CN112953638B - 面向单接入点可见光组合方位波束定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可见光定位技术领域，是一种面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，包括在提供多方位光波束的单一见光接入点的场景下，实现移动终端的定位空间。本发明在应用场景中仅需单接入点，该单接入点提供多方位的光波束，进而基于该多波束可见光无线接入点来进行移动终端的方位扫描、测量及估计，根据移动终端的基本方位信息、径向距离的粗定位区域信息，最终借助与可见光无线接入点关联的位置指纹数据库，将粗定位区域内位置指纹与移动终端子系统实测的对应于主要波束的信号强度进行匹配度筛选，将匹配度最高的位置指纹所对应的候选空间位置作为优化后的移动终端定位位置。

Description

面向单接入点可见光组合方位波束定位方法

技术领域

本发明涉及可见光定位技术领域，是一种面向单接入点可见光组合方位波束定位方法。

背景技术

可见光定位技术通过利用已有的LED照明基础设施，将可见光定位信号加载到LED光源的偏置电流上，从而为用户通用照明的同时提供无线定位覆盖。然而，现有可见光定位技术方案普遍需要多个LED位置参考光源同时服务于可见光定位方案。其中，代表性研究方案包括：（1）美国宾夕法尼亚州立大学Monsen Kavehrad团队在Indoor positioningalgorithm using light-emitting diode visible light communications一文提出并进一步改进了基于接收信号强度信息的三边定位方案。该方案的基本思想是根据光接收器所检测到的来自三个位置参考光源的光信号功率来推算出接收器与三个位置参考光源的相对距离，进而列出三个距离关系的方程组。最终，求解出光接收器的二维，甚至三维空间位置坐标。（2）澳大利亚莫纳什大学J. Armstrong团队在Indoor location using whiteLEDs一文中借助概念验证试验展示了借助2个发送相同单频信号的LED光源来估计接收器与与两个LED光源之间相对距离的位置估计方案。上述方案的局限性在于，一旦可见光定位场景无法提供2个、3个甚至多个可见光定位参考光源，上述定位方案就无法正常运行，最终移动终端也就无法通过上述传统可见光定位获知自己的空间位置信息。

必须指出，已经有国际研究团队尝试探索单一位置光源配置下，实现移动终端的位置估计。具体地，韩国延世大学Sang-Kook Han研究团队在Indoor Location EstimationBased on LED Visible Light Communication Using Multiple Optical Receivers一文中提出借助多个位置关系相对固定的光电探测器来构造多元光接收器，进而根据光电探测器之间相对固定的空间位置关系来推算光接收器中心的空间坐标位置。不难发现，上述方案虽然能够适用于单光源场景，但是需要显著增加光接收器上光电探测器的数量，因而不可避免会增加光接收器的工程造价和实现复杂度。

未来商用的可见光定位系统必须能够适用于多样化的应用场景，特别是光源数量受限的场景。此外，此类可商用的可见光定位系统必须最大程度降低移动终端的实现造价，应该最大限度避免引入多个光电探测器所造成的工程造价显著抬升。

为了有效应对上述挑战，切实提升可见光定位技术方案对上述光源基础设施受限场景的适应能力，同时充分规避采用多个光电探测器所造成的接收器复杂度及造价的过度抬升，产业界迫切需要一种能够同时满足苛刻可见光源基础设施约束和严格接收器复杂度及低造价目标的联合设计方案，从而切实推进可见光定位技术方案的实用化、产业化和规模化。

发明内容

本发明提供了一种面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，克服了上述现有技术之不足，其在应用场景中仅需单接入点（即单可见光定位光源），该单接入点提供多方位的光波束，进而基于该多波束可见光无线接入点来进行移动终端的方位扫描、测量及估计，其获得移动终端的基本方位信息，结合传统全向朗伯光波束获得移动终端的方位半径信息（径向距离），进一步获得移动终端更小范围的粗定位区域。最终，借助与可见光无线接入点关联的位置指纹数据库，将粗定位区域内位置指纹与移动终端子系统实测的对应于主要波束的信号强度进行匹配度筛选，将匹配度最高的位置指纹所对应的候选空间位置作为优化后的移动终端定位位置，获得移动终端的精准空间位置。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，包括下述步骤：

