CN106961724A - 一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,属于无线通信技术领域。本发明提供的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,采用蜂窝拓扑结构,将室内LED节点划分为多个小区,选取网络源中心节点通过竞争申请时隙段,LED按时隙发送光信号;终端自适应选取三个LED参考节点;采用RSS定位算法,根据接收光功率,计算LED参考节点到终端的传输距离;并采用均值模型对接收端光功率进行校正,最后通过LED参考节点的坐标和传输距离,计算终端的坐标,实现室内定位。该方法解决了帧长和LED节点数量过多的矛盾,最大程度上降低通信系统的等待时延,解决了LED光线遮挡及终端移动带来的信道衰减对于定位的影响,且具有低能耗、高精度、无电磁干扰等优点。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,特别涉及一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法。
背景技术
在大型室内停车场、商场等区域,室内定位技术具有广阔的应用前景,对移动终端进行定位,获取用户的行为数据,帮助用户指定线路及推送信息。
在户外,对位置信息的获取一般通过GPS全球定位卫星。GPS设备通过接收来自4个或4个以上的卫星信号来估计接收终端的当前位置,可实现精度较高的定位。GPS室内定位,由于墙壁对于信号的遮挡,定位误差通常达到数米至数十米。为了解决室内定位导航的问题,科技巨头和研究机构开展了大量的研究,如基于移动通信网络的辅助GPS(A-GPS)、伪卫星(Pseudolite)、无线局域网(WLAN)、射频标签(RFID)、Zigbee、蓝牙(Bluetooth,BT)、超宽带无线电(UltraWideBand,UWB)、红外定位、计算机视觉定位、地磁、超声波定位和LED可见光定位等,采用WLAN、红外线定位往往需要搭建复杂的定位设备,其能耗较高。
基于LED的可见光通信技术无需频段申请,解决了频谱资源紧张的问题,同时具有能耗低、安全性高、无需搭建复杂的室内通信设备的优势。基于可见光通信的室内定位技术中主要有指纹法、TOA(到达时间算法)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度算法)以及RSS(接收信号强度)定位算法,指纹法需要根据不同的场景建立新的数据库,TOA与TDOA要求LED间严格的时钟同步,AOA需要部署图像传感器,RSS算法根据接收端光功率,计算传输距离最终得到终端的位置坐标。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,将移动终端如手机等与大型室内环境相结合,具有低能耗、高精度、无电磁干扰等优点。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,包括以下步骤:
步骤一,采用蜂窝拓扑结构,将室内LED节点划分为多个小区,每个小区内选取一个网络源中心节点,网络源中心节点向网关申请时隙段,按时隙发送光信号;其中,不相邻小区的可共享相同的时隙段;
步骤二,终端自适应选取三个LED参考节点;
步骤三,采用RSS定位算法,根据接收光功率,计算LED参考节点到终端的传输距离;
步骤四,通过LED参考节点的坐标和传输距离,计算终端的坐标。
进一步,所述LED节点采用时分复用进行信号传输。
进一步,所述步骤三还包括采用均值模型对接收端光功率进行校正。
进一步,所述三个参考节点构成等边三角形。
进一步,所述LED参考节点的光线被遮挡或终端移动时,原LED参考节点不满足设定的判决门限,终端在剩余的LED中重新选取参考节点,选取三个新的满足判决门限的LED参考节点。
进一步,所述LED节点采用时分复用进行信号传输具体包括以下步骤:
将每帧时间划分为m个时隙段,网络源中心节点向网关申请到与相邻小区不重合的时隙段;
将申请到的时隙段划分为t个时隙,t为小区内节点数,小区内各LED节点按指定的顺序在各自时隙内发送光信号。
进一步,所述采用均值模型对接收端光功率进行校正,具体包括以下步骤,
采用均值模型,在一组接收光功率中去除阈值范围之外的数值;
采用加权求和的方法修正接收光功率。
进一步,所述LED节点增多后,采用混合协议的通信系统,给每个小区分配不同频率中心的子带宽,在小区内部,每个LED接入点分配不同的时隙传输光信号,LED节点按分配的传输资源发送光信号。
