CN106788721B - 一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法 - Google Patents

一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法，涉及LED可见光通信和定位领域，发送端包括可见光信号发送单元和红外信号发送单元，可见光信号发送单元包括可见光LED，红外信号发送单元包括与可见光LED紧邻布置且光照模型相同的红外LED；可见光信号接收单元包括可见光探测器，红外信号接收单元包括与可见光探测器紧邻布置且接收角范围相同的红外光探测器，发送端发送可见光信号和携带该发送端ID的红外光信号，接收端接收可见光信号和红外光信号，识别红外光信号中携带的发送端ID，根据红外光信号的发送端ID判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端。本发明通信和定位功能分离，实现简单可靠的可见光定位，辅助可见光通信。

Description

一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及LED可见光通信和定位领域，具体来讲是一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法。
背景技术
LED(LightingEmittingDiode，发光二极管)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。室内可见光通信通常需要多个LED同时发送信息，LED均匀布置覆盖不同区域，不同LED作为光源负责接入不同区域的用户，动态调整所属区域的用户和发送数据。这种基于位置的空分复用方式首先需要解决用户的定位问题，只有先确定用户所在区域，才能通知该区域的LED将信号发送给用户，因此，对用户进行定位是可见光通信的关键技术之一。
在接收端基于可见光的闪烁或者频率不同来区分各LED是常见的手段，但可见光通信利用LED的明灭闪烁来通信，在通信过程中实现定位和标识会使可见光通信系统更复杂，为不同LED划分不同频带更是困难。因此，有必要将通信和定位功能分离，通过外部手段来确定覆盖用户的LED，定位其所属区域，辅助可见光通信过程。
目前基于可见光的室内定位通常采用基于RSS(Received Signal Power，接收信号强度)、AOA(Angle of arrival，接收信号角度)、TOA(Time of Arrival，到达时间)等方法。但测量接收信号强度波动和干扰很大，环境中其他可见光易干扰接收信号的处理；测量可见光信号的入射角度需要精密光学设备；测量光脉冲的到达时间，对光源和时钟精度要求极高。总之，已有方法受制于硬件限制和应用环境，难以实现简单可靠的可见光定位。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于辅助定位的可见光通信系统及方法，通信和定位功能分离，实现简单可靠的可见光定位，辅助可见光通信。
为达到以上目的，本发明采取一种基于辅助定位的可见光通信系统，包括多个发送端和一个接收端，所述发送端包括可见光信号发送单元和红外信号发送单元，可见光信号发送单元用于发送带有通信数据的可见光信号，红外信号发送单元用于发送含有该发送端ID信息的红外光信号；可见光信号发送单元包括可见光LED，红外信号发送单元包括与所述可见光LED紧邻布置且光照模型相同的红外LED；所述接收端包括可见光信号接收单元和红外信号接收单元，可见光信号接收单元用于接收范围内发送端的可见光信号，所述红外信号接收单元用于接收范围内发送端的红外光信号，并识别红外光信号中的发送端ID；可见光信号接收单元包括可见光探测器，红外信号接收单元包括与所述可见光探测器紧邻布置且接收角范围相同的红外光探测器。
在上述技术方案的基础上，所述可见光发送单元包括可见光LED驱动电路，用于将发送信号调制到可见光上，并驱动所述可见光LED发出可见光信号。
在上述技术方案的基础上，所述红外信号发送单元包括红外信号控制单元和红外LED驱动电路，红外信号控制单元用于存储发送端ID并选择不同时序发出发送端ID信息；红外LED驱动电路接收发送端ID信息，并驱动所述红外LED发出携带发送端ID的红外光信号。
在上述技术方案的基础上，所述可见光接收单元包括可见光接收电路，用于接收可见光探测器探测到的可见光信号。
在上述技术方案的基础上，所述红外信号接收单元还包括红外光接收电路和红外信号处理单元，红外光接收电路用于接收红外光探测器探测到的红外光信号，并识别红外光信号携带的发送端ID，红外信号处理单元用于判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端。
在上述技术方案的基础上，所述发送端，可见光LED和紧邻布置的红外LED共面，且光轴均垂直向下；所述接收端，可见光探测器和紧邻布置的红外光探测器共面且探测轴线平行。