步骤1，可见光接入点子系统中的定位控制器模块周期性构造时分波束激活信号，所述波束激活信号承载定位数据帧结构，每个定位数据帧结构包括帧头和载荷，帧头内部包含用于与移动终端子系统同步的同步序列，载荷内部包含与各个方位波束及全向波束关联的方位波束激活状态信息，每个定位数据帧结构中仅有待激活光波束的关联承载空间，所述关联承载空间包含激活光波束关联的光波束标识，可见光接入点子系统发送定位数据帧；

步骤2，可见光接入点子系统中的定位数据帧的帧头加载到提供多方位光波束的LED照明设施的全部LED光源，提供多方位光波束的LED照明设施为应用场景的唯一可见光光源；

步骤3，可见光接入点子系统将定位数据帧的各部分内部载荷加载到提供多方位光波束的LED照明设施的各个方位LED光源，各个LED光源被可见光接入点子系统的光源驱动模块驱动点亮并加载对应的波束激活状态承载信息，随着各个定位数据帧将其内部载荷连续且并行地加载至全部光波束的光源驱动模块输入端口，全部方位波束及全向波束依次地发送各自的光波束标识（Optical Beam ID）；

步骤4，移动终端子系统接收可见光信号的光波束标识；

步骤5，移动终端子系统测量光波束标识的净荷信号强度并捕获最强光波束标识（Optical Beam ID）信息；

步骤6，移动终端子系统查找光波束空间关联扇区表单，获知移动终端所处光波束空间扇区的基本空间方位信息；

步骤7，所述LED照明设施（可见光发射器）法向方向（该方向垂直指向可见光发射器下方的定位区域）的全向高功率LED光源或LED光源子阵列发出全向可见光定位辅助信号，移动终端子系统捕获该全向定位辅助光信号并测算信号强度；

步骤8，根据测算的信号强度获得LED照明设施与移动终端的径向距离；

步骤9，移动终端子系统根据所获得的移动终端的基本空间方位信息、径向距离确定移动终端的基本空间位置。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述按照下述方法获得移动终端的精准空间位置：

移动终端子系统捕获最强的N _最强波束个方位波束强度值；然后通过可见光接入点子系统中的位置指纹匹配模块调取指纹数据库中存储的分别与N _最强波束个方位波束关联的二维空间位置指纹记录；在N _最强波束个指纹记录中，对移动终端基本空间位置附近进行位置指纹匹配的随机性迭代优化搜索；可见光接入点子系统将所述N _最强波束个方位波束发送至移动终端；移动终端子系统将移动终端的基本空间位置信息替换为经过指纹匹配随机性迭代运算得到的位置信息，以获得移动终端的精准空间位置。

上述随机性迭代优化搜索包括：（1）将N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的N _最强波束个方位波束强度值之间的偏差做均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—候选位置}；（2）将移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的移动终端基本空间位置在N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的N _最强波束个方位波束强度值的偏差也进行均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—当前位置}；（3）若RMS _{误差—候选位置}<RMS _{误差—当前位置}，则将当前位置替换为候选位置；如果RMS _{误差—候选位置}≥RMS _{误差—当前位置}，则保留当前位置不做更新并进入下一轮迭代，直至达到随机性迭代优化搜索的终止条件。

上述终止条件为下述条件之一：（1）迭代次数达到预设的最大值；（2）RMS _{误差—当前位置}小于预设的偏差门限值；（3）随机性迭代优化搜索的耗时超过了预设的耗时门限值。

上述提供多方位光波束的LED照明设施的光波束发射灯罩的空间构造呈半球状或椭球状或上部锥形下部圆柱状。

本发明仅通过单一可见光接入点以及较少的必要计算实现移动终端位置估计，客观上克服了传统依赖多个可见光发射器（也就是多个分布式光源），以及依赖多个接收器（至少是多个光电探测器）的一系列可见光定位方案的天然局限性。

