CN109889265B - 基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，包括：移动终端根据不同时隙的信标帧确定待关联的可见光终端；所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。本发明实施例公开的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统，主要结合可见光与红外通信技术，实现在室内环境下与移动终端安全的通信并且在同时提供对移动终端较为精确的定位功能。本发明设计的基于可见光和红外通信技术的室内全覆盖通信定位方法在光网络中实现了上行和下行的信道分离、相邻可见光源之间信号时隙分离，避免了相互干扰。

Description

基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统。

背景技术

目前，在室外环境中，定位技术已经非常成熟。GPS卫星定位已经广泛地应用到了车载导航电子地图等方面。然而，在室内环境下，相较于户外定位，实现定位面临更多的困难，墙壁等基础设施都会对信号进行阻拦，出现严重的信号衰减甚至是信号盲点，使得GPS定位难以奏效。近年来提出的蓝牙定位、WIFI定位和超声波定位等室内定位技术因为部署成本和定位精度的原因也不能很好的解决室内定位的问题。

可见光通信技术因为其在定位精度、安全性、无电磁干扰、成本等方面的优势成为了室内通信定位技术的研究热点。光通信技术是以光波为载波的通信方式。近年来白光二极管(LED)的已经广泛应用到各种室内照明领域，白光LED具有寿命长，能耗低，调制响应速度快等优点。因而基于LED照明光源的可见光通信技术在信息传输、室内定位等领域具有非常可观的应用前景。可见光通信兼具照明和通信双重功能，具有保密性强、数据传输速率高、无需频谱认证等优点，可以与WIFI、蓝牙、红外等通信技术形成互补关系来改善现有的通信系统，甚至可以弥补某些通信行业的空白，例如在医院、加油站等对电磁干扰比较敏感的区域实现外线信号的覆盖；此外，在军事设施等对安全性要求较高的应用场景中，因为可见光信号不会穿透墙体，即使是相邻的区域也不能获取信号信息，安全保密性高；在矿井地下车库等特殊环境中，因为无自然光干扰且部署LED灯源成本较低。与现有的井下或地下通信系统相比，可见光通信技术不仅可以保持实时通信并且在实现定位或救援井下人员时拥有安全与稳定方面的明显优势。因此，可见光作为一种结合照明与通信，且成本低廉、速率高的新型无线通信技术具有非常优秀的应用前景与科研价值。关于可见光通信与其他各种通信方式的异构融合技术已经受到了很大的关注。

但是，在实际应用中，若在通信系统中只使用可见光信号，也会造成通信链路易被遮挡、上下行链路相互干扰、LED调制带宽受限、多径效应明显等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，包括：

移动终端根据不同时隙的信标帧确定待关联的可见光终端；

所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；

所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。

在本发明的一个实施例中，移动终端根据不同时隙的可见光信号确定待关联的可见光终端，包括：

多个可见光终端在不同时隙内的周期性广播信标帧；

所述移动终端通过所述信标帧选取待关联的可见光终端。

在本发明的一个实施例中，所述信标帧包括源地址信息、目的地址信息，CRC校验信息，忙闲信息。

在本发明的一个实施例中，移动终端根据不同时隙的信标帧确定待关联的可见光终端，还包括：

所述移动终端接收不同时隙内的信标帧；

通过不同时隙内的信标帧获取所述移动终端的定位信息。

在本发明的一个实施例中，所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系，包括：

所述移动终端接收所述信标帧，并根据所述信标帧发送关联请求帧；

所述可见光终端接收所述关联请求帧，并根据所述关联请求帧发送关联响应帧；

所述移动终端接收所述关联响应帧，并根据所述关联响应帧发送关联确认帧；

所述可见光终端接收所述关联确认帧并建立关联关系。

在本发明的一个实施例中，在所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系之后，还包括：

所述移动终端周期性发送心跳包；

所述可见光终端根据接收的所述心跳包保持关联关系。

在本发明的一个实施例中，所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信，包括：

所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端；

所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端。

在本发明的一个实施例中，所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端，包括：

所述可见光终端发送第一接入请求RTS帧；

所述移动终端接收所述第一接入请求RTS帧，并根据所述第一接入请求RTS帧发送第一响应CTS帧；

所述可见光终端接收所述第一响应CTS帧，并根据所述第一响应CTS帧发送第一通信数据；

所述移动终端接收所述第一通信数据后发送第一ACK确认帧；

所述可见光终端接收所述第一ACK确认帧，并根据所述第一ACK确认帧确认完成下发所述第一通信数据。

在本发明的一个实施例中，所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端，包括：

所述移动终端发送第二接入请求RTS帧；

所述可见光终端接收所述第二接入请求RTS帧，并根据所述第二接入请求RTS帧发送第二响应CTS帧；

所述移动终端接收所述第二响应CTS帧，并根据所述第二响应CTS帧发送第二通信数据；

所述可见光终端接收所述第二通信数据后发送第二ACK确认帧；

所述移动终端接收所述第二ACK确认帧，并根据所述第二ACK确认帧确认完成上传所述第二通信。

本发明的另一个实施例提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位系统，包括：多个可见光终端、移动终端和控制器；其中，

