CN114374435A - 一种基于ofdm的可见光通信与定位一体化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法及系统，属于无线光通信技术领域，包括：获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位；将可见光通信和定位功能有机融合，能够同时实现可见光通信和室内精准定位，且两者不会互相影响，且有效提升了适用性。

Description

一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法及系统，属于无线光通信技术领域。

背景技术

可见光通信利用发光二极管(LED)发射的照明光线进行通信，具有通信速率高、无电磁干扰等诸多优势，是一种绿色环保的无线通信方式；基于照明的LED设备，可以实现可见光室内定位，相较传统的卫星定位，这种定位方法在室内具有更高的精准度，且无需投入大量定位基础设施，节省了定位系统的成本，呈现出广阔的应用前景。

目前，在可见光通信和定位方面，已经积累了一定的研究成果；在可见光通信方面，为了实现高速的数据通信，正交频分复用(OFDM)被广泛地采用，OFDM是一种多载波调制方式，具有频谱效率高、能够有效对抗码间干扰等诸多优势，因而备受青睐；针对可见光通信领域的IM/DD方式，已形成了多种专门的OFDM调制体制，常用的OFDM方案包括直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)、非对称限幅OFDM(ACO-OFDM)等；在基于可见光通信的室内定位方面，也取得了一定的研究进展，目前常用的可见光定位方法包括接收信号强度(RSS)算法、到达时间(TOA)算法、到达时间差(TDOA)算法、到达角度(AOA)算法等；虽然在可见光通信和定位两个方面均取得了一定的成果，但大部分研究只能实现通信或定位单一的功能，割裂了通信和定位两个功能；在现有的智能终端中，通信和定位是不可或缺的两个重要功能，因此，需要将可见光通信和定位有机地融合在一个系统中；此外，在现有的室内定位算法中，通常需要依赖于多个LED阵列实现定位，无法适用于单个LED阵列的情况，且理想地将发光二极管(LED)阵列视作点进行定位，在室内环境中，接收机距离LED的距离通常较小，因此，将LED阵列当作点进行处理会降低定位的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法及系统，将可见光通信和定位功能有机融合，能够同时实现可见光通信和室内精准定位，且两者不会互相影响，且有效提升了适用性。

为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，包括：

获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；

对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；

对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

结合第一方面，进一步的，所述光信号通过以下方法得到：

获取OFDM中子载波上的频域信号并对其进行快速傅里叶变换得到时域信号，对时域信号进行非负性处理得到非负性信号，将非负性信号乘以比例因子后输入LED阵列，得到光信号；

所述OFDM中第1个子载波上的频域信号通过以下方法得到：

Q₁＝1+j

其中，Q₁为第1个子载波上的频域信号，j为虚数单位。

结合第一方面，进一步的，所述比例因子通过以下方法得到：

其中，α是比例因子，N是OFDM中子载波的数目，P_T是目标平均光强，d_k是非负性信号。

结合第一方面，进一步的，对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号：

对接收信号进行快速傅里叶变换产生接收端的频域信号，对接收端的频域信号进行频域均衡得到均衡信号：

其中，W_i ^(m)是第m个光电检测器件对应的均衡信号，

是第m个光电检测器件对应的频域信号，

是第i个子载波上光源至第m个光电检测器件的信道增益。

结合第一方面，进一步的，根据均衡信号计算比例因子估计值：

其中，

是比例因子估计值，N_R是光电检测器件的数目，Re(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的实数部分，Im(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的虚数部分。

结合第一方面，进一步的，根据比例因子估计值计算得到子载波的判决量：

其中，p_i是子载波的判决量，N_R是光电检测器件的数目，

是比例因子估计值，W_i ^(m)是第m个光电检测器件对应的均衡信号。

结合第一方面，进一步的，对接收信号进行计算得到平均接收光强，采用M个时刻的接收信号进行平均接收光强的计算：

其中，P_m是平均接收光强，

是第m个光电检测器件的第k个时刻的接收信号。

结合第一方面，进一步的，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标：

通过平均接收光强分别计算出关于a_t-1，b_t-1，c_t-1的梯度值，接收机中心位置坐标的更新方法如下：

其中，第t-1次循环后接收机中心位置坐标为(a_t-1，b_t-1，c_t-1)，第t次循环后接收机中心位置坐标为(a_t，b_t，c_t)，s_t表示第t次循环的步长，当满足

