复合接收机。通信信号进入第二通信节点后通过光电转换电路实现光电转换、通过带通滤波器与定位信号分离，放大器实现信号的放大，复合接收机最后分集合并处理各个探测器接收到的信号。第二通信节点向第一通信节点的具体通信过程为调制信号通过均衡电路、放大器和偏置树，驱动第二通信光源进入发光模式，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到达第一通信节点的pin/apd探测器模组。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：系统通过两个通信节点能够实现可见光波段内两个通信节点同时上传和下载数据，并通过定位光源、复合接收机、第一驱动装置组件和第二驱动装置的作用实现定位跟踪功能，以实现两个通信节点即使发生相对运动也能保持第一通信光源与复合接收机以及第二通信光源与pin/apd探测器模组的对准，保证通信质量。

附图说明

图1是本发明的一种可见光双向通信与定位系统的结构示意图；

图2是本发明的第二通信节点的结构示意图；

图3是本发明的第一通信节点的结构示意图；

图4是三棱台基座的参数示意图；

图5是三棱台基座的另一参数示意图；

图6是定位范围结果图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-6所示为一种可见光双向通信与定位系统的实施例，包括第一通信节点和第二通信节点，第一通信节点包括定位光源1、第一通信光源2、pin/apd探测器模组3以及驱动第一通信光源2和pin/apd探测器模组3转动的第一驱动装置组件4；第二通信节点包括复合接收机、第二通信光源5和驱动第二通信光源5转动的第二驱动装置6；复合接收机用于接收定位光源1和第一通信光源2的信号，复合接收机包括多个探测器；pin/apd探测器模组3用于接收第二通信光源5的信号。第一通信节点还包括位于通信发射端的均衡电路、放大器和偏置树；第二通信节点的还包括：位于通信发射端的均衡电路、放大器和偏置树和位于接收端电路的光电转换电路、带通滤波器和放大器。第一通信节点向第二通信节点进行通信的具体过程为通过子载波调制的方式将通信信号搬运到相应的通信子信道上传输，调制信号通过均衡电路，放大器，偏置树，驱动第一通信光源2进入发光模式，实现电光转换，发射信号并经过自由空间到达第二通信节点的复合接收机。通信信号进入第二通信节点通过光电转换电路实现光电转换、通过带通滤波器与定位信号分离，放大器实现信号的放大，复合接收机最后分集合并处理各个探测器接收到的信号。第二通信节点向第一通信节点的具体通信过程为调制信号通过均衡电路、放大器和偏置树，驱动第二通信光源5进入发光模式，实现电光转换，发射信号，经过自由空间，到达第一通信节点的pin/apd探测器模组3。

具体的，每个探测器接收定位光源1的可见光信号，获得不同方位的光强信息，解析每个探测器当前位置处的光强值，根据多个计算参数建立探测器与接收光功率之比的位置关系，应用滤波跟踪算法对复合接收机的位置和速度进行预测，获得复合接收机的实时坐标和速度；第一驱动装置组件4和第二驱动装置6根据复合接收机的实时坐标和速度分别驱动第一通信光源2、pin/apd探测器模组3以及第二通信光源5转动，令第一通信光源2对准复合接收机，pin/apd探测器模组3和第二通信光源5互相对准。

其中，第二通信节点包括三棱台基座；复合接收机包括四个探测器，其中一个探测器设置于三棱台基座的顶面中心，为顶面探测器7，另外三个探测器分别设置于三棱台基座的三个侧面的中心，为侧面探测器8；第二驱动装置6和第二通信光源5均设置于三棱台基座上。第一通信节点也可以设置一个立体基台，第一通信光源2、pin/apd探测器模组3、第一驱动装置组件4均设置在该立体基台上。定位光源1、第一通信光源2和第二通信光源5均为led灯，第一通信光源2、第二通信光源5和pin/apd探测器模组3可以与电机的转轴连接，从而能够被带动转动一定的角度，在本实施例中，第一驱动装置组件4和第二驱动装置6可转动180度。

