CN108896961B - 一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法 - Google Patents

一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，其中，所用到的器件包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥3，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，通过估算出的传输距离实现定位。本发明是在多个发射端定位的基础上，基于正交频分多址技术，同时实现可见光通信和可见光定位，并根据分析定位误差的来源，计算发射端的功率分配系数，通过功率分配提高定位精度。

Description

一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法
技术领域
本发明涉及一种可见光定位方法，尤其涉及一种提高可见光定位精度的方法。
背景技术
LED具有发光效率高、使用寿命长等特点，被广泛应用于室内照明。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)的定位方式中，估计的传输距离由接收信号强度和传输信号强度决定，而接收信号强度受到噪声的影响。待估计的传输距离越远，其距离的估计误差越大。
室内可见光定位技术中，使用接收信号强度和最小二乘法估计接收端位置，而估计位置的误差取决于多个传输端到接收端估计距离平方与实际距离平方差之间的差距。
发明内容
针对现有技术，本发明提出的一种提高可见光定位精度的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，其中，所用到的器件包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥3，所述发射端均为LED，指定每个发射端的编号分别为1、2、……、N，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，通过估算出的传输距离实现定位；具体步骤如下：
步骤一、将每个发射端的编号转换成二进制数，每一位二进制数进行曼彻斯特编码，即1用10表示，0用01表示，该二进制编码每一位对应频域的一个子载波，1表示对应子载波携带信息，0表示对应子载波不携带信息，根据该二进制编码获得发射端调制信号第一帧的频域信息；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；对发射端调制信息进行任意阶数的正交振幅调制，并进行功率归一处理，使每个发射端发射的信息功率相同，获得频域信息，将所获得的频域信息加在所述第一帧的频域信息之后，形成完整的发射端频域信息；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；
步骤二、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；获取恢复后第一帧的频域信息，分析各载波功率并获取对应的二进制编码，将二进制编码解调得到发射端的各自坐标；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；
Figure GDA0003424210130000021
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；
步骤三、根据估算得到的N个发射端到接收端的传输距离Di和步骤二获取的发射端的坐标，通过最小二乘法估计接收端的位置；
步骤四、根据估计出的N个发射端到接收端的传输距离Di按照式(2)和式(3)计算功率分配系数αPA,i；
Figure GDA0003424210130000022
Figure GDA0003424210130000023
其中，M代表参与功率分配的发射端个数，3≤M≤N；
Pn,i表示通过第i个发射端空白子载波估计的噪声的平均功率；
αPA,i表示第i个发射端功率分配系数，
GPA,i表示第i个发射端功率分配到达接收端的信道增益；
αPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的功率分配系数；
GPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的信道增益；
根据功率分配系数αPA,i，在发射端发射的信息总功率不变的基础上，对发射端信号乘以功率分配系数完成功率分配；
返回步骤三，重复L次，L＝10～50次；最终将所有次数获得的接收端位置的平均值确定为接收端的位置。
进一步讲，本发明基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，其中，确定参与功率分配的发射端的方法是，将N个发射端按照发射端到接收端的传输距离Di进行升序排列，选取前M个接收端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中主要是在多个发射端定位的基础上，基于正交频分多址(OFDMA)技术，同时实现可见光通信和可见光定位，并根据分析定位误差的来源，计算发射端的功率分配系数，通过功率分配提高定位精度。
附图说明
图1为本发明中实施例1的系统框图；
图2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；
图3为本发明所描述的一个实施例的发射端的频域分布；
图4为本发明所描述的一个实施例的接收端的频域分布。
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。
本发明提出的一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，如图1所示，包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥3，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，通过估算出的传输距离，根据估算出的传输距离实现定位。
本发明通过分析定位误差来源并进行功率分配以提高可见光定位精度的方法的一个实施例是：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2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：
