CN111413674B - 一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统，根据激光脉冲测距原理提供一种光反射通路，引入测距模块，根据已知的发送信号和接收到的信号进行相干检测，得到每个PD和终端的距离，对多个PD得到的距离矩阵[dx‑APi‑PDi]进行最大似然估计得到终端对多个发射端APi的最优距离解ODAPi‑X及终端到接收端PDi距离ODPDi‑X，再通过空间三角形解算对多个ODAPi‑X和ODPDi‑X解算得到终端位置。本发明基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统简单、经济、实时性好，充分利用下行信号与上行信号的间隔，对LiFi协议无任何影响，既保证了高速通信又实现了定位功能。

Description

一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统。
背景技术
实施基于位置的服务和应用程序（例如室内导航或机会营销）的趋势日益增长，这就需要更精确的室内定位系统（IPS），目前常见的室内定位技术包括无线保真（WiFi），蓝牙，射频（RF），超宽带（UWB），红外和可见光通信（VLC）等。
其中，VLC具有很高的定位精度（PA）和能效，定位成本低，同时还具有抗传统射频信号干扰的能力，成为近年来室内定位技术的研究热点。可见光无线通信（LiFi）定位主要有直接定位和两步定位两种方式：直接定位技术通常非常复杂，但无需事先进行参数估计即可获得最佳解决方案；两步定位方法在第一阶段进行数据提取，第二阶段估计位置，从而给出次优的结果。目前LiFi定位技术主要有接近度，指纹，三角测量，视觉分析和混合算法五种方法。
接近度，指纹和三角测量方法使用光电二极管（PD）作为接收器，需要多路复用过程；视觉分析技术将相机作为接收器，无需多路复用；混合算法使用光电二极管或相机作为接收器，多路复用是可选的。
但将相机作为接受器的通信方式不能和LiFi协议兼容，会导致相机图像传感器速率变慢，无法实现高速数据传输；而使用光电二极管作为接收器的通信方法需要接收端和发送端时间精确同步，对时间精度要求很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法及系统，依据光反射回路的精确定位方法，实现高精度定位、快速定位，可应用于多LED发射端、多个PD接收器。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法，包括以下步骤：
（1）LiFi终端向LiFi AP接收端发送定位请求，同时将终端调制解调的时间间隔Δt和终端ID发送给AP。
（2）AP根据上报终端ID分配指定的下行测量时隙SLi。
（3）AP在指定测量时隙测发送已知St信号，St信号经可见光LED发送给终端PD接收器的同时发送给AP测距模块，其中St信号由AP端编码存储器经多个模数转换器、信号调制器、LED驱动控制器、LED灯组成的发送装置发送给终端PD接收器。
（4）终端在指定测量时隙打开开关K将解调后的Sr信号发送给调制器，通过红外LED发送给AP端多个PD接收器，红外LED信号经放大器放大后发送给多个PD接收器相应的AP测距模块。
（5）AP 端每个PD接收器对应测距模块根据已知St信号和接收到的经放大的红外LED信号进行相干运算并减去终端调制解调的时间Δt，得到通过发射与反射的时间差Δtrx，再通过Δtrx计算相应的距离dx-APi-PDi，dx-APi-PDi=[(Δtrx-Δt)/2]*光速。
（6）对多个PD得到的距离矩阵[dx-APi-PDi]进行最大似然估计得到终端对多个发射端APi的最优距离解ODAPi-X以及终端到接收端PDi的距离ODPDi-X。
（7）通过空间三角形解算对多个ODAPi-X和ODPDi-X进行解算得到终端位置（x,y,z）。
优选的，步骤（4）所述Sr信号发送时间由测距过程决定。
优选的，步骤（5）所述相干运算为反卷积运算。
优选的，步骤（5）所述时间差Δtrx还可以用来同步AP时钟TAP和终端的时钟TTE，TTE=TAP-[(Δtrx-Δt)/2]。
本发明的另一个目的是提供一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统，包含LiFi AP端和LiFi终端，LiFi AP端和LiFi终端均包括发送装置和接收装置，LiFi AP端经多个LED灯发送普通LED可见光信号，LiFi AP端有多个PD接收器接收来自LiFi终端红外LED信号。
优选的，所述LiFi AP端发送装置包括第一编码存储器，第一编码存储器输出端分别连接测距模块输入端和第一模数转换器输入端，第一模数转换器输出端分别连接第一信号调制器输入端和测距模块的输入端、第一信号调制器输出端连接第一LED驱动控制器输入端，第一LED驱动控制器输出端连接LED灯，其中第一模数转换器、第一信号调制器、第一LED驱动控制器、LED灯的组成装置为2组及以上；所述LiFi AP端接收装置所述LiFi AP端接收装置为2组及以上，每个接收装置为独立的，每个LiFi AP端接收装置均包括第一PD接收器，第一PD接收器输出端均连接第一放大器输入端、第一放大器输出端均分别连接第一信号解调器输入端和测距模块输入端，第一信号解调器输出端均经第一数模转换器连接第一编码处理器。
