CN107786266A - 基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法及系统。该方法包括以下步骤：对发射端LED的原始ID信息码进行CDMA扩频调制；发射端LED发射加载经过CDMA扩频调制的ID信息码信号；接收端接收来自各个发射机光信号，得到的为混合光信号，对上述混合光信号进行解扩以获得对应LED的光强衰减因子和ID位置信息；利用信道的增益表示LED的光强衰减因子；根据所述LED的光照强衰减因子，通过基于蚁群算法（ACO）的三维定位算法来确定接收器的三维坐标。本发明引入了CDMA调制技术弥补了现有频分多址和时分多址可见光通信系统信道容量小的缺点，且提高了室内光通信质量。本发明具有较高的收敛速度，且算法误差可控，提高了系统的效率和精度。
Description
技术领域
本发明关于可见光通信室内定位技术，使用了一种基于蚁群算法(ACO)通过测量接收LED信号强度(RSS)进行室内三维定位方法。
背景技术
GPS(全球定位系统)目前已被广泛应用于交通、测绘等许多行业。在运动导航，轨迹记录、大地测量、周边信息查询等定位领域的应用越来越广泛。但是当涉及到室内定位时，由于金属材料具有表面趋肤效应，信号在钢筋混凝土表层就被衰减吸收，来自卫星的无线电信号将被高建筑物阻挡，易导致较大的定位误差。为了满足室内定位服务日益增长的需求，已经开发出了红外定位、无线局域网(WLAN)、射频识别(RFID)、蓝牙、紫蜂协议(ZigBee)、超宽带(UWB)和超声波定位对GPS进行补充。但是这些室内定位解决方案定位精度较低、操作复杂且成本高、保密性较差。
使用可见光通信(VLC)来进行定位系统是解决室内定位问题的新思路。VLC可以提高LED的利用效率，集照明与通信功能于一体，并且具有定位精度高，无电磁干扰，无通信盲区，通信保密性好，方便快捷，能耗较低等优点。
传统VLC定位系统仅实现了二维平面定位，国内外对于三维定位系统的研究较少，存在相应的技术空白。
发明内容
为了解决上述系统及方法存在的问题，本发明提出了一种基于蚁群算法(ACO)可见光通信室内三维定位的方法及系统。在发射器处对每个LED上加载的原始ID信息码元进行CDMA扩频，使用双极性调制，利用Walsh码的正交性，实现时域与频域均重叠的信号的分离。在接收器处使用相同的Walsh对信号进行解调恢复原来的信号，然后采样获得相应信号源的信号强度衰减因子，再利用蚁群算法(ACO)进行局域搜索或全局搜索可实现精确的三维定位。本方法及系统具有以下创新点，一是创新性地提出了利用可见光通信技术实现室内定位，可实现高精度定位；二是引入了CDMA调制技术弥补了现有频分和时分可见光通信系统信道容量小的缺点，且提高了室内光通信质量；三是通过将蚁群算法和传统RSS三角定位算法相结合，提高了定位算法的计算效率，而且实现了算法误差可视化，有利于定位精度控制。
基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其包括以下步骤：
步骤一：对发射端LED的原始ID信息码进行CDMA扩频调制；
步骤二：发射端LED发射加载经过CDMA扩频调制的ID信息码信号；
步骤三：接收端接收来自各个发射机光信号，得到的为混合光信号，对上述混合光信号进行解扩以获得对应LED的光强衰减因子和ID位置信息；
步骤四：利用信道的增益表示LED的光强衰减因子；
步骤五：根据所述LED的光照强衰减因子，通过基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法来确定接收器的三维坐标；
进一步地，所述步骤一中的CDMA扩频调制包括以下步骤：
步骤(1.1)：获得与各个LED地理位置相关的ID信息码，ID码为二进制序列；
步骤(1.2)：使用开关键控(OOK)调制生成基带ID信号；
步骤(1.3)：生成调制信号，采用Walsh码作为扩频码，对基带ID信号的码元进行扩频调制。
进一步地，所述步骤三中的信号解扩包括以下步骤：
步骤(3.1)：在所述接收端处，经过采样处理后，使用要恢复出的发射端LED的Walsh码，与接收信号码元进行对应相乘操作；
步骤(3.2)：对上述进行对应相乘操作后的信号按Walsh码长度分别进行积分操作；
步骤(3.3)：对上述积分操作后的信号进行归一化处理，可获得ID信息码,同时根据Walsh码长度可获得ID信息码对应LED的光强衰减因子。
进一步地，所述光强衰减因子通过以下步骤获得：
光信号接收机接收到的混叠信号经过解扩处理后，对信号进行采样处理。进一步地，假想发射机的发射功率已知，且不考虑灯具等因素的光衰减，定义来自每个信号源的光强衰减因子为H(n)(0)，可由以下公式来表示：
其中n代表发射机的序号；Pr为接收功率，Pbackground为入射到PD的背景光功率，Pt为LED的光功率根据上述的室内无线光通信直射链路(LOS)信道增益，可由采样操作得出。步骤五(1)：在待搜索的三维空间范围内，随机生成多个蚂蚁个体。单个蚂蚁个体包含3个不同坐标分量(x,y,z)。
