CN107167767A - 一种基于sc‑fdma的可见光室内高精度定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SC‑FDMA的可见光室内高精度定位方法，属于可见光定位技术领域，包括如下步骤：构建可见光室内定位系统，产生LED的ID数据，实现对ID数据调制；对ID数据进行N点离散傅立叶变换，对通过M点的离散傅立叶逆变换和插入循环前缀实现对ID数据的SC‑FDMA调制；接收光信号完成光电转换，将转换后得到的光电信号传输出去；去除循环前缀得到有效ID数据，并还原出接收到的有效ID数据；计算出定位点坐标；完成可见光室内定位。本发明提高无线通信速率和频谱利用率，实现对重叠信号的分离，克服定位误差和定位延时，避免信号在传输过程中产生非线性失真，提高了定位精度，增加了可见光定位的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种可见光室内高精度定位方法，特别是涉及一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，属于可见光定位技术领域。
背景技术
全球定位系统，又称GPS，作为一种成熟的室外定位技术，其广泛地应用于手机地图服务、汽车导航、船舶导航和飞机导航等导航领域，这很大程度上激励了室内定位技术的开发和研究，近年来，室内定位技术吸引了广大学者的关注，如大型仓库的产品定位检测、大型建筑内的导航服务等，但由于室内环境比较复杂，由于多径衰落的影响和其他无线设备的干扰使得GPS在建筑物内的信号覆盖较差，用于室内定位存在较大的误差。
近十年，各研究机构在室内定位技术方面开展了大量的研究，涌现了大量的新技术，如基于无线局域网WLAN、RFID、ZigBee、蓝牙、超带宽无线电UWB、红外定位、计算机视觉定位、超声波定位等众多室内定位技术，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精度，然而大多数基于无线通信的系统会受到电磁干扰的影响，直接影响定位质量。
与上述定位技术方案不同，可见光室内定位技术是基于可见光通信，又称VLC的室内定位技术，通过人眼识别不了的高频率来控制白光LED的光强，在保证提供正常照明的同时进行传播定位的ID信息，其具有定位精度高、附加模块少、保密性好、且没有电磁辐射、不受电磁干扰等优点，成为国内外研究人员的研究热点。
基于LED-ID的定位方法是一种简单易行的可见光室内定位方法，该方法将与位置相关的ID数据加载到不同的LED光源上，接收终端通过接收并解析ID数据实现被动定位，现如今，接收终端一般使用光电探测器接收光信号，并将检测的光信号强度转换为对应的电信号，通过这种方法来接收光信号，在接收端同时被多灯照射时，由于信号强度的混叠，无法判断接收到的比特信息，多路信号相互干扰，无法接收到正确的ID信息，而通过时隙控制的方法导致严重的定位延时、较低的频谱利用率和数据传输速率；通过成像的方法需要摄像头的辅助，十分不便；干扰消除的算法也十分麻烦。
发明内容
本发明的主要目的是为了提供一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，该方法通过利用SC-FDMA调制过程中子载波的正交性和理想的PAPR特性，每个LED的ID数据经过调制后以光的形式发送出去，接收端经过光电转换还原出SC-FDMA信号，再经过解调得到各LED的ID数据和对应强度，最终通过不同LED的ID信息和强度来实现定位。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，包括如下步骤：
步骤S1：构建可见光室内高精度定位系统，产生白光LED模块的ID数据，实现对ID数据的调制；
步骤S2：对ID数据进行N点离散傅立叶变换，对通过M点的离散傅立叶逆变换和插入循环前缀实现对ID数据的SC-FDMA调制，将ID数据以光信号的形式发送出去；
步骤S3：接收光信号完成光电转换，将转换后得到的光电信号传输出去；
步骤S4：去除循环前缀得到有效ID数据，并还原出接收到的有效ID数据；
步骤S5：利用接收到的有效ID数据和对应的信号强度，计算出定位点坐标；
步骤S6：完成基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位。
进一步的，步骤S1中，可见光室内高精度定位系统包括多个LED发射机、一个定位接收机和一个定位服务器，LED发射机包括发射端处理器、D/A模块和光发射模块，定位接收机包括光电转换模块、A/D模块和接收端处理器。
进一步的，步骤S1中，光发射模块由LED驱动电路和白光LED模块组成，光电转换模块由光电探测器和放大电路组成，发射端处理器用于产生白光LED模块的ID数据和实现对ID数据的调制，接收端处理器用于完成对接收信号的解调，及完成对接收信号强度的计算，定位服务器利用得到的ID数据和对影强度实现定位。