优选的，所述LiFi终端发送装置包括第二编码存储器，第二编码存储器经第二模数转换器、第二信号调制器输入端、第二LED驱动控制器连接红外LED灯；所述LiFi终端接收装置包括第二PD接收器，第二PD接收器经第二放大器与第二信号解调器连接，第二信号解调器分别连接第二数模转换器和第二信号调制器，第二数模转换器输出端连接第二编码处理器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明根据激光脉冲测距原理提供一种光反射通路，通过多PD对上行光进行相干检测进而得到精确的距离信息，其中，相干检测方法是通过已知脉冲信号和接受到的已知脉冲信号进行反卷积或者进行相干波峰检测，因此基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法简单、经济、实时性好。
（2）光脉冲检测方法通过优化结构利用现有成熟检测算法，降低了系统复杂度，提高了效率。
（3）基于LiFi协议的方法充分的利用了LiFi协议时分复用的特点，并充分利用下行信号与上行信号的间隔，对LiFi协议无任何影响，可以实现高速数据传输，同时还实现了定位功能。
(4) 本发明定位系统和方法可以精确同步AP时钟和终端的时钟。
附图说明
图1为本发明实施例中基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法的流程图。
图2为本发明实施例中基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统的示意图。
图3为图2基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统中LiFi AP端的放大图。
图4为图2基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统中LiFi 终端的放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法的流程图。
一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法，包括以下步骤：
（1）LiFi终端向LiFi AP接收端发送定位请求，同时将终端调制解调的时间间隔Δt和终端ID发送给A。
（2）AP根据上报终端ID分配指定的下行测量时隙SLi。
（3）AP在指定测量时隙测发送已知St信号，St信号经可见光LED发送给终端PD接收器的同时发送给AP测距模块，其中St信号由AP端编码存储器经多个模数转换器、信号调制器、LED驱动控制器、LED灯组成的发送装置发送给终端PD接收器。
（4）终端在指定测量时隙打开开关K将解调后的Sr信号发送给调制器，通过红外LED发送给AP端多个PD接收器，红外LED信号经放大器放大后发送给多个PD接收器相应的AP测距模块，其中Sr信号发送时间由测距过程决定。
（5）AP 端每个PD接收器对应测距模块根据已知St信号和接收到的经放大的红外LED信号进行反卷积运算并减去终端调制解调的时间Δt，得到通过发射与反射的时间差Δtrx，再通过Δtrx计算相应的距离dx-APi-PDi，dx-APi-PDi=[(Δtrx-Δt)/2]*光速。
（6）对多个PD得到的距离矩阵[dx-APi-PDi]进行最大似然估计得到终端对多个发射端APi的最优距离解ODAPi-X以及终端到接收端PDi的距离ODPDi-X。
（7）通过空间三角形解算对多个ODAPi-X和ODPDi-X进行解算得到终端位置（x,y,z）。
一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统，包含LiFi AP端和LiFi终端，LiFi AP端和LiFi终端均包括发送装置和接收装置，LiFi AP端发送装置的发射信号普通LED可见光与LiFi终端接收装置的接收端相接，LiFi终端发送装置的发送端红外LED信号与LiFi AP端接收装置的接收端相接。
所述LiFi AP端发送装置包括第一编码存储器，第一编码存储器输出端分别连接测距模块A输入端、测距模块B输入端、测距模块C输入端、第一模数转换器A输入端、第一模数转换器B输入端、第一模数转换器C输入端；第一模数转换器A输出端分别连接第一信号调制器A输入端、第一信号调制器A输出端连接第一LED驱动控制器A输入端，第一LED驱动控制器A输出端连接LED灯A；第一模数转换器B输出端分别连接第一信号调制器B输入端、第一信号调制器B输出端连接第一LED驱动控制器B输入端，第一LED驱动控制器B输出端连接LED灯B；第一模数转换器C输出端分别连接第一信号调制器C输入端、第一信号调制器C输出端连接第一LED驱动控制器C输入端，第一LED驱动控制器C输出端连接LED灯C。