进一步地，所述步骤五中的基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法包括以下步骤：
步骤(5.1)：在待搜索的三维空间范围内，随机生成多个蚂蚁个体；单个蚂蚁个体包含3个不同坐标分量(x,y,z)；
步骤(5.2)：构建信息素浓度函数，根据室内可见光通信信道模型：
式中Pt为发射机功率，n表示发射机序号，h为接收机到发射机的垂直高度。假设朗勃常数mt＝mr＝1，并且令则上式可以简写为：
假设接收机水平放置，则光电探测器(PD)的法线与垂直方向平行，则LED的辐射角θ与光电探测器(PD)的接收角φ相等；则由上述信道模型表达式计算出每一个发射机到接收机的距离d(n)：
在蚁群算法中，假设单个蚂蚁的随机生成位置坐标可以写为(xi,yi,zi),i为蚂蚁个体的序号，计算每个蚂蚁个体与发射机的距离和实际距离的偏差，衡量该个体与最佳定位的差距,并将其作为信息素浓度函数；设第i只蚂蚁当前所在的空间位置坐标为(xi,yi,zi)，第n个LED的坐标为每个蚂蚁个体到4个LED的距离可以分别表示为：
构造信息素浓度函数为：
步骤(5.3)：蚁群算法中分为全局搜索和局部搜索两种策略，在本定位问题中，如果三维空间中某点的信息素浓度越小，表示与最优解偏差较小，则该处附近存在最优解的概率较大，应该采取局部搜索策略；反之该处存在最优解的概率较小，应当采取全局搜索策略；定义决定搜索策略的概率函数为：
其中τmin为所有蚂蚁个体所在处最低的信息素浓度，τi为第i只蚂蚁所在位置的信息素浓度。算法初始输入给定了转移概率常数，如果pi(τi)＜p0,应当采取局部搜索策略，反之如果pi(τi)＞p0应当采取全局搜索策略；
(i)局部搜索
在局部搜索中，为了提高搜索速度定义步长系数λ＝1/m,m为搜索的次数，λ代表一次蚂蚁局部搜索中的移动步长即三维空间距离；
(ii)全局搜索
在全局搜索中，只需在指定三维空间范围内随机移动即可；
步骤(5.4)：引入挥发机制；为了避免陷入局部最优，引入信息素信息挥发机制，每完成一次迭代运算后需将上一次运算得到的信息素浓度按照输入的挥发常数ρ进行衰减之后加到本次运算结果中；
步骤五(5.5)：根据设定计算精度，当群体中出现了最优个体的信息素浓度低于设定精度后即认为达到了计算精度，退出定位算法。
用于实现基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法的系统，包括发射系统、传输信道和接收系统；发射系统包括OOK基带调制电路、CDMA扩频模块、LED驱动电路和LED；传输信道为室内三维空间；接收系统包括光电转换元件、放大电路、自适应滤波器、CDMA解扩模块和OOK基带解调模块；每个LED上携带的ID信息码元通过OOK基带调制电路，CDMA扩频模块使用Walsh码进行对基带信号进行双极性调制，通过LED驱动电路将电信号转变为可见光信号发射出去；可见光信号通过传输信道传输至接收系统；接收系统利用光电转换元件将可见光转换为电信号；电信号通过放大电路放大后采样经过自适应滤波器模块；CDMA解调模块和OOK基带解调模块,可得ID信息码和光强衰减因子；根据所述光照强度衰减因子，通过基于蚁群算法的定位算法可获得精确的三维位置坐标。
本发明通过测量接收LED光信号强度，获得各个LED参考点的光强衰减因子，进一步地利用蚁群算法的全局搜索性可对室内空间进行快速搜索并确定最优定位点。同时为了克服多参考点通信所带来的码间干扰问题，本发明采用CDMA调制技术，根据扩频码的正交性，可从加载了ID信息码的在时域和频域上均混叠的混合光信号中解调出每个信号源的地理位置信息，经过采样操作后可计算得光强衰减因子。进一步地再使用蚁群算法(antcolony optimization,ACO)进行空间全局搜索获得三维坐标。在基于蚁群算法(ACO)的室内定位算法，用三维坐标表示蚂蚁个体，每个坐标分量是分别表示蚂蚁个体在三维空间上的位置，通过计算每个蚂蚁个体与发射机的距离和实际距离的偏差，可以衡量该个体与最佳定位点的差距,在满足定位算法终止条件时，最优蚂蚁个体的位置可以被认为是最佳定位点。本定位系统一是创造性地提出了利用可见光通信技术实现室内定位，可实现高精度定位，二是引入了CDMA调制技术弥补了现有频分和时分可见光通信系统信道容量小的缺点，且提高了室内光通信质量，三是通过将蚁群算法和传统RSS三角定位算法相结合，提高了定位算法的计算效率，而且实现了算法误差可视化，有利于定位精度控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)将蚁群算法与接收信号强度(RSS)定位算法相结合实现了室内三维定位，与传统RSS可见光定位系统相比较。
(2)引入了CDMA调制技术弥补了现有频分多址和时分多址可见光通信系统信道容量小的缺点，且提高了室内光通信质量。
(3)本发明具有较高的收敛速度，且算法误差可控，提高了系统的效率和精度。
附图说明