附图说明

附图1为本发明所述面向单接入点可见光组合方位波束定位方法的流程图。

附图2为本发明获得移动终端的精准空间位置的流程图。

附图3为本发明随机性迭代优化搜索的逻辑框图。

附图4为提供多方位光波束的可见光接入点子系统的空间构造呈半球状（三维半球型）的应用场景图。

附图5为提供多方位光波束的可见光接入点子系统的空间构造呈椭球状（三维椭球型）的应用场景图。

附图6为提供多方位光波束的可见光接入点子系统的空间构造呈上部锥形下部圆柱状（近似锥形圆柱体型组合）的应用场景图。

附图7为呈半球状（三维半球型）可见光接入点子系统空间构造的俯视图。

附图8为呈半球状（三维半球型）可见光接入点子系统空间构造的主视图。

附图9为呈半球状（三维半球型）可见光接入点子系统空间构造的一般视角图。

附图10为呈椭球状（三维椭球型）可见光接入点子系统空间构造的俯视图。

附图11为呈椭球状（三维椭球型）可见光接入点子系统空间构造的主视图。

附图12为呈椭球状（三维椭球型）可见光接入点子系统空间构造的一般视角图。

附图13为呈上部锥形下部圆柱状（近似锥形圆柱体型组合）可见光接入点子系统空间构造的俯视图。

附图14为呈上部锥形下部圆柱状（近似锥形圆柱体型组合）可见光接入点子系统空间构造的主视图。

附图15为呈上部锥形下部圆柱状（近似锥形圆柱体型组合）可见光接入点子系统空间构造的一般视角图。

附图16为本发明所述装置的整体架构图。

附图17为可见光接入子系统接收模块组成框图。

附图18为定位控制器模块的控制框图。

附图19为光源驱动模块的控制框图。

附图20为移动终端子系统的组成框图。

附图21为移动终端子系统发射模块组成框图。

附图中的编码分别为：1为LED照明设施，2为移动接收端，3为接收天线。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，比如“第一放大器”是指放大器，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明所述移动终端可以是光接收器、光电探测器等现有公知光信号接收设备。

本发明仅需单接入点（也就是单可见光定位光源），同时也能后向兼容支持多接入点（也就是传统多可见光定位光源）使用，接入点的定向或相对定向子阵列的各自波束分别指向不同空间方位。

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、4、5、6所示，面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，包括下述步骤：

步骤1，可见光接入点子系统中的定位控制器模块周期性构造时分波束激活信号，所述波束激活信号承载固定尺寸的定位数据帧结构，每个定位数据帧结构包括帧头和载荷，帧头内部主要包含用于与移动终端子系统同步的同步序列，载荷内部包含与各个方位波束及全向波束关联的方位波束激活状态信息，每个定位数据帧结构中仅有待激活光波束的关联承载空间，所述关联承载空间包含激活光波束关联的光波束标识，可见光接入点子系统发送定位数据帧；

假设方位波束的数量是N，考虑全向光波束的存在，定位过程所涉及的全部光波束数量为（N+1）。因此，在顺序发送的各个定位数据帧中，顺序地包含（N+1）个预留的激活状态信息承载空间，要实现每个光波束的依次激活并发送对应的光波束标识（也就是OpticalBeam ID）信息，每个定位数据帧结构中仅有待激活光波束的关联承载空间，且关联承载空间包含关联的Optical Beam ID，为抑制剩余光波束的激活，其余光波束的关联承载空间全部置零。

步骤2，可见光接入点子系统中的定位数据帧的帧头加载到提供多方位光波束的LED照明设施1的全部LED光源，提供多方位光波束的LED照明设施1为应用场景的唯一可见光光源；

