CN107942288A - 一种结合ofdm的led定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合OFDM的LED定位方法及系统，该方法与系统结合混合OFDM的LED定位算法，利用ACO‑OFDM调制奇载波，PAM‑DMT调制偶载波的虚部，减轻室内环境中多径失真的影响，并使用RSS确定接收机的坐标，并进一步采用信赖域信赖域技术实现三维定位，模拟步行路径，算法精度高。此外，粒子滤波器用于提高性能，可以提高水平和垂直分量的定位精度，本发明的LED定位方法及系统，提高在多径干扰影响下的定位精度，同时提高传输速率及频谱利用率。
Description
技术领域
本发明涉及位置定位领域，尤其涉及LED定位方面，更具体地说，涉及一种结合OFDM的LED定位方法及系统。
背景技术
位置服务通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的与位置相关的信息服务。全球定位系统(Global SatellitePositioning,GPS)是目前应用最为广泛的定位系统，但卫星信号不能穿透建筑物，且室内环境存在严重的多径和非视距干扰，在室内难以实现定位.为了提高室内定位的精度，人们采用了红外线定位、超声波定位、射频识别定位等技术，但传统的室内定位技术在系统成本、稳定性、定位精度等方面不能完全满足用户的需求。随着发光二极管(light-emitting-diode,LED)照明技术的发展，可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)也得到发展，基于可见光通信的室内定位导航技术成为了研究的热点。与传统的射频定位和其它无线定位技术相比，基于LED可见光通信的室内定位具有发射功率高、定位精度高、使用场合广、无电磁干扰和节约能源等优点。
然而在实际应用中，LED定位系统都会受到室内环境中多径干扰的影响，期刊《Journal of Lightwave Technology》于2016年第34卷第10期刊登的文章《Impact ofMultipath Reflections on the Performance of Indoor Visible Light PositioningSystems》研究了多径干扰对定位精度的影响，结果表明多径干扰会大大降低定位精度，所以多径干扰需考虑到定位算法中.正交频分复用技术(orthogonal frequency divisionmultiplexing,OFDM)一直被普遍应用于抵抗多径干扰引起的码间串扰问题，并提高传输速率。与传统射频无线通信不同的是，VLC使用强度调制直接检测(intensity-modulationdirect-detection,IM/DD)，要求以光强为载体的发送信号必须是非负实数。直流偏置光正交频分复用(direct-current-biased optical OFDM,DCO-OFDM)通过叠加直流偏置获得非负传输信号，较小的直流偏置会引起较大的限幅噪声，而较大的直流偏置则会降低功率效率。非对称限幅光正交频分复用(asymmetrically clipped optical OFDM,ACO-OFDM)仅调制奇载波，脉冲幅度调制-离散多音频调制(pulse amplitude modulated discretemultitone,PAM-DMT)仅调制载波虚部，两者均通过零值限幅获得非负传输信号，限幅噪声只影响未调制载波部分，但零值限幅使发送端一半能量耗费在未调制载波部分，致使ACO-OFDM和PAM-DMT相较于传统双极性OFDM有3dB的性能损失。期刊《Journal of LightwaveTechnology》于2013年第31卷第7期刊登的文章《Armstrong J.Comparison of ACO-OFDM,DCO-OFDM and ADO-OFDM in IM/DD Systems》提出了一种将ACO-OFDM和DCO-OFDM混合传输的方法，提高了传输速率。为了进一步提高频谱利用率并降低传输复杂性，期刊《Journalof Optical Communications and Networking》于2014年第6卷第4期刊登的文章《HybridAsymmetrically Clipped OFDM-Based IM/DD Optical Wireless System》提出了将ACO-OFDM和PAM-DMT混合传输的方法。
