室內(nèi)可見光通信定位技術(shù)的研究

摘? 要：由于室內(nèi)定位在人們的日常生活中存在著巨大的需求，室內(nèi)定位已成為當前的研究熱點，而傳統(tǒng)的Wi-Fi、RFID、藍牙等定位技術(shù)都會受到多徑效應(yīng)或者電磁干擾等因素的影響，很難實現(xiàn)精確定位。本文主要研究室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)，比較幾種常見的可見光定位方法，提出一種可見光定位方法，使其能夠滿足室內(nèi)通信的基本需求，可以廣泛應(yīng)用于超市、大型購物中心等類似場合。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)可見光定位;定位精度;接收信號強度定位

中圖分類號：TN929.1? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）22-0065-03

Abstract：Due to the huge demand of indoor positioning in people’s daily life，indoor positioning has become the current research hotspot. However，traditional positioning technologies such as Wi-Fi，RFID，Bluetooth，etc. are affected by multi-path effect or electromagnetic interference，so it is difficult to achieve accurate positioning. This paper mainly studies the positioning technology in the indoor visible light communication system，compares several common visible light positioning methods，and proposes a visible light positioning method，which can meet the basic needs of indoor communication，and can be widely used in supermarkets，large shopping centers and other similar fields.

Keywords：indoor visible light positioning;positioning accuracy;received signal strength positioning

0? 引? 言

近幾年隨著無線通信的快速發(fā)展，人們對通信的需求日益增長，但射頻頻譜資源隨之變得越來越匱乏，為了解決這個問題，廣大科研工作者都在不斷地嘗試尋找新的技術(shù)方案來解決這個難題，其中基于LED的可見光通信可以非常好地解決這樣的問題。可見光通信是在LED光源上加裝控制芯片，將其作為光信號的發(fā)射機，接收端再利用光敏傳感器捕捉光信號。由于可見光通信可以在空氣中直接傳輸光信號，不需要另外假設(shè)傳輸通道，而且與傳統(tǒng)的無線通信方式相比，可見光通信具有保密性好、抗電磁干擾、頻譜資源豐富等優(yōu)點;可見光通信是利用可見光傳遞信號，不會影響傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，且對人體沒有傷害，因此可見光通信受到越來越多的關(guān)注。本文著重對可見光通信系統(tǒng)中的定位技術(shù)進行研究，以便可見光通信更好地應(yīng)用于室內(nèi)場景中。

1? 室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)

在室內(nèi)構(gòu)建可見光通信系統(tǒng)，首先要求系統(tǒng)中的LED要具有照明功能，這樣也便于可見光通信系統(tǒng)的改造推廣，同時LED還要作為可見光信號的發(fā)送器件。本文首先構(gòu)建了一個單LED的可見光通信系統(tǒng)模型，如圖1所示，在這個室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中LED相當于光信號的發(fā)射機，接收端就相當于光信號的接收機，由于LED的光照是有范圍的，所有只有當這個接收終端處于LED的光照范圍內(nèi)，才可以接收LED發(fā)出的可見光信號。

由于在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，會受到發(fā)射機和接收機的位置以及室內(nèi)墻壁和物體的存在的影響，因此在室內(nèi)可見光通信中信號的傳遞路徑不止一條，其傳遞路徑主要有：直射路徑和反射路徑。

可見光直射路徑是指發(fā)射機發(fā)出的可見光信號直接到達接收機的傳輸通道，其信號傳輸通道模型如圖2（a）所示，其中φ為發(fā)射機發(fā)出的光信號光照角，ψ為光信號的入射角，LED到接收機表面之間的直線距離為D1。直射傳輸方式的優(yōu)點是可見光信號的利用率高，信號可以高速穩(wěn)定傳輸，但是其靈活性較差，必須采用定向發(fā)射機和定向接收機，兩者必須嚴格對準才能保證正常通信。

