CN107864012B - 一种可见光通信系统遮挡识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种可见光通信系统中遮挡识别的方法，该方法利用调度器收集用户上报的接收功率强度信息，计算得到所有的有效光链路上的历史平均功率。调度器根据平均功率与当前功率的差值来确定该链路是否被遮挡。另外，通过引入大辐射角灯组，使用户能够接收到相邻小区灯组的信号，调度器通过对这类链路上功率的跟踪来确定该链路是否被遮挡。最后，综合用户收到的来自当前小区以及相邻小区的灯组信号功率强度变化来推断遮挡物的特性，主要分为竖直型遮挡（直立人体躯干等）以及水平型遮挡（水平放置的书本、人手等）。该方法在遮挡场景下可以提供较高的遮挡识别正确率，为不同特性的遮挡场景下的通信性能分析以及补偿策略提供了可靠的参考。

Description

一种可见光通信系统遮挡识别方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种可见光通信系统遮挡识别方法。

背景技术

可见光通信(Visible Light Communication，VLC)和传统的无线电通信相比具有高带宽、高速率、绿色健康、安全保密等特点，在近年备受关注。在一个典型的室内照明系统中，为了满足照明的需求会安装多个LED灯组，可见光通信系统就是利用这些灯组在照明的同时进行高速数据传输。

可见光的频率较高，波长较短，因此光信号在传播时无法像电磁波那样通过衍射绕过遮挡物。在室内光通信系统中，VLC由于穿透性差，很容易受到移动的人或物的遮挡影响，导致数据速率的下降。典型的遮挡物有竖直型遮挡(直立人体躯干等)以及水平型遮挡(水平放置的书本、人手等)。若系统能通过某种方法较准确地判断出遮挡物的特性，进而针对不同特性的遮挡物采取不同的补偿或调度策略来提升遮挡情况下的通信质量，则可见光通信的适用性将大大提升。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种可见光通信系统遮挡识别方法，该方法通过设置系统中各灯组的辐射角，并利用调度器追踪每条光链路的功率变化，在调度器中实现对用户的遮挡情况的判定，为系统根据不同特性的遮挡采取相应的补偿策略提供了可能，为达此目的，本发明提供一种可见光通信系统遮挡识别方法，具体步骤如下：

1)调度器获得所有用户上报的接收功率强度信息；

2)对用户的每一条未录入的当前功率记录，检查是否存在该灯组的历史功率记录，如果不存在，将历史功率记录设为当前的功率记录，功率骤降次数N_def设为0；

3)比较该灯组的历史平均功率P_avg与当前接收功率P_cur的相对大小，如果比值

大于门限值R_th，则认为该链路发生了一次功率骤降，进入步骤4)，如果r＜R_th，进入步骤5)；

4)将骤降次数N_def加1，随后检查功率骤降的次数N_def是否超过了骤降次数门限N_th，如果超过，判定该条链路发生了遮挡，如果未超过，判定该条链路未发生遮挡，进入步骤6)；

5)如果r＜R_th，则根据公式：

更新该链路的历史平均功率信息，其中P_avg为旧功率记录，

作为更新的历史平均功率记录，β是更新操作的加权系数，并且判断功率骤降的次数N_def是否为0，若不为0，则将N_def减1；

6)返回步骤2)继续录入下一条当前功率信息，若完成了全部功率信息的录入，进入步骤7)

7)在最新的历史平均功率记录中，根据其中功率最强的三个灯组的ID，推断出所属的虚拟小区，推断的方法应不同的灯组ID配置方法不同；

8)推断出虚拟小区之后，将历史记录中的灯组集合分为“当前小区灯组”和“相邻小区灯组”这两个子集，如果判定为遮挡的链路均来自“当前小区灯组”子集，则判断该用户发生了平行型遮挡，如果判定为遮挡的链路除了来自“当前小区灯组”子集，也有部分来自“相邻小区灯组”子集，则判断该用户发生了竖直型遮挡；

9)对下一个用户继续从步骤2)开始执行，直到所有用户的功率信息都被读取完成。

本发明的进一步改进，所述系统中假设上行链路使用无线电或者其他衍射效果明显的电磁波作为传播载体，保证上行链路不会被遮挡。

本发明是一种可见光通信系统遮挡识别方法，利用调度器收集用户上报的接收功率强度信息，通过比较当前接收功率与平均接收功率的大小关系，来判断该条光链路是否发生了遮挡，并更新历史平均功率，根据用户的历史平均功率推断出用户当前所处的虚拟小区，最后综合全部有效光链路的遮挡情况，推断出遮挡物的特性，其有益效果如下：1)本发明利用调度器对各条光链路上的接收功率的追踪，推断出用户当前的遮挡情况以及遮挡物的特性；2)调度器由历史平均接收功率强度信息可以判断出用户当前所处的虚拟小区，还可以根据虚拟小区内各灯组的功率强度的相对大小来判断用户在该虚拟小区中的大致方位。