所述控制器用于分配多个时隙；

每个可见光终端通过预设时隙发送可见光信号；

所述移动终端通过接收所述可见光信号确定待关联可见光终端；

所述移动终端与所述待关联可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；

所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1)本发明提供的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，相较于传统的WIFI、蓝牙等定位技术不需要额外的硬件设备支持，减少了成本，而且利用分时隙通信使得可见光信号之间的干扰非常微小，降低了多径效应，定位的稳定性也的到了保障，在可见光覆盖的范围内都能保证有效地实时定位，最重要的是相较于传统定位技术可见光定位的精度是非常高的。这在某些需要精确定位的场景下十分重要的。有效地提升了用户体验。

2)一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位系统提供了一整套完整的可见光红外异构网络数据链路层协议，并提供了相应的帧结构。只要室内区域全覆盖有LED灯源，就可以在室内区域实现无盲点的可见光通信。因为可见光信号会被墙壁等建筑设施完全阻拦，所以可见光通信系统有着良好的保密性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法的流程示意图；

图2为本发明提供的相邻可见光终端分时隙工作的结构示意图；

图3为本发明提供多个可见光终端与移动终端的分布示意图；

图4为本发明提供的移动终端与可见光终端建立连接的流程图；

图5为本发明提供的信标帧的结构示意图；

图6为本发明提供的关联请求帧的结构示意图；

图7为本发明提供的关联确认帧的结构示意图；

图8为本发明提供的红外数据帧的结构示意图；

图9为本发明提供的心跳包的结构示意图；

图10为本发明提供的红外接入请求RTS帧的结构示意图；

图11为本发明提供的红外响应CTS帧的结构示意图；

图12为本发明提供的红外ACK确认帧的结构示意图；

图13为本发明提供的可见光数据帧的结构示意图；

图14为本发明提供的可见光ACK确认帧的结构示意图；

图15为本发明提供的可见光接入请求RTS帧的结构示意图；

图16为本发明提供的可见光响应CTS帧的结构示意图；

图17为本发明提供的关联响应帧的结构示意图；

图18为本发明提供的试探帧的结构示意图；

图19为本发明提供的移动终端的动态切换的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1至图4，图1为本发明提供的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法的流程示意图；图2为本发明提供的相邻可见光终端分时隙工作的结构示意图；图3为本发明提供多个可见光终端与移动终端的分布示意图；图4为本发明提供的移动终端与可见光终端建立连接的流程图。

可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。本发明实施例提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，如图1所示，包括：

移动终端根据不同时隙的信标帧确定待关联的可见光终端；

所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；

所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。

具体地，为了实现室内可见光信号的全覆盖，并且满足室内照明的需求，本发明实施例提供的方法在室内布置多个可见光终端(AccessPoint，简称：AP)，而多个可见光终端之间的覆盖范围难免存在重叠区域。当用户处在多个可见光终端的覆盖范围下，如果多个可见光终端同时下发消息，此时可见光信号会相互干扰，移动终端无法正确接收。为了减小可见光下行干扰，本发明实施例采用时分的思想，通过控制器连接所有的可见光终端，用于提供可见光终端的同步以及时钟信息，同时通过控制器让相邻的可见光终端工作在不同的时隙或时间段，进而保证用户在同一时刻只能接收到一个可见光终端发送的可见光信号，当某一个可见光终端在工作时，其相邻的可见光终端保持常亮的状态。

具体地，移动终端包括可见光传感器，用于接收可见光信号，以及红外发射器用于发送红外信号。可见光终端，用于发送调制后的可见光信号，安装有红外接收器，用于接收红外信号。

具体地，可见光终端发送的信号都是可见光信号，移动终端发送的信号都是红外信号，避免干扰

优选的，如图2所示，本发明实施例提供的控制器可以提供4个不同时隙，包括时隙1、时隙2、时隙3和时隙4，并依次分配给4个可见光终端AP1、AP2、AP3和AP4，通过该时隙，4个可见光终端工作在不同时隙中，并通过可见光信道向移动终端发送光信号，避免了不同信号之间的干扰。