本发明还提供一种基于辅助定位的可见光通信方法，包括步骤：发送端通过可见光LED发送带有通信数据的可见光信号，通过红外LED发送携带该发送端ID信息的红外光信号；接收端通过可见光信号接收单元接收来自发送端的可见光信号，通过红外信号接收单元接来自发送端的红外光信号，识别红外光信号中携带的发送端ID，根据红外光信号的发送端ID，判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端。
在上述技术方案的基础上，发送端和接收端通信之前，匹配可见光LED和红外LED的光照模型相同，匹配可见光探测器和红外光探测器的接收角范围相同，并为各发送端分配不同的ID。
在上述技术方案的基础上，多个发送端通过不同的时隙分时发送红外光信号。
在上述技术方案的基础上，接收端将当前红外光信号覆盖的区域或最佳信源反馈回相应的发送端。
本发明的有益效果在于：
本发明基于可见光和红外光近似的光照特性，通过在可见光通信系统中，发送端紧邻布置光照模型相同的可见光LED和红外LED，接收端紧邻布置接收角范围相同的可见光探测器和红外光探测器，接收端在接收可见光信号的同时，红外光探测器接收来自不同发送端的红外光信号，并根据接收红外光信号携带的发送端ID确定接收信号来源，在接收端基于简单硬件，即可确定接收端所在的可见光LED照明区域，将通信和定位功能分离，以此辅助多信源条件下的可见光通信，大大减少了干扰且成本较低。另外，接收端在接收发送端ID的同时，还能够根据对应接收功率进一步确定发送端的位置，提高了定位的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例基于辅助定位的可见光通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例基于辅助定位的可见光通信方法的详细流程图。
附图标记：
发送端1，可见光信号发送单元11，可见光LED驱动电路111，可见光LED112；红外信号发送单元12，红外信号控制单元121，红外LED驱动电路122，红外LED123；
接收端2，可见光信号接收单元21，可见光探测器211，可见光接收电路212；红外信号接收单元22，红外光探测器221，红外光接收电路222，红外信号处理单元223。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明基于辅助定位的可见光通信系统包括多个发送端1和一个接收端2，二者相互通信。
如图1所示，发送端1包括可见光信号发送单元11和红外信号发送单元12，可见光信号发送单元11用于发送带有通信数据的可见光信号，红外信号发送单元12用于发送含有该发送端ID信息的红外光信号。进一步的，可见光信号发送单元11包括可见光LED驱动电路111和可见光LED112，可见光驱动电路111用于将待发送信号调制到可见光上，并驱动可见光LED112发出可见光信号。红外信号发送单元12包括红外信号控制单元121、红外LED驱动电路122和红外LED123，红外信号控制单元121用于存储发送端ID，并选择不同时隙分时发出ID信息；红外LED驱动电路122接收发送端ID信息，并驱动红外LED123发出携带发送端ID的红外光信号。并且，每个发送端1中，可见光LED112和红外LED123紧邻布置，光照模型相同，优选的，可见光LED112和紧邻布置的红外LED123共面，且光轴均垂直向下。优选的，可见光LED驱动电路111包括一个偏置电路和直流电源，用于驱动可见光LED112发出可见光信号。
如图1所示，接收端2包括可见光信号接收单元21和红外信号接收单元22，可见光信号接收单元21用于接收范围内发送端1的可见光信号，红外信号接收单元22用于接收范围内发送端1的红外光信号，并识别红外光信号中的发送端ID。进一步的，可见光接收单元21包括可见光探测器211和可见光接收电路212，可见光探测器211用于探测来自发送端1的可见光信号，将光信号转换为电信号，可见光接收电路212用于接收可见光探测器211探测到的、转换为电信号的可见光信号。红外信号接收单元22包括红外光探测器221、红外光接收电路222和红外信号处理单元223，红外光探测器221探测来自发送端1的红外光信号，将光信号转换为电信号，红外光接收电路222用于接收红外光探测器221探测到的、转换为电信号的红外光信号，并识别红外光信号携带的发送端ID，并记录其来源和对应的接收功率，红外信号处理单元223用于根据发送端ID，判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端，进而推算出所处的可见光信号覆盖区域。并且，在接收端2中，可见光探测器211和红外光探测器221紧邻布置，具有接收角范围相同。优选的，可见光探测器211和紧邻布置的红外光探测器221共面且探测轴线平行。优选的，红外光接收电路222包括滤波均衡电路、信号放大电路等模块，其中滤波均衡电路是对电信号进行相关的滤波、均衡以适应信道传输，信号放大电路是对信号进行放大。
如图2所示，本发明实施例基于辅助定位的可见光通信方法，具体实施步骤如下：