步骤3，可见光接入点子系统将定位数据帧的各部分内部载荷加载到提供多方位光波束的LED照明设施1的各个方位LED光源，各个LED光源被可见光接入点子系统的光源驱动模块正常直流驱动点亮并加载对应的波束激活状态承载信息，随着各个定位数据帧将其内部载荷连续且并行地加载至全部光波束的光源驱动模块输入端口，全部方位波束及全向波束依次地发送各自的光波束标识（Optical Beam ID）；

步骤4，移动终端子系统接收可见光信号的光波束标识；

步骤5，移动终端子系统测量光波束标识的净荷信号强度并捕获最强光波束标识（Optical Beam ID）信息；

步骤6，移动终端子系统查找光波束空间关联扇区表单，获知移动终端所处光波束空间扇区的基本空间方位信息；

步骤7，所述LED照明设施1（可见光发射器）法向方向（该方向垂直指向发射器下方的定位区域）的全向高功率LED光源或LED光源子阵列发出全向可见光定位辅助信号，移动终端子系统捕获该全向定位辅助光信号并测算信号强度；

步骤8，移动终端子系统根据全向光波束传播模型，根据测算的信号强度获得可见光发射器与移动终端的径向距离；

该全向光波束传播模型为现有公知技术；

步骤9，移动终端子系统根据所获得的移动终端的基本空间方位信息、径向距离确定移动终端的基本空间位置。

即根据移动终端所处扇区的基本空间方位信息，相应地获知移动终端基本上处于该扇区所覆盖的具体区域（或者说光接入点在该方位引出的方向轴线上）；通过移动终端与可见光发射器的径向距离，相应地获知移动终端基本上处于以光接入点为圆心，以径向距离为半径所构造的圆环之上。由此基本确定移动终端的粗定位位置（基本空间位置）就在上述方位射线与上述圆环的交点位置处或者该位置周围的局部小区域。

实施例2：如附图2、3所示，作为实施例1的优化，在确定移动终端的基本空间位置的基础上可以借助局部指纹定位对移动终端的定位精准程度进行增强。

具体地，移动终端子系统通过自身的上行链路（上行链路所需的最低速率很低，甚至可以低至Kbps数量级，绝大多数低造价商用无线模块都可以满足，因此其实现方式可以但不局限于：WiFi，红外无线传输，ZigBee等）发送模块将下列数据发送至可见光接入点子系统中上行链路接收模块。

具体数据内容包括：（1）移动终端的基本空间位置信息；（2）移动终端子系统捕获最强的N _最强波束（N _最强波束的典型值为1，2, 3, 4）个方位波束强度值。

通过可见光接入点子系统中的位置指纹匹配模块调取指纹数据库中存储的分别与N _最强波束个方位波束关联的二维空间位置指纹记录；在N _最强波束个指纹记录中，对移动终端基本空间位置附近进行位置指纹匹配的随机性迭代优化搜索（假设搜索区域半径为R _指纹搜索）。

随机性迭代优化搜索包括：（1）将N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的N _最强波束个方位波束强度值之间的偏差做均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—候选位置}；（2）将移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的移动终端基本空间位置在N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统的上行链路发送模块反馈的N _最强波束个方位波束强度值的偏差也进行均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—当前位置}；（3）若RMS _{误差—候选位置}<RMS _{误差—当前位置}，则将当前位置替换为候选位置；如果RMS _{误差—候选位置}≥RMS _{误差—当前位置}，则保留当前位置不做更新并进入下一轮迭代，直至达到随机性迭代优化搜索的终止条件。

所述终止条件为下述条件之一：（1）迭代次数达到预设的最大值；（2）RMS _{误差—当前位置}小于预设的偏差门限值；（3）随机性迭代优化搜索的耗时超过了预设的耗时门限值。

在迭代优化搜索终止后，可见光接入点子系统将所述N _最强波束个方位波束发送至移动终端；移动终端子系统将移动终端的基本空间位置信息替换为经过指纹匹配随机性迭代运算得到的位置信息，以获得移动终端的精准空间位置。

