CN107634797B - 同时实现可见光定位和可见光通信及提高定位精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同时实现可见光定位和可见光通信的方法，包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，发射端均为LED，N个发射端传输具有相同功率的光信号；发射端基于OFDMA技术进行可见光传输，接收端同时接收N个发射端的光信号，并分别进行定时操作提取信号，采用PPM保证各个子载波上传输功率相同，通过分析发射端子载波块的平均功率和接收端子载波块的平均功率估算N个发射端到接收端的传输距离实现定位，与此同时，通过接收端解调传输信息完成通信。另外，为了提高定位精度，可以在恢复原始信号后，通过该星座图的误差向量幅度判断通信质量，舍弃通信质量最差的传输端信息，通过多点定位方法或最小二乘法来估算接收端的位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光定位和可见光通信方法，尤其涉及了一种基于正交频分多址(OFDMA)的同时实现可见光定位(VLP)和可见光通信(VLC)的方法。
背景技术
LED具有寿命长、功耗低等特点，已被广泛认可。基于LED的可见光通信通过改变LED驱动电流，完成信号对于LED输出光的调制，是性能优良的广播通信方式，是对现有通信方式的有益补充。
基于接收信号强度(RSS)的可见光定位方式，以可见光通信技术为基础，通过比较接收信号和发射信号的功率，估计传输距离，并通过最小二乘法完成定位。
基于正交频分多址(OFDMA)技术，不同的LED使用互不重叠的子载波。同时处理来自不同LED的信息，保证了可见光定位的实时性。
发明内容
针对现有技术，本发明提供一种同时实现可见光定位和可见光通信的方法，本发明基于OFDMA技术实现多个LED占用不同的子载波块以传输信息，采用脉冲位置编码(PPM)保证各个子载波上传输功率相同。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种同时实现可见光定位和可见光通信的方法，包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥4，所述发射端均为LED，N个发射端传输具有相同功率的光信号；所述接收端包括光电探测器，所述发射端基于正交频分多址技术进行可见光传输，所述接收端同时接收N个发射端的光信号，并分别进行定时操作提取信号，通过分析发射端子载波块的平均功率和接收端子载波块的平均功率估算N个发射端到接收端的传输距离实现定位，与此同时，通过所述接收端解调传输信息完成通信。
本发明同时实现可见光定位和可见光通信的方法中，设N＝4，具体步骤如下：
1)每个发射端上的调制信息分别占据整个频带内互不重叠的1/4带宽，所述1/4带宽对应着发射端的各自坐标；对发射端调制信息进行脉冲编码调制，使每个发射端发射的信息功率相同，从而获得发射端频域信息；对发射端频域信息进行厄米特对称操作和逆傅里叶变换处理，产生时域调制信号，该时域调制信号为实数信号；将时域调制信号加到发射端的直流驱动上，产生调制的光信号；
2)光电探测器将接收到的N个发射端的光信号转化为时域电信号，并进行N次定时操作获得定时信息；所述接收端将时域电信号进行傅里叶变换恢复出频域信息后计算出所包含的各个子载波块的相应功率；通过分析各个子载波块占据的频带，获取对应的发射端的各自坐标；通过分析各个子载波块的相应功率，按照式(1)估算N个发射端到接收端的传输距离；
式(1)中，Di表示第i个发射端到接收端的传输距离,i＝1，2，3……N；PRX,i表示接收端计算得出的第i个发射端对应子载波块的相应功率；PTX,i表示第i个发射端发射的信息功率；m表示朗伯辐射阶数；A表示光电探测器的面积；h表示发射端到接收端的垂直距离；
根据发射端的坐标和估算得到的发射端到接收端的传输距离，通过最小二乘法估计接收端的位置；
3)通过定时信息恢复N个发射端的频域信息的相位；通过N个发射端到接收端的传输距离恢复N个发射端的频域信息的幅度衰减；对所有发射端的频域信息进行解调，恢复原始信号，从而实现可见光的通信。
进一步讲，上述步骤2)中，通过分析各个子载波块占据的频带，获取对应的发射端的各自坐标的过程是：根据恢复后的频域信息，分析各个发射端所占据的子载波块，读取子载波块的位置信息并解调为发射端序号，映射得到发射端的位置坐标。