时，停止循环，ε是预设坐标精度，

是关于a_t-1的梯度值，

是关于b_t-1的梯度值，

是关于c_t-1的梯度值。

第二方面，本发明还提供了一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化系统，包括：

接收信号获取模块：用于获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；

可见光通信模块：用于对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；

定位模块：用于对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法及系统，通过计算OFDM中子载波的判决量判决出发送的信号从而实现可见光通信，通过计算平均接收光强并输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标从而实现定位，将可见光通信和定位功能有机融合，能够同时实现可见光通信和室内精准定位，且两者不会互相影响；本发明中的定位功能能够基于单一的LED阵列进行定位，普遍适用于室内各种场景，有效提升了适用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法的流程图之一；

图2是本发明实施例提供的一种应用场景示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法的流程图之二；

图4是本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法在不同LED平均光强下的定位误差对比图；

图5是本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法在不同LED平均光强下的误码率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，包括以下步骤：

S1、获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号。

所述由LED阵列发出的光信号通过以下方法得到：

如图3中发送端流程所示，OFDM系统的子载波数目表示为N，发射端采用单个LED阵列传输信号，LED阵列由N_T个LED构成，OFDM的第i个子载波上的频域信号表示为Q_i，其中，i＝0，1，…，N-1，并将第1个子载波上的频域信号Q₁设置为1+j，其中，j为虚数单位，第i(i≠1)个子载波的频域信号为传输的调制符号。

对频域信号Q_i进行快速傅里叶反变换(IFFT)产生时域信号q_k，k＝0，1，…，N-1，时域信号q_k可以采用添加直流偏置、自适应偏置、削波等方式产生非负性信号，产生的非负性信号表示为d_k，k＝0，1，…，N-1，为了实现目标的平均光强P_T，非负性信号需要乘以比例因子α，α可以计算为

将信号αd_k输入LED驱动其发光。

如图3中接收端流程所示，接收端由多个光电检测器件构成，将光电检测器件的数目表示为N_R，光电检测器件将光信号转换为电信号，进一步地通过模数转换器件，生成接收信号。

S2、对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信。

如图3中接收端流程所示，将第m个光电检测器件的第k个时刻的接收信号表示为

，将接收信号进行串并转换后，对接收信号

进行快速傅里叶变换，产生频域信号

，采用频域均衡的方式，产生均衡后的信号W_i ^(m)，即

，其中，

表示第i个子载波上光源至第m个光电检测器件的信道增益。

根据W₁ ^(m)计算比例因子α的估计值

，将W₁ ^(m)的实数部分和虚数部分分别表示为Re(W₁ ^(m))和In(W₁ ^(m))，则

计算为：

Re(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的实数部分，In(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的虚数部分。

进一步地生成符号的判决量，将第i个子载波的判决量表示为p_i，p_i计算为

据此可以判决出发送的符号，从而完成可见光通信。

S3、对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

如图3中接收端流程所示，定位方法采用以下步骤：

将LED阵列中第l个LED的位置坐标表示为(x_l，y_l，z_l)，所有光电检测器件位于接收平面中，接收平面与房间的天花板平行，接收机的中心位置的坐标表示为(a，b，c)，其中，第m个光电检测器件距离接收机中心位置的距离为r_m，中心位置与光电检测器件的连线与x轴的角度为β，将第m个光电检测器件的平均接收光强表示为P_m，首先计算光电检测器件的平均接收光强P_m，m＝1，2，…，N_R。

采用M个时刻的接收信号

进行平均光强的计算，其中M为N的倍数，平均接收光强P_m通过下式计算为：

定义预设坐标精度ε，设置接收机中心位置坐标的初值为(a₀，b₀，c₀)。

通过平均接收光强分别计算出关于a_t-1，b_t-1，c_t-1的梯度值，执行循环，在第t次循环中，接收机中心位置的坐标表示为(a_t，b_t，c_t)，采用下式更新(a_t，b_t，c_t)的取值：

其中，第t-1次循环后接收机中心位置坐标为(a_t-1，b_t-1，c_t-1)，第t次循环后接收机中心位置坐标为(a_t，b_t，c_t)，s_t表示第t次循环的步长，当满足

时，停止循环，ε是预设坐标精度，

是关于a_t-1的梯度值，

是关于b_t-1的梯度值，

是关于c_t-1的梯度值。

其中，

通过以下方法计算得到：

其中，N_R是光电检测器件的数目，N_T是LED阵列中LED的数量，u是LED的朗伯特阶数，A为光电检测器件的接收面积，ρ为检测器的响应度，γ光学集中器的折射率，

