CN113900063A - 一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法 - Google Patents

一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法 Download PDF

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CN113900063A CN202111092479.2A CN202111092479A CN113900063A CN 113900063 A CN113900063 A CN 113900063A CN 202111092479 A CN202111092479 A CN 202111092479A CN 113900063 A CN113900063 A CN 113900063A
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罗倩倩
李智
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Abstract

本发明公开了一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法，所述通信系统包括微基站和用户接收机；所述微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。本发明可有效解决光通信的点到面或立体空间的辐射通信质量差、误码率高的瓶颈问题。

Description

一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域，具体涉及一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法。
背景技术
可见光通信(Visible Light Communication，VLC)由于具有频谱无须授权、高安全保密性、400～800THz的超宽频谱和无电磁辐射等优点，被业界认为是无线个人局域网(Wireless Personal AreaNetwork,WPAN)通讯技术的一个替代技术，有望在下一代6G、7G甚至8G通信场景中得到广泛的应用。目前，VLC的发射器件主要采用发光二极管(LightEmittedDiode，LED)、激光二极管(LaserDiode，LD)和最新研发的超辐射二极管(SLD)，接收器件通常采用光电二极管(PIN)、雪崩二极管(APD)和图像传感器等。
通常，LED采用自发辐射模式，发出的光为非相干光，光谱宽，发射方向为全向发射，总输出功率可以较高，然而由于发射角度大，因此光功率密度低。LD采用放大受激辐射模式，发出的光为相干光，光谱窄，发射方向指向性强，输出功率可以较高，光功率密度高。目前，实验验证的VLC系统的主要结构仍然为点对点通信，如果采用LED，则需要在LED前端加装一个聚光透镜，用来形成平行光束，同时在接收端加装一个凸透镜，使光汇聚在光电检测器(Photo Detector，PD)的表面上。这样做的好处是有效提高了LED的光功率密度，使得接收机的信噪比大大提升，从而大大降低通信的误码率，进而提高通信质量。
然而，这种点对点VLC系统如果应用在实际的WPAN场景中会面临一些瓶颈性问题。通常，在WPAN场景中，一个微基站会同时为多个用户服务，因此要求如同WiFi一样，能够实现一个点到面、甚至点到立体空间的全向辐射通信，而VLC微基站如果采用LED，虽然也能够实现点对面的覆盖，但是LED辐射功率密度低，导致PD接收到的信号微弱，信噪比低，影响通信质量。此时为了提高通信质量，我们只能增加LED的辐射光功率，但是这会直接导致基站的耗能过大，同时照明过亮，用户体验差。如果VLC微基站采用LD，由于其方向性强，我们可以采用毫瓦级的LD实施点对点通信，可有效节省能耗。但是问题在于，如何与地面上的随机位置用户建立实时的点对点通信链路是一瓶颈问题。
如公开号为CN113162688A的中国专利公开了一种可见光双向通信与定位系统，包括第一通信节点和第二通信节点，第一通信节点包括定位光源、第一通信光源、PIN/APD探测器模组以及驱动第一通信光源和PIN/APD探测器模组转动的第一驱动装置组件；第二通信节点包括复合接收机、第二通信光源和驱动第二通信光源转动的第二驱动装置；复合接收机用于接收定位光源和第一通信光源的信号，复合接收机包括多个探测器；PIN/APD探测器模组用于接收第二通信光源的信号。系统通过两个通信节点能够实现可见光波段内两个通信节点同时上传和下载数据，并能够实现定位跟踪功能，以实现两个通信节点即使发生相对运动也能保持第一通信光源与复合接收机以及第二通信光源与PIN/APD探测器模组的对准，保证通信质量。该专利能够实时定位跟踪节点的位置信息，实现两个通信节点的实时对准，保证了可见光通信的可靠性和稳定性。