如附图4至6所示，上述提供多方位光波束的LED照明设施1的光波束发射灯罩的空间构造呈半球状或椭球状或上部锥形下部圆柱状。

如附图4、7至9所示，空间构造呈半球状（三维半球型构造）的光波束发射灯罩，通过将能够发出定向空间光波束的高功率LED光源或者由多个低功率LED构成的小尺寸光源阵列安装于呈半球状的基板空间结构的中心位置处，基板空间结构由朝向差异化方位、规则小尺寸的二维基板拼接而成（换言之，三维半球型基板空间结构实际是由多个或者说众多规则小尺寸二维基板拼接而成）。这样一来，虽然发射器（提供多方位光波束的LED照明设施1）上多个LED光源或光源阵列共享该同一半球型光源发射器结构（光波束发射灯罩），但是在光源被同时点亮后，却能够借助定向波束和差异空间朝向的综合设计将定位服务区域的各个方位子区域进行分别点亮。

虽然为了确保所覆盖区域提供连续照明覆盖（避免暗区或者说无照明覆盖区域），相邻光波束所覆盖小尺寸区域（亦可称之为扇区）之间必须容忍少量的重叠覆盖边缘区域。但是，对于绝大多数扇区来说，一旦移动终端进入对应区域，其捕获的来自关联定向波束的定位光信号强度会远高于相邻扇区关联光波束的泄露光信号强度。因而，移动终端子系统通过解调出所处扇区内最强光波束信号所携带的光波束标识（也就是Optical Beam ID）信息，通过查找已存的光波束空间关联扇区表单（也就是Optical Sector Azimuth List）可以快速获知移动终端所处扇区的基本空间方位信息。

上述扇区划分方式，仅仅依赖各方位光波束的朝向来进行差异化点亮分割。因此，要提升扇区划分的精细程度，必须增加全部LED光源方位的数量。实际上，三维半球型基板空间结构上相同俯仰角条件下（对应于三维空间结构上相同水平截面边界上），实际可用的方位数量是有限的。随着方位间隔的变小，接入点的组装难度及有效散热等工程挑战必将凸现出来。为了兼顾上述挑战并同时实现对扇区尺寸的缩小，可以引入三维半球型基板空间结构上不同俯仰角度条件下（对应于三维空间结构上不同水平截面边界上）进行2层，3层甚至是多层不同方位LED的布放。这样一来，可见光定位覆盖区域的扇区划分不仅包括方位维度的分割，同时也体现了径向距离维度（不同径向距离对应于三维半球型基板空间结构上不同俯仰角度）的分割。两个维度的分割极大地增加了扇区分割精细程度。

上述三维半球型构造方式天然可以匹配方形覆盖区域，或者尺寸较大的覆盖区域。但是考虑到可见光定位应用必须适配多样化的室内场景，而典型或者说多数室内场景的覆盖区域时长方形。在此类典型场景，如果单一应用上述三维半球型构造方式，很可能出现在覆盖区域的长轴方向扇区分割精细程度不足，但是在覆盖区域的短轴方向扇区分割精细程度多密，甚至出现部分方位波束直接指向了墙面而非覆盖接受面，失去了扇区分割的意义。

因此在沿用上述三维半球型构造方式的基础上，必须考虑典型室内场景覆盖区域的几何特点，提出三维椭球型构造方式（空间构造呈椭球状，见图10至12）。此种构造方式自身的长轴方向应该与覆盖区域的长轴方向一致，相应地其自身短轴方向应该与覆盖区域的短轴方向一致。同时，此种构造方式自身长轴与自身长轴的比例应该与房间的长轴和短轴比例基本相当。这样一来，在三维椭球型构造的长轴方向，光方位波束的布放就相对密集，在三维椭球型构造的短轴方向，光方位波束的布放就相对稀疏。从而，整体上实现可见光接入点三维空间结构与覆盖区域的适配。