进一步地，移动终端根据不同时隙的可见光信号确定待关联的可见光终端，包括：

多个可见光终端在不同时隙内的周期性广播信标帧；

所述移动终端通过所述信标帧选取待关联的可见光终端。

具体地，可见光终端在不同时隙周期新发送信标帧，由于可见光终端发送的可见光信号在室内区域全覆盖，因此移动终端在室内总可以接收到至少一个可见光信号，若只收到一个可见光信号，则将发出该可见光信号的可将光终端作为待关联的可见光终端，如果收到多个可见光信号，则选择光强度最强的可见光终端作为待关联可见光终端。

具体地，如图3所示，室内共布置了n个AP，这n个AP均发送信标帧，其中，AP1和AP2发送的信标帧由于障碍物遮挡，移动终端接收不到，其他AP发送的信标帧移动终端均可接收，这时，移动终端通过检测不同信标帧的光强度，选取待关联的AP，例如在图3中移动终端接收APi发送信标帧的光强度最高，则选取APi为待关联的AP，其中，n为大于等于3的整数，i为大于等于3小于等于n。

进一步地，本发明实施例提供的了一种基于可见光和红外通信的信标帧，所述信标帧包括：源地址信息、目的地址信息，CRC校验信息，忙闲信息等。

进一步地，所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系，包括：

所述移动终端接收所述信标帧，并根据所述信标帧发送关联请求帧；

所述可见光终端接收所述关联请求帧，并根据所述关联请求帧发送关联响应帧；

所述移动终端接收所述关联响应帧，并根据所述关联响应帧发送关联确认帧；

所述可见光终端接收所述关联确认帧并建立关联关系。

具体地，如图4所示，当移动终端与可见光建立关联关系时，具体需要以下步骤：

(1)移动终端实时接收可见光终端广播的信标帧，移动终端对信标帧进行解析，获取相关信息，当信标帧中的IR_Busy字段显示繁忙时(代表此时有其他用户向红外接收器发送数据包)，此时需要进行等待，并重新接收新的信标帧；当信标帧中的IR_Busy字段显示空闲时，以待关联可见光终端的地址作为目的地址，通过红外发射器发送关联请求帧。

(2)该可见光终端收到关联请求帧后，红外接收器解析关联请求帧并进行地址匹配，检测该帧的目的地址是否正确，若与自身地址不符则丢弃，若相符则通过控制器将移动终端的MAC与红外接收器及可见光终端关联起来，并通过可见光终端以关联请求帧的源地址作为目的地址，向移动终端发送关联响应帧。

(3)若移动终端在发出关联请求帧后的一定时间内收到相应可见光终端发送的关联响应帧，则继续通过红外发射器向待关联可见光终端发送关联确认帧，否则，终端需要继续发送关联请求帧。

(4)可见光终端收到关联确认帧之后判断目的地址，源地址是否与可见光终端以及移动终端一致，以及是否超时。若全部正确，则移动终端与可见光终端关联成功，将确认信息上传至控制器，将移动终端的MAC地址添加到路由表中。至此，移动终端和可见光终端建立了稳定的关联关系；否则，否则，可见光终端需要向移动终端重新发送关联响应帧，并等待终端发出的关联确认帧，直至关联成功。

进一步地，在所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系之后，还包括：

所述移动终端周期性发送心跳包；

所述可见光终端根据接收的所述心跳包保持关联关系。

具体地，当移动终端与可见光终端成功关联后，因为每一个可见光终端发送的可见光信号覆盖的区域都是有限的。因此移动终端可能会移出原先关联的可见光终端的有效通信范围外，所以就需要实时监控移动终端的状态。优选的，移动终端在关联后周期性的向关联的可见光终端发送心跳包(监控帧)，若先前建立的关联关系还有效，则可见光终端会不断的收到心跳包。若可见光终端在一定时间内未收到心跳包，则表示移动终端可能移出关联可见光终端的信号覆盖范围，这时可见光终端向关联移动终端发送试探包。

若可见光终端在一定时间内收到了关联的移动终端的心跳包，则表示连接正常，计数器重新计时等待关联移动终端的心跳包。若可见光终端在指定时间内未收到移动终端的心跳包，则默认连接断开，删除路由表中的相关信息，可见光终端重复1-4建立关联关系的步骤，重新关联移动终端，建立关联关系。