然而，该专利虽然能够实现点对点的通信，且能够实现定位跟踪功能，但其实现定位的原理与本申请存在较大差别。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的VLC微基站与随机位置上的多个用户的点对点通信链路连接问题，提供一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法，该系统能够同时为多个用户提供宽带传输服务，相互干扰小，具有较好的应用价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，包括VLC微基站和用户接收机；所述VLC微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接，从而实现主从设备的双向通信，其中可见光定位器为主设备，自动跟踪光通信装置为从设备；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；所述用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器根据用户的3D位置坐标和身份标识，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。
具体地，所述可见光定位器包括安装座、散热器和正N棱台，N≥3，且N∈Z+；所述正N棱台通过散热器安装在安装座上，所述安装座安装在安装板的底面中部；所述安装座内设有控制模块、LED驱动调制模块和红外接收模块，所述LED驱动调制模块、红外接收模块分别与控制模块连接；所述散热器的周围设有若干个第一红外接收管，所述第一红外接收管与红外接收模块连接；所述正N棱台的N+1个面上均设有线路基板，每个所述线路基板上均设有一个LED灯，所述LED灯通过线路基板与LED驱动调制模块连接；所述第一红外接收管用于接收用户发送的3D位置坐标信息；所述LED驱动调制模块用于驱动不同朝向的LED灯发出不同频率的频移键控开关信号；所述控制模块用于处理接收到的红外信号以及生成LED驱动信号。
具体地，所述自动跟踪光通信装置包括底座，所述底座上安装有依次连接的水平旋转伺服机构、俯仰旋转伺服机构和光束投射器；所述底座内设有数据处理单元、驱动单元和通信信号处理单元，所述驱动单元、通信信号处理单元分别与数据处理单元连接；所述通信信号处理单元引出有以太网端口和光纤端口；所述以太网端口连接到室内的光纤猫上，或者光纤端口连接室内光纤；这两个网络端口连接公网或移动通信网。所述光束投射器的输出端设有光发射器件和第二红外接收管，所述光发射器件、第二红外接收管分别与数据处理单元连接；所述光发射器件用于下行链路宽带数据的发送，所述第二红外接收管用于上行链路宽带数据的接收；所述驱动单元用于驱动水平旋转伺服机构和俯仰旋转伺服机构调整光束投射器的水平方向和俯仰角度；所述数据处理单元用于处理可见光定位器发送的数据，并生成目标追踪信号给驱动单元。
具体地，所述用户接收机包括信号处理模块、与所述信号处理模块连接的光电二极管、红外发射管和测距探头；所述光电二极管用于接收可见光定位器和自动跟踪光通信装置发射的光信号；所述红外发射管用于向可见光定位器和自动跟踪光通信装置发送红外信号；所述测距探头用于测量自身的高度数据；所述信号处理模块用于处理、接收信号，并产生调制信号。
与上述光通信系统对应的，本发明还提出了一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，包括以下步骤：
S1，可见光定位器朝其覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态标识数据；
S2，用户接收机接收到VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态标识数据后，根据所述当前工作状态标识数据，选用未被占用的频率资源作为载波，向可见光定位器上传用户的3D位置坐标和身份标识；
S3，可见光定位器接收到所述3D位置坐标和身份标识后，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路，并将用户的3D位置坐标和身份标识通过串行总线传输给对应的自动跟踪光通信装置；
S4，所述自动跟踪光通信装置根据用户的3D位置坐标，调整自身光束投射器的水平方向和俯仰角，使所述光束投射器对准用户接收机，并向用户接收机发送信道估计信号；
S5，用户接收机接收到所述信道估计信号后，评估该信道是否达到宽带通信要求，若达到，则开始进行宽带数据传输；若未达到，则进行重检。
具体地，步骤S3中，所述可见光定位器首先获取所有空闲自动跟踪光通信装置的3D位置坐标，再从中选取离用户3D位置坐标最近的自动跟踪光通信装置；建立通信链路后，分析该通信链路是否与其它正在工作的通信链路重叠，若重叠，则选择临近的自动跟踪光通信装置与用户接收机重新建立通信链路，直到重新建立的通信链路与其它正在工作的通信链路不重叠。