附图说明

图1给出了识别算法中主要步骤的流程图，注意到该流程图中的某一个流程可能会对应上述的技术方案中描述的实施步骤中的若干步。

图2给出了两种灯组辐射角配置方式下的对竖直型遮挡物的识别正确率统计结果，配置1对应图4所示的灯组辐射角配置方案，配置2对应图5所示的灯组辐射角配置方案。

图3给出了遮挡场景的前视图，在该图中，虚线表示灯组的照射范围，实线表示灯组与用户之间的光路，上方的黑色实心点表示大辐射角灯组，空心点则表示小辐射角灯组；左边竖直型遮挡物不仅遮挡了当前小区灯组B与用户U1之间的光链路，还遮挡了相邻小区灯组A与用户U1之间的光链路，而右边的水平型遮挡物只遮挡了当前小区灯组C和D与用户U2之间的光链路，而没有遮挡相邻小区灯组E与用户U2之间的光链路。

图4给出了本发明采用的灯组辐射角配置方案以及用户分布情况，其中实心圆点表示大辐射角灯组，空心圆点表示小辐射角灯组，被灯组包围的较小的实心圆点表示用户可选的分布位置。

图5给出了另一种灯组辐射角差异化配置方案，与图4类似，实心圆点表示大辐射角灯组，空心圆点表示小辐射角灯组，被灯组包围的较小的实心圆点表示用户可选的分布位置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种可见光通信系统遮挡识别方法，该方法通过设置系统中各灯组的辐射角，并利用调度器追踪每条光链路的功率变化，在调度器中实现对用户的遮挡情况的判定，为系统根据不同特性的遮挡采取相应的补偿策略提供了可能。

作为本发明一种具体实施例，本发明提供利用调度器收集用户上报的接收功率强度信息，通过比较当前接收功率与平均接收功率的大小关系，来判断该条光链路是否发生了遮挡，并更新历史平均功率，根据用户的历史平均功率推断出用户当前所处的虚拟小区，最后综合全部有效光链路的遮挡情况，推断出遮挡物的特性。该遮挡识别方法按以下步骤进行：

1)调度器获得所有用户上报的接收功率强度信息(系统中假设上行链路使用无线电或者其他衍射效果明显的电磁波作为传播载体，保证上行链路不会被遮挡)；

2)对用户的每一条未录入的当前功率记录，检查是否存在该灯组的历史功率记录，如果不存在，将历史功率记录设为当前的功率记录，功率骤降次数N_def设为0；

3)比较该灯组的历史平均功率P_avg与当前接收功率P_cur的相对大小，如果比值

大于门限值R_th，则认为该链路发生了一次功率骤降，进入步骤4)，如果r＜R_th，进入步骤5)；

4)将骤降次数N_def加1，随后检查功率骤降的次数N_def是否超过了骤降次数门限N_th，如果超过，判定该条链路发生了遮挡，如果未超过，判定该条链路未发生遮挡。进入步骤6)；

5)如果r＜R_th，则根据公式

更新该链路的历史平均功率信息，其中P_avg为旧功率记录，

作为更新的历史平均功率记录，β是更新操作的加权系数，并且判断功率骤降的次数N_def是否为0，若不为0，则将N_def减1；

6)返回步骤2)继续录入下一条当前功率信息，若完成了全部功率信息的录入，进入步骤7)

7)在最新的历史平均功率记录中，根据其中功率最强的三个灯组的ID，推断出所属的虚拟小区(用虚拟小区左下角的灯组ID唯一表示)，推断的方法应不同的灯组ID配置方法不同(在本方法仿真的系统中，虚拟小区四个灯组的ID与虚拟小区左下角的灯组ID的差值分别为：0，1，6，7，则功率最强的三个灯组ID与左下角灯组ID的差值的组合方式只有[0 16]，[0 1 7]，[0 6 7]，[1 6 7]四种，其他配置方式也可以根据类似的规律推断出小区左下角的灯组ID)；