图1为基于蚁群算法可见光通信室内三维定位系统的系统模型图。
图2为本发明的系统原理图。
图3为基于蚁群算法可见光通信室内定位算法框图。
具体实施方式
下面结合附图以及实例，对本发明的具体实施进行详细地说明，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
实施例1
如图1所示，基于蚁群算法可见光通信室内三维定位，根据定位服务的需要和三维空间的环境条件在天花板上布置m个LED，其中m为大于或等于4的正整数。在本实例的系统中，把4个LED作为一个定位单元。定位终端为接收系统中的光电转换元件。
如图2所示，本发明的系统原理框图。ID信息码元通过OOK基带调制模块，CDMA扩频模块，经Walsh码扩频后，通过LED驱动电路将电信号转变为可见光信号发射出去。
可见光信号通过传输信道传输至接收系统。接收系统利用光电转换元件将可见光转换为电信号；电信号通过放大电路、自适应滤波模块，滤除噪声的信号经采样后送入CDMA解调模块，通过使用相同的Walsh对混叠信号进行解调后经过和OOK基带解调模块得到对应LED的ID信息码元，和光强衰减因子；根据光强衰减因子，通过蚁群算法(ACO)获得精确的三维位置坐标。
基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其包括以下步骤：
步骤一：对发射端LED的原始ID信息码进行CDMA扩频调制；
步骤二：发射端LED发射加载经过CDMA扩频调制的ID信息码信号；
步骤三：接收端接收来自各个发射机光信号，得到的为混合光信号，对上述混合光信号进行解扩以获得对应LED的光强衰减因子和ID位置信息；
步骤四：利用信道的增益表示LED的光强衰减因子；
步骤五：根据所述LED的光照强衰减因子，通过基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法来确定接收器的三维坐标；
进一步地，所述步骤一中的CDMA扩频调制包括以下步骤：
步骤(1.1)：获得与各个LED地理位置相关的ID信息码，ID码为二进制序列；
步骤(1.2)：使用开关键控(OOK)调制生成基带ID信号；
步骤(1.3)：生成调制信号，采用Walsh码作为扩频码，对基带ID信号的码元进行扩频调制。
进一步地，所述步骤三中的信号解扩包括以下步骤：
步骤(3.1)：在所述接收端处，经过采样处理后，使用要恢复出的发射端LED的Walsh码，与接收信号码元进行对应相乘操作；
步骤(3.2)：对上述进行对应相乘操作后的信号按Walsh码长度分别进行积分操作；
步骤(3.3)：对上述积分操作后的信号进行归一化处理，可获得ID信息码,同时根据Walsh码长度可获得ID信息码对应LED的光强衰减因子。
进一步地，所述光强衰减因子通过以下步骤获得：
光信号接收机接收到的混叠信号经过解扩处理后，对信号进行采样处理。进一步地，假想发射机的发射功率已知，且不考虑灯具等因素的光衰减，定义来自每个信号源的光强衰减因子为H(n)(0)，可由以下公式来表示：
其中n代表发射机的序号；Pr为接收功率，Pbackground为入射到PD的背景光功率，Pt为LED的光功率根据上述的室内无线光通信直射链路(LOS)信道增益，可由采样操作得出。
如图3所示，步骤五中的基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法包括以下步骤：
(1)：在待搜索的三维空间范围内，随机生成多个蚂蚁个体。单个蚂蚁个体包含3个不同坐标分量(x,y,z)。
(2)：构建信息素浓度函数，根据室内可见光通信信道模型：
式中Pt为发射机功率，n表示发射机序号，h为接收机到发射机的垂直高度。假设朗勃常数mt＝mr＝1，并且令则上式可以简写为：
假设接收机水平放置，则光电探测器(PD)的法线与垂直方向平行，则LED的辐射角θ与光电探测器(PD)的接收角φ相等。则由上述信道模型表达式可以计算出每一个发射机到接收机的距离d(n)：
在蚁群算法中，假设单个蚂蚁的随机生成位置坐标可以写为(xi,yi,zi),i为蚂蚁个体的序号，计算每个蚂蚁个体与发射机的距离和实际距离的偏差，可以衡量该个体与最佳定位的差距,并将其作为信息素浓度函数。每个蚂蚁个体到4个LED的距离可以分别表示为：
构造信息素浓度函数为：
(3)：蚁群算法中分为全局搜索和局部搜索两种策略，在本定位问题中，如果三维空间中某点的信息素浓度越小，表示与最优解偏差较小，则该处附近存在最优解的概率较大，应该采取局部搜索策略。反之该处存在最优解的概率较小，应当采取全局搜索策略。定义决定搜索策略的概率函数为：
其中τmin为所有蚂蚁个体所在处最低的信息素浓度，算法初始输入给定了转移概率常数，如果pi(τi)＜p0,应当采取局部搜索策略，反之如果pi(τi)＞p0应当采取全局搜索策略。
(i)局部搜索
在局部搜索中，为了提高搜索速度定义步长系数λ＝1/m,m为搜索的次数，λ代表一次蚂蚁局部搜索中的移动步长即三维空间距离
