CN110995345B - 基于led可见光全双工通信的数据传输设备 - Google Patents

基于led可见光全双工通信的数据传输设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，包括通信LED模块、定位LED模块、间隙分配模块、信息协作定位模块和定位矫正模块；信息协作定位模块用于接收间隙分配模块发送的分配后的间隙，并根据分配的间隙结合频谱复用来分配定位信息；定位矫正模块采用三边定位方法获取终端的初始位置，获取三个蜂窝的位置坐标，根据三个蜂窝的位置坐标计算接收终端的初始位置。本发明提供的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，通过蜂窝网络可集定位与可见光通信于一体，实现通信与定位的组合，并采用四色定理进行间隙分配，使终端可以从不同的LED发射器获取多个接收信号强度的值，以计算位置，并进行位置矫正，提高了定位的准确性，提高了通信的可靠性。

Description

基于LED可见光全双工通信的数据传输设备
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及到基于LED可见光全双工通信的数据传输设备。
背景技术
可见光通信利用发光二极管作为光源，在照明的同时可以高速地进行通信。在现代通信系统中，最受欢迎的频段是射频，主要因为其干扰小、覆盖特性良好。然而，射频频谱的迅速减少和无线网络流量的增加已经证实了更大的带宽以及缓和频谱压力的必要性，现在，白光LED己被广泛的应用于显示、照明、信号传输等领域。通过照明技术和通信技术的结合，可以在室内环境中提供无处不在的通信，同时解决射频通信的不足和局限性。与其他光源相比，白光LED具有更高的调制带宽、还具有调制性好、响应灵敏等优点；与其他的无线通信技术比较，可见光通信具有很多优点，通过将要传输的信号调制到LED可见光上进行传输，可以拓展下一代宽带通信的频谱，同时解决光通信与无线通信网络共存与兼容的问题，具有极大的发展前景。
但是目前射频或单独采用LED灯定位，存在定位准确性差以及通信的可靠性差的问题，为了解决以上问题，现设计基于LED可见光全双工通信的数据传输设备。
发明内容
本发明的目的在于提供的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，解决了现有通信定位的准确性差以及通信可靠性差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，包括通信LED模块、定位LED模块、间隙分配模块、信息协作定位模块和定位矫正模块；
所述通信LED模块包括若干通信LED灯，各通信LED灯相互进行通信传输；
所述定位LED模块包括若干定位LED灯，用于实时获取各定位LED灯的位置，每个定位LED灯只在该定位LED灯所在的间隙内发光；
所述间隙分配模块用于根据LED灯的分布对所在区域进行划分，划分成若干子区域，每个子区域包含五个间隙，对每个子区域内的五个间隙对应安装有LED灯珠，使得灯珠均匀间隔分布，使得蜂窝下的终端从不同LED发射器获取不同的接收信号强度值；
所述信息协作定位模块用于接收间隙分配模块发送的分配后的间隙，并根据分配的间隙结合频谱复用来分配定位信息，保证任何相同间隙并且频带相同的定位信息在水平平面至少间隔两个子区域的距离，通过信息协作定位将整个区域划分成四个间隙和三个频谱带，如图1所示，其中，通信信息在相对更高的频谱被分配给多个频带，并且在所有间隙中传送，定位信息在相对较低的频谱中被划分成三个频段，并在其该频段的间隙内传输，每个蜂窝中，用于通信和定位的LED具有单独的频带；
定位矫正模块采用三边定位方法获取终端的初始位置，获取三个蜂窝的位置坐标，根据三个蜂窝的位置坐标计算接收终端的初始位置；
进一步地，间隙分配模块采用四色理论进行划分，四色理论是将平面分隔成连续区域，产生称为地图的图形，以采用不超过四种颜色来对地图区域进行着色，使得相邻区域没有相同的颜色，而相邻区域是指如果两个区域共享一个不是角落的公共边界，则校色是由三个或更多区域共享的点，使得任意两个相邻的区域不会具有相同的颜色。
进一步地，室内环境可以根据LED蜂窝的布置进行相应的子区域，将划分之后的地图进行着色，整个室内环境将由四种颜色构成，对地图划分成五个间隙，一个间隙用于获取环境光的亮度，其包含来自通信、阳光以及白噪声的干扰光强，其余四个间隙被分配给不同的子区域以发送定位信息和通信信息，并将该四种间隙采用不同颜色进行标注。
进一步地，所述定位矫正模块获取终端初始位置的方法，包括步骤如下：
W1、获取三个蜂窝的位置坐标；
W2、判断三个蜂窝的位置坐标是否在一条直线上，若在同一直线上，重新获取三个蜂窝的位置坐标，三个蜂窝的位置坐标不在一条直线上；
W3、设置接收终端的位置(x，y)，设置发射端到接收终端之间的高度差Δh；
W4、计算接收终端与各蜂窝间的距离，计算公式如下：
Figure BDA0002281308660000031