目前大多数LED定位系统都使用LED作为发射机，固定在目标上的光探测器作为接收机，并利用收发机之间的距离来计算接收机的坐标，该距离的获取方法有接收时间(time-of-arrival,TOA)(可参考期刊《Journal of Lightwave Technology》于2013年第31卷第20期刊登的文章《Accuracy of Time-of-Arrival Based Ranging Using VisibleLight With Application in Indoor Localization Systems》)、接收时间差(time-difference-arrival,TDOA)(可参考期刊《IEEE Transactions on ConsumerElectronics》于2011年第57卷第4期刊登的文章《TDOA-based optical wireless indoorlocalization using LED ceiling lamps》)和接收信号的强度(received-signal-strength,RSS)(可参考期刊《IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part C(Applications and Reviews)》于2007年第37卷第6期刊登的文章《Survey ofWireless Indoor Positioning Techniques and Systems》以及期刊《Optics Express》于2015年第23卷第16期刊登的文章《Exploring the effect of diffuse reflection onindoor localization systems based on RSSI-VLC》)三种。RSS通过发射信号的能量衰减来计算距离，由于其原理简单而被广泛使用。期刊《Optical Engineering》于2016年第55卷第5期刊登的文章《Indoor location estimation with optical-based orthogonalfrequency division multiplexing communications》提出了将ACO-OFDM与定位系统结合的算法，但其定位精度还有待进一步提高，且其具有ACO-OFDM系统普遍存在的发送端一半能量耗费在未调制载波部分的问题，会产生3dB性能损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有的技术缺陷，提供了一种结合OFDM的LED室内3D(direction)定位方法及系统。
其中，根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种结合OFDM的LED定位方法，包含如下步骤：
S1、多个LED发射机分别将各自的ACO-OFDM信号与PAM-DMT信号叠加在一起后分别发送出去；
其中，ACO-OFDM信号通过下述方法得到：将输入信号通过M元正交调幅调制在奇载波上，生成长度为N/4的复数数据，偶载波全部置零，第一和第N/2个子载波也置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到，其中，M为星座图的大小，N为子载波数；
PAM-DMT信号是通过下述方法得到：采用M元脉冲幅度调制方法将输入信号调制在偶载波的虚部上，奇载波全部置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到；
输入信号包含该发射机在水平面的坐标；
S2、接收机根据接收到的每个发射机的信号分别计算出PAM-DMT信号，并根据分别计算出的PAM-DMT信号分别重构出PAM-DMT信号；
S3、接收机根据各个发射机的重构出的PAM-DMT信号的发射功率及对应的坐标计算出接收机的3D坐标，具体如下：
S31、初始化接收机坐标的初始值h0为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离h的初始值，H为接收到的发射光所对应LED灯所在房间的高度，其中，接收机的水平面中坐标(x,y)通过下述公式计算得出：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，且Q为所求的接收机坐标(x,y)，Xi、Yi为第i个发射机的水平面的横坐标和纵坐标，ri为接收机与第i个发射机之间的水平距离，i＝1、2、…、n，n为发射机的个数，ri为通过下述公式所描述：