进一步的，步骤S2中，发射端处理器对ID数据进行N点离散傅立叶变换，经过子载波映射将ID数据分配到相应的N个子载波上，未分配数据的M-N个子载波分配空数据，然后通过M点的离散傅立叶逆变换和插入循环前缀实现对ID数据的SC-FDMA调制，并经过D/A模块转换为模拟信号，最后通过光发射模块将ID数据以光信号的形式发送出去。
进一步的，步骤S2中，光发射模块用于实现对模拟信号的传输，经过A/D模块转换得到的模拟信号变化速率大于人眼识别高频，用于保证信号幅度位于光发射模块的线性区间，确保信号无失真传输。
进一步的，步骤S3中，光电转换模块接收光信号，并完成光电转换，经放大和A/D模块转换后，将采样得到的光信号传输至接收端处理器。
进一步的，步骤S4中，接收端处理器去除循环前缀得到有效ID数据，对有效ID数据进行M点的离散傅立叶变换，得到M个子载波，通过子载波逆映射分离出对应ID数据的N个子载波，并得到相应载波的强度，再对存在有效信号强度的N个子载波进行N点的离散傅立叶逆变换，最终还原出接收到的有效ID数据；得到的相应载波强度与白光LED模块到达光电探测器的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大小。
进一步的，步骤S5中，定位服务器通过接收到的有效ID数据和对应的信号强度，采用接收信号强度测量法计算出定位点坐标，接收信号强度测量法是根据朗伯辐射体模型，得到白光LED模块与光电探测器之间的距离d1、光电探测器接收光强度P之间存在式(1)的关系如下，即：
其中，d1为编号为1的白光LED模块与光电探测器之间的距离；
为白光LED模块的半功率角，
P0为白光LED模块的发光功率；
P为光电探测器接收的光强度；
A为光电探测器的有效面积；
h1为光电探测器距离该白光LED模块的竖直距离。
进一步的，步骤S5中，利用得到的白光LED模块与光电探测器之间的距离信息，结合相应白光LED模块的位置信息，当接收到三个白光LED模块的ID数据时，利用三边定位算法求解得到光电探测器位置坐标；当接收到三个以上白光LED模块的ID数据时，将排列组合法和三边定位算法结合得到多组位置坐标，最终将得到的位置坐标取平均坐标作为光电探测器的最终坐标。
进一步的，步骤S5中，三边定位算法包括以下步骤：以各个白光LED模块在水平面上的投影中心为圆心，以光电探测器到各白光LED模块在光电探测器所在平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的位置或公共区域即为探测器坐标；排列组合法包括以下步骤：以每三个不在同一条直线上的白光LED模块为一组进行组合。
本发明的有益技术效果：按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，本发明提供的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，将SC-FDMA调制解调技术应用于可见光系统中，在不增加成本的前提下大大地提高了无线通信速率和频谱利用率；利用调制过程中子载波之间的正交特性，实现了对重叠信号的分离，克服了光信号之间的干扰带来的定位误差和严重的定位延时；利用SC-FDMA技术的理想PAPR特性，有效避免信号在传输过程中产生非线性失真而带来的严重定位误差；将SC-FDMA技术与三边定位法相结合，不仅提高了定位精度，而且不需要同步发送，大大增加了可见光定位系统的稳定性。
附图说明
图1为按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法的一优选实施例的方法流程图；
图2为按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位系统的一优选实施例的可见光通信调制解调原理框图，该实施例可以是与图1相同的实施例，也可以是与图1不同的实施例；
图3为按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法的一优选实施例的可见光室内高精度定位系统的原理框图，该实施例可以是与图1或图2相同的实施例，也可以是与图1或图2不同的实施例；
图4为按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法的一优选实施例的三边定位算法原理示意图，该实施例可以是与图1或图2或图3相同的实施例，也可以是与图1或图2或图3不同的实施例；
图5为按照本发明的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法的一优选实施例的定位系统框图，该实施例可以是与图1或图2或图3或图4相同的实施例，也可以是与图1或图2或图3或图4不同的实施例。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例提供的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，包括如下步骤：