进一步地，如果在空闲自动跟踪光通信装置中找不到合适的通信链路，可通过分析调度，将已工作的通信链路迁移至不造成光束重叠的空闲自动跟踪光通信装置上，让出空间通信链路给新接入用户，最大限度地保证各通信链路不重叠。
具体地，所述用户接收机内安装有惯性传感器，若用户接收机有大幅度晃动，且晃动值超过设定阈值，则用户接收机会重新估算自身的3D位置坐标，并将新的3D位置坐标上传可见光定位器，可见光定位器再将该新的3D位置坐标传输给自动跟踪光通信装置，自动跟踪光通信装置根据该新的3D位置坐标实时校正光束投射器的水平方向和俯仰角，使光束投射器的投射方向始终对准用户接收机。
具体地，获取用户的3D位置坐标，首先要定义以下参数：
由于N+1个不同朝向的LED灯的位置相距若干毫米，很接近，因此近似假定N+1个LED灯的3D坐标位置相同，LED灯的3D坐标向量统一定义为：
S＝[xL,yL,zL]T
第i颗LED灯的立体3D单位法向量定义为：
Figure BDA0003267879160000041
接收机用户设备(User Equipment，UE)上的PD(光电检测器)的3D坐标向量定义为：
U＝[xU,yU,zU]T
PD(光电检测器)的单位法向量定义为：nU
从LED灯位置到UE位置的3D方向向量为：
d＝U-S＝[xU-xL,yU-yL,zU-zL]T
LED灯到UE之间的距离为：d＝||d||2
第i颗LED相对于UE之间的辐射角定义为φi，则有：
Figure BDA0003267879160000051
UE相对于第i颗LED的入射角定义为
Figure BDA0003267879160000052
则有：
Figure BDA0003267879160000053
第i颗LED灯芯的光信号经过可视传播到达UE的光强可表示为：
Figure BDA0003267879160000054
其中βU为PD的响应系数，PL为LED的辐射光功率，n为朗伯辐射波瓣模数(代表光源的方向性)，m为PD的阶数，AU为PD的接收面积，Fi为指示函数，当该函数在
Figure BDA0003267879160000055
时取值为1，其它情况时取值为0，其中
Figure BDA0003267879160000056
表示PD的视场角；
令
Figure BDA0003267879160000057
则有：
Figure BDA0003267879160000058
将接受到的来自不同LED的光强两两相除，得到接收强度比例值αi,j，根据式(2)可写为：
Figure BDA0003267879160000059
进一步地，令xD＝xL-xU,yD＝yL-yU,zD＝zL-zU，UD＝[xD,yD,zD]可视为UE相对于可见光定位器的相对3D坐标，则式(3)可写为：
Figure BDA00032678791600000510
式(4)进一步可写成一齐次线性方程组AX＝0的形式，其中
Figure BDA0003267879160000061
Figure BDA0003267879160000062
根据以上定义，本发明提出一种快速估计用户接收机3D位置坐标的方法，步骤如下:
第一步，计算出正交矩阵B＝ATA的特征值和特征向量，其中B为3×3矩阵；
第二步，对特征值按由小到大进行排序，获取最小特征值对应的特征向量，该特征向量为可见光定位器到UE的3D归一化相对坐标最优解，表示为
Figure BDA0003267879160000063
第三步，接收机使用测距探头和惯性传感器获取UE到天花板或地板的距离，进一步得到UE到可见光定位器的垂直距离hD；
第四步，通过公式
Figure BDA0003267879160000064
估算出UE的三维坐标U，其中[xL,yL,zL]为可见光定位器的3D坐标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将一个可见光定位器与多个自动跟踪光通信装置通过串行总线连接，根据用户的实际3D位置坐标为用户匹配最合适的自动跟踪光通信装置，可有效解决光通信的点到面或立体空间的辐射通信质量差、误码率高的瓶颈问题；(2)本发明每个自动跟踪光通信装置与用户设备之间仍是采用点对点通信，大大节省了发射设备的功率能耗；(3)本发明各个通信链路之间采用了空间上的光束隔离，不同用户之间的信息传输干扰小，进一步提升了通信质量。
附图说明
图1为本发明实施例中一种可见光定位辅助的多用户光通信系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中可见光定位器的倒置主视图。
图3为本发明实施例中可见光定位器的侧视图。
图4为本发明实施例中自动跟踪光通信装置的结构示意图。
图5为本发明实施例中可见光定位器的平面简化示意图。
图6为本发明实施例中光通信系统的应用场景配置图。
图7为本发明实施例中定位误差性能仿真三维分布示意图。