式中，Pt为第i个LED的重构后的PAM-DMT信号的功率的取平均值，Pri为第i个LED的PAM-DMT信号的发射功率的平均值，朗伯阶数为m＝-ln2/ln(cosΨ1/2)，Ψ1/2是用于发射信号的LED的半功率角，A是用于接收信号的光电探测器的物理面积，Di为接收机与第i个发射机之间的距离，θi为第i盏灯发射角，为第i个接收机相对于其法线方向的入射角，为第i个LED的光滤波器的传播系数，是第i个LED的光集中器的增益，大小由式下述公式确定：
其中，Φc为光集中器视角的半角度，n为光集中器的折射率；
S32、根据计算得到初始定位误差根据初始信赖域半径R0，取以为圆心、以R0为半径的信赖域内部的点更新通过更新
其中定位误差计算公式为：
(Xi,Yi,Zi)为接收到的发射光所对应的第i个LED灯的三维坐标，为计算时的接收机的三维坐标；
S33、进行定位误差判决，当定位误差大于设定的定位误差时，重新选取信赖域内部的点更新当定位误差小于等于设定的定位误差时，输出最新的
S34、进行迭代终止判决，将最新的中与上一次迭代得到的中的进行比较，当二者差值大于预设值时，以最新的中的确定下一次和更新迭代的初始值h0，返回步骤S31开始下一次迭代，否则终止迭代，输出最终的作为接收机的三维位置坐标。
在本发明的LED定位方法的步骤S2中，每个发射机的PAM-DMT信号的计算方法包含下述步骤：
S21、对接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到奇序列进行反ACO-OFDM运算，得到计算的ACO-OFDM信号；
S22、根据计算ACO-OFDM信号，计算得到偶载波上的限幅噪声；
S23、计算将接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到偶序列与偶载波上的限幅噪声的差值，取差值的虚部作为PAM-DMT信号的计算值。
在本发明的LED定位方法的步骤S3之后还包括步骤：
S4、结合SIR粒子滤波器，将信号的采样值通过概率模型传输并提供下一个定位状态的估计，具体步骤如下：
S41、初始化N个权值为1/N的粒子
S42、由结合步长和移动方向计算
S43、由步骤S3中最终的接收机的三维位置坐标更新权重
式中，σ为与最终的接收机的三维位置坐标对应的定位误差
S44、计算如果大于预设阀值，将其重采样：
S45、估计目标位置：
S46、更新每个粒子的步长并返回步骤S42并以步骤S45中的代替循环进行步骤S42-S45直至满足预设的终止条件后，输出最后的作为最终的下一个定位状态的估计。
在本发明的LED定位方法中，发射机的信号发射方向和接收机的信号接收方向均于竖直方向。
在本发明的LED定位方法中，上述输入信号还包括该发射机身份识别信息，以使得接收到所述身份识别信息的接收机能够将各个发射机的坐标区分开来。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种结合OFDM的LED定位系统，包含如下模块：
多个控制模块，分别位于装于多个发射机上，用于分别控制所述多个发射机分别将各自的ACO-OFDM信号与PAM-DMT信号叠加在一起后分别发送出去；
其中，ACO-OFDM信号通过第一发射单元得到，第一发射单元用于将输入信号通过M元正交调幅调制在奇载波上，生成长度为N/4的复数数据，偶载波全部置零，第一和第N/2个子载波也置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到，其中，M为星座图的大小，N为子载波数；
PAM-DMT信号通过第二发射单元得到，第二发射单元用于采用M元脉冲幅度调制方法将输入信号调制在偶载波的虚部上，奇载波全部置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到；
输入信号包含该发射机在水平面的坐标；
信号重构模块，位于接收机上，用于根据接收到的每个发射机的信号分别计算出PAM-DMT信号，并根据分别计算出的PAM-DMT信号分别重构出PAM-DMT信号；
位置计算模块，位于接收机上，用于接收机根据各个发射机的重构出的PAM-DMT信号的发射功率及对应的坐标计算出接收机的3D坐标，具体包含：