步骤3)中，根据步骤2)获取的定时信息和N个发射端到接收端的传输距离，恢复频域信号相位旋转和幅度衰减，从而得到正确的频域信息，其中，利用定时信息有效去除循环前缀，恢复接收信号与发送信号之间由于时间延迟造成的相位旋转；根据发射端发射的信息功率和步骤2)中获得的接收端所包含的各个子载波块的相应功率，计算信道增益，恢复光信号传输过程造成的幅度衰减。
为了提高定位精度，在本发明的同时实现可见光定位和可见光通信的方法的基础上，恢复原始信号后，绘制恢复原始信号的星座图，通过该星座图的误差向量幅度判断通信质量，舍弃通信质量最差的传输端信息，通过多点定位方法或最小二乘法来估算接收端的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于本发明基于RSS的可见光定位只需分析接收功率，传输随机信号也可以完成定位，因此，同时实现可见光通信和可见光定位。
附图说明
图1为本发明所描述的一个实施例的系统框图；
图2为本发明所描述的一个实施例的发射端的频域分布；
图3为本发明所描述的一个实施例的发射端和接收端的空间分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明的设计思路：不同发射端发射相同功率的光信号，不同发射端的调制信号占据频域上不同的子载波块。接收器接收光信号，进行解调后计算各发射端对应频域(子载波块)的光功率，根据定时得出各个LED到达接收端的时间差，以及接收光功率和已知发送光功率估计接收端到不同发射端的距离，计算接收端的位置。
本发明提出的一种同时实现可见光定位和可见光通信的方法，包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥4，所述发射端均为LED，N个发射端传输具有相同功率的光信号；所述接收端包括光电探测器，所述发射端基于正交频分多址技术进行可见光传输，所述接收端同时接收N个发射端的光信号，并分别进行定时操作提取信号，通过分析发射端子载波块的平均功率和接收端子载波块的平均功率估算N个发射端到接收端的传输距离实现定位，与此同时，通过所述接收端解调传输信息完成通信。
本发明同时实现可见光定位和可见光通信的方法的一个实施例，在选取的空间中设定有4个LED作为发射端，接收端的布置是图3中高度为1m水平面上(标注有多个点)的任何一点，其具体步骤如图1所示：
1)发射端的发射过程：
每个发射端上的调制信息分别占据整个频带内互不重叠的1/4带宽，如图2所示，所述1/4带宽对应着发射端的各自坐标；对发射端调制信息(随机产生的二进制信息即为原始信号，并以此作为输入数据)进行脉冲编码调制，使每个发射端发射的信息功率相同，从而获得发射端频域信息；对发射端频域信息进行厄米特(Hermitian Symmetry)对称操作和逆傅里叶变换(IFFT)处理，并添加循环前缀，产生时域调制信号，该时域调制信号为实数信号；采用DCO-OFDM方案，将时域调制信号加到发射端的直流驱动上，产生调制的光信号。
2)接收器接收光信号，进行解调后计算各发射端对应频域(子载波块)的光功率，通过接收光功率和已知发送光功率传播损耗模型确定接收端到不同发射端的距离，从而计算接收端的位置信息。
上述光信号通过信道传输至光电探测器，所述光电探测器将接收到的N个发射端的光信号转化为时域电信号，并进行N次定时操作获得定时信息；所述接收端将时域电信号进行傅里叶变换(FFT)恢复出频域信息后计算出所包含的各个子载波块的相应功率；根据恢复后的频域信息，通过分析各个子载波块占据的频带，获取对应的发射端的各自坐标；其过程是：根据恢复后的频域信息，分析各个发射端所占据的子载波块，读取子载波块的位置信息并解调为发射端序号，映射得到发射端的位置坐标；
然后，通过分析各个子载波块的相应功率，按照式(1)估算N个发射端到接收端的传输距离；
式(1)中，Di表示第i个发射端到接收端的传输距离,i＝1，2，3……N；
PRX,i表示接收端计算得出的第i个发射端对应子载波块的相应功率；
PTX,i表示第i个发射端发射的信息功率；
m表示朗伯辐射阶数；
A表示光电探测器的面积；
h表示发射端到接收端的垂直距离；
根据发射端的坐标和估算得到的发射端到接收端的传输距离，通过最小二乘法或是多点定位方法估计接收端的位置。
其中，通过多点定位方法来确定接收端的位置，其表达式如下：
其中：xi表示第i个发射端的横坐标，yi表示第i个发射端的纵坐标，di表示第i个发射端到接收端的距离；