步骤一、给每个发射端随机编号，1、2、……、N，将发射端编号转换成二进制，每一位二进制数进行曼彻斯特编码，即1用10表示，0用01表示，该二进制编码每一位对应频域的一个子载波，1表示对应子载波携带信息，0表示对应子载波不携带信息，根据该二进制编码获得发射端调制信号第一帧的频域信息；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3所示；对发射端调制信息进行任意阶数的正交振幅调制，使每个发射端发射的信息功率相同，获得频域信息，将所获得的频域信息加在所述第一帧的频域信息之后，形成完整的发射端频域信息；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；
步骤二、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；获取恢复后第一帧的频域信息，如图4所示，分析各载波功率并获取对应的二进制编码，将二进制编码解调得到发射端的各自坐标；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；
Figure GDA0003424210130000041
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；
步骤三、根据估算得到的从发射端到接收端的传输距离和步骤二获取的发射端的坐标，通过最小二乘法估计接收端的位置。
步骤四、根据N个发射端到接收端的传输距离按照式(2)计算功率分配系数αPA,i,k，
Figure GDA0003424210130000042
Figure GDA0003424210130000043
其中，M代表参与功率分配的发射端个数，确定参与功率分配的发射端的方法是，将N个发射端按照发射端到接收端的传输距离Di进行升序排列，选取前M个接收端。Pn,i表示通过第i个发射端空白子载波估计的噪声的平均功率；αPA,i表示第i个发射端功率分配系数；GPA,i表示第i个发射端功率分配到达接收端的信道增益；αPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的功率分配系数；GPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的信道增益；从而保证在发射端发射的信息总功率不变的情况下，根据功率分配系数αPA,i，在发射端发射的信息总功率不变的基础上，对发射端信号乘以功率分配系数完成功率分配，通过功率分配，增加传输距离较长的发射端的发射功率，降低噪声对传输距离较长的发射端的影响。
在执行步骤四之后，再重复一次步骤三，估计得到接收端的位置坐标，重复执行上述步骤三和四，重复的次数为10～50次，最终对所有次数获得的接收端位置求取平均值，平均值即为本发明方法获得的高精度的接收端的位置。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，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的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，其中，所用到的器件包括N个发射端和一个用于接收光信号的接收端，N≥3，所述发射端均为LED，指定每个发射端的编号分别为1、2、……、N，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；其特征在于：
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，通过估算出的传输距离实现定位；具体步骤如下：
步骤一、将每个发射端的编号转换成二进制数，每一位二进制数进行曼彻斯特编码，即1用10表示，0用01表示，该二进制编码每一位对应频域的一个子载波，1表示对应子载波携带信息，0表示对应子载波不携带信息，根据该二进制编码获得发射端调制信号第一帧的频域信息；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；对发射端调制信息进行任意阶数的正交振幅调制，并进行功率归一处理，使每个发射端发射的信息功率相同，获得频域信息，将所获得的频域信息加在所述第一帧的频域信息之后，形成完整的发射端频域信息；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；
步骤二、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；获取恢复后第一帧的频域信息，分析各载波功率并获取对应的二进制编码，将二进制编码解调得到发射端的各自坐标；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；
Figure FDA0003424210120000011
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；
步骤三、根据估算得到的N个发射端到接收端的传输距离Di和步骤二获取的发射端的坐标，通过最小二乘法估计接收端的位置；
步骤四、根据估计出的N个发射端到接收端的传输距离Di按照式(2)和式(3)计算功率分配系数αPA,i；
Figure FDA0003424210120000021
Figure FDA0003424210120000022
其中，M代表参与功率分配的发射端个数，3≤M≤N；
Pn,i表示通过第i个发射端空白子载波估计的噪声的平均功率；
αPA,i表示第i个发射端功率分配系数，
GPA,i表示第i个发射端功率分配到达接收端的信道增益；
αPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的功率分配系数；
GPA,j表示除了第i个发射端以外的其他发射端的信道增益；
根据功率分配系数αPA,i，在发射端发射的信息总功率不变的基础上，对发射端信号乘以功率分配系数完成功率分配；
返回步骤三，重复L次，L＝10～50次；
最终将所有次数获得的接收端位置的平均值确定为接收端的位置。
2.根据权利要求1所述基于信号功率估计的提高可见光定位精度的方法，其特征在于，确定参与功率分配的发射端的方法是，将N个发射端按照发射端到接收端的传输距离Di进行升序排列，选取前M个接收端。
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