进一步地，所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信，包括：

所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端；

所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端。

具体地，在建立关联后，移动终端与可见光终端即通信系统之间的全双工通信过程如为：

(一)可见光终端通过关联关系下发第一通信数据至移动终端，即可见光终端通过可见光信号(可见光数据帧)将第一通信数据下发至移动终端。

(二)移动终端通过关联关系上传第二通信数据至可见光终端，即移动终端通过红外信号(红外数据帧)将第二通信数据上传至可见光终端。

进一步地，所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端，包括：

所述可见光终端发送第一接入请求RTS帧；

所述移动终端接收所述第一接入请求RTS帧，并根据所述第一接入请求RTS帧发送第一响应CTS帧；

所述可见光终端接收所述第一响应CTS帧，并根据所述第一响应CTS帧发送第一通信数据；

所述移动终端接收所述第一通信数据后发送第一ACK确认帧；

所述可见光终端接收所述第一ACK确认帧，并根据所述第一ACK确认帧确认完成下发第一通信数据。

具体地，若要通过可见光终端向关联的移动终端发送第一通信数据，其步骤为：

(1)首先控制器根据关联状态，找到移动终端所关联的可见光终端，可见光终端通过可见光信号发送第一接入请求RTS帧，目的地址为移动终端的地址。

(2)若移动终端接收到第一接入请求RTS帧并且目的地址为自身时，通过红外信号向关联的可见光终端回应第一响应CTS帧；

(3)若可见光终端在发送第一接入请求RTS帧后的指定时间内接收到此移动终端的第一响应CTS帧，说明连接稳定，即可讲第一通信数据通过可见光数据帧进行发送，否则继续发送第一接入请求RTS帧，直到收到第一响应CTS帧，然后可见光终端通过可见光数据帧发送第一通信数据。

(4)移动终端收到可见光数据帧后，向可见光终端回应第一ACK确认帧。

(5)若可见光终端收到第一ACK确认帧后继续发送下个可见光数据帧时，在指定时间内没有收到下一个第一ACK确认帧，则重发该可见光数据帧，重复该步骤(4)和步骤(5)，直到可见光数据帧传输完毕。

进一步地，所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端，包括：

所述移动终端发送第二接入请求RTS帧；

所述可见光终端接收所述第二接入请求RTS帧，并根据所述第二接入请求RTS帧发送第二响应CTS帧；

所述移动终端接收所述第二响应CTS帧，并根据所述第二响应CTS帧发送第二通信数据；

所述可见光终端接收所述第二通信数据后发送第二ACK确认帧；

所述移动终端接收所述第二ACK确认帧，并根据所述第二ACK确认帧确认完成上传第二通信数据。

具体地，若要通过移动终端向关联的可见光终端发送第二通信数据，其步骤为：

(1)首先移动终端根据关联关系，找到其所关联的可见光终端，移动终端通过红外发射器发送第二接入请求RTS帧，目的地址为可见光终端的地址。

(2)若可见光终端接收到第二接入请求RTS帧并且目的地址为自身时，其通过可见光信号向关联的移动终端回应第二响应CTS帧；

(3)若移动终端在发送第二接入请求RTS帧后的指定时间内接收到此可见光终端的第二响应CTS帧，说明连接稳定可发送第二通信数据，否则继续发送第二接入请求RTS帧，直到收到第二响应CTS帧后，移动终端通过可见光数据帧发送第二通信数据。

(4)可见光终端收到第二通信数据后，向移动终端回应第二ACK确认帧。

(5)移动终端收到第二ACK确认帧后发送下个第二通信数据，若在指定时间内没有收到第二ACK确认帧，则重发该数据帧，重复该步骤(4)和步骤(5)，直到数据传输完毕。

具体地，第一接入请求RTS帧为可见光接入请求RTS帧；第一响应CTS帧为红外接入请求CTS帧；第一ACK确认帧为红外ACK确认帧；第二接入请求RTS帧为红外接入请求RTS帧；第二响应CTS帧为可见光响应CTS帧；第二ACK确认帧为可见光ACK确认帧。

本发明提供的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，相较于传统的WIFI、蓝牙等定位技术不需要额外的硬件设备支持，减少了成本，而且利用分时隙通信使得可见光信号之间的干扰非常微小，降低了多径效应，定位的稳定性也的到了保障，在可见光覆盖的范围内都能保证有效地实时定位，最重要的是相较于传统定位技术可见光定位的精度是非常高的。这在某些需要精确定位的场景下十分重要的。有效地提升了用户体验。

实施例二

请参见图5至图18图5为本发明提供的信标帧的结构示意图；图6为本发明提供的关联请求帧的结构示意图；图7为本发明提供的关联确认帧的结构示意图；图8为本发明提供的红外数据帧的结构示意图；图9为本发明提供的心跳包的结构示意图；图10为本发明提供的红外接入请求RTS帧的结构示意图；图11为本发明提供的红外响应CTS帧的结构示意图；图12为本发明提供的红外ACK确认帧的结构示意图；图13为本发明提供的可见光数据帧的结构示意图；图14为本发明提供的可见光ACK确认帧的结构示意图；图15为本发明提供的可见光接入请求RTS帧的结构示意图；图16为本发明提供的可见光响应CTS帧的结构示意图；图17为本发明提供的关联响应帧的结构示意图；图18为本发明提供的试探帧的结构示意图。