其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示为三个蜂窝的位置坐标，且蜂窝的位置坐标即为发射端的位置，d1、d2、d3分别分别表示为表示三个发射端(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)到接收终端(x，y)的直线距离；
W5、采用步骤W4中计算公式联合求解，获得接收终端对应的位置坐标(x，y)；
W6、对获取的接收终端对应的位置坐标进行修正。
进一步地，接收终端根据位置坐标进行修正的方法，包括以下步骤：
第一步、根据二维定位场景，对各信号强度按照从大到小的顺序进行排序，筛选出信号强度排序前三的信号，根据筛选的信号得到一个定位结果；
第二步、根据上一步骤得到的定位结果生成参考点数据库，并使用参考点数据库修正定位位置。
进一步地，在第一步得到定位结果附近选择一片区域，在一片区域中选定其中一个点作为接收器位置，依次假定接收器的实际位置在选择的该区域的点上，计算出接收器到假定位置点理应接收的信号强度值，形成参考点数据库，将参考点数据库与实际接收到的信号强度值进行求取均方差，取该均方差最小所对应的点的位置，以作为最终的定位位置。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，通过蜂窝网络可集定位与可见光通信于一体，实现通信与定位的组合，并采用四色定理进行间隙分配，使终端可以从不同的LED发射器获取多个接收信号强度的值，以计算位置，并进行位置矫正，提高了定位的准确性，提高了通信的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中间隙和频谱分配的示意图；
图2为本发明中三边定位的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，包括通信LED模块、定位LED模块、间隙分配模块、信息协作定位模块和定位矫正模块；
对LED灯进行划分，划分成通信LED和定位LED灯，通信LED和定位LED灯所在的频带不同，分别对应通信频带和定位频带。
通信LED模块包括若干通信LED灯，各通信LED灯相互进行通信传输；
定位LED模块包括若干定位LED灯，用于实时获取各定位LED灯的位置，每个定位LED灯只在该定位LED灯所在的间隙内发光；
间隙分配模块用于根据LED灯的分布对所在区域进行划分，划分成若干子区域，每个子区域包含五个间隙，对每个子区域内的五个间隙对应安装有LED灯珠，使得灯珠均匀间隔分布，使得蜂窝下的终端从不同LED发射器获取不同的接收信号强度值；
其中，间隙分配模块采用四色理论进行划分，四色理论是将平面分隔成连续区域，产生称为地图的图形，以采用不超过四种颜色来对地图区域进行着色，使得相邻区域没有相同的颜色，而相邻区域是指如果两个区域共享一个不是角落的公共边界，则校色是由三个或更多区域共享的点，使得任意两个相邻的区域不会具有相同的颜色。
室内环境可以根据LED蜂窝的布置进行相应的子区域，将划分之后的地图进行着色，整个室内环境将由四种颜色构成，对地图划分成五个间隙，一个间隙用于获取环境光的亮度，其包含来自通信、阳光以及白噪声的干扰光强，其余四个间隙被分配给不同的子区域以发送定位信息和通信信息，并将该四种间隙采用不同颜色进行标注。
信息协作定位模块用于接收间隙分配模块发送的分配后的间隙，并根据分配的间隙结合频谱复用来分配定位信息，保证任何相同间隙并且频带相同的定位信息在水平平面至少间隔两个子区域的距离，通过信息协作定位将整个区域划分成四个间隙和三个频谱带，如图1所示，其中，通信信息在相对更高的频谱被分配给多个频带，并且在所有间隙中传送，定位信息在相对较低的频谱中被划分成三个频段，并在其该频段的间隙内传输，每个蜂窝中，用于通信和定位的LED具有单独的频带。
定位矫正模块采用三边定位方法获取终端的初始位置，如图2所示，获取三个蜂窝的位置坐标，根据三个蜂窝的位置坐标计算接收终端的初始位置，采用的步骤如下：
W1、获取三个蜂窝的位置坐标；
W2、判断三个蜂窝的位置坐标是否在一条直线上，若在同一直线上，重新获取三个蜂窝的位置坐标，三个蜂窝的位置坐标不在一条直线上；
W3、设置接收终端的位置(x，y)，设置发射端到接收终端之间的高度差Δh；
W4、计算接收终端与各蜂窝间的距离，计算公式如下：
Figure BDA0002281308660000061
其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示为三个蜂窝的位置坐标，且蜂窝的位置坐标即为发射端的位置，d1、d2、d3分别分别表示为表示三个发射端(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)到接收终端(x，y)的直线距离；
W5、采用步骤W4中计算公式联合求解，获得接收终端对应的位置坐标(x，y)；
W6、对获取的接收终端对应的位置坐标进行修正。
其中，接收终端位置坐标的修正方法，包括以下步骤：
第一步、根据二维定位场景，对各信号强度按照从大到小的顺序进行排序，筛选出信号强度排序前三的信号，根据筛选的信号得到一个定位结果；