可見光反射路徑指可見光從發(fā)射機發(fā)出，經(jīng)過室內(nèi)的墻壁或物體一次及多次反射后再到達接收機的傳輸通道，由于可見光在多次反射后，信號功率會變得越來越低，因此本文僅考慮可見光只經(jīng)過一次反射，其信號傳輸通道模型如圖2（b）所示，其中φ為發(fā)射機發(fā)出的光信號光照角，ψ為可見光信號經(jīng)過墻壁一次反射后的入射角，D2為反射點與接收機表面之間的直線距離。可見光通信系統(tǒng)中也會受到多徑效應(yīng)的影響，導致信號的傳輸質(zhì)量降低、定位不準確。

2? 室內(nèi)定位技術(shù)

所謂定位就是系統(tǒng)利用獲取的信息，進行接收端位置推算，得到接收端最有可能在的位置，根據(jù)接收端所處環(huán)境不同又分為室外定位和室內(nèi)定位。對于室外定位的研究已經(jīng)比較成熟，本文只針對室內(nèi)定位技術(shù)進行探討。目前室內(nèi)定位主要采用無線電磁波、基站定位等多種技術(shù)，從而實現(xiàn)用戶在室內(nèi)環(huán)境中的位置定位，下面來了解幾種常用的室內(nèi)定位技術(shù)。

2.1? Wi-Fi定位

通過無線局域網(wǎng)（WLAN），實現(xiàn)復雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測，其優(yōu)點是便于組網(wǎng)，但Wi-Fi定位通常只能覆蓋90米左右，而且用于室內(nèi)定位的精度只能達到2米左右，還存在嚴重的同頻干擾問題。

2.2? RFID定位

射頻識別定位（RFID）是利用射頻方式，通過讀取RFID標簽信息，從而監(jiān)測出標簽攜帶者所在的位置，優(yōu)點是定位精確，精度最高可以達到厘米級，且其成本較低，但RFID定位抗干擾能力差，容易受到外界的干擾，另外RFID本身不具備通信能力，不宜于大范圍的推廣使用。

2.3? 藍牙定位

藍牙定位是通過測量信號的強度實現(xiàn)定位，需要至少三臺藍牙基站，再進行三角定位算法計算，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙定位的優(yōu)點是設(shè)備體積小，易于裝備于移動設(shè)備中，缺點是藍牙定位只適用于較小空間內(nèi)。

3? 室內(nèi)定位技術(shù)的主要指標

室內(nèi)定位技術(shù)的主要性能指標包括：定位精確度和定位速度。

3.1? 定位精確度

定位的精確程度是衡量一個定位系統(tǒng)性能好壞最重要的指標之一，目前在室外定位時，應(yīng)用最廣的是美國的GPS系統(tǒng)，另外我國的北斗導航也已經(jīng)應(yīng)用于多個領(lǐng)域，它們在室外無遮擋的地方可以實現(xiàn)高精度定位，其中民用的GPS定位精度可達幾米左右;而在室內(nèi)環(huán)境中，使用GPS進行定位時，信號受到墻壁的阻擋明顯變?nèi)?，這樣定位的精度會受到很大的影響。目前用于室內(nèi)定位的主要有：Wi-Fi、RFID、藍牙等，但這些基于無線電磁波技術(shù)的定位方式也會受到電磁波干擾、多徑效應(yīng)等因素的影響。

3.2? 定位速度

例如平常在室外使用GPS定位時，有時會出現(xiàn)定位慢的現(xiàn)象，原因是有建筑物的遮擋或者是定位時處于高速的移動狀態(tài)，而在室內(nèi)定位中，定位的速度更為關(guān)鍵，其也是衡量系統(tǒng)性能的重要指標之一，定位速度的快慢取決于選取的定位方法和外部環(huán)境。

4? 基于幾何測量的定位方法

目前，室內(nèi)可見光定位方法主要有：幾何測量法、近似感知法、場景分析法等。幾何測量法中的幾種定位方法有：到達時間定位（TOA）、到達時間差定位（TDOA）、到達角度定位（AOA）和接收信號強度定位（RSS）。

4.1? TOA定位

TOA定位是通過測量信號在發(fā)射機和接收機之間的傳輸時間，從而確定它們之間的距離以及接收機和三個發(fā)射機的坐標，算出接收機所在的坐標，實現(xiàn)定位。由于光的傳播速度極快，極小的時間誤差都會導致出現(xiàn)較大的距離偏差，另一方面，發(fā)射機和接收機要保持嚴格的時間同步，因此TOA定位很難應(yīng)用于實際的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中。