图中：100、安装板；200、可见光定位器；201、安装座；202、散热器；203、正四棱台；204、控制模块；205、LED驱动调制模块；206、红外接收模块；207、第一红外接收管；208、线路基板；209、LED灯；300、自动跟踪光通信装置；301、底座；302、水平旋转伺服机构；303、俯仰旋转伺服机构；304、光束投射器；305、数据处理单元；306、驱动单元；307、通信信号处理单元；308、光发射器件；309、第二红外接收管；400、用户接收机；401、光电二极管；402、红外发射管；403、测距探头；500、用户终端。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，包括VLC微基站和用户接收机400；所述VLC微基站包括安装板100，所述安装板100的底面中部设有可见光定位器200，所述安装板100的底面围绕可见光定位器200等间隔设有8个自动跟踪光通信装置300；所述可见光定位器200通过串行总线与8个自动跟踪光通信装置300连接，从而实现主从设备的双向通信，其中可见光定位器200为主设备，自动跟踪光通信装置300为从设备；所述可见光定位器200向覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置300的当前工作状态数据；所述用户接收机400向可见光定位器200发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器200根据用户的3D位置坐标和身份标识，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置300与用户接收机400建立通信链路。
具体地，如图2、3所示，所述可见光定位器200包括安装座201、散热器202和正四棱台203金属块；所述正四棱台203通过散热器202安装在安装座201上，所述安装座201安装在安装板100的底面中部；所述安装座201内设有控制模块204、LED驱动调制模块205和红外接收模块206，所述LED驱动调制模块205、红外接收模块206分别与控制模块204连接；所述散热器202的周围设有4个第一红外接收管207，所述第一红外接收管207与红外接收模块206连接；所述正四棱台203的5个面上均设有线路基板208(铝或铜)，每个所述线路基板208上均设有一个标准朗伯辐射LED灯209，5个所述LED灯209分别焊接在5个线路基板208上；所述LED灯209通过线路基板208与LED驱动调制模块205连接；所述第一红外接收管207的高度略高于LED灯209，避免LED灯209发出的信号影响第一红外接收管207接收的红外信号；所述第一红外接收管207用于接收用户发送的3D位置坐标信息；所述LED驱动调制模块205用于驱动不同朝向的LED灯209发出不同频率的频移键控开关信号；所述控制模块204用于处理接收到的红外信号、生成LED驱动信号以及进行主从设备串行总线通信。
具体地，如图4所示，所述自动跟踪光通信装置300包括底座301，所述底座301上安装有依次连接的水平旋转伺服机构302、俯仰旋转伺服机构303和光束投射器304；所述底座301内设有数据处理单元305、驱动单元306和通信信号处理单元307，所述驱动单元306、通信信号处理单元307分别与数据处理单元305连接；所述通信信号处理单元307引出有以太网端口和光纤端口；所述光束投射器304的输出端设有光发射器件308(本实施例采用窄光束LED器件)和第二红外接收管309(本实施例采用宽带红外接收管)，所述光发射器件308、第二红外接收管309分别与数据处理单元305连接；所述光发射器件308用于下行链路宽带数据的发送，所述第二红外接收管309用于上行链路宽带数据的接收；所述驱动单元306用于驱动水平旋转伺服机构302和俯仰旋转伺服机构303分别进行0～360°水平旋转和0～90°竖直旋转，以调整光束投射器304的水平方向和俯仰角度，从而能使窄光束LED器件的光束始终对准用户接收机400。所述数据处理单元305用于处理可见光定位器200发送的数据，并生成目标追踪信号给驱动单元306。
本实施例中，所述光束投射器304也可采用激光雷达中的基于微机电系统(MicroElectro Mechanical System,MEMS)的微振镜或光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)来调整光束角度，进而实现通信链路实时对准功能。
具体地，所述用户接收机400包括信号处理模块、与所述信号处理模块连接的光电二极管401(本实施例采用高速光电二极管)、红外发射管402和测距探头403；所述光电二极管401用于接收可见光定位器200和自动跟踪光通信装置300发射的光信号；所述红外发射管402用于向可见光定位器200和自动跟踪光通信装置300发送红外信号；所述测距探头403用于测量用户(本实施例的用户接收机400与用户终端500通过数据接口连接)终端与天花板或地面的垂直距离，如果用户终端500是倾斜的，可通过用户终端500内的惯性传感器测量倾斜角度，然后修正垂直距离；所述信号处理模块用于处理、接收信号，并产生调制信号。