第二步、根据上一步骤得到的定位结果生成参考点数据库，并使用参考点数据库修正定位位置，具体的实现方式，在第一步得到定位结果附近选择一片区域，在一片区域中选定其中一个点作为接收器位置，依次假定接收器的实际位置在选择的该区域的点上，计算出接收器到假定位置点理应接收的信号强度值，形成参考点数据库，将参考点数据库与实际接收到的信号强度值进行求取均方差，取该均方差最小所对应的点的位置，以作为最终的定位位置。
采用该方法能够很容易的获取多个接收信号强度，且充分利用了密封蜂窝网络的特性，将接收器所能接收到的信号强度结合起来，以提高了位置定位的准确性。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，其特征在于：包括通信LED模块、定位LED模块、间隙分配模块、信息协作定位模块和定位矫正模块；
所述通信LED模块包括若干通信LED灯，各通信LED灯相互进行通信传输；
所述定位LED模块包括若干定位LED灯，用于实时获取各定位LED灯的位置，每个定位LED灯只在该定位LED灯所在的间隙内发光；
所述间隙分配模块用于根据LED灯的分布对所在区域进行划分，划分成若干子区域，每个子区域包含五个间隙，对每个子区域内的五个间隙对应安装有LED灯珠，使得灯珠均匀间隔分布，使得蜂窝下的终端从不同LED发射器获取不同的接收信号强度值；
所述信息协作定位模块用于接收间隙分配模块发送的分配后的间隙，并根据分配的间隙结合频谱复用来分配定位信息，保证任何相同间隙并且频带相同的定位信息在水平平面至少间隔两个子区域的距离，通过信息协作定位将整个区域划分成四个间隙和三个频谱带，其中，通信信息在相对更高的频谱被分配给多个频带，并且在所有间隙中传送，定位信息在相对较低的频谱中被划分成三个频段，并在其该频段的间隙内传输，每个蜂窝中，用于通信和定位的LED具有单独的频带；
所述定位矫正模块采用三边定位方法获取终端的初始位置，获取三个蜂窝的位置坐标，根据三个蜂窝的位置坐标计算接收终端的初始位置；
间隙分配模块采用四色理论进行划分，四色理论是将平面分隔成连续区域，产生称为地图的图形，以采用不超过四种颜色来对地图区域进行着色，使得相邻区域没有相同的颜色，而相邻区域是指如果两个区域共享一个不是角落的公共边界，则校色是由三个或更多区域共享的点，使得任意两个相邻的区域不会具有相同的颜色。
2.根据权利要求1所述的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，其特征在于：室内环境可以根据LED蜂窝的布置进行划分相应的子区域，将划分之后的地图进行着色，整个室内环境将由四种颜色构成，对地图划分成五个间隙，一个间隙用于获取环境光的亮度，其包含来自通信、阳光以及白噪声的干扰光强，其余四个间隙被分配给不同的子区域以发送定位信息和通信信息，并将该四种间隙采用不同颜色进行标注。
3.根据权利要求1所述的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，其特征在于：所述定位矫正模块获取终端初始位置的方法，包括步骤如下：
W1、获取三个蜂窝的位置坐标；
W2、判断三个蜂窝的位置坐标是否在一条直线上，若在同一直线上，重新获取三个蜂窝的位置坐标，三个蜂窝的位置坐标不在一条直线上；
W3、设置接收终端的位置(x，y)，设置发射端到接收终端之间的高度差Δh；
W4、计算接收终端与各蜂窝间的距离，计算公式如下：
(x-x1)2+(y-y1)2+Δh2＝d12
(x-x2)2+(y-y2)2+Δh2＝d22
(x-x3)2+(y-y3)2+Δh2＝d32，其中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分别表示为三个蜂窝的位置坐标，且蜂窝的位置坐标即为发射端的位置，d1、d2、d3分别分别表示为表示三个发射端(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)到接收终端(x，y)的直线距离；
W5、采用步骤W4中计算公式联合求解，获得接收终端对应的位置坐标(x，y)；
W6、对获取的接收终端对应的位置坐标进行修正。
4.根据权利要求3所述的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，其特征在于：接收终端根据位置坐标进行修正的方法，包括以下步骤：
第一步、根据二维定位场景，对各信号强度按照从大到小的顺序进行排序，筛选出信号强度排序前三的信号，根据筛选的信号得到一个定位结果；
第二步、根据上一步骤得到的定位结果生成参考点数据库，并使用参考点数据库修正定位位置。
5.根据权利要求4所述的基于LED可见光全双工通信的数据传输设备，其特征在于：在第一步得到定位结果附近选择一片区域，在一片区域中选定其中一个点作为接收器位置，依次假定接收器的实际位置在选择的该区域的点上，计算出接收器到假定位置点理应接收的信号强度值，形成参考点数据库，将参考点数据库与实际接收到的信号强度值进行求取均方差，取该均方差最小所对应的点的位置，以作为最终的定位位置。
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