如图4-5所示，复合接收机的坐标具体公式为：

式中，(xr4,yr4,zr4)表示顶面探测器pd的坐标；(xri,yri,zri)是侧面探测器pdi的坐标，i＝1、2、3；θ为地面三角形垂直平分线之间的夹角，且θ<90°；a为底面中心到各端点的距离；h为棱台高度；顶面探测器7pd的坐标也作为复合接收机的坐标。

(xr4,yr4,zr4)的求解过程如下：

令mi为探测器的光轴向量，i＝1、2、3、4；则：

令ki为发射端至接收端的向量，则

ki＝[xt-xri，yt-yri，zt-zri](3)

其中，(xt,yt,zt)为led光源坐标；

发射端平面法向量为：

n＝[0,0,1](4)

令为光源光线发射角，为探测器光线入射角，入射角满足的关系如下：则

发射端到接收端的距离为di，i＝1、2、3、4；则：

假设led灯服从朗伯辐射模型，在直射视距链路下信道增益h(0)可以表示为：

其中，为光源光线发射角；为探测器光线入射角；θ0为探测器光学前端的视场角；a为探测器的接收面积；表示光滤波器增益；m为朗伯辐射模式数；为探测器光学前端的增益；m为光源朗伯阶数；di为接收机到led光源之间的距离。

将式(2)(3)(4)(5)(6)代入到式(7)中，计算得到光电探测器的接收光功率可以分别表示为：

pri＝p_led*h(0)(8)

其中p_led为led的发射光功率

利用式(8)，求得倾斜pd接收光功率与水平pd接收光功率之比为：

将(1)式代入(8)中，可得方程，未知数为xr4，yr4，zr4，解方程组，可得复合接收机的坐标为(xr4,yr4,zr4)；

本实施例的工作原理或工作流程：系统通过定位光源1向复合接收机发出定位信息，每个探测器接收定位光源1的可见光信号，获得不同方位的光强信息，解析每个探测器当前位置处的光强值，根据多个计算参数建立探测器与接收光功率之比的位置关系，应用滤波跟踪算法对复合接收机的位置和速度进行预测，获得复合接收机的实时坐标和速度，系统根据复合接收机坐标和速度控制第一驱动装置组件4和第二驱动装置6，第一驱动装置组件4可以为分别驱动第一通信光源2和pin/apd探测器模组3转动的两个电机，第二驱动装置6为驱动第二通信光源5转动的一个电机，第一通信光源2被转动至对准复合接收机的方向，第二通信光源5和pin/apd探测器模组3被驱动至互相对准，使得第一通信节点和第二通信节点在发生相对运动过后也能保持光源与信号接收器的对准，以保证接收到的信号足够强，使信号可以不失真地被解调出来。四个探测器都接收到光信号，如果复合接收机的任一个探测器进入接收盲区，则定位失败，如图6可知，两个通信节点平面越远，能实现定位跟踪的范围越大。

本实施例的有益效果：系统通过两个通信节点能够实现可见光波段内两个通信节点同时上传和下载数据，并通过定位光源1、复合接收机、第一驱动装置组件4和第二驱动装置6的作用实现定位跟踪功能，以实现两个通信节点即使发生相对运动也能保持第一通信光源2与复合接收机以及第二通信光源5与pin/apd探测器模组3的对准，保证通信质量。

实施例2

一种可见光双向通信与定位系统的另一实施例，与实施例1的区别在于，第一通信节点分为128个子信道，定位光源1发射的定位信息加载到1个子信道上，第一通信光源2发射的信号加载到其余127个子信道上。由于定位和通信信号传输频带的范围不同，可以直接通过滤波器装置将两种信号进行分离，然后通过不同的子信道单独处理分离的信号来实现系统的定位和通信功能，令复合接收机能够同时接收定位信号和通信信号。

其中，定位光源1和第一通信光源2的工作峰值波长与第二通信光源5的峰值波长相差20-100nm，避免定位信号和通信信号之间的串扰。

具体的，滤波跟踪算法为卡尔曼滤波算法。

另外的，探测器包括pin管的阵列；探测器设置有增强入射光和信号强度的透镜。复合接收机分集合并处理通信信号的方式为等增益egc。

本实施例的其余技术特征和工作原理与实施例1一致。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。