CN109061557A - 室内可见光通信定位集成方法 - Google Patents

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CN109061557A CN201810900309.4A CN201810900309A CN109061557A CN 109061557 A CN109061557 A CN 109061557A CN 201810900309 A CN201810900309 A CN 201810900309A CN 109061557 A CN109061557 A CN 109061557A
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陈浩哲
丁俊杰
吴昊
杨明锐
王颖
卞诗航
游善红
胡剑凌
曹洪龙
周鸣籁
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

Abstract

本发明公开了一种室内可见光通信定位集成方法，包括：将ACO‑OFDM信号在奇数子载波上传输，DCO‑OFDM信号在偶数子载波上传输；将ACO‑OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，进行非对称限幅，将DCO‑OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，将信号加上直流偏置，产生单极性的信号，将奇数子载波和偶数子载波合并，形成ADO‑OFDM信号，送入信道传输；在接收端按发射端的处理的逆过程进行接收处理；计算发射端和接收端的距离；计算采样点的直流增益和接收光功率；计算采样点到可见光源的距离，通过三边定位算法计算出定位坐标。在进行可见光通信的同时实现定位，采用差分修正的定位算法，大大提高了定位精度。

Description

室内可见光通信定位集成方法
技术领域
本发明涉及可见光通信定位技术领域，具体地涉及一种基于非对称限幅和直流偏置的光正交频分复用(ADO-OFDM)的室内可见光通信定位集成方法。
背景技术
由于在无线通信中的频谱资源越来越稀缺，可见光通信(Visible LightCommunication,VLC)技术在学术界和工业领域引起了人们广泛的关注。在室内，可以使用发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)和光敏二极管(Photo Diode,PD)等低成本的光学组件来实现可见光通信，同时也为室内定位技术提供了新的可能。
正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)具有较强的抗衰落能力和抗符号间串扰的性能，因此被广泛应用于有线和无线宽带通信系统中。在可见光OFDM系统中，需要采用限幅的方法将双极性信号转变为单极性信号。在基于OFDM的VLC系统中，产生单极性OFDM信号的形式一般有非对称限幅的光正交频分复用(ACO-OFDM)和加直流偏置的光正交频分复用(DCO-OFDM)。在ACO-OFDM中，数据在进行逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)之前被映射到的奇数子载波上，偶数子载波上的信号被设置为零，在IFFT之后输出的双极性信号会被限幅以得到正值的信号，因此ACO-OFDM技术会导致较低的频谱效率。在DCO-OFDM中，通过增加一个直流偏置使信号变为正值，会增加功耗。
常见的可见光定位技术是通过各种相关物理量的测量来推算出光源到接收器之间的距离，再通过三边定位算法计算出定位坐标。常见相关物理量有接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)、到达角、到达时间差、到达时间等。其中，RSS技术最简便且易于实现，但存在接收端RSS波动较大导致定位精度不高的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种室内可见光通信定位集成方法，可以获得更高的频谱利用率，更高的功率利用率。采用差分修正的定位算法，大大提高了定位精度。
本发明的技术方案是：
一种室内可见光通信定位集成方法，包括以下步骤：
S01：将发射端生成的ACO-OFDM信号在奇数子载波上传输，生成的DCO-OFDM信号在偶数子载波上传输；
S02：将ACO-OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，在奇数子载波上进行非对称限幅，将DCO-OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，在偶数子载波上的信号加上直流偏置，产生单极性的信号，将奇数子载波和偶数子载波合并，形成ADO-OFDM信号，送入信道传输；
S03：在接收端按发射端的处理的逆过程进行接收处理；
S04：计算发射端和接收端的距离；
S05：计算采样点的直流增益和接收光功率；
S06：通过接收光功率和发射光功率的关系计算采样点到可见光源的距离，通过三边定位算法计算出定位坐标。
优选的技术方案中，还包括定位修正步骤，包括：
S41：得到参考投影点的坐标，通过投影点的定位坐标和实际坐标得出误差；
S42：对步骤S06中的定位坐标进行修正，将测量距离的倒数作为权重进行加权，得出最终的定位坐标。
优选的技术方案中，所述步骤S05中根据光链路中接收端和LED光源间的直射信道冲激响应计算该采样点的直流增益和接收光功率，所述直射信道冲激响应为：
其中，A表示接收机的接收面积，Dd表示光源到接收机的距离，ψ表示接收机的光入射角，m表示光源的朗博辐射系数，Ts表示光滤波器增益，FOV(Field of View)表示接收机的视场大小，n表示折射指数，c代表光速。
优选的技术方案中，所述发射端在子载波上传输前，进行调制格式映射。