初始化子模块，用于初始化接收机坐标的初始值h0为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离h的初始值，H为接收到的发射光所对应LED灯所在房间的高度，其中，接收机的水平面中坐标(x,y)通过下述公式计算得出：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，且Q为所求的接收机坐标(x,y)，Xi、Yi为第i个发射机的水平面的横坐标和纵坐标，ri为接收机与第i个发射机之间的水平距离，i＝1、2、…、n，n为发射机的个数，ri为通过下述公式所描述：
式中，Pt为第i个LED的重构后的PAM-DMT信号的功率的取平均值，Pri为第i个LED的PAM-DMT信号的发射功率的平均值，朗伯阶数为m＝-ln2/ln(cosΨ1/2)，Ψ1/2是用于发射信号的LED的半功率角，A是用于接收信号的光电探测器的物理面积，Di为接收机与第i个发射机之间的距离，θi为第i盏灯发射角，为第i个接收机相对于其法线方向的入射角，为第i个LED的光滤波器的传播系数，是第i个LED的光集中器的增益，大小由式下述公式确定：
其中，Φc为光集中器视角的半角度，n为光集中器的折射率；
更新子模块，用于根据计算得到初始定位误差根据初始信赖域半径R0，取以为圆心、以R0为半径的信赖域内部的点更新通过更新
其中定位误差计算公式为：
(Xi,Yi,Zi)为接收到的发射光所对应的第i个LED灯的三维坐标，为计算时的接收机的三维坐标；
定位误差判决子模块，用于进行定位误差判决，当定位误差大于设定的定位误差时，重新选取信赖域内部的点更新当定位误差小于等于设定的定位误差时，输出最新的
迭代终止判子模块，用于进行迭代终止判决，将最新的中与上一次迭代得到的中的进行比较，当二者差值大于预设值时，以最新的中的确定下一次和更新迭代的初始值h0，返回步骤S31开始下一次迭代，否则终止迭代，输出最终的作为接收机的三维位置坐标。
在本发明的LED定位系统中，信号重构模块采用下述单元来计算每个发射机的PAM-DMT信号：
ACO-OFDM信号计算单元，用于对接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到奇序列进行反ACO-OFDM运算，得到计算的ACO-OFDM信号；
偶载波限幅噪声计算单元，用于根据计算ACO-OFDM信号，计算得到偶载波上的限幅噪声；
PAM-DMT信号计算单元，用于计算将接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到偶序列与偶载波上的限幅噪声的差值，取差值的虚部作为PAM-DMT信号的计算值。
在本发明的LED定位系统中，还包括下述模块：
粒子滤波器处理模块，用于结合SIR粒子滤波器，将信号的采样值通过概率模型传输并提供下一个定位状态的估计，具体包括：
初始化单元，用于初始化N个权值为1/N的粒子
子代计算单元，用于由结合步长和移动方向计算
权重更新单元，用于由步骤S3中最终的接收机的三维位置坐标更新权重
式中，σ为与最终的接收机的三维位置坐标对应的定位误差
综合计算单元，用于计算如果大于预设阀值，将其重采样：
目标位置估计单元，用于估计目标位置：
输出的单元，用于更新每个粒子的步长并返回步骤S42并以步骤S45中的代替循环进行步骤S42-S45直至满足预设的终止条件后，输出最后的作为接收机的3D坐标。
在本发明的LED定位系统中，发射机的信号发射方向和接收机的信号接收方向均于竖直方向。
在本发明的LED定位系统中，输入信号还包括该发射机身份识别信息，以使得接收到所述身份识别信息的接收机能够将各个发射机的坐标区分开来。
本发明公开了一种结合OFDM的LED定位方法及系统，该方法与系统结合混合OFDM的LED定位算法，利用ACO-OFDM调制奇载波，PAM-DMT调制偶载波的虚部，减轻室内环境中多径失真的影响，并使用RSS确定接收机的坐标，并进一步采用信赖域信赖域技术实现三维定位，模拟步行路径，算法精度高。此外，粒子滤波器用于提高性能，可以提高水平和垂直分量的定位精度，本发明的LED定位方法及系统，提高在多径干扰影响下的定位精度，同时提高传输速率及频谱利用率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的结合OFDM的LED定位方法的一实施例部分的流程图；
图2是本发明的结合OFDM的LED定位系统模型图；
图3是本发明的结合OFDM的LED定位方法的一实施例又一部分的流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1及图2，本实施例中的结合OFDM的LED定位系统可适用于室内定位，下述将结合图2的室内使用情况对图1中的LED定位方法进行说明。