本实施例还提供了一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，包括以下步骤：
S1，可见光定位器200朝其覆盖区域循环广播VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置300的当前工作状态标识数据；所述自动跟踪光通信装置300的当前工作状态标识数据采用几个字节的比特数据表示；本实施例中，采用一个字节的8位比特“10010110”来表示8个自动跟踪光通信装置300的当前工作状态，第1位“0”表示第1号自动跟踪光通信装置300当前处于空闲状态；第2位“1”表示第2号自动跟踪光通信装置300当前处于占用状态，即表示该自动跟踪光通信装置300与UE之间的频率资源占用标识。
S2，用户接收机400接收到VLC微基站ID和自动跟踪光通信装置300的当前工作状态标识数据后，根据所述当前工作状态标识数据，选用未被占用的频率资源作为载波，向可见光定位器200上传用户的3D位置坐标和身份标识(User Identification，UID)；
S3，可见光定位器200接收到所述3D位置坐标和身份标识后，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置300与用户接收机400建立通信链路，并将用户的3D位置坐标和身份标识通过串行总线传输给对应的自动跟踪光通信装置300；
S4，所述自动跟踪光通信装置300接收到用户的3D位置坐标后，通过分析计算将其转换成俯仰角和旋转角，然后将其发送给对应的自动跟踪光通信装置300，控制水平旋转伺服机构302和俯仰旋转伺服机构303调整光束投射器304的水平方向和俯仰角，使所述光束投射器304对准用户接收机400，并向用户接收机400发送信道估计信号；
S5，用户接收机400接收到所述信道估计信号后，评估该信道是否达到宽带通信要求，若达到，则开始进行宽带数据传输；若未达到，则进行重检。
具体地，步骤S3中，所述可见光定位器200首先获取所有空闲自动跟踪光通信装置300的3D位置坐标，再从中选取离用户3D位置坐标最近的自动跟踪光通信装置300；建立通信链路后，分析该通信链路是否与其它正在工作的通信链路重叠，若重叠，则选择临近的自动跟踪光通信装置300与用户接收机400重新建立通信链路，直到重新建立的通信链路与其它正在工作的通信链路不重叠。
具体地，所述用户接收机400内安装有惯性传感器，若用户接收机400有大幅度晃动，且晃动值超过设定阈值，则用户接收机400会重新估算自身的3D位置坐标，并将新的3D位置坐标上传可见光定位器200，可见光定位器200再将该新的3D位置坐标传输给自动跟踪光通信装置300，自动跟踪光通信装置300根据该新的3D位置坐标实时校正光束投射器304的水平方向和俯仰角，使光束投射器304的投射方向始终对准用户接收机400。
具体地，如图5所示，为了获取用户的3D位置坐标，首先要定义以下参数：
由于5个不同朝向的LED灯的位置相距若干毫米，很接近，因此近似假定5个LED灯的3D坐标位置相同，LED灯的3D坐标向量统一定义为：
S＝[xL,yL,zL]T
第i颗LED灯的立体3D单位法向量定义为：
Figure BDA0003267879160000101
接收机用户设备(User Equipment，UE)上的PD(光电检测器)的3D坐标向量定义为：
U＝[xU,yU,zU]T
PD(光电检测器)的单位法向量定义为：nU
从LED灯位置到UE位置的3D方向向量为：
d＝U-S＝[xU-xL,yU-yL,zU-zL]T
LED灯到UE之间的距离为：d＝||d||2
第i颗LED相对于UE之间的辐射角定义为φi，则有：
Figure BDA0003267879160000102
UE相对于第i颗LED的入射角定义为
Figure BDA0003267879160000103
则有：
Figure BDA0003267879160000104
第i颗LED灯芯的光信号经过可视传播到达UE的光强可表示为：
Figure BDA0003267879160000105
其中βU为PD的响应系数，PL为LED的辐射光功率，n为朗伯辐射波瓣模数(代表光源的方向性)，m为PD的阶数，AU为PD的接收面积，Fi为指示函数，当该函数在
Figure BDA0003267879160000106
时取值为1，其它情况时取值为0，其中
Figure BDA0003267879160000107
表示PD的视场角；
令
Figure BDA0003267879160000108
则有：
Figure BDA0003267879160000109
将接受到的来自不同LED的光强两两相除，得到接收强度比例值αi,j，根据式(2)可写为：
Figure BDA0003267879160000111
进一步地，令xD＝xL-xU,yD＝yL-yU,zD＝zL-zU，UD＝[xD,yD,zD]可视为UE相对于可见光定位器的相对3D坐标，则式(3)可写为：