3)通过定时信息恢复N个发射端的频域信息的相位；通过N个发射端到接收端的传输距离恢复N个发射端的频域信息的幅度衰减，具体过程是；根据步骤2)获取的定时信息和N个发射端到接收端的传输距离，恢复频域信号相位旋转和幅度衰减，从而得到正确的频域信息。其中，利用定时信息有效去除循环前缀(Cyclic Prefix)，恢复接收信号与发送信号之间由于时间延迟造成的相位旋转；根据发射端发射的信息功率和步骤2)中获得的接收端所包含的各个子载波块的相应功率，计算信道增益，恢复光信号传输过程造成的幅度衰减；
然后，对所有发射端的频域信息进行解调，恢复原始信号，该恢复原始信号即为输出数据，从而实现可见光的可靠通信。
本发明中还提出了一种通过通信质量提高定位精度的方法，即在上述同时实现可见光定位和可见光通信的方法的基础上，恢复原始信号后，绘制恢复原始信号的星座图，通过该星座图的误差向量幅度判断通信质量。较差的通信质量表示相应的发射端和接收端之间的距离越长；除此之外，根据空间传输损耗模型，接收信号的频域功率越低表示相应的发射端和接收端之间的距离越长。舍弃通信质量最差(即由式(1)计算得到的N个发射端到接收端的传输距离中的最大估计距离)的传输端信息，通过多点定位方法或最小二乘法来估算接收端的位置，从而提高可见光定位的精度。
通过实施例可以看出，本发明基于OFDMA技术实现多个LED占用不同的子载波块以传输信息，采用脉冲位置编码(PPM)保证各个子载波上传输功率相同。由于基于RSS的可见光定位只需分析接收功率，传输随机信号也可以完成定位，所以本发明可以同时实现可见光通信和可见光定位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种同时实现可见光定位和可见光通信的方法，包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥4，所述发射端均为LED，N个发射端传输具有相同平均功率的光信号；所述接收端包括光电探测器用于接收光信号，其特征在于：
所述接收端同时接收N个发射端的光信号，并分别进行定时操作提取信号，通过分析发射端子载波块的平均功率和接收端子载波块的平均功率估算N个发射端到接收端的传输距离实现定位，与此同时，通过所述接收端解调传输信息完成通信；具体步骤如下：
1)所述发射端基于正交频分多址技术进行可见光传输，每个发射端上的调制信息为随机信息，随机信息本身用于通信、随机信息的平均功率用于定位，无需额外的信息进行定位；每个发射端上的调制信息分别占据整个频带内互不重叠的1/N带宽，所述1/N带宽对应着发射端的各自坐标；对发射端调制信息进行脉冲编码调制，使每个发射端发射的信息功率相同，从而获得发射端频域信息；对发射端频域信息进行厄米特对称操作和逆傅里叶变换处理，产生时域调制信号，该时域调制信号为实数信号；将时域调制信号加到发射端的直流驱动上，产生调制的光信号；
2)光电探测器将接收到的N个发射端的光信号转化为时域电信号，并进行N次定时操作获得定时信息；所述接收端将时域电信号进行傅里叶变换恢复出频域信息后计算出所包含的各个子载波块的相应功率；通过分析各个子载波块占据的频带，获取对应的发射端的各自坐标；通过分析各个子载波块的相应功率，按照式(1)估算N个发射端到接收端的传输距离；
式(1)中，Di表示第i个发射端到接收端的传输距离,i＝1，2，3，……，N；
PRX,i表示接收端计算得出的第i个发射端对应子载波块的相应功率；
PTX,i表示第i个发射端发射的信息功率；
m表示朗伯辐射阶数；
A表示光电探测器的面积；
h表示发射端到接收端的垂直距离；
根据发射端的坐标和估算得到的发射端到接收端的传输距离，通过最小二乘法估计接收端的位置；
根据恢复后的频域信息，分析各个发射端所占据的子载波块，读取子载波块的位置信息并解调为发射端序号，映射得到发射端的位置坐标；
3)通过定时信息恢复N个发射端的频域信息的相位；通过N个发射端到接收端的传输距离恢复N个发射端的频域信息的幅度衰减，利用定时信息有效去除循环前缀，恢复接收信号与发送信号之间由于时间延迟造成的相位旋转；根据发射端发射的信息功率和步骤2)中获得的接收端所包含的各个子载波块的相应功率，计算信道增益，恢复光信号传输过程造成的幅度衰减，从而实现可见光的通信；
4)在补偿接收信号的相位旋转之后，根据星座图的误差向量幅度将对应的信号质量从好到差进行排序，使用前三个误差向量幅度小的接收端信息，通过最小二乘法来计算接收端的位置，从而提高可见光定位的精度。
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