所述LiFi AP端接收装置为3组，每组接收装置为独立的，均有相对应的第一PD接收器，第一放大器、第一信号解调器、测距模块、第一数模转换器、第一编码处理器，具体为第一PD接收器A输出端连接第一放大器A输入端、第一放大器A输出端分别连接第一信号解调器A输入端和测距模块A输入端，第一信号解调器A输出端经第一数模转换器A连接第一编码处理器A；第一PD接收器B输出端连接第一放大器B输入端、第一放大器B输出端分别连接第一信号解调器B输入端和测距模块B输入端，第一信号解调器B输出端经第一数模转换器B连接第一编码处理器B；第一PD接收器C输出端连接第一放大器C输入端、第一放大器C输出端分别连接第一信号解调器C输入端和测距模块C输入端，第一信号解调器C输出端经第一数模转换器C连接第一编码处理器C。
所述LiFi终端发送装置包括第二编码存储器、第二编码存储器输出端连接第二模数转换器输入端，第二模数转换器输出端连接第二信号调制器输入端、第二信号调制器输出端连接第二LED驱动控制器输入端，第二LED驱动控制器输出端连接红外LED灯。
所述LiFi终端接收装置包括第二PD接收器，第二PD接收器经第二放大器连接第二信号解调器输入端，第二信号解调器输入端分别连接第二数模转换器输入端和第二信号调制器输入端，第二数模转换器输出端连接第二编码处理器。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)LiFi终端向LiFiAP接收端发送定位请求，同时将终端调制解调的时间间隔Δt和终端ID发送给AP；
(2)AP根据上报终端ID分配指定的下行测量时隙SLi；
(3)AP在指定测量时隙发送已知St信号，St信号经可见光LED发送给终端PD接收器的同时发送给AP测距模块，其中St信号由AP端编码存储器经多个模数转换器、信号调制器、LED驱动控制器、LED灯组成的发送装置发送给终端PD接收器；
(4)终端在指定测量时隙打开开关K将解调后的Sr信号发送给调制器，通过红外LED发送给AP端多个PD接收器，红外LED信号经放大器放大后发送给多个PD接收器相应的AP测距模块；
(5)AP端每个PD接收器对应测距模块根据已知St信号和接收到的经放大的红外LED信号进行相干运算并减去终端调制解调的时间Δt，得到通过发射与反射的时间差Δtrx，再通过Δtrx计算相应的距离dx-APi-PDi，dx-APi-PDi＝[(Δtrx-Δt)/2]*光速；
(6)对多个PD得到的距离矩阵[dx-APi-PDi]进行最大似然估计得到终端对多个发射端APi的最优距离解ODAPi-X以及终端到接收端PDi的距离ODPDi-X；
(7)通过空间三角形解算对多个ODAPi-X和ODPDi-X进行解算得到终端位置(x,y,z)；
步骤(5)所述时间差Δtrx用来同步AP时钟TAP和终端的时钟TTE，TTE＝TAP-[(Δtrx-Δt)/2]。
2.根据权利要求1所述的基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法，其特征在于：步骤(4)所述Sr信号发送时间由测距过程决定。
3.根据权利要求1所述的基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位方法，其特征在于：步骤(5)所述相干运算为反卷积运算。
4.一种基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统，其采用如权利要求1-3任一项所述的定位方法，其特征在于：包含LiFiAP端和LiFi终端，LiFiAP端和LiFi终端均包括发送装置和接收装置，LiFi AP端经多个LED灯发送普通LED可见光信号，LiFiAP端有多个PD接收器接收来自LiFi终端红外LED信号。
5.根据权利要求4所述的基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统，其特征在于：所述LiFiAP端发送装置包括第一编码存储器，第一编码存储器输出端分别连接测距模块输入端和第一模数转换器输入端，第一模数转换器输出端分别连接第一信号调制器输入端和测距模块的输入端、第一信号调制器输出端连接第一LED驱动控制器输入端，第一LED驱动控制器输出端连接LED灯，其中第一模数转换器、第一信号调制器、第一LED驱动控制器、LED灯的组成装置为2组及以上；所述LiFi AP端接收装置所述LiFi AP端接收装置为2组及以上，每个接收装置为独立的，每个LiFi AP端接收装置均包括第一PD接收器，第一PD接收器输出端均连接第一放大器输入端、第一放大器输出端均分别连接第一信号解调器输入端和测距模块输入端，第一信号解调器输出端均经第一数模转换器连接第一编码处理器。
6.根据权利要求4所述的基于LiFi技术的多LED发射端多PD定位系统，其特征在于：所述LiFi终端发送装置包括第二编码存储器，第二编码存储器经第二模数转换器、第二信号调制器输入端、第二LED驱动控制器连接红外LED灯；所述LiFi终端接收装置包括第二PD接收器，第二PD接收器经第二放大器与第二信号解调器连接，第二信号解调器分别连接第二数模转换器和第二信号调制器，第二数模转换器输出端连接第二编码处理器。
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