本发明的有益效果在于:本发明提供的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法具有以下优点:
(1)通过自适应选取LED参考节点,解决了LED光线遮挡及终端移动带来的信道衰减对于定位的影响;
(2)考虑目标移动带来的信道特性变化,引入均值模型对接收光功率进行必要的校正从而消除噪声;
(3)在室内定位中,采用改进的时分复用通信系统,重复利用时隙段,降低通信时延以及时钟同步错误;
(4)采用时隙段重复利用的原则,将LED划分为若干个小区,每个小区选取网络源中心节点竞争时隙段,降低通信时延,有利于移动目标实时定位。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明所述的基于可见光通信的移动目标实时定位方法流出图;
图2为定位系统模型;
图3为蜂窝拓扑结构布局及小区划分示意图;
图4为时钟同步错误示意图;
图5为改进的时分复用组网模型。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,将移动终端如手机等与大型室内环境相结合,实现低能耗、高精度的室内定位,如图1所示,包括以下步骤:
步骤一,将房间内分布m个LED节点,划分为n个小区,增加定位的覆盖范围,最大程度上利用正三角形几何结构的LED定位精度高的特性。
为满足高精度实时定位,采用改进的时分复用组网系统,每个小区内选取一个网络源中心节点,选取网络源中心节点通过竞争向网关申请时隙段,按时隙发送光信号,且不相邻小区的可以共享相同的时隙段,部分时隙段得到重复利用,解决了帧长和LED节点数量过多的矛盾,保证最大程度上降低通信系统的等待时延。
图3为蜂窝拓扑结构布局及小区划分,每个正六边形结构为一个小区,如图4所示为多个LED节点构成的一个小区,房间边缘区域LED额外构成小区。由于O点的节点度数最高,处于小区中心位置,选取O点作为该小区的网络源中心节点。LED节点采用时分复用进行信号传输,如图5所示:
将每帧时间划分为m个时隙段,网络源中心节点O发出组网信息后,申请到m中与相邻小区不重合的时隙段;
时隙段申请成功后,将申请到的时隙段划分为t个时隙,t为小区内节点数,t个节点共享一个时隙段,各LED节点按指定的顺序在各自时隙内发送光信号;
剩余小区中的网络源中心节点发出组网信息,如果相邻的两个小区竞争到同一个时隙段,将由ID号小的优先获得,ID号大的小区则更新时隙表头,继续发出组网信息。
当LED节点进一步增多后,可以采用混合协议的通信系统,给每个小区分配不同频率中心的子带宽,在小区内部,每个LED接入点分配不同的时隙传输光信号,LED节点按分配的传输资源发送光信号。
步骤二,终端自适应选取三个LED参考节点。
设定判决门限,选择满足判决门限的LED参考节点,LED参考节点的光线被遮挡或终端移动时,原LED参考节点不满足设定的判决门限,终端在剩余的LED中重新选取参考节点,选取三个新的满足判决门限的LED参考节点。
LED节点之间的几何位置以及LED与接收端之间形成的几何关系,对定位精度有很大的影响。参考节点在接近共线的情况下,定位误差增加;同时根据现有文献提出3个LED构成三角形的有效定位判决条件,例如:三角形的任意角不能小于15°,当一个角小于15°时,重新选取LED节点。参考节点越接近等边三角形,定位误差降低。因此,尽可能构造如图3所示正三角形的LED拓扑结构。
其中房间大小为L×L×Hm,共m个LED节点,划分为n个小区,保证最大程度利用正三角形结构的LED定位精度高的特性。LED灯阵列由LED灯以等边三角形的分布方式向四面拓展而成。
以等边三角形的分布方式具体为:三个LED灯分别位于等边三角形的三个顶点,以其中任意两个顶点为相邻等边三角形的顶点,找到相邻等边三角形的第三个顶点,安装一个LED灯,形成三个新的等边三角形;再在新的等边三角形基础上,继续以此方法扩展,形成以等边三角形为单元的平面LED灯阵列。
步骤三,采用RSS定位算法,根据接收光功率,计算LED参考节点到终端的传输距离;
由于接收光功率中含有噪声,因此需要采用均值模型对接收端光功率进行校正,具体方法为:采用均值模型,在一组接收光功率中去除阈值范围之外的数值,采用加权求和的方法修正接收光功率。
步骤四,通过LED参考节点的坐标和传输距离,计算终端的坐标。
以往为移动目标定位系统的算法流程,具体实现分为以下几个部分。