(ii)全局搜索
在全局搜索中，只需在指定三维空间范围内随机移动即可。
(4)：引入挥发机制。为了避免陷入局部最优，引入信息素信息挥发机制，每完成一次迭代运算后需将上一次运算得到的信息素浓度按照输入的挥发常数ρ进行衰减之后加到本次运算结果中。
(5)：算法终止条件，通常设定一计算精度后，当群体中出现了最优个体的信息素浓度低于设定精度后即认为达到了计算精度，可以退出定位算法。
Claims (6)
1.基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对发射端LED的原始ID信息码进行CDMA扩频调制；
步骤二：发射端LED发射加载经过CDMA扩频调制的ID信息码信号；
步骤三：接收端接收来自各个发射机光信号，得到的为混合光信号，对上述混合光信号进行解扩以获得对应LED的光强衰减因子和ID位置信息；
步骤四：利用信道的增益表示LED的光强衰减因子；
步骤五：根据所述LED的光照强衰减因子，通过基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法来确定接收器的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其特征在于，所述步骤一中的CDMA扩频调制包括以下步骤：
步骤(1.1)：获得与各个LED地理位置相关的ID信息码，ID码为二进制序列；
步骤(1.2)：使用开关键控(OOK)调制生成基带ID信号；
步骤(1.3)：生成调制信号，采用Walsh码作为扩频码，对基带ID信号的码元进行扩频调制。
3.根据权利要求1基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其特征在于所述步骤三中的信号解扩包括以下步骤：
步骤(3.1)：在所述接收端处，经过采样处理后，使用要恢复出的发射端LED的Walsh码，与接收信号码元进行对应相乘操作；
步骤(3.2)：对上述进行对应相乘操作后的信号按Walsh码长度分别进行积分操作；
步骤(3.3)：对上述积分操作后的信号进行归一化处理，可获得ID信息码,同时根据Walsh码长度可获得ID信息码对应LED的光强衰减因子。
4.根据权利要求3所述的基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其特征在于所述光强衰减因子通过以下步骤获得：
光信号接收机接收到的混叠信号经过解扩处理后，对信号进行采样处理。进一步地，假想发射机的发射功率已知，且不考虑灯具等因素的光衰减，定义来自每个信号源的光强衰减因子为H(n)(0)，可由以下公式来表示：
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其中n代表发射机的序号；Pr为接收功率，Pbackground为入射到PD的背景光功率，Pt为LED的光功率根据上述的室内无线光通信直射链路(LOS)信道增益，可由采样操作得出。
5.根据权利要求1所述的基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法，其特征在于，所述步骤五中的基于蚁群算法(ACO)的三维定位算法包括以下步骤：
步骤(5.1)：在待搜索的三维空间范围内，随机生成多个蚂蚁个体；单个蚂蚁个体包含3个不同坐标分量(x,y,z)；
步骤(5.2)：构建信息素浓度函数，根据室内可见光通信信道模型：
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式中Pt为发射机功率，n表示发射机序号，h为接收机到发射机的垂直高度。假设朗勃常数mt＝mr＝1，并且令则上式可以简写为：
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假设接收机水平放置，则光电探测器(PD)的法线与垂直方向平行，则LED的辐射角θ与光电探测器(PD)的接收角φ相等；则由上述信道模型表达式计算出每一个发射机到接收机的距离d(n)：
<mrow>
<mi>d</mi>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
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<mo>=</mo>
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<mn>3</mn>
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<mn>4</mn>
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</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