为了优化数据量并且满足上述基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，本实施例在上述实施例的基础上，提供了一套完整的数据链路层协议及其所有使用到的信息帧的帧结构，包括：信标帧、关联请求帧、关联确认帧、红外数据帧、心跳包、红外接入请求RTS帧、红外接入请求CTS帧、红外ACK确认帧、可见光数据帧、可见光ACK确认帧、可见光接入请求RTS帧、可见光响应CTS帧、关联响应帧和试探帧；其中，

具体地，信标帧为可见光信标帧，如图5所示，信标帧包括：开始字段(START字段)、帧控制域(Frame Control)、Beacon Interval字段、Duration字段、DA字段、SA字段、IR_Busy字段、CRC字段和结束字段(STOP字段)；其中，

START字段：为该帧的开始标志位(7E)。

Frame Control包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为管理帧(00)；

②Subtype字段，用于进一步表明该帧的类型为信标帧(000)；

③Direction字段，用于表明该帧为可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Reserved字段，为保留字段，默认为00。

Beacon Interval字段，用于宣布可见光终端存在，可见光终端每隔一段时间就会发出Beacon(信标)信号。

DA字段，用于表明该帧发送的目的地址(FFFFFFFFFFFF)。

SA字段，用于表明该信标帧发送的源地址，即该可见光终端的地址。

IR_Busy字段，用于标识可见光终端绑定的红外接收器是否忙碌。

Location字段，用于标识可见光终端的位置信息。

CRC字段，用于检测该帧是否出错。

STOP字段，用于标识信标帧的结束(6F)。

进一步地，如图6所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的关联请求帧，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段；其中，

START字段，为该帧的开始标志位(0X7E)。

Address1字段，该字段为8位的地址域；其中，前7位为红外接收器的目的地址；第8位表示该帧的方向，当取1时，表明当前帧为命令帧(command)；当取0时，表明当前帧为响应帧。

Control：该字段为8位的控制域，包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为无序列帧(用于建立链路和释放链路)(11)；

②SubType字段，用于进一步表明该帧的类型为关联请求帧(001)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)；

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

Address2字段：用来写入移动终端的MAC地址；

CRC字段：为循环冗余校验位，用于进行差错校验，用于检测该帧是否出错。

STOP字段：为帧的结束标志位(0X6F)。

进一步地，如图7所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的关联确认帧，其结构与上述的关联请求帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)，包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为无序列帧(用于建立链路和释放链路)(11)；

②SubType字段，用于进一步表明该帧的类型为关联确认帧(010)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)；

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

进一步地，如图8所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的红外数据帧，该帧在原有帧的基础上在数据域中进行了二次封装，其结构与上述的关联请求帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)和数据域(Information)；其中，控制域(Control)包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为红外数据帧(00)；

②SubType字段，用于进一步表明该帧的类型为红外数据帧(001)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

数据域(Information)包括：

①Nr字段，用于表示希望接收到的下一个信息帧的序列号，其值从0-7循环；

②Ns字段，用于表示已经接收到的数据帧的序列号；

③Address2字段，用于写入移动终端的MAC地址；

④Address3字段，用于写入移动终端发送数据帧的目的地址。

进一步地，如图9所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的心跳包(红外发送)[监控帧]，为了保持移动终端与可见光终端之间的连接状态，此处让移动终端通过红外发射器按指定间隔周期性的发送有规律的红外信号(心跳包)。另外，由于位置信息与心跳包相关联，因此在心跳包的数据域中加入位置信息Location字段，进而可以进行实时定位，其结构与上述的关联请求帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)和数据域(Information)；其中，控制域(Control)包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为监控帧(01)；

②SubType字段，用于进一步表示该帧类型为心跳包(001)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

数据域(Information)包括：

①Address2字段，用于写入移动终端的MAC地址；

②Location字段，用于表示移动终端所处的位置信息。

进一步地，如图10所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的接入请求RTS帧，该帧为红外请求接入RTS帧，其结构与上述的关联请求帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)和数据域(Information)；其中，

控制域(Control)包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为监控帧(01)；

②SubType字段进一步表示该帧类型为红外接入请求RTS帧(010)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)；

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

数据域(Information)包括Address2字段，用于写入移动终端的MAC地址。

进一步地，如图11所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的响应CTS帧，该帧为红外响应CTS帧，其结构与上述的接入请求RTS帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)；其中，控制域(Control)包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为监控帧(01)；

②SubType字段，进一步表示该帧类型为响应CTS帧(011)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)；

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

进一步地，如图12所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的红外ACK确认帧，其结构与上述的接入请求RTS帧结构类似，包括：START字段、Address1字段、控制域(Control)、数据域(Information)、CRC字段和STOP字段，其区别在于，控制域(Control)；其中，控制域(Control)包括：