对于一些定位精度需求较低的场景，很可能不仅不需要三维半球型基板空间结构上不同俯仰角度条件下（对应于三维空间结构上不同水平截面边界上）进行2层，3层甚至是多层不同方位LED的布放；在不同方位布设的方位波束数量也会有所降低。这样一来，上述三维半球型构造或者三维椭球型构造就会退化至近似锥形圆柱体构造方式（空间构造呈上部锥形下部圆柱状，见图13至15）。覆盖区域内所划分扇区的数量也显著降低，扇区几何尺寸也会有所增大。

实施例3：如附图16所示，实施面向单接入点可见光组合方位波束定位方法的装置，包括可见光接入点子系统和移动终端子系统，可见光接入点子系统包括上行链路接收模块、定位控制器模块和光源驱动模块，定位控制器模块和光源驱动模块依序电连接，移动终端子系统包括光电探测器、模数转换模块、第一放大器、耦合器、同步模块、比较器、存储器、判别器、上行链路发射模块，光电探测器与模数转换模块电连接，模数转换模块与第一放大器电连接，第一放大器与耦合器电连接，耦合器与同步模块、比较器电连接，同步模块、比较器和存储器电连接，存储器与判别器电连接，判别器与上行链路发射模块依序电连接。

可见光接入点子系统：定位控制器模块生成一路周期性时分波束激活信并将内部载荷中与各光波束关联的承载子空间内容分别加载到与各个方位波束及全向波束关联的光源驱动模块的驱动电路中，经过各个驱动电路的直流驱动端口提供的直流偏置，点亮光源并加载对应的波束激活状态信息承载信息。全部方位波束及全向波束依次地向移动终端子系统发送各自的Optical Beam ID。

移动终端子系统：将已知并保存的同步序列（该序列与定位数据帧帧头中所包含的同步序列内容相同）与移动接收端2输出的可见光定位信号做同步相关运算，确定定位数据帧的起始时间，随后按照时分复用方式探测与各个方位波束关联的Optical Beam ID净荷信号强度，确定移动终端所处空间方位的波束Optical Beam ID。进而查找移动终端子系统中已存的光波束空间关联扇区表单（也就是Optical Sector Azimuth List），确定移动终端所处扇区的基本空间方位信息，捕获该全向定位辅助光信号并测算接收到该信号的实测强度。根据已掌握的全向光波束的可见光信号传播模型，来推算出可见光发射器与移动终端的径向距离。根据所获得的移动终端空间方位、径向距离确定移动终端的基本空间位置。

如附图17至19所示，可见光接入点子系统中：

上行链路接收模块（即接收模块）用于接收到来自移动终端子系统传输的基本空间位置信息。

定位控制器模块用于生成一路周期性时分波束激活信号，该周期波束激活信号承载固定尺寸的定位数据帧结构，每个定位数据帧结构主要包括两部分：帧头和载荷，帧头内部包含用于与移动终端子系统的同步定位模块实现同步功能的同步序列，载荷内部包含与各个方位波束及底部全向波束关联的方位波束激活状态信息。

光源驱动模块用于将加载对应的波束激活状态承载信息后的光源点亮，全部方位波束及全向波束依次地发送各自的光波束标识（Optical Beam ID）。

如附图20至21所示，移动终端子系统中：

光电探测器用于对光源发射器（所述提供多方位光波束的LED照明设施1）发射的可见光信号进行探测并将其还原成为电信号；

模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号；

第一放大器用于将接收到的微弱数字信号进行放大，以提高输出的信噪比；

耦合器用于将一路数字信号分成两路相同的数字信号传输，一路进入同步模块做同步处理确定移动终端所处空间方位的波束Optical Beam ID，一路进入比较器输出最强Optical Beam ID净荷信号强度。