图2中，长方体为一个长6米、宽6米、高4.2米的房间，房间的天花板上有四个LED灯泡，每个灯作为一个独立的光发射机，发射唯一的ID(身份识别)编码及位置坐标，本实施例的位置坐标采用坐标(x,y，z)表示，x表示x轴的坐标，y表示y轴的坐标，z表示z轴的坐标，其中(x,y)为在水平面的坐标，z为高度坐标。
在每个发射机端，本系统利用ACO-OFDM调制奇载波，PAM-DMT调制偶载波的虚部，两路信号分别生成，然后结合为一个信号进行传输(可参考期刊《Journal of OpticalCommunications and Networking》于2014年第6卷第4期刊登的文章《HybridAsymmetrically Clipped OFDM-Based IM/DD Optical Wireless System》)。
具体的，ACO-OFDM信号的得到方式为：将包含发射机ID编码及位置坐标的输入信号通过M元正交调幅(M-ary quadrature amplitude modulation,M-QAM)调制在奇载波上，生成长度为N/4的复数数据，偶载波全部置零，其中，M为星座图的大小，N为子载波数。此外，为了满足埃尔米特对称法则以确保输出信号为真，第一和第N/2个子载波也置零。此时，生成的信号为N点快速傅里叶反变换(inverse fastFourier transform,IFFT)的输入信号，其中()*表示向量的复数共轭，然后转换为串码进行限幅操作后得到ACO-OFDM信号。而PAM-DMT信号则采用M元脉冲幅度调制(M-arypulseamplitude modulation,PAM)方法将输入信号调制在偶载波的虚部上，奇载波全部置零，IFFT的输入信号为然后转换为串码进行限幅操作后得到PAM-DMT信号。如何转换为串码以及如何进行限幅操作属于本领域公知技术，这里不再赘述。
经过限幅操作获得非负信号后，这两部分信号叠加在一起，并插入循环前缀(cyclic prefix,CP)，最终进入光信道传输。
在接收机端，接收信号在移除CP后，进行傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)，分别得到每个发射机对应的偶序列以及奇序列，偶序列为reven、caco、cpam、neven之和，奇序列为rodd、caco、cpam、nodd之和，其中rodd和reven分别为ACO-OFDM和PAM-DMT信号，caco和cpam分别为ACO-OFDM和PAM-DMT的限幅噪声，nodd和neven表示光信道中的加性高斯白噪声(additive white Gaussian nose,AWGN)。
然后对奇序列进行反ACO-OFDM运算，得到计算的ACO-OFDM信号。
再根据计算ACO-OFDM信号，计算得到偶载波上的限幅噪声。此步骤属于本领域公知常识。
再计算偶序列与偶载波上的限幅噪声的差值，取差值的虚部作为PAM-DMT信号的计算值。
通过PAM技术，该计算信号可重构出PAM-DMT信号，该重构信号消除了PAM-DMT信号中影响偶载波的实部的限幅噪声，计算精度更高，并最终根据重构出的PAM-DMT信号以及各个发射机的坐标计算出接收机坐标。由于接收机位于地面，其z轴的坐标为0，因此只需要计算出接收机的x轴和y轴的坐标。
每一个发射机对应参数均可以获取一组接收机的x轴和y轴的坐标，以任意一组发射机对应的参数获取一组接收机的x轴和y轴的坐标具体的实现方式如下。
获取重构后的第i个LED的PAM-DMT信号的功率的取平均值Pt、第i个LED的PAM-DMT信号的发射功率的平均值Pri、朗伯阶数m＝-ln2/ln(cosΨ1/2)、用于发射信号LED的半功率角Ψ1/2、用于接收信号的光电探测器的物理面积A，Di为接收机与第i个发射机之间的距离，θi为第i盏LED发射角，为第i个接收机相对于其法线方向的入射角，为第i个LED的光滤波器的传播系数，是第i个LED的光集中器的增益，大小由式下述公式确定：
其中，Φc为光集中器视角的半角度，n为光集中器的折射率。
然后根据下述公式计算出ri：
式中，h为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离。
然后计算出接收机在水平面中的坐标：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，且Q为所求的接收机坐标，Xi、Yi为第i个发射机的水平面的横坐标和纵坐标，ri为接收机与第i个发射机之间的水平距离，i＝1、2、…、n，n为发射机的个数。