优选的技术方案中，所述发射端在形成ADO-OFDM信号后，进行信道估计与均衡，在信号中加入循环前缀，进行并串转换得到串行数据后，送入信道传输。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明采用ADO-OFDM的通信方式，可以获得比ACO-OFDM系统更高的频谱利用率，比DCO-OFDM系统更高的功率利用率。采用差分修正的定位算法，相较于传统的三边定位算法具有更高的定位精度。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为室内可见光通信定位系统示意图；
图2为基于ADO-OFDM的可见光通信系统发射端；
图3为基于ADO-OFDM的可见光通信系统接收端；
图4为基于RSS的差分修正室内定位算法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
图1为室内可见光通信定位系统示意图。假设房间的大小为5m×5m×2.5m，LED光源位于房间的天花板上(2.5,2.5,2.5)处，光接收器位于(1,4,1)处，接收机的面积是1cm2。可见光信道链路通常分为视距链路和非视距链路两种。视距链路是指发射端和接收端之间没有障碍物阻挡，可以通过直射光来传输信息；而在非视距链路中，光信号经过墙面等反射后传输信息，传输损耗极大，且会受到多径效应带来的码间干扰的影响。一般近似地认为系统的性能主要由直射光信号决定，故只考虑直射光信号。式(1)是光链路中接收机和LED光源之间的直射信道冲激响应：
其中，A表示接收机的接收面积，Dd表示光源到接收机的距离，ψ表示接收机的光入射角，m表示光源的朗博辐射系数，Ts表示光滤波器增益，FOV(Field of View)表示接收机的视场大小，n表示折射指数，c代表光速。取值Ts＝1，m＝1，FOV＝π/3，n＝1.5。
图2为基于ADO-OFDM的可见光通信系统发射端。基于ADO-OFDM的VLC系统中首先生成OFDM符号，并进行调制格式映射。通信系统中有若干个子载波，ACO-OFDM信号在奇数子载波上传输，DCO-OFDM信号在偶数子载波上传输。为了在发射端产生实数信号，使输入的数据满足厄米特对称。在逆快速傅里叶变换之后，在奇数子载波上进行了非对称限幅。偶数子载波上的信号经历相同的处理后，加上直流偏置以产生单极性的信号。然后将奇数子载波和偶数子载波合并，进行信道估计与均衡，减轻VLC系统中的多径干扰。并且在信号中加入循环前缀，避免符号间干扰。然后进行并串转换得到串行数据，送入信道传输。
图3为基于ADO-OFDM的可见光通信系统接收端。接收端的处理过程与发射端的处理相对应。数字信号处理的步骤包括去除循环前缀，快速傅里叶变换(FFT)解调，信道估计，和解映射。由于在进行非对称限幅时，奇数子载波的限幅噪声会对偶数子载波的信号产生影响，所以当恢复DCO-OFDM信号时，需要去除限幅噪声影响。
图4为基于RSS的差分修正室内定位算法流程图。在室内可见光定位系统中，首先根据发射机和接收机所在具体位置计算出接收机到发射机LED的距离，发射机的出射角和接收机的入射角。在图1所示环境中，按步长变化，进行采样。在每个点上，首先根据光链路中接收机和LED光源之间的直射信道冲激响应(式(1))计算该采样点的直流增益和接收光功率，通过接收光功率和发射光功率的关系计算出该点到四个LED的距离，随后通过三边定位算法并求平均得出接收器的四组待定坐标值，以及四个参考投影点的坐标，通过投影点的定位坐标和实际坐标相减得出误差，并对四组待定坐标值进行修正。最后将测量距离的倒数作为权重进行加权，得出最终的定位坐标，与原坐标进行比较求出定位误差。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种室内可见光通信定位集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：将发射端生成的ACO-OFDM信号在奇数子载波上传输，生成的DCO-OFDM信号在偶数子载波上传输；
S02：将ACO-OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，在奇数子载波上进行非对称限幅，将DCO-OFDM信号在逆快速傅里叶变换后，在偶数子载波上的信号加上直流偏置，产生单极性的信号，将奇数子载波和偶数子载波合并，形成ADO-OFDM信号，送入信道传输；
S03：在接收端按发射端的处理的逆过程进行接收处理；
S04：计算发射端和接收端的距离；
S05：计算采样点的直流增益和接收光功率；
S06：通过接收光功率和发射光功率的关系计算采样点到可见光源的距离，通过三边定位算法计算出定位坐标。
2.根据权利要求1所述的室内可见光通信定位集成方法，其特征在于，还包括定位修正步骤，包括：
S41：得到参考投影点的坐标，通过投影点的定位坐标和实际坐标得出误差；
S42：对步骤S06中的定位坐标进行修正，将测量距离的倒数作为权重进行加权，得出最终的定位坐标。
3.根据权利要求1所述的室内可见光通信定位集成方法，其特征在于，所述步骤S05中根据光链路中接收端和LED光源间的直射信道冲激响应计算该采样点的直流增益和接收光功率，所述直射信道冲激响应为：
其中，A表示接收机的接收面积，Dd表示光源到接收机的距离，ψ表示接收机的光入射角，m表示光源的朗博辐射系数，Ts表示光滤波器增益，FOV(Field of View)表示接收机的视场大小，n表示折射指数，c代表光速。
4.根据权利要求1所述的室内可见光通信定位集成方法，其特征在于，所述发射端在子载波上传输前，进行调制格式映射。
5.根据权利要求1所述的室内可见光通信定位集成方法，其特征在于，所述发射端在形成ADO-OFDM信号后，进行信道估计与均衡，在信号中加入循环前缀，进行并串转换得到串行数据后，送入信道传输。
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