为接收端的视场，d_lm为第l个LED到第m个光电检测器件的距离。

d_lm通过下式计算：

如果

停止循环，否则继续执行循环。

将经过的循环次数表示为G，接收机的中心位置表示为(a，b，c)，则接收机的中心位置为(a，b，c)＝(a_G，b_G，c_G)。

本发明方法应用的其中一个场景如图2所示，LED阵列位于房间的天花板，接收机位于LED阵列的下方，接收LED阵列发出的光线实现可见光通信和定位的双重功能。

图4给出了本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法在不同LED平均光强下的定位误差对比，在仿真过程中，选择了室内的两个位置，坐标分别是(1.5，1.5，1.3)和(2，2，1)，从仿真结果可以看出，定位误差随着LED平均光强的增大而降低，最终的定位误差在厘米级。

图5给出了本发明实施例提供的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法在不同LED平均光强下的误码率对比，仿真过程采用正交幅度调制(QAM)，从结果可以看出，随着平均光强的增大，误码率曲线随着平均光强的增大而逐渐降低，对于接收机位于(1.5，1.5，1.3)和(2，2，1)，LED平均光强分别大于4mW和6mW时，误码率率低于1×10^-3。

综上所述，本发明方法将可见光通信和定位有机的融合，能够同时实现OFDM传输和室内精准定位两种功能，更为重要的，两者不会相互影响；相比之下，传统方法通常只能实现通信和定位单一的功能。

本发明方法中的定位算法基于单一的LED阵列，相比传统的基于多个LED阵列的定位算法，普遍适用于室内各种场景，有效地提升了算法的适用性。

本发明方法充分地考虑了LED阵列的实际寸尺问题，相比于传统方法中将LED阵列作为点处理，有效地提升了定位的精度。

实施例2

本发明实施例提供了一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化系统，包括：

接收信号获取模块：用于获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；

可见光通信模块：用于对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；

定位模块：用于对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

本领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例的形式。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/或方框图中的每一流程和/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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，包括：

获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；

对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；

对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，所述光信号通过以下方法得到：

获取OFDM中子载波上的频域信号并对其进行快速傅里叶变换得到时域信号，对时域信号进行非负性处理得到非负性信号，将非负性信号乘以比例因子后输入LED阵列，得到光信号；

所述OFDM中第1个子载波上的频域信号通过以下方法得到：

Q₁＝1+j

其中，Q₁为第1个子载波上的频域信号，j为虚数单位。

3.根据权利要求2所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，所述比例因子通过以下方法得到：

其中，α是比例因子，N是OFDM中子载波的数目，P_T是目标平均光强，d_k是非负性信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号：

对接收信号进行快速傅里叶变换产生接收端的频域信号，对接收端的频域信号进行频域均衡得到均衡信号：

其中，W_i ^(m)是第m个光电检测器件对应的均衡信号，

是第m个光电检测器件对应的频域信号，

是第i个子载波上光源至第m个光电检测器件的信道增益。

5.根据权利要求4所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，根据均衡信号计算比例因子估计值：

其中，

是比例因子估计值，N_R是光电检测器件的数目，Re(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的实数部分，Im(W₁ ^(m))是第m个光电检测器件中第1个子载波对应的均衡信号的虚数部分。

6.根据权利要求5所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，根据比例因子估计值计算得到子载波的判决量：

其中，p_i是子载波的判决量，N_R是光电检测器件的数目，

是比例因子估计值，W_i ^(m)是第m个光电检测器件对应的均衡信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，对接收信号进行计算得到平均接收光强，采用M个时刻的接收信号进行平均接收光强的计算：

其中，P_m是平均接收光强，

是第m个光电检测器件的第k个时刻的接收信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化方法，其特征在于，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标：

通过平均接收光强分别计算出关于a_t-1，b_t-1，c_t-1的梯度值，接收机中心位置坐标的更新方法如下：

其中，第t-1次循环后接收机中心位置坐标为(a_t-1,b_t-1,c_t-1)，第t次循环后接收机中心位置坐标为(a_t,b_t,c_t)，s_t表示第t次循环的步长，当满足

时，停止循环，ε是预设坐标精度，

是关于a_t-1的梯度值，

是关于b_t-1的梯度值，

是关于c_t-1的梯度值。

9.一种基于OFDM的可见光通信与定位一体化系统，其特征在于，包括：

接收信号获取模块：用于获取由LED阵列发出的光信号转换来的接收信号；

可见光通信模块：用于对接收信号进行快速傅里叶变换和频域均衡得到均衡信号，根据均衡信号计算比例因子估计值，根据比例因子估计值计算得到OFDM中子载波的判决量从而判决出发送的信号，完成可见光通信；

定位模块：用于对接收信号进行计算得到平均接收光强，将平均接收光强输入预设的定位模型得到接收机中心位置坐标，完成定位。

Images