存储器用于将光电探测器接收到的波束激活信号同步，保存同步序列（该序列与定位数据帧帧头中所包含的同步序列内容相同）；

判别器用于将放大器输出的波束激活信号和存储器存储的定位信号做同步相关运算，判定相关运算峰值输出对应的时刻，确定定位数据帧的起始时间；

光波束空间关联扇区表用于存贮光波束空间关联扇区表单，快速获知移动终端所处扇区的基本空间方位信息。

如附图18所示，定位控制器模块包括控制器、状态寄存器、数据寄存器和数据位移寄存器，控制器、状态寄存器、数据寄存器和数据位移寄存器依序电连接。

如附图19所示，光源驱动电路模块包括直流源和偏置器，直流源和偏置器依序电连接。

如附图17所示，可见光接入点子系统的上行链路接收模块包括接收天线3、低噪声放大器、频率下变换器和模数转换器；接收天线3接收来自移动终端子系统发射模块的射频信号，经带通滤波器获取该频段的射频信号，放大器滤掉环境干扰噪声，并将射频信号放大，经低通滤波器将携带标识信息的电信号加载到数模转换器。

如附图21所示，移动终端子系统的上行链路发射模块（即发射模块）包括数模转换模块、频率上变换器、功率放大器和发射天线。数模转换模块将接收到的数字信号变为模拟信号传输至频率上变换器，经功率放大器放大后加载至发射天线，发送射频信号给可见光接入点子系统的接收模块。

本发明利用提供多方位光波束的LED照明设施1指向不同空间方位的可见光波束来构造可见光无线接入点，进而基于该多波束可见光无线接入点来进行移动终端的方位扫描、测量及估计，通过结合传统全向朗伯光波束获得的移动终端方位半径信息，进一步获得移动终端小尺寸粗定位区域。最终，借助与可见光无线接入点关联的位置指纹数据库，将粗定位区域内位置指纹与移动终端实测的对应于主要波束的信号强度进行匹配度筛选，将匹配度最高的位置指纹所对应的候选空间位置作为优化后的移动终端定位位置。

不同于传统基于分布式多光源配置的可见光定位方案，本发明所述面向单接入点可见光组合方位波束定位方法能够将所必需的位置参考光源的数目显著降低。一般来说，从常见的3组光源（要求光源间的空间位置充分分离）降低到仅需要1组光源（即一组提供多方位光波束的LED照明设施1），从可见光定位角度来表述就是单一的可见光接入点。

本发明所述面向单接入点可见光组合方位波束定位方法能够适用于多种复杂场景，客观上突破了现有可见光定位方案的技术范式，具备众多显著的技术优势，主要包括：（1）定位表现延展性强，在所提出的组合方位波束定位方案基础上，结合现有成熟的指纹定位方案进行移动终端所处扇区局部指纹位置信息的匹配计算操作，从而以适中甚至较小的匹配计算代价，最终快速匹配筛选出更为精细的终端位置信息；（2）场景适应性较强，能够适用于仅有单组光源且同时需要借助可见光信号提供高精度定位的场景；（3）造价预算较低，能够适用于实现可见光定位成本造价敏感的场景；（4）场景友好度较高，能够适用于接入点所在位置业主或物业协调沟通困难，增设光源基础设施难以达成的场景；（5）能源使用效率较高，能够适用于能耗限定严格、难以支持长时间点亮多组光源的场景；（6）可见光发射器站址布放灵活度高，能够适用于房间天花板尺寸较小或候选安装多组光源位置受限的场景；（7）光源利旧潜力较高，能够适用于部分光源老化甚至故障，无法继续正常发出定位信号的场景；（8）不依赖多光源协作，能够适用于光源间协作、同步难度大甚至无法协作、同步，进而难以支持传统多灯定位算法有效运行的场景；（9）用户定制性较突出，能够适用于用户对单灯定位有特殊定制需求的场景。

本发明所述面向单接入点可见光组合方位波束定位方法综合考虑可见光定位技术的发展桎梏与商用化需求而提出，能够应用于多样化实际场景，特别是可用于LED光源基础受限，甚至是单光源（也可表述为单接入点）的应用场景下，依旧能为移动终端提供可靠、有效、实用的可见光定位技术方案。

以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (6)