8)推断出虚拟小区之后，将历史记录中的灯组集合分为“当前小区灯组”和“相邻小区灯组”这两个子集，如果判定为遮挡的链路均来自“当前小区灯组”子集，则判断该用户发生了平行型遮挡，如果判定为遮挡的链路除了来自“当前小区灯组”子集，也有部分来自“相邻小区灯组”子集，则判断该用户发生了竖直型遮挡。

9)对下一个用户继续从步骤2)开始执行，直到所有用户的功率信息都被读取完成。

本专利发明的技术方法在开源的网络仿真平台上进行了仿真。主要仿真测试了本发明给出的具体实施方法。另外，为了比较不同的灯组辐射角配置方案对识别算法准确度的影响，下面给出了另外两种灯组辐射角配置方案。具体的配置方案为：

配置1：按照图4给出的灯组辐射角配置方案，实心圆点表示大辐射角灯组，空心圆点表示小辐射角灯组。

配置2：按照图5给出的灯组辐射角配置方案，实心圆点表示大辐射角灯组，空心圆点表示小辐射角灯组。

本发明的仿真参数如表1所示。

测试时，分别选取位于角落小区(房间右上角)、边缘小区、中心小区的用户(在图4中用黑色实心小点表示，每次仿真只选择小区中9个位置中的一个放置用户)，在相对于用户的各个方向上设置不同的障碍物，通过上文描述的遮挡识别算法，统计识别正确的案例数以及正确率，对竖直型遮挡的识别正确率统计结果如图2所示，而对于水平型遮挡，按照图4和图5的配置方案均可以达到100％的识别正确率。

仿真测试的结果显示，本发明提出的遮挡识别算法具有较高的准确率，尤其对于中心小区用户，因为中心小区周围每一个方位都有大辐射角的灯组为遮挡识别提供辅助，这也解释了为什么边缘小区以及角落小区用户的遮挡识别正确率较低，原因是边缘小区和角落小区周围没有足够的大辐射角灯组来辅助调度器进行遮挡的识别。

表1仿真参数表

房间大小	10*10*3(长*宽*高，米<sup>3</sup>)
		灯组间距	2米
灯组的高度	3米
		大辐射角角度	66度
小辐射角角度	45度
		灯组的发送信道	LED可见光信道
灯组的接收信道	无线电信道
		用户的发送信道	无线电信道
用户的接收信道	LED可见光信道
		竖直型遮挡物大小	75cm*52cm
水平型遮挡物大小	30cm*20cm

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种可见光通信系统遮挡识别方法，通过设置系统中各灯组的辐射角，并利用调度器追踪每条光链路的功率变化，上行链路使用衍射效果明显的电磁波作为传播载体，保证上行链路不会被遮挡，使得调度器获得所有用户上报的接收功率强度信息，具体步骤如下，其特征在于：

1)调度器获得所有用户上报的接收功率强度信息；

2)对用户的每一条未录入的当前功率记录，检查是否存在该灯组的历史功率记录，如果不存在，将历史功率记录设为当前功率记录，功率骤降次数N_def设为0；

3)比较该灯组的历史平均功率P_avg与当前接收功率P_cur的相对大小，如果比值

大于门限值R_th，则认为该链路发生了一次功率骤降，进入步骤4)，如果r＜R_th，进入步骤5)；

4)将骤降次数N_def加1，随后检查功率骤降的次数N_def是否超过了骤降次数门限N_th，如果超过，判定该条链路发生了遮挡，如果未超过，判定该条链路未发生遮挡，进入步骤6)；

5)如果r＜R_th，则根据公式

更新该链路的历史平均功率信息，其中P_avg为旧功率记录，作为更新的历史平均功率记录，β是更新操作的加权系数，并且判断功率骤降的次数N_def是否为0，若不为0，则将N_def减1；

6)返回步骤2)继续录入下一条当前功率信息，若完成了全部功率信息的录入，进入步骤7)

7)在最新的历史平均功率记录中，根据其中功率最强的三个灯组的ID，推断出所属的虚拟小区，推断的方法因不同的灯组ID配置方法不同；

8)推断出虚拟小区之后，将历史记录中的灯组集合分为“当前小区灯组”和“相邻小区灯组”这两个子集，如果判定为遮挡的链路均来自“当前小区灯组”子集，则判断该用户发生了平行型遮挡，如果判定为遮挡的链路除了来自“当前小区灯组”子集，也有部分来自“相邻小区灯组”子集，则判断该用户发生了竖直型遮挡；

9)对下一个用户继续从步骤2)开始执行，直到所有每一条未录入的当前功率记录都被读取完成。

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