S1.在发送端1和接收端2通信之前，匹配可见光LED112和红外LED123的光照模型相同，匹配可见光探测器211和红外光探测器221的接收角范围相同，并为各发送端分配不同的ID，存储于相应的红外信号控制单元121中。
S2.多个发送端1通过各自的可见光LED112发送带有通信数据的可见光信号，通过红外LED123发送携带该发送端ID信息的红外光信号。为了最大可能的减少冲突，多个发送端1选择不同的时隙轮流发送，可采用避免碰撞的算法。
S3.接收端2通过可见光信号接收单元21接收来自发送端1的可见光信号，通过红外信号接收单元22接来自发送端1的红外光信号。红外信号接收单元22的红外光接收电路222从接收到的红外光信号中识别出不同发送端ID，并记录信号来自哪些发送端1的红外LED123，以及记录对应接收功率。其中，红外光探测器221和红外光接收电路222需要具有在不同信号功率水平和环境干扰条件下接收信号的能力。红外信号处理单元223用于根据红外光信号的发送端ID，判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端，进而推算出所处的可见光信号覆盖区域。具体的，根据接收发送端ID，可初步判断当前所处红外光信号覆盖的区域，确定可以接收到哪几个发送端1中可见光LED112的信号，进而推算出所处的可见光信号覆盖区域；也可以结合不同信号的接收功率，进一步判断多个信源中哪个信号最强，实现更复杂优化的接收算法。
S4.根据需要，接收端2将当前所处红外光信号覆盖的区域或最佳信源反馈回相应的发送端1。如果不需要反馈，则本步骤可以省略。
本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于辅助定位的可见光通信系统，包括多个发送端和一个接收端，其特征在于：
所述发送端包括可见光信号发送单元和红外信号发送单元，可见光信号发送单元用于发送带有通信数据的可见光信号，红外信号发送单元用于发送含有该发送端ID信息的红外光信号；可见光信号发送单元包括可见光LED，红外信号发送单元包括与所述可见光LED紧邻布置且光照模型相同的红外LED；
所述接收端包括可见光信号接收单元和红外信号接收单元，可见光信号接收单元用于接收范围内发送端的可见光信号，所述红外信号接收单元用于接收范围内发送端的红外光信号，并识别红外光信号中的发送端ID；可见光信号接收单元包括可见光探测器，红外信号接收单元包括与所述可见光探测器紧邻布置且接收角范围相同的红外光探测器。
2.如权利要求1所述的基于辅助定位的可见光通信系统，其特征在于：所述可见光发送单元包括可见光LED驱动电路，用于将发送信号调制到可见光上，并驱动所述可见光LED发出可见光信号。
3.如权利要求1所述的基于辅助定位的可见光通信系统，其特征在于：所述红外信号发送单元包括红外信号控制单元和红外LED驱动电路，红外信号控制单元用于存储发送端ID并选择不同时序发出发送端ID信息；红外LED驱动电路接收发送端ID信息，并驱动所述红外LED发出携带发送端ID的红外光信号。
4.如权利要求1所述的基于辅助定位的可见光通信系统，其特征在于：所述可见光接收单元包括可见光接收电路，用于接收可见光探测器探测到的可见光信号。
5.如权利要求1所述的基于辅助定位的可见光通信系统，其特征在于：所述红外信号接收单元还包括红外光接收电路和红外信号处理单元，红外光接收电路用于接收红外光探测器探测到的红外光信号，并识别红外光信号携带的发送端ID，红外信号处理单元用于判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端。
6.如权利要求1-5任一所述的基于辅助定位的可见光通信系统，其特征在于：所述发送端，可见光LED和紧邻布置的红外LED共面，且光轴均垂直向下；所述接收端，可见光探测器和紧邻布置的红外光探测器共面且探测轴线平行。
7.一种基于权利要求1所述系统的基于辅助定位的可见光通信方法，其特征在于，包括步骤：
发送端通过可见光LED发送带有通信数据的可见光信号，通过红外LED发送携带该发送端ID信息的红外光信号；
接收端通过可见光信号接收单元接收来自发送端的可见光信号，通过红外信号接收单元接来自发送端的红外光信号，识别红外光信号中携带的发送端ID，根据红外光信号的发送端ID，判断当前所处的红外光信号覆盖区域和对应的发送端。
8.如权利要求7所述的基于辅助定位的可见光通信方法，其特征在于：发送端和接收端通信之前，匹配可见光LED和红外LED的光照模型相同，匹配可见光探测器和红外光探测器的接收角范围相同，并为各发送端分配不同的ID。
9.如权利要求7所述的基于辅助定位的可见光通信方法，其特征在于：多个发送端通过不同的时隙分时发送红外光信号。
10.如权利要求7所述的基于辅助定位的可见光通信方法，其特征在于：接收端将当前红外光信号覆盖的区域或最佳信源反馈回相应的发送端。
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