如图2所示,LED向移动终端发送自身的ID信息以及位置信息,移动终端接收光信号。为保证各LED传输的信号在接收端不会相互干扰,采用时分复用(TDM)进行传输。在直射链路中,采用直流增益来表示信道模型。其信道直流增益表示为
式中,FOV为光接收机视角,d为发射端至接收端的距离,Ar为光检测器的接收面积,m为朗博辐射的阶数,和ψ分别为发射角和入射角,Ts(ψ)是光滤波增益,g(ψ)是集中器增益,m是朗博辐射的阶数,m=-ln2/ln(cosΦ1/2),式中,Φ1/2是LED灯的半功率角。接收端光功率如下
Pr=H(0)·Pt+n(t) (2)
式中,Pt为LED灯的发射功率;n(t)为热噪声与散弹噪声的总和。接收端光功率与传输距离有关,现有文献中表明,RSS算法通过单次测量得到的接收端光功率估计传输距离。而实际场景中,存在光线遮挡与多径效应,导致噪声n(t)增加,因此降低噪声可有效消除接收端光功率对于定位精度的影响。
当接收端视场角ψ处于0-FOV之间时,可估测LED到接收端的距离为
假设接收端与天花板平行,可得下式
式中,H为接收端PN节点至天花板的垂直距离,当朗博辐射阶数m取1时,可简化计算得
通过发射光功率与接收光功率,可以测得各LED到接收端PN节点的距离,由3个LED就可以建立三阶矩阵并计算PN节点的水平坐标。
本发明提供的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法有效地应对了大型房间内多LED的定位系统,保证小区内LED的时钟同步错误概率降低,同时减少了定位系统的时延,有效地应对了移动目标的实时定位研究。
然而该定位模型覆盖多个LED节点,当房间增大,LED节点数量增加时,采用混合协议组网,在下行链路中,控制中心为每个小区分配不同频率中心的子带宽,并将信号通过光纤链路传输;随后通过光耦合器的分离,各个频段的信号分布传输到对应的小区。在小区内部,每个LED接入点分配不同的时隙传输光信号。接收信号通过带通滤波器从预先分配号的子带宽中过滤对应的数据。对应的数据通过LED在各自预先分配的时隙内传输光信号。FDM和TDM相结合的方式确保了多个LED节点不会占用过多的频段以及时隙段,适用于大型商场、工厂及停车场等场景。
最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,采用蜂窝拓扑结构,将室内LED节点划分为多个小区,每个小区内选取一个网络源中心节点,网络源中心节点向网关申请时隙段,按时隙发送光信号;其中,不相邻小区的可共享相同的时隙段;
步骤二,终端自适应选取三个LED参考节点;
步骤三,采用三角测量法等进行位置坐标计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,其特征在于,所述步骤三还包括采用均值模型对接收端光功率进行校正。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,所述LED参考节点的光线被遮挡或终端移动时,若原LED参考节点不满足设定的判决门限,终端在剩余的LED中重新选取参考节点,选取三个新的满足判决门限的LED参考节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,所述LED节点采用时分复用进行信号传输具体包括以下步骤:
将每帧时间划分为m个时隙段,网络源中心节点向网关申请到与相邻小区不重合的时隙段;
将申请到的时隙段划分为t个时隙,t为小区内节点数,小区内各LED节点按指定的顺序在各自时隙内发送光信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,所述采用均值模型对接收端光功率进行校正,具体包括以下步骤,
采用均值模型,在一组接收光功率中去除阈值范围之外的数值;
采用加权求和的方法修正接收光功率。
6.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的移动目标实时定位方法,所述LED节点增多后,采用混合协议的通信系统,给每个小区分配不同频率中心的子带宽,在小区内部,每个LED接入点分配不同的时隙传输光信号,LED节点按分配的传输资源发送光信号。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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