Figure BDA0003267879160000112
式(4)进一步可写成一齐次线性方程组AX＝0的形式，其中
Figure BDA0003267879160000113
Figure BDA0003267879160000114
根据以上定义，本发明提出一种快速估计用户接收机3D位置坐标的方法，步骤如下:
第一步，计算出正交矩阵B＝ATA的特征值和特征向量，其中B为3×3矩阵；
第二步，对特征值按由小到大进行排序，获取最小特征值对应的特征向量，该特征向量为可见光定位器到UE的3D归一化相对坐标最优解，表示为
Figure BDA0003267879160000115
第三步，接收机使用测距探头和惯性传感器获取UE到天花板或地板的距离，进一步得到UE到可见光定位器的垂直距离hD；
第四步，通过公式
Figure BDA0003267879160000116
估算出UE的三维坐标U，其中[xL,yL,zL]为可见光定位器的3D坐标。
本实施例以下表1参数设置为例，对本实施例提出的基于正四棱台可见光定位器的三维坐标位置方法进行分析和仿真验证。需要指出的是，本发明提出的快速估算三维坐标方法，也适用于基于其它正N棱台的可见光定位器。
表1仿真使用参数
参数 值
房间大小(长*宽*高)[l<sub>R</sub>,w<sub>R</sub>,h<sub>R</sub>] 10m×10m×5m
可见光定位器灯芯数，N 5
LED光功率，P<sub>L</sub> 3W
LED半功率角，θ<sub>1/2</sub> 60度
LED朗伯辐射波瓣模数，n 1
PD接收面积，A<sub>U</sub> 1cm<sup>2</sup>
PD光电转换效率，β<sub>U</sub> 0.4A/W
LED朝向角,θ 20度
可见光定位器坐标，[x<sub>L</sub>,y<sub>L</sub>,z<sub>L</sub>] [0,0,4]
UE用户接收机噪声功率，σ<sup>2</sup> 10<sup>-15</sup>A<sup>2</sup>
A/D采样频率，f<sub>s</sub> 96kHz
窗口点数，L 9600
UE离地高度，h<sub>U</sub> 1.2m
所述可见光定位器的5颗LED灯通过三极管或场效应管开关控制电路发出不同频率的频移键控开关信号，5颗LED灯的频率配置如下表2所示。
表2 LED灯频率配置
LED序号 频率(Hz)
LED0 1600
LED1 1800
LED2 2000
LED3 2200
LED4 2400
所述用户接收机的A/D采样频率设置为96kHz，采样窗口点数设置为9600，用户接收机采用戈泽尔算法提取5颗LED灯发出的光强谱幅度。在本实施例中，5颗LED灯的朝向法向量分别为：n0＝[0,0,-1]，n1＝[sinθ,0,-cosθ]，n2＝[0,sinθ,-cosθ]，n3＝[-sinθ,0,-cosθ]和n4＝[0,-sinθ,-cosθ]。VLC微基站安装在一个长宽高为10m×10m×5m的房间中间天花板上，如图6所示，用户手持UE离地板的高度设定为1.2m，此高度可通过UE内的距离探测器获得。
图7为本实施例的定位误差(LocationError,LE)性能仿真三维分布图，从图7(a)(b)中可观察到当UE终端的PD平放时，即α＝0°时，不管UE方位角β如何变化，本实施例中的定位算法的平均定位误差(LocationError,LE)在3.66厘米左右，而最大LE在12.7厘米左右。从图7(c)(d)中可观察到当UE终端的PD向上倾斜20度时，即α＝20°时，不管UE方位角β如何变化，系统所提定位算法的平均定位误差(LocationError,LE)在3.75厘米左右，而最大LE在16.6厘米左右，相较PD平方，倾斜20度的定位性能稍微下降，但变化不大。从图7(e)(f)中可观察到当UE终端的PD向上倾斜40度时，即α＝40°时，UE在大部分区域内的LE均在5厘米以内，而在某一些边缘区域，其LE迅速恶化，定位误差极大。出现该现象的原因为，当UE倾斜角度过大后，会导致在某一些方位角和位置上出现接收不到某一颗或两颗LED发射的光信号，从而引发不能正常的提取谱幅度，谱幅度失真大或极微弱，最终导致LE极大。解决这种现象的方法，可以进一步考虑剔除这些异常谱幅度，让其不参与定位算法处理。进一步地，从图7(g)(h)中可观察到当UE终端的PD向下倾斜30度时，所得到的平均LE在3.94厘米左右，而在某一些边缘区域，其LE误差较大，但不超过60厘米。
图7仿真结果表明所提的可见光定位结构和算法能够支持UE终端的小角度倾斜和方位角随机调整，当倾斜角(极化角)β∈[-20°，20°]时，平均定位误差在4厘米左右，能够有效的满足所提系统的功能需求。而当UE的倾斜角过大时，仍然有很大一部分区域能够满足功能需求，而在某一些位置，可通过进一步优化，来缓解LE的急剧恶化。