在上述Di 2的计算公式中，Ψ1/2、m、Φc、Ts、n、A为系统参数，其一般通过人为预先设定得到，而会根据发射机的发射器的发射方向和接收机的接收器的接收方向的不同而不同。
在本实施例中，发射机的发射器的发射方向和接收机的接收器的接收方向都与天花板垂直，此时有：
由于高度h固定，可得到收发机之间的距离的简化公式为：
由上式(3)可得：
其中，C为下表中系统参数在公式(2)中计算相应部分所得的常数，其中C具体的计算式如下：
在本实施例中，部分参数的大小如下表所示。
上述介绍了在h已知情况下利用2D算法求解接收机的水平坐标(x,y)，下述在上述2D算法求解(x,y)上，进一步求解z坐标，具体的可参照图3，包含：
A1、初始化接收机坐标，的初始值其中h0为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离h的初始值，H为接收到的发射光所对应LED灯所在房间的高度；
A2、根据计算得到初始定位误差根据初始信赖域半径R0，取以为圆心、以R0为半径的信赖域内部的点更新通过更新
其中定位误差计算公式为：
(Xi,Yi,Zi)为接收到的发射光所对应的第i个LED灯的三维坐标，为计算的接收机的三维坐标；
A3、进行定位误差判决，当定位误差大于设定的定位误差时，重新选取信赖域内部的点更新当定位误差小于等于设定的定位误差时，输出最新的
A4、进行迭代终止判决，将最新的中与上一次迭代得到的中的进行比较，当二者差值大于预设值时，以最新的中的确定下一次和更新迭代的初始值h0，返回步骤A1开始下一次迭代，否则终止迭代，输出最终的作为接收机的三维位置坐标。再次返回A1时，需要利用新的h0再次进行2D算法求解(x，y)，并利用新的(x，y)进行后续的步骤。
所述步骤A4之后还包括步骤：
结合SIR粒子滤波器，将信号的采样值通过概率模型传输并提供下一个定位状态的估计，具体步骤如下：
B1、初始化N个权值为1/N的粒子
B2、由结合步长和移动方向计算在本发明中，步长是一个事先设定的一个值rr，如0.05，移动方向是一个角度值theta，在0到2*pi之间的一个随机值，它们是用来由结计算的，例如：
B3、由步骤S3中最终的接收机的三维位置坐标更新权重
式中，σ为与最终的接收机的三维位置坐标对应的定位误差
B4、计算如果大于预设阀值，将其重采样，即
B5、估计目标位置：
B6、更新每个粒子的步长并返回步骤S42并以步骤S45中的代替循环进行步骤B2-B5直至满足预设的终止条件后，输出最后的作为接收机的3D坐标。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种结合OFDM的LED定位方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1、多个LED发射机分别将各自的ACO-OFDM信号与PAM-DMT信号叠加在一起后分别发送出去；
其中，ACO-OFDM信号通过下述方法得到：将输入信号通过M元正交调幅调制在奇载波上，生成长度为N/4的复数数据，偶载波全部置零，第一和第N/2个子载波也置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到，其中，M为星座图的大小，N为子载波数；
PAM-DMT信号是通过下述方法得到：采用M元脉冲幅度调制方法将输入信号调制在偶载波的虚部上，奇载波全部置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到；
输入信号包含该发射机在水平面的坐标；
S2、接收机根据接收到的每个发射机的信号分别计算出PAM-DMT信号，并根据分别计算出的PAM-DMT信号分别重构出PAM-DMT信号；
S3、接收机根据各个发射机的重构出的PAM-DMT信号的发射功率及对应的坐标计算出接收机的3D坐标，具体如下：
S31、初始化接收机坐标的初始值h0为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离h的初始值，H为接收到的发射光所对应LED灯所在房间的高度，其中，接收机的水平面中坐标(x,y)通过下述公式计算得出：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，且Q为所求的接收机坐标(x,y)，Xi、Yi为第i个发射机的水平面的横坐标和纵坐标，ri为接收机与第i个发射机之间的水平距离，i＝1、2、…、n，n为发射机的个数，ri为通过下述公式所描述：