步骤S1：构建可见光室内高精度定位系统：该系统包括多个LED发射机、一个定位接收机和定位服务器，所述LED发射机包括发射端处理器、D/A模块和光发射模块，其中发射端处理器主要产生白光LED模块的ID数据和实现对ID数据的调制，光发射模块由LED驱动电路和白光LED模块组成，所述定位接收机包括光电转换模块、A/D模块和接收端处理器，其中光电转换模块由光电探测器、放大电路组成，接收端处理器主要完成对接收信号的解调和强度的计算，定位服务器主要利用得到的ID数据和对影强度实现定位；
步骤S2：发射端处理器对ID数据进行N点离散傅立叶变换，即DFT，经过子载波映射将ID数据分配到相应的N个子载波上，未分配数据的M-N个子载波分配空数据，然后通过M点的离散傅立叶逆变换即IDFT和插入循环前缀实现对ID数据的SC-FDMA调制，接着经过D/A模块转换为模拟信号，最后通过光发射模块将ID数据以光信号的形式发送出去，光发射模块可实现对模拟信号的传输；经过A/D模块转换得到的模拟信号变化速率必须满足人眼识别不了的高频，保证正常的照明，且保证信号幅度位于光发射模块的线性区间，确保信号的无失真传输；
步骤S3：光电转换模块接收光信号完成光电转换，经放大和A/D模块转换后，将采样得到的信号传输至接收端处理器；
步骤S4：接收端处理器去除循环前缀得到有效ID数据，对有效ID数据进行M点的离散傅立叶变换即DFT得到M个子载波，通过子载波逆映射分离出对应ID数据的N个子载波并得到相应载波的强度，然后对存在有效信号强度的N个子载波进行N点的离散傅立叶逆变换即IDFT，最终还原出接收到的有效ID数据，得到相应载波的强度与白光LED模块到达光电探测器的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大小；
步骤S5中，定位服务器通过接收到的有效ID数据和对应的信号强度，采用接收信号强度测量法计算出定位点坐标，接收信号强度测量法是根据朗伯辐射体模型，得到白光LED模块与光电探测器之间的距离d1、光电探测器接收光强度P之间存在式(1)的关系如下，即：
其中，d1为编号为1的白光LED模块与光电探测器之间的距离；
为白光LED模块的半功率角，
P0为该白光LED模块的发光功率；
P为光电探测器接收的光强度；
A为光电探测器的有效面积；
h1为光电探测器距离该白光LED模块的竖直距离；
由几何关系可知：
求得光电探测器距离编号为1的白光LED模块在光电探测器所在平面投影中心的距离，同理，可以求得其他各LED的d2(x,y)、d3(x,y)、d4(x,y)......；
利用步骤S5得到的距离信息，并结合相应白光LED模块的位置信息，当接收到三个白光LED模块的ID数据时，利用三边定位算法来求解探测器位置坐标；当接收到三个以上白光LED模块的ID数据时，将排列组合的方法和三边定位算法结合得到多组位置坐标，最终将得到的位置坐标取平均作为光电探测器的最终坐标；
三边定位算法包括以下步骤：以各个白光LED模块在水平面上的投影中心为圆心，以公式(2)求得的光电探测器到各白光LED模块在光电探测器所在平面投影中心的距离为半径画圆，三圆相交的位置或公共区域即为探测器坐标；
排列组合的方法包括以下步骤：以每三个不在一条直线上的白光LED模块为一组进行组合；
步骤S6：完成基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位。
进一步的，在本实施例中，LED发射机包括发送端处理器、D/A模块和发射模块，其中，发送端处理器采用FPGA，用来产生不同的ID数据并进行SC-FDMA调制，并将对应的ID数据调制到相应的正交子载波上，且各个发送端处理器之间没有联系，互为独立发送信号，调制信号经D/A模块转换到发射模块，发射模块由LED驱动电路和白光LED模块组成，其驱动电路为白光LED模块提供合适的直流偏置，并把信号调制在白光LED模块驱动电流的线性区间，白光LED将调制后的信号以可见光的形式发送出去；接收端处理器采用FPGA，用来对采集到的ID数据进行SC-FDMA解调将有效的ID数据还原出来并得到相应的信号强度；定位服务器可以是嵌入式设备或者电脑。
综上所述，在本实施例中，按照本实施例的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，本实施例提供的基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，将SC-FDMA调制解调技术应用于可见光系统中，在不增加成本的前提下大大地提高了无线通信速率和频谱利用率；利用调制过程中子载波之间的正交特性，实现了对重叠信号的分离，克服了光信号之间的干扰带来的定位误差和严重的定位延时；利用SC-FDMA技术的理想PAPR特性，有效避免信号在传输过程中产生非线性失真而带来的严重定位误差；将SC-FDMA技术与三边定位法相结合，不仅提高了定位精度，而且不需要同步发送，大大增加了可见光定位系统的稳定性。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：构建可见光室内高精度定位系统，产生白光LED模块的ID数据，实现对ID数据的调制；