本须域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施列的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每--流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，包括微基站和用户接收机；所述微基站包括安装板，所述安装板的底面中部设有可见光定位器，所述安装板的底面围绕可见光定位器设有若干个自动跟踪光通信装置；所述可见光定位器通过串行总线与多个自动跟踪光通信装置连接；所述可见光定位器向覆盖区域循环广播微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态数据；所述用户接收机向可见光定位器发送自身3D位置坐标和用户身份标识；所述可见光定位器根据用户的3D位置坐标和身份标识，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路。
2.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述可见光定位器包括安装座、散热器和正N棱台，N≥3，且N∈Z+；所述正N棱台通过散热器安装在安装座上，所述安装座安装在安装板的底面中部；所述安装座内设有控制模块、LED驱动调制模块和红外接收模块，所述LED驱动调制模块、红外接收模块分别与控制模块连接；所述散热器的周围设有若干个第一红外接收管，所述第一红外接收管与红外接收模块连接；所述正N棱台的N+1个面上均设有线路基板，每个所述线路基板上均设有一个LED灯，所述LED灯通过线路基板与LED驱动调制模块连接；所述第一红外接收管用于接收用户发送的3D位置坐标信息；所述LED驱动调制模块用于驱动LED灯发出不同频率的频移键控开关信号；所述控制模块用于处理接收到的红外信号以及生成LED驱动信号。
3.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述自动跟踪光通信装置包括底座，所述底座上安装有依次连接的水平旋转伺服机构、俯仰旋转伺服机构和光束投射器；所述底座内设有数据处理单元、驱动单元和通信信号处理单元，所述驱动单元、通信信号处理单元分别与数据处理单元连接；所述光束投射器的输出端设有光发射器件和第二红外接收管，所述光发射器件、第二红外接收管分别与数据处理单元连接；所述光发射器件用于下行链路宽带数据的发送，所述第二红外接收管用于上行链路宽带数据的接收；所述驱动单元用于驱动水平旋转伺服机构和俯仰旋转伺服机构调整光束投射器的水平方向和俯仰角度；所述数据处理单元用于处理可见光定位器发送的数据，并生成目标追踪信号给驱动单元。
4.根据权利要求1所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，所述用户接收机包括信号处理模块、与所述信号处理模块连接的光电二极管、红外发射管和测距探头；所述光电二极管用于接收可见光定位器和自动跟踪光通信装置发射的光信号；所述红外发射管用于向可见光定位器和自动跟踪光通信装置发送红外信号；所述测距探头用于测量自身的高度数据；所述信号处理模块用于处理、接收信号，并产生调制信号。
5.一种快速估算用户接收机3D位置坐标的方法，基于权利要求2所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，计算出正交矩阵B＝ATA；其中：
Figure FDA0003267879150000021
αi,j表示来自第i颗LED与第j颗LED灯的光强比例值，即
Figure FDA0003267879150000022
其中Ii和Ij表示第i颗LED灯与第j颗LED灯的光强；
Figure FDA0003267879150000023
和
Figure FDA0003267879150000024
分别表示第i颗LED灯沿x轴、沿y轴和沿z轴的单位法向量，n表示LED灯的朗伯辐射波瓣模数；正交矩阵B为3×3矩阵；
第二步，计算正交矩阵B的特征值和特征向量；
第三步，对特征值按由小到大的顺序进行排序，获取最小特征值对应的特征向量，该特征向量表示可见光定位器到用户接收机的3D归一化相对坐标最优解，表示为
Figure FDA0003267879150000025
第四步，用户接收机使用测距探头和惯性传感器获取自身到天花板或地板的距离，进一步得到用户接收机到可见光定位器的垂直距离hD；
第五步，通过公式
Figure FDA0003267879150000026
估算出用户接收机的三维坐标U，其中[xL,yL,zL]为可见光定位器的3D坐标。
6.一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，基于权利要求1至5中任一项所述的可见光定位辅助的多用户光通信系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1，可见光定位器朝其覆盖区域循环广播微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态标识数据；