4.2? TDOA定位

由于在TOA定位中需要嚴格保證收發(fā)兩端的時間同步，為了解決這樣的技術(shù)問題，引入TDOA定位，它是通過測量信號在接收機到不同發(fā)射機的傳輸時間差，再通過位置算法來計算距離差，再利用雙曲線交點最終來確定接收機的位置，由此可以減小由于測量的時間誤差帶來的距離誤差的問題。

4.3? AOA定位

AOA定位通過檢測可見光信號的光照角度，只需要兩個信號發(fā)射機即可確定接收機的位置，如圖3所示，接收機收到了兩個可見光信號，那么這兩條可見光的交點就是接收機所在位置，但由于此方法中對于角度的測量需要借助其他測量設(shè)備，因此AOA定位的應(yīng)用范圍也受到很大的限制。

4.4? RSS定位

RSS定位通過檢測可見光信號的信號功率，不同發(fā)射機發(fā)送不同頻率的可見光信號，一般至少需要三個以上的發(fā)射機，接收端通過測量收到的信號功率，再計算接收機與各個發(fā)射機之間的距離，再利用三邊定位法，可以計算出接收機所在的具體坐標。RSS定位的優(yōu)點是對硬件設(shè)備要求比較低，定位速度快，也是目前應(yīng)用較多的定位方法。

如圖4所示為某一個RSS定位場景，其中三個LED的位置坐標分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3），D1、D2、D3分別是接收端到達三個LED的距離，接收端的坐標為（x，y，z），三邊定位法的公式為：

對于三邊定位法，LED一般默認為都裝在屋頂，因此y1=y2=y3等于室內(nèi)高度，接收端位于室內(nèi)地面，也就是z=0，此時只要三個LED不在同一條直線上，就可以算出接收端唯一的一組坐標值（x，y，z），這組坐標值也就是接收端的所在位置。但在可見光通信系統(tǒng)中，由于接收平面可能出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，且接收端會受到內(nèi)部噪聲的影響，利用三邊定位將會出現(xiàn)較大偏差，因此還需要進一步優(yōu)化定位算法。

5? 結(jié)? 論

本文主要對室內(nèi)可見光通信中的定位技術(shù)進行研究，了解幾種常見的定位方法的原理和優(yōu)缺點，重點分析了RSS定位法，接下來我們將使用Matlab軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，進行仿真實驗，為可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)提供數(shù)據(jù)參考。后期我們將會著重研究在移動場景下的室內(nèi)定位，如圖5所示，在超市的購物推車上安裝接收終端，在購物車進入某一購物區(qū)域時，由該區(qū)域上方LED發(fā)出的可見光信號，可以實現(xiàn)購物車的位置定位，另外接收終端還可以為顧客推送一些相關(guān)信息，這將是一種新型的商業(yè)推廣方式，而且可以在現(xiàn)有的照明系統(tǒng)上進行改造，系統(tǒng)改造比較簡便，雖然具有在購物車進入兩個LED光照交叉的區(qū)域或者多個LED光照交叉區(qū)域時較難實現(xiàn)精確定位的難點，但依然具有很高的市場推廣價值。

參考文獻：

[1] 吳楠，王旭東，胡晴晴，等.基于多LED的高精度室內(nèi)可見光定位方法 [J].電子與信息學報，2015，37（3）：727-732.

[2] 喬琪，聞凱.基于自適應(yīng)鏈路切換的雙LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng) [J].光通信技術(shù)，2018，42（2）：50-54.

[3] 王輝.基于位置指紋的室內(nèi)可見光定位方法研究 [D].西安：西安電子科技大學，2018.

[4] 葉子蔚.基于接收信號強度檢測的可見光定位方法研究 [D].鄭州：鄭州大學，2018.

作者簡介：喬琪（1983-），男，漢族，江蘇淮安人，教研室

主任，講師，碩士，研究方向：光通信系統(tǒng)、智能信號與圖像處理。