在蚁群算法中，假设单个蚂蚁的随机生成位置坐标可以写为(xi,yi,zi),i为蚂蚁个体的序号，计算每个蚂蚁个体与发射机的距离和实际距离的偏差，衡量该个体与最佳定位的差距,并将其作为信息素浓度函数；设第i只蚂蚁当前所在的空间位置坐标为(xi,yi,zi)，第n个LED的坐标为每个蚂蚁个体到4个LED的距离可以分别表示为：
<mrow>
<msup>
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构造信息素浓度函数为：
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<mn>2</mn>
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</mrow>
步骤(5.3)：蚁群算法中分为全局搜索和局部搜索两种策略，在本定位问题中，如果三维空间中某点的信息素浓度越小，表示与最优解偏差较小，则该处附近存在最优解的概率较大，应该采取局部搜索策略；反之该处存在最优解的概率较小，应当采取全局搜索策略；定义决定搜索策略的概率函数为：
<mrow>
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<mi>min</mi>
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</mrow>
<msub>
<mi>&tau;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
其中τmin为所有蚂蚁个体所在处最低的信息素浓度，τi为第i只蚂蚁所在位置的信息素浓度。算法初始输入给定了转移概率常数，如果pi(τi)＜p0,应当采取局部搜索策略，反之如果pi(τi)＞p0应当采取全局搜索策略；
(i)局部搜索
在局部搜索中，为了提高搜索速度定义步长系数λ＝1/m,m为搜索的次数，λ代表一次蚂蚁局部搜索中的移动步长即三维空间距离；
(ii)全局搜索
在全局搜索中，只需在指定三维空间范围内随机移动即可；
步骤(5.4)：引入挥发机制；为了避免陷入局部最优，引入信息素信息挥发机制，每完成一次迭代运算后需将上一次运算得到的信息素浓度按照输入的挥发常数ρ进行衰减之后加到本次运算结果中；
步骤五(5.5)：根据设定计算精度，当群体中出现了最优个体的信息素浓度低于设定精度后即认为达到了计算精度，退出定位算法。
6.用于实现基于蚁群算法的可见光通信室内三维定位的方法的系统，其特征在于包括发射系统、传输信道和接收系统；发射系统包括OOK基带调制电路、CDMA扩频模块、LED驱动电路和LED；传输信道为室内三维空间；接收系统包括光电转换元件、放大电路、自适应滤波器、CDMA解扩模块和OOK基带解调模块；每个LED上携带的ID信息码元通过OOK基带调制电路，CDMA扩频模块使用Walsh码进行对基带信号进行双极性调制，通过LED驱动电路将电信号转变为可见光信号发射出去；可见光信号通过传输信道传输至接收系统；接收系统利用光电转换元件将可见光转换为电信号；电信号通过放大电路放大后采样经过自适应滤波器模块；CDMA解调模块和OOK基带解调模块,可得ID信息码和光强衰减因子；根据所述光照强度衰减因子，通过基于蚁群算法的定位算法可获得精确的三维位置坐标。
Priority Applications (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109600711A (zh) * | 2018-12-10 | 2019-04-09 | 西安交通大学 | 一种基于信道响应频域和空域联合处理的室内定位方法 |
| CN110132603A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 杭州电子科技大学 | 基于并集置信规则库和蚁群算法的船舶柴油机故障定位方法 |
| CN111431601A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-07-17 | 南京邮电大学 | 一种提高系统信道利用率的方法 |
| CN111490821A (zh) * | 2020-03-10 | 2020-08-04 | 天津大学 | 一种可见光通信系统功率优化的方法 |
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2017
- 2017-09-26 CN CN201710878217.6A patent/CN107786266A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 吴兴邦 等: "基于蚁群算法的室内可见光高精度三维定位系统", 《光子学报》 * |
Cited By (6)
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