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式中，Pt为第i个LED的重构后的PAM-DMT信号的功率的取平均值，Pri为第i个LED的PAM-DMT信号的发射功率的平均值，朗伯阶数为m＝-ln2/ln(cosΨ1/2)，Ψ1/2是用于发射信号的LED的半功率角，A是用于接收信号的光电探测器的物理面积，Di为接收机与第i个发射机之间的距离，θi为第i盏灯发射角，为第i个接收机相对于其法线方向的入射角，为第i个LED的光滤波器的传播系数，是第i个LED的光集中器的增益，大小由式下述公式确定：
其中，Φc为光集中器视角的半角度，n为光集中器的折射率；
S32、根据计算得到初始定位误差根据初始信赖域半径R0，取以为圆心、以R0为半径的信赖域内部的点更新通过更新
其中定位误差计算公式为：
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(Xi,Yi,Zi)为接收到的发射光所对应的第i个LED灯的三维坐标，为计算时的接收机的三维坐标；
S33、进行定位误差判决，当定位误差大于设定的定位误差时，重新选取信赖域内部的点更新当定位误差小于等于设定的定位误差时，输出最新的
S34、进行迭代终止判决，将最新的中与上一次迭代得到的中的进行比较，当二者差值大于预设值时，以最新的中的确定下一次和更新迭代的初始值h0，返回步骤S31开始下一次迭代，否则终止迭代，输出最终的作为接收机的三维位置坐标。
2.根据权利要求1所述的LED定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，每个发射机的PAM-DMT信号的计算方法包含下述步骤：
S21、对接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到奇序列进行反ACO-OFDM运算，得到计算的ACO-OFDM信号；
S22、根据计算ACO-OFDM信号，计算得到偶载波上的限幅噪声；
S23、计算将接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到偶序列与偶载波上的限幅噪声的差值，取差值的虚部作为PAM-DMT信号的计算值。
3.根据权利要求1所述的LED定位方法，其特征在于，所述步骤S3之后还包括步骤：
S4、结合SIR粒子滤波器，将信号的采样值通过概率模型传输并提供下一个定位状态的估计，具体步骤如下：
S41、初始化N个权值为1/N的粒子
S42、由结合步长和移动方向计算
S43、由步骤S3中最终的接收机的三维位置坐标更新权重
式中，σ为与最终的接收机的三维位置坐标对应的定位误差
S44、计算如果大于预设阀值，将其重采样：
S45、估计目标位置：
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S46、更新每个粒子的步长并返回步骤S42并以步骤S45中的代替循环进行步骤S42-S45直至满足预设的终止条件后，输出最后的作为接收机的3D坐标。
4.根据权利要求1所述的LED定位方法，其特征在于，发射机的信号发射方向和接收机的信号接收方向均于竖直方向。
5.根据权利要求1所述的LED定位方法，其特征在于，所述输入信号还包括该发射机身份识别信息，以使得接收到所述身份识别信息的接收机能够将各个发射机的坐标区分开来。
6.一种结合OFDM的LED定位系统，其特征在于，包含如下模块：
多个控制模块，分别位于装于多个发射机上，用于分别控制所述多个发射机分别将各自的ACO-OFDM信号与PAM-DMT信号叠加在一起后分别发送出去；
其中，ACO-OFDM信号通过第一发射单元得到，第一发射单元用于将输入信号通过M元正交调幅调制在奇载波上，生成长度为N/4的复数数据，偶载波全部置零，第一和第N/2个子载波也置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到，其中，M为星座图的大小，N为子载波数；
PAM-DMT信号通过第二发射单元得到，第二发射单元用于采用M元脉冲幅度调制方法将输入信号调制在偶载波的虚部上，奇载波全部置零，然后转换为串码进行限幅操作后得到；
输入信号包含该发射机在水平面的坐标；