①Type字段，用于表明该帧的类型为监控帧(01)；

②SubType字段，进一步表示该帧类型为ACK确认帧(100)；

③P/F字段，用于表明该帧的发送方式(这里均为主向从发送)(1)；

④Reserved字段为保留字段，默认为00。

进一步地，如图13所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的可见光数据帧，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、Seq-ct1字段、Frame Bady字段、CRC字段和STOP字段；其中，

START字段，为该帧的开始标志位(0X7E)。

Frame Control为帧控制域，包括：

①Type字段，用于表示该帧的类型为数据帧(01)；

②Subtype字段，用于进一步表示该帧为可见光数据帧(00)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④MoreFragment字段，用于表示该帧被分段的情况，即无分段(0)和有分段(1)；

⑤Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑥Order字段，用来表示长帧分段传输时是否严格按照序号处理该帧，

即严格(1)和0不严格(0)。

DA字段用于表明该数据帧发送的目的地址。

SA字段用于表明该数据帧发送的源地址。

Seq-ctl字段为分片段的序号，用来过滤重复帧。

Frame Bady字段：包含信息根据帧类型有所不同，主要封装的是上层的数据单元。

CRC字段：用于检测该帧是否出错。

STOP字段：为帧的结束标志位(6F)。

进一步地，如图14所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的可见光ACK确认帧，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、CRC字段和STOP字段；其中，

START字段，为该帧的开始标志位(7E)。

Frame Control为帧控制域，包括：

①Type字段，表明帧类型为控制帧(10)；

②Subtype字段，表示该帧是可见光ACK确认帧(000)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑤Reserved字段为保留字段。

DA字段用于表明该确认帧发送的目的地址。

SA字段用于表明该确认帧发送的源地址。

CRC字段：用于检测该帧是否出错。

STOP字段：为帧的结束标志位(6F)。

进一步地，如图15所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的可见光接入请求RTS帧，其结构与上述的可见光ACK确认帧类似，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、CRC字段和STOP字段，其区别在于帧控制域(Frame Control)，其中，该帧控制域(Frame Control)包括：

①Type字段，表明帧类型为控制帧(10)；

②Subtype字段，表示该帧为可见光RTS帧(001)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑤Reserved字段为保留字段。

进一步地，如图16所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的可见光响应CTS帧，其结构与上述的可见光ACK确认帧类似，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、CRC字段和STOP字段，其区别在于帧控制域(Frame Control)，其中，该帧控制域(Frame Control)包括：

①Type字段，表明帧类型为控制帧(10)；

②Subtype字段，Subtype字段表示该帧是可见光CTS帧(010)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑤Reserved字段为保留字段。

进一步地，如图17所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的关联响应帧，其结构与上述的可见光ACK确认帧类似，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、CRC字段和STOP字段，其区别在于帧控制域(Frame Control)，其中，该帧控制域(Frame Control)包括：

①Type字段，表明帧类型为控制帧(10)；

②Subtype字段，表示该帧是可见光关联响应帧(011)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑤Reserved字段为保留字段。

进一步地，如图18所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的一种基于可见光和红外通信的试探帧，其结构与上述的可见光ACK确认帧类似，包括：START字段、帧控制域(Frame Control)、DA字段、SA字段、CRC字段和STOP字段，其区别在于帧控制域(FrameControl)，其中，该帧控制域(Frame Control)包括：

①Type字段，表明帧类型为控制帧(10)；

②Subtype字段，Subtype字段表示该帧是试探帧(100)；

③Direction字段，用于表示该帧是可见光终端向移动终端发送的帧(1)；

④Retry字段，用于表示该帧是否为重传帧，即非重传帧(0)和重传帧(1)；

⑤Reserved字段为保留字段。

本发明实施例提供了一整套完整的可见光红外异构网络数据链路层协议，并提供了相应的帧结构，优化了数据量，更便于可见光通信与红外通信。

实施例三

本实施例在上述实施例的基础上提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位系统，包括：多个可见光终端、移动终端和控制器；其中，

所述控制器用于分配多个时隙；

每个可见光终端通过预设时隙发送可见光信号；

所述移动终端通过接收所述可见光信号确定待关联可见光终端；

所述移动终端与所述待关联可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；

所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。

具体地，为了实现室内可见光信号的全覆盖，并且满足室内照明的需求，多个可见光终端分布在不同地方，以确保待覆盖范围内至少有一个可见光信号。

控制器连接多个可见光终端，用于提供可见光终端的同步以及时钟信息，同时通过控制器让相邻的可见光终端工作在不同的时隙或时间段，进而保证用户在同一时刻只能接收到一个可见光终端发送的可见光信号，当某一个可见光终端在工作时，其相邻的可见光终端保持常亮的状态。