步骤S2：对ID数据进行N点离散傅立叶变换，对通过M点的离散傅立叶逆变换和插入循环前缀实现对ID数据的SC-FDMA调制，将ID数据以光信号的形式发送出去；
步骤S3：接收光信号完成光电转换，将转换后得到的光电信号传输出去；
步骤S4：去除循环前缀得到有效ID数据，并还原出接收到的有效ID数据；
步骤S5：利用接收到的有效ID数据和对应的信号强度，计算出定位点坐标；
步骤S6：完成基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S1中，可见光室内高精度定位系统包括多个LED发射机、一个定位接收机和一个定位服务器，LED发射机包括发射端处理器、D/A模块和光发射模块，定位接收机包括光电转换模块、A/D模块和接收端处理器。
3.根据权利要求2所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S1中，光发射模块由LED驱动电路和白光LED模块组成，光电转换模块由光电探测器和放大电路组成，发射端处理器用于产生白光LED模块的ID数据和实现对ID数据的调制，接收端处理器用于完成对接收信号的解调，及完成对接收信号强度的计算，定位服务器利用得到的ID数据和对影强度实现定位。
4.根据权利要求2所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S2中，发射端处理器对ID数据进行N点离散傅立叶变换，经过子载波映射将ID数据分配到相应的N个子载波上，未分配数据的M-N个子载波分配空数据，然后通过M点的离散傅立叶逆变换和插入循环前缀实现对ID数据的SC-FDMA调制，并经过D/A模块转换为模拟信号，最后通过光发射模块将ID数据以光信号的形式发送出去。
5.根据权利要求4所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S2中，光发射模块用于实现对模拟信号的传输，经过A/D模块转换得到的模拟信号变化速率大于人眼识别高频，用于保证信号幅度位于光发射模块的线性区间，确保信号无失真传输。
6.根据权利要求2所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S3中，光电转换模块接收光信号，并完成光电转换，经放大和A/D模块转换后，将采样得到的光信号传输至接收端处理器。
7.根据权利要求2所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S4中，接收端处理器去除循环前缀得到有效ID数据，对有效ID数据进行M点的离散傅立叶变换，得到M个子载波，通过子载波逆映射分离出对应ID数据的N个子载波，并得到相应载波的强度，再对存在有效信号强度的N个子载波进行N点的离散傅立叶逆变换，最终还原出接收到的有效ID数据；得到的相应载波强度与白光LED模块到达光电探测器的光照度成正比，即强度能够表征光照度的大小。
8.根据权利要求3所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S5中，定位服务器通过接收到的有效ID数据和对应的信号强度，采用接收信号强度测量法计算出定位点坐标，接收信号强度测量法是根据朗伯辐射体模型，得到白光LED模块与光电探测器之间的距离d1、光电探测器接收光强度P之间存在式(1)的关系如下，即：
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</mrow>
</mrow>
其中，d1为编号为1的白光LED模块与光电探测器之间的距离；
为白光LED模块的半功率角，
P0为白光LED模块的发光功率；
P为光电探测器接收的光强度；
A为光电探测器的有效面积；
h1为光电探测器距离该白光LED模块的竖直距离。
9.根据权利要求8所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S5中，利用得到的白光LED模块与光电探测器之间的距离信息，结合相应白光LED模块的位置信息，当接收到三个白光LED模块的ID数据时，利用三边定位算法求解得到光电探测器位置坐标；当接收到三个以上白光LED模块的ID数据时，将排列组合法和三边定位算法结合得到多组位置坐标，最终将得到的位置坐标取平均坐标作为光电探测器的最终坐标。
10.根据权利要求9所述的一种基于SC-FDMA的可见光室内高精度定位方法，其特征在于：步骤S5中，三边定位算法包括以下步骤：以各个白光LED模块在水平面上的投影中心为圆心，以光电探测器到各白光LED模块在光电探测器所在平面投影中心的距离为半径画圆，三个圆相交的位置或公共区域即为探测器坐标；排列组合法包括以下步骤：以每三个不在同一条直线上的白光LED模块为一组进行组合。
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