信号重构模块，位于接收机上，用于根据接收到的每个发射机的信号分别计算出PAM-DMT信号，并根据分别计算出的PAM-DMT信号分别重构出PAM-DMT信号；
位置计算模块，位于接收机上，用于接收机根据各个发射机的重构出的PAM-DMT信号的发射功率及对应的坐标计算出接收机的3D坐标，具体包含：
初始化子模块，用于初始化接收机坐标的初始值h0为接收机与接收到的发射光所对应LED灯的垂直距离h的初始值，H为接收到的发射光所对应LED灯所在房间的高度，其中，接收机的水平面中坐标(x,y)通过下述公式计算得出：
Q＝(MTM)-1MTN，
其中，且Q为所求的接收机坐标(x,y)，Xi、Yi为第i个发射机的水平面的横坐标和纵坐标，ri为接收机与第i个发射机之间的水平距离，i＝1、2、…、n，n为发射机的个数，ri为通过下述公式所描述：
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式中，Pt为第i个LED的重构后的PAM-DMT信号的功率的取平均值，Pri为第i个LED的PAM-DMT信号的发射功率的平均值，朗伯阶数为m＝-ln2/ln(cosΨ1/2)，Ψ1/2是用于发射信号的LED的半功率角，A是用于接收信号的光电探测器的物理面积，Di为接收机与第i个发射机之间的距离，θi为第i盏灯发射角，为第i个接收机相对于其法线方向的入射角，为第i个LED的光滤波器的传播系数，是第i个LED的光集中器的增益，大小由式下述公式确定：
其中，Φc为光集中器视角的半角度，n为光集中器的折射率；
更新子模块，用于根据计算得到初始定位误差根据初始信赖域半径R0，取以为圆心、以R0为半径的信赖域内部的点更新通过更新
其中定位误差计算公式为：
<mrow>
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(Xi,Yi,Zi)为接收到的发射光所对应的第i个LED灯的三维坐标，为计算时的接收机的三维坐标；
定位误差判决子模块，用于进行定位误差判决，当定位误差大于设定的定位误差时，重新选取信赖域内部的点更新当定位误差小于等于设定的定位误差时，输出最新的
迭代终止判子模块，用于进行迭代终止判决，将最新的中与上一次迭代得到的中的进行比较，当二者差值大于预设值时，以最新的中的确定下一次和更新迭代的初始值h0，返回步骤S31开始下一次迭代，否则终止迭代，输出最终的作为接收机的三维位置坐标。
7.根据权利要求1所述的LED定位系统，其特征在于，信号重构模块采用下述单元来计算每个发射机的PAM-DMT信号：
ACO-OFDM信号计算单元，用于对接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到奇序列进行反ACO-OFDM运算，得到计算的ACO-OFDM信号；
偶载波限幅噪声计算单元，用于根据计算ACO-OFDM信号，计算得到偶载波上的限幅噪声；
PAM-DMT信号计算单元，用于计算将接收机接收到的信号进行傅里叶变换后得到偶序列与偶载波上的限幅噪声的差值，取差值的虚部作为PAM-DMT信号的计算值。
8.根据权利要求1所述的LED定位系统，其特征在于，还包括下述模块：
粒子滤波器处理模块，用于结合SIR粒子滤波器，将信号的采样值通过概率模型传输并提供下一个定位状态的估计，具体包括：
初始化单元，用于初始化N个权值为1/N的粒子
子代计算单元，用于由结合步长和移动方向计算
权重更新单元，用于由步骤S3中最终的接收机的三维位置坐标更新权重
式中，σ为与最终的接收机的三维位置坐标对应的定位误差
综合计算单元，用于计算如果大于预设阀值，将其重采样：
目标位置估计单元，用于估计目标位置：
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输出的单元，用于更新每个粒子的步长并返回步骤S42并以步骤S45中的代替循环进行步骤S42-S45直至满足预设的终止条件后，输出最后的作为接收机的3D坐标。
9.根据权利要求1所述的LED定位系统，其特征在于，发射机的信号发射方向和接收机的信号接收方向均于竖直方向。
10.根据权利要求1所述的LED定位系统，其特征在于，所述输入信号还包括该发射机身份识别信息，以使得接收到所述身份识别信息的接收机能够将各个发射机的坐标区分开来。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180420 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |