CN105162519A - 一种室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方案，其具体实施步骤如下：移动台在单个微蜂窝小区内完成定位；利用卡尔曼滤波器滤除噪声干扰，提高定位精度；协调器结合上述的位置信息决定是否启动预切换；移动台利用接收到的信号功率信息通知协调器完成链路切换过程。本发明提供的可见光通信切换方法具有无缝覆盖，系统开销小的优点。

Description

一种室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方法

技术领域

本发明涉及可见光通信(VLC)领域，具体来说，涉及一种室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方法。

背景技术

近年来，LED由于其低能耗，寿命长，种类繁多，绿色环保等优势成为下一代照明的有力选择，国内外各大照明厂商(如飞利浦，亿光，科瑞)相继研发出各种高性能LED投入市场，可以预见未来LED灯将成为人们日常生活照明的首选，同时LED的普及也为可见光通信的长远发展奠定了基础。此外人们注意到LED还具有良好的调制性能、响应灵敏度高等优点，利用LED的这种特性，在照明的同时，还可以把数据调制到LED上进行传输，从而实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信技术[。但是测量发现，一方面白光LED照明器件本身的通信带宽比较有限，因此需要研究各种提高VLC系统速率和网络容量的方法和技术，以实现宽带通信的目标；另一方面，由于单个LED光源发出的光具有一定的定向性，漫射性比以往使用的荧光光源弱，因此，为了实现室内，尤其是大型室内环境的均匀照明，一般需要在室内天花板上按照规则排列若干LED光源形成光源阵列。所以如果我们让不同的LED光源发送不同的信息，每个LED光源独自负责自身有效覆盖范围内用户的业务通信，这就实现了基于光源位置的空分复用，理论上可以大大提高整个网络的通信容量，我们把这种网络称为室内微蜂窝可见光通信网络。

室内微蜂窝可见光通信网络类似于无线通信中的微蜂窝小区，只是覆盖区域更小，通常一个LED灯(阵列)照射的区域即为一个服务区域。一般来说，一个LED灯能够服务的区域大概是直径为2-3m的圆形区域，当用户移动时，可能只需几秒就穿过一个服务区域，同时由于可见光通信独特的视距特性，信道特性和无线通信也大不相同，所以在室内微蜂窝可见光通信网络中，一个快速、准确、有效的切换机制是保证移动用户服务质量的前提。在这些条件下，我们提出了新的定位和越区切换算法，而如何得到用户的位置信息则是其中的一个难点。目前大多数的位置服务LBS(locationbasedservice)都是利用多条下行链路来得到用户的位置信息，比如GPS，但是在室内由于建筑物的遮挡，GPS处于不可用状态。而在我们的室内微蜂窝可见光通信网络中，可以利用上行红外链路，通过一些定位算法来实现用户位置的估计，从而保证切换的顺利实现。在这个过程中，我们引入了卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器是一种高效率的递归滤波器。它能够从一系列的不完全及包含噪声的测量中，估计出动态系统的状态。我们在定位后使用卡尔曼滤波器来提高定位性能，通过设法去掉噪声的影响，得到一个关于目标位置的更好的估计，这为我们在接下来的切换过程提供了更加准确的判决条件。

发明内容

本发明提出一种在室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方案，从而解决室内可见光通信(VLC)网络吞吐效率以及切换难执行的问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

图1所示的一个室内微蜂窝可见光通信网络模型，该模型适用于比较宽阔的大厅等场景。我们通过排列LED灯的分布，利用可见光的视距性，既实现了无缝覆盖来保证用户的服务质量，又节省了在LED灯上的花费。如果用户在当前服务小区1，那么当用户移动到小区边缘时，必须有一套机制来通知协调器完成即将到来的越区切换。基于此，我们提出了一种切换机制来解决上述问题，本发明的具体实施步骤为：

(1)在单个微蜂窝小区内完成定位。

(2)利用卡尔曼滤波器滤除噪声影响，提高定位精度。

(3)利用上述步骤的位置信息决定是否启动预切换。

(4)移动台利用接收到的信号功率信息通知协调器完成链路切换过程。

进一步，步骤(1)中在单个微蜂窝小区内完成定位是指在图2所示的单个LED灯下估计出移动台的位置。在该系统中，我们采取的上行方式为红外上行，通过控制红外信号功率来防止对人眼造成伤害。

进一步，步骤(2)中，我们引入了卡尔曼滤波器来处理步骤(1)中得到的定位数据，通过公式(1)～公式(5)，我们迭代更新每个采样时刻移动台的位置，由于卡尔曼滤波器不用记录历史状态，只需要保存上一时刻的协方差，所以卡尔曼滤波器实际上就是不断的把协方差递归，从而估算出最优的状态值，这里就是指移动台的平面坐标。图3显示了通过卡尔曼滤波对系统定位的优化过程，可以看出提升还是很明显的。

$x_{t+1}^{-}={\mathrm{Ax}}_t---\left(1\right)$

$x_{t+1}=x_{t+1}^{-}+K_{t+1}(Z_{t+1}-{\mathrm{Hx}}_{t+1}^{-})---\left(2\right)$

$P_{t+1}^{-}={\mathrm{AP}}_t{A}^T+Q---\left(3\right)$

$K_{t+1}=P_{t+1}^{-}{H}^T{({\mathrm{HP}}_{t+1}^{-}{H}^T+R)}^{-1}---\left(4\right)$

$P_{t+1}=(1-K_{t+1}{H}^T)P_{t+1}^{-}---\left(5\right)$

进一步，步骤(3)中，由于协调器能时刻监测到移动台的位置，所以当移动台往微蜂窝小区边缘移动时，如果和发射端LED的水平距离超过一定距离后，协调器将启动预切换过程，具体过程如图4所示。当移动台进入重叠区域以后，协调器将会把移动台的下行信息同时在两个微蜂窝小区内广播，并准备好切换过程需要的资源。

进一步，步骤(4)中，移动台开始监控所有接收到的信号，一旦满足公式(6)的条件

P_cur＜P_adj，P_cur＜P_thr(6)移动台就开始发送切换请求给协调器。其中P_cur是移动台接收到当前服务小区的信号功率，P_adj是接收到相邻小区的信号功率，P_thr是一个切换阈值功率，用来预防乒乓效应。协调器收到切换请求后开始执行切换过程。图5显示了定位误差对系统切换成功概率的影响。

本发明的优点在于通过在单个小区内完成定位，减少了LED灯排列的密度，也即减小了微蜂窝小区排列的密度，而以往的一些研究都是通过三个LED完成定位的。虽然在每个小区内额外增加了一个PD，但就整体复杂度和开销来看并没有增加，而且同样做到了无缝覆盖。

附图说明

图1为系统LED的排布模型

图2为单个微蜂窝小区内的定位模型

图3为卡尔曼滤波优化结果

图4为预切换过程

图5为系统性能分析

具体实施方式

为了更好的说明本发明，一下参照附图和实施例对本发明的具体实施做进一步详细的描述。

室内可见光微蜂窝小区是指由LED灯作为数据信号发射源组成的一个个通信小区，由于LED灯造价低廉，兼具照明和通信的功能，因而具有广大的应用前景。这些LED灯由协调器统一管理进行数据的分发，当用户手持移动台在室内可见光微蜂窝小区内接收服务时，会处于静止状态和移动状态，而当用户移动时不可避免的要在相邻小区进行切换。由于可见光其独特的视距性，无线通信中的切换方式在可见光通信中不是很适用，本发明就是旨在解决这个问题。具体方案如下：

(1)移动台一旦进入某个微蜂窝小区，VLC网络协调器就开始每隔一定的采样时间T对移动台进行定位，为了在单个LED灯下完成定位，我们在发送端额外增加了一个接收上行红外信号的PD，利用移动台接收到的下行功率以及发送端PD接收到的两个上行信号功率，再结合可见光通信的信道公式，就能通过三边算法得到移动台在水平面上的坐标，但是由于热噪声，散粒噪声和反射信号的影响，最后得出的结果存在一定的误差，所以我们要将数据进行处理，以便提高系统的精确性。

(2)利用卡尔曼滤波器实时处理得到的位置信息从而提高定位的精度。在该过程中，我们迭代更新每个采样时刻移动台的位置，由于卡尔曼滤波器不用记录历史状态，只需要保存上一时刻的协方差，所以卡尔曼滤波器实际上就是不断的把协方差递归，从而估算出最优的状态值，这里就是指移动台的平面坐标，公式(1)中保存的是滤波前移动台的位置信息和速度信息，x_t保存的是滤波后的。卡尔曼滤波器运行的速度很快，基本能实现实时处理，所以协调器能够实时监测移动台的位置，利用该位置信息协调器来决定是否启动预切换过程。

(3)一旦开始预切换过程，协调器会向移动台发送信息通知移动台开始监测所有接收到的信号，如果检测到当前服务小区的信号质量比相邻小区信号质量差，同时小于切换阈值量，那么移动台就通知协调器开始进行链路的切换。采用这种方式首先能保证用户数据的无缝传输；其次，由于预切换过程是由协调器来控制的，对移动台的复杂度不会有任何影响。

(4)当协调器将移动台的链路从当前小区切换到目标小区时，协调器先将移动台的上行承载业务切换到目标小区，然后移动台由原小区完成下行承载业务及信令而由目标小区完成上行的承载业务和信令。此分别收发的过程持续非常短的一段时间，目标小区完成相关配置后，移动台将接收来自目标小区的信令信息，中断和原小区的通信，但原小区并不会立即停止广播移动台的信息，而是会持续一段时间直至移动台离开小区的边缘区域，这里就又需要上述步骤(1)～(3)的信息，此时协调器才会停止该广播信息，至此越区切换完成。

Claims (3)

1.一种在室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方案，其特征在于该方法的具体步骤为:

(1)在单个微蜂窝小区内完成定位；

(2)利用卡尔曼滤波器滤除噪声影响，提高定位精度，此时迭代更新每个采样时刻移动台的位置，由于卡尔曼滤波器不用记录历史状态，只需要保存上一时刻的协方差，并进行多次协方差递归，从而得出最优的移动台平面坐标；

(3)利用上述第2步的位置信息决定是否启动预切换；

(4)如果移动台接收到的当前小区信号功率同时小于相邻小区的信号功率和切换阈值功率，移动台通知协调器开始链路切换，当协调器将移动台的链路从当前小区切换到目标小区时，协调器先将移动台的上行承载业务切换到目标小区，然后移动台由原小区完成下行承载业务及信令而由目标小区完成上行的承载业务和信令，目标小区完成相关配置后，移动台将接收来自目标小区的信令信息，中断和原小区的通信，但原小区并不会立即停止广播移动台的信息，而是会持续一段时间直至移动台离开小区的边缘区域，此时协调器才会停止该广播信息，至此越区切换流程完成。

2.根据权利1所述的室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方案，其特征在于步骤(1)中在单个微蜂窝小区内完成定位，具体步骤如下：

系统采用可见光下行，红外上行的方案。VLC网络协调器每隔一定的采样时间T对移动台进行定位，为了在单个LED灯下完成定位，我们在发送端额外增加了一个接收上行红外信号的PD，利用移动台接收到的下行功率以及发送端PD接收到的两个上行信号功率，再结合可见光通信的信道公式，就能通过三边算法得到移动台在水平面上的坐标。

3.根据权利1所述的室内微蜂窝可见光通信网络中基于卡尔曼滤波的定位与越区切换方案，其特征在于步骤(3)中启动预切换过程，具体步骤如下：

协调器能够时刻监测移动台的位置，所以当移动台往微蜂窝小区边缘移动时，如果和发射端LED的水平距离超过一定距离后，此时协调器将会把移动台的下行信息同时在当前小区和某个相邻小区内广播，并准备好切换过程需要的资源，同时协调器会向移动台发送信息通知移动台开始监测所有接收到的信号来判断是否需要启动链路的切换。