1.一种面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，可见光接入点子系统中的定位控制器模块周期性构造时分波束激活信号，所述波束激活信号承载定位数据帧结构，每个定位数据帧结构包括帧头和载荷，帧头内部包含用于与移动终端子系统同步的同步序列，载荷内部包含与各个方位波束及全向波束关联的方位波束激活状态信息，每个定位数据帧结构中仅有待激活光波束的关联承载空间，所述关联承载空间包含激活光波束关联的光波束标识，可见光接入点子系统发送定位数据帧；

步骤2，可见光接入点子系统中的定位数据帧的帧头加载到提供多方位光波束的LED照明设施的全部LED光源，提供多方位光波束的LED照明设施为应用场景的唯一可见光光源；

步骤3，可见光接入点子系统将定位数据帧的各部分内部载荷加载到提供多方位光波束的LED照明设施的各个方位LED光源，各个LED光源被可见光接入点子系统的光源驱动模块驱动点亮并加载对应的波束激活状态承载信息，随着各个定位数据帧将其内部载荷连续且并行地加载至全部光波束的光源驱动模块输入端口，全部方位波束及全向波束依次地发送各自的光波束标识；

步骤4，移动终端子系统接收可见光信号的光波束标识；

步骤5，移动终端子系统测量光波束标识的净荷信号强度并捕获最强光波束标识信息；

步骤6，移动终端子系统查找光波束空间关联扇区表单，获知移动终端所处光波束空间扇区的基本空间方位信息；

步骤7，所述LED照明设施法向方向的全向高功率LED光源或LED光源子阵列发出全向可见光定位辅助信号，移动终端子系统捕获该全向定位辅助光信号并测算信号强度；

步骤8，根据测算的信号强度获得LED照明设施与移动终端的径向距离；

步骤9，移动终端子系统根据所获得的移动终端的基本空间方位信息、径向距离确定移动终端的基本空间位置。

2.根据权利要求1所述的面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于按照下述方法获得移动终端的精准空间位置：移动终端子系统捕获最强的N _最强波束个方位波束强度值；然后通过可见光接入点子系统中的位置指纹匹配模块调取指纹数据库中存储的分别与N _最强波束个方位波束关联的二维空间位置指纹记录；在N _最强波束个指纹记录中，对移动终端基本空间位置附近进行位置指纹匹配的随机性迭代优化搜索；可见光接入点子系统将所述N _最强波束个方位波束发送至移动终端；移动终端子系统将移动终端的基本空间位置信息替换为经过指纹匹配随机性迭代运算得到的位置信息，以获得移动终端的精准空间位置。

3.根据权利要求1或2所述的面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于随机性迭代优化搜索包括：（1）将N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统反馈的N _最强波束个方位波束强度值之间的偏差做均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—候选位置}；（2）将移动终端子系统反馈的移动终端基本空间位置在N _最强波束个指纹记录中的信号强度与移动终端子系统反馈的N _最强波束个方位波束强度值的偏差也进行均方运算，获得两者之间的均方根误差RMS _{误差—当前位置}；（3）若RMS _{误差—候选位置}<RMS _{误差—当前位置}，则将当前位置替换为候选位置；如果RMS _{误差—候选位置}≥RMS _{误差—当前位置}，则保留当前位置不做更新并进入下一轮迭代，直至达到随机性迭代优化搜索的终止条件。

4.根据权利要求3所述的面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于终止条件为下述条件之一：（1）迭代次数达到预设的最大值；（2）RMS _{误差—当前位置}小于预设的偏差门限值；（3）随机性迭代优化搜索的耗时超过了预设的耗时门限值。

5.根据权利要求1或2或4所述的面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于提供多方位光波束的LED照明设施的光波束发射灯罩的空间构造呈半球状或椭球状或上部锥形下部圆柱状。

6.根据权利要求3所述的面向单接入点可见光组合方位波束定位方法，其特征在于提供多方位光波束的LED照明设施的光波束发射灯罩的空间构造呈半球状或椭球状或上部锥形下部圆柱状。

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