具体地，本发明实施例提供的可将光终端和移动终端，与上述实施例的可见光终端和移动终端工作原理相同，此处不再赘述。

本实施例提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位系统，只要室内区域全覆盖有LED灯源，就可以在室内区域实现无盲点的可见光通信。因为可见光信号会被墙壁等建筑设施完全阻拦，所以可见光通信系统有着良好的保密性。

实施例四

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖的定位方法，包括：

移动终端接收不同时隙内不同可见光终端发送的的信标帧；

通过不同时隙内的信标帧获取所述移动终端的定位信息。

具体地，由于多个可见光终端周期性的下发信标帧，而信标帧中包含各可见光终端的位置信息，移动终端可对信标信息进行检测，并与本地数据库(地图信息)进行比对，即可实现自身的定位。其基本思路如下：

(1)各可见光终端周期性广播信标帧(包含AP的位置信息等)。

(2)移动终端接收到相应的信标帧后，会将此信标帧中的位置信息存在一个状态表中，并保存一定时间。

(3)状态表中最多维持4条位置信息，如果4条位置信息都属于同一个可见光终端，则此时就将此可见光终端的信号覆盖范围的中心作为定位结果。如果有两个可见光终端的位置信息就将这两个可见光终端信号重叠区域的中心作为定位结果；有三个或四个不同的可见光终端位置信息时，其处理方式与此类似。

本实施例提供的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖的定位方法，主要结合可见光与红外通信技术，实现在室内环境下与移动终端安全的通信并且在同时提供对移动终端较为精确的定位功能。

实施例五

请参见图19，图19为本发明提供的移动终端的动态切换的流程图。考虑到移动终端的移动性，当移动终端离开先前通信区域或当可见光通信链路被遮挡导致无法正常通信时，如果对通信的延时要求不高可以等待移动终端按上述实施例提供的关联步骤重新关联，但是如果用户对服务质量有一定要求，为了保证服务质量，提升通信的可靠性，本实施例在上述实施例的基础上提供了一个动态切换方法，如图19所示，具体实现步骤为：

(1)移动终端在移动过程中会时刻记录当前相关联的可见光终端的信号强度值(RSS值，滤去直流)；

(2)当终端远离当前相关联的可见光终端时，当前信号强度值会不断减少；

(3)当终端处于重叠区域时，且信号强度值(RSS值)小于检测阈值T_S时，开始扫描其他可见光终端的信号强度值，其中，阈值T_S为人为设定，具体可根据当前的通信情况设定；

(4)令当前相关联的可见光终端的信号强度值为RSS1，终端终端远离当前区域时，RSS1会不断减小，而周围可见光终端的信号强度值值会慢慢增加；

(5)若RSS1值不小于切换阈值T_C时，则保持当前连接，中断扫描；

(6)若RSS1值小于切换阈值T_C时，则主动向当前终端发送断开请求帧，关闭当前的关联，持续监听通信范围内可见光终端的信标帧，并解析其源地址、RSS、信道忙闲信息等，并将最新一次的信标帧信息存储下来；

(7)向关联可见光终端发送连接断开请求帧，并主动断开当前可将光终端的连接；

(8)移动终端根据扫描中获取的多个信号强度值，选择RSS值最大的值所属可见光终端进行重新关联，直至关联成功；

(9)在重新关联成功后，控制器对关联的可见光终端和移动终端MAC地址检测是否存在未发送完的信息。若存在，控制器将剩余的数据帧通过新关联的AP向下发送。

本发明实施例公开的一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法和系统，主要结合可见光与红外通信技术，实现在室内环境下与移动终端安全的通信并且在同时提供对移动终端较为精确的定位功能。本发明定义了用户(移动)终端与通信系统的关联过程、数据传输过程、以及可见光源分时隙工作的实现和原理、提供了一种较为精确的定位方法以及移动终端在移动时的动态切换方法。本发明设计的基于可见光和红外通信技术的室内全覆盖通信定位方法在光网络中实现了上行和下行的信道分离、相邻可见光源之间信号时隙分离，避免了相互干扰。并设计了完整的终端关联，数据发送实现方案，提供了安全可靠的通信系统与可靠准确的定位技术。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，其特征在于，包括：