S2，用户接收机接收到微基站ID和自动跟踪光通信装置的当前工作状态标识数据后，根据所述当前工作状态标识数据，选用未被占用的频率资源作为载波，向可见光定位器上传用户的3D位置坐标和身份标识；
S3，可见光定位器接收到所述3D位置坐标和身份标识后，指定离用户最近且空闲的自动跟踪光通信装置与用户接收机建立通信链路，并将用户的3D位置坐标和身份标识通过串行总线传输给对应的自动跟踪光通信装置；
S4，所述自动跟踪光通信装置根据用户的3D位置坐标，调整自身光束投射器的水平方向和俯仰角，使所述光束投射器对准用户接收机，并向用户接收机发送信道估计信号；
S5，用户接收机接收到所述信道估计信号后，评估该信道是否达到宽带通信要求，若达到，则开始进行宽带数据传输；若未达到，则进行重检。
7.根据权利要求6所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，其特征在于，步骤S3中，所述可见光定位器首先获取所有空闲自动跟踪光通信装置的3D位置坐标，再从中选取离用户3D位置坐标最近的自动跟踪光通信装置；建立通信链路后，分析该通信链路是否与其它正在工作的通信链路重叠，若重叠，则选择临近的自动跟踪光通信装置与用户接收机重新建立通信链路，直到重新建立的通信链路与其它正在工作的通信链路不重叠；如果在空闲自动跟踪光通信装置中找不到合适的通信链路，可通过分析调度，将已工作的通信链路迁移至不造成光束重叠的空闲自动跟踪光通信装置上，让出空间通信链路给新接入用户，最大限度地保证各通信链路不重叠。
8.根据权利要求6所述的一种可见光定位辅助的多用户光通信方法，其特征在于，所述用户接收机内安装有惯性传感器，若用户接收机有大幅度晃动，且晃动值超过设定阈值，则用户接收机会重新估算自身的3D位置坐标，并将新的3D位置坐标上传可见光定位器，可见光定位器再将该新的3D位置坐标传输给自动跟踪光通信装置，自动跟踪光通信装置根据该新的3D位置坐标实时校正光束投射器的水平方向和俯仰角，使光束投射器的投射方向始终对准用户接收机。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115173947A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳技术大学 一种水下无线光通信系统
CN115173944A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳技术大学 一种可见光通信系统
WO2023040228A1 (zh) * 2021-09-17 2023-03-23 湖北文理学院 一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103580759B (zh) * 2013-11-14 2016-05-18 中国科学院半导体研究所 一种全自动跟踪光源的可见光通信接收装置
CN104820203A (zh) * 2015-04-08 2015-08-05 南京邮电大学 基于可转动的led发射端的室内三维定位系统及方法
CN106027149B (zh) * 2016-07-21 2018-09-18 长春光客科技有限公司 采用多个可转动置顶端的多用户可见光通信装置及方法
CN106533559A (zh) * 2016-12-23 2017-03-22 南京邮电大学 可见光非平面立体接收机、可见光接收终端及通信系统
US10250328B2 (en) * 2017-03-09 2019-04-02 General Electric Company Positioning system based on visible light communications
CN111600656A (zh) * 2020-06-24 2020-08-28 长春光客科技有限公司 具有静止置顶端自转动用户端室内无线光通信装置及方法
CN111953417B (zh) * 2020-07-24 2023-02-03 西安理工大学 室内可见光通信自动对准系统及方法
CN113900063A (zh) * 2021-09-17 2022-01-07 湖北文理学院 一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023040228A1 (zh) * 2021-09-17 2023-03-23 湖北文理学院 一种可见光定位辅助的多用户光通信系统及方法
CN115173947A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳技术大学 一种水下无线光通信系统
CN115173944A (zh) * 2022-09-08 2022-10-11 深圳技术大学 一种可见光通信系统

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