在目标区域布置多个可见光终端，所述多个可见光终端的覆盖范围存在重叠区域，其中，采用时分的思想，通过控制器连接所有所述可见光终端；

控制器通过连接所述多个可见光终端分配多个时隙，所述可见光终端发送调制后的可见光信号，并接收红外信号；

所述多个可见光终端在不同时隙内周期性广播信标帧，所述信标帧包括源地址信息、目的地址信息，CRC校验信息，忙闲信息；

移动终端发送红外信号、接收不同时隙内的所述信标帧，对所述信标帧的信息进行检测，并与本地数据库进行对比实现自身的定位；

所述移动终端通过不同时隙内的所述信标帧获取所述移动终端的定位信息；

所述移动终端根据不同时隙的所述信标帧确定待关联的可见光终端，若所述移动终端只收到一个可见光信号，则将发出该可见光信号的可见 光终端作为所述待关联的可见光终端，若所述移动终端收到多个所述可见光信号，则光强度最强的所述可见光终端为所述待关联的可见光终端；

所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系，所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信，其中，

所述移动终端在移动过程中记录当前相关联的所述可见光终端的信号强度值；

当所述移动终端远离当前相关联的所述可见光终端时，当前信号强度值会不断减少；

当所述移动终端处于重叠区域时，且信号强度值小于检测阈值时，开始扫描其他所述可见光终端的信号强度值，其中，所述检测阈值根据当前的通信情况设定；

令与所述移动终端相关联的所述可见光终端的信号强度值为RSS1，所述移动终端远离当前区域时，RSS1会不断减小，而所述可见光终端的信号强度值会慢慢增加；

若RSS1值不小于切换阈值时，则保持当前连接、中断扫描；

若RSS1值小于所述切换阈值时，则主动向当前所述移动终端发送断开请求帧，关闭当前的关联，持续监听通信范围内所述可见光终端的信标帧，并解析其源地址、RSS、信道忙闲信息，并将最新一次的信标帧信息存储下来，RSS为信号强度；

向关联所述可见光终端发送连接断开请求帧，并主动断开当前所述可见光终端的连接；

所述移动终端根据扫描中获取的多个信号强度值，选择RSS值最大的值所属可见光终端进行重新关联，直至关联成功；

在重新关联成功后，控制器对关联的所述可见光终端和所述移动终端MAC地址检测是否存在未发送完的信息，若存在，所述控制器将剩余的数据帧通过重新关联的所述可见光终端向下发送；

所述移动终端周期性发送心跳包；

所述可见光终端接收所述心跳包；

若所述可见光终端在一定时间内未收到心跳包，则表示所述移动终端可能移出关联所述可见光终端的信号覆盖范围，这时所述可见光终端向所述关联移动终端发送试探包。

2.根据权利要求1所述的室内全覆盖通信定位方法，其特征在于，所述移动终端与待关联的所述可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系，包括：

所述移动终端接收所述信标帧，并根据所述信标帧发送关联请求帧；

所述可见光终端接收所述关联请求帧，并根据所述关联请求帧发送关联响应帧；

所述移动终端接收所述关联响应帧，并根据所述关联响应帧发送关联确认帧；

所述可见光终端接收所述关联确认帧并建立关联关系。

3.根据权利要求1所述的室内全覆盖通信定位方法，其特征在于，所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信，包括：

所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端；

所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端。

4.根据权利要求3所述的室内全覆盖通信定位方法，其特征在于，所述可见光终端通过所述关联关系下发第一通信数据至所述移动终端，包括：

所述可见光终端发送第一接入请求RTS帧；

所述移动终端接收所述第一接入请求RTS帧，并根据所述第一接入请求RTS帧发送第一响应CTS帧；

所述可见光终端接收所述第一响应CTS帧，并根据所述第一响应CTS帧发送第一通信数据；

所述移动终端接收所述第一通信数据后发送第一ACK确认帧；

所述可见光终端接收所述第一ACK确认帧，并根据所述第一ACK确认帧确认完成下发所述第一通信数据。

5.根据权利要求3所述的室内全覆盖通信定位方法，其特征在于，所述移动终端通过所述关联关系上传第二通信数据至所述可见光终端，包括：

所述移动终端发送第二接入请求RTS帧；

所述可见光终端接收所述第二接入请求RTS帧，并根据所述第二接入请求RTS帧发送第二响应CTS帧；

所述移动终端接收所述第二响应CTS帧，并根据所述第二响应CTS帧发送第二通信数据；

所述可见光终端接收所述第二通信数据后发送第二ACK确认帧；

所述移动终端接收所述第二ACK确认帧，并根据所述第二ACK确认帧确认完成上传所述第二通信。

6.一种基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位系统，其特征在于，用于实现权利要求1至5任一项所述的基于可见光和红外通信的室内全覆盖通信定位方法，包括：多个可见光终端、移动终端和控制器；其中，

所述控制器用于分配多个时隙；

每个可见光终端通过预设时隙发送可见光信号；

所述移动终端通过接收所述可见光信号确定待关联可见光终端；

所述移动终端与所述待关联可见光终端在预设时隙内通过数据交互建立关联关系；

所述可见光终端与所述移动终端根据所述关联关系进行通信。

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