可見光室內(nèi)定位技術(shù)研究進展*

陳 靜,劉 旋,2,鄭 杰

(1.揚州大學(xué) 信息工程學(xué)院(人工智能學(xué)院),江蘇 揚州 225127;2.東南大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211189)

0 引 言

盡管基于無線局域網(wǎng)、射頻識別、ZigBee、藍牙以及超寬帶等的室內(nèi)定位(Indoor Positioning,IP)技術(shù)能夠提供米級、分米級、甚至厘米級的定位精度,但容易受到其他信號的干擾,而且射頻信號頻譜資源短缺,導(dǎo)致精度和系統(tǒng)成本間難以取得平衡,因此各種IP技術(shù)均未得到大規(guī)模應(yīng)用和推廣?？梢姽馔ㄐ?Visible Light Communication,VLC),擁有380～780 nm的巨大帶寬(大約400 THz)[1],具備無電磁輻射、傳輸速率快、安全性高等天然屬性,通過發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)等可見光光源發(fā)出的高速明暗變化的光信號來傳輸信息,可以兼顧照明和通信功能,被認為是未來射頻技術(shù)的重要補充[2],也是6G愿景中的關(guān)鍵候選技術(shù)之一[3]。VLC技術(shù)為定位提供了新的思路,逐漸形成了基于可見光的定位技術(shù)(Visible Light Positioning,VLP)。近年來,針對封閉空間的可見光室內(nèi)定位技術(shù)(Visible Light Indoor Positioning,VLIP)受到了學(xué)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注:一方面不易受電磁信號干擾,且不存在電磁輻射問題,特別適用于醫(yī)院、機場以及工廠等對電磁信號嚴格限制的場合;另一方面,可借助室內(nèi)既有照明設(shè)備作為光源,減少投資成本,易于大規(guī)模應(yīng)用部署,節(jié)能減排,利于實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

近年來,VLIP的技術(shù)優(yōu)勢和特性引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在學(xué)術(shù)界,許多著名高校和科研機構(gòu)都對VLIP技術(shù)展開了理論研究,例如,英國愛丁堡大學(xué)的Harald Hass團隊、法國洛林大學(xué)的Nicolas Krommenacker團隊、德國的海因里希赫茲研究所,國內(nèi)復(fù)旦大學(xué)的遲楠團隊、清華大學(xué)的張洪明團隊、北京理工大學(xué)的楊愛英團隊、暨南大學(xué)的方俊彬團隊等;在產(chǎn)業(yè)界,高通、華為、西門子和飛利浦等世界知名公司也開始探索VLIP技術(shù)的應(yīng)用和推廣,申請了多項相關(guān)專利,并且高通在2016年宣布了旗下的高通創(chuàng)銳訊將和Acuity Brands展開合作,使用特制的LED和高通Lumicast技術(shù)為零售業(yè)者提供室內(nèi)定位服務(wù)[4]。此外,2020年國家標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)管理委員會發(fā)布了信息技術(shù)VLC系統(tǒng)室內(nèi)定位傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[5],進一步推動了VLIP技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

本文對VLIP相關(guān)的文獻進行綜述,以展現(xiàn)VLIP技術(shù)的最新研究進展,展示VLIP領(lǐng)域的發(fā)展全貌。

1 VLIP系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)通信技術(shù)

1.1 VLIP系統(tǒng)架構(gòu)

VLIP系統(tǒng)架構(gòu)主要由發(fā)送端、接收端以及光信道三大部分構(gòu)成,如圖1所示。發(fā)送端通常由LED陣列、編碼與調(diào)制模塊和驅(qū)動電路組成,LED是核心器件;接收端通常由光電探測器、信號解調(diào)器、譯碼器、位置估測單元組成,光電探測器是核心器件;光信道可分為視距(Line of Sight,LoS)信道和非視距(Non-line of Sight,NLoS)信道兩種類型。在LoS信道中,發(fā)送端與接收端間無遮擋物,噪聲干擾影響較小,而在NLoS信道中,發(fā)送端和接收端間存在墻壁、天花板等障礙物,光信號傳輸存在多徑效應(yīng)等問題,受噪聲干擾影響大。

圖1 VLIP系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 VLIP system architecture

VLIP系統(tǒng)的基本工作流程為:在發(fā)送端一側(cè),首先獲得通信數(shù)據(jù)(LED標(biāo)識符、位置坐標(biāo)等信息),并對數(shù)據(jù)進行編碼和調(diào)制,然后通過驅(qū)動電路將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,并由光信道進行傳輸;而在接收端一側(cè),首先由探測器捕獲信道中的光信號,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,然后通過解調(diào)與解碼得出原始數(shù)據(jù),最后利用定位方法精確計算出定位目標(biāo)的位置信息,定位結(jié)果可以輔助導(dǎo)航、遙感、測繪、推薦等應(yīng)用。

下面將從發(fā)送端LED技術(shù)、傳輸調(diào)制技術(shù)和接收器技術(shù)等三個方面分別對當(dāng)前VLIP相關(guān)通信技術(shù)進行歸納總結(jié)。

1.2 LED技術(shù)

相較于白熾燈和熒光燈等照明設(shè)施,LED具有節(jié)能高效、響應(yīng)速度快、熱輻射小、應(yīng)用廣泛等特點,所以VLIP中通常采用LED作為發(fā)光源。盡管學(xué)界提出了多種類型LED,但具備產(chǎn)業(yè)化推廣潛能的僅有基于熒光粉的LED和多個芯片組合而成的LED。其中,前者日常使用較廣,但是由于調(diào)制帶寬較低,限制了數(shù)據(jù)傳輸速率;而后者通過將不同顏色的LED芯片按一定比例混合起來產(chǎn)生白光,成本和復(fù)雜度也更高,但具有較高的調(diào)制帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率,以及較短的響應(yīng)時間。此外,使用該類型LED的VLIP系統(tǒng)可以利用色移鍵控(Color Shift Keying,CSK)技術(shù)來調(diào)制數(shù)據(jù),以提升數(shù)據(jù)傳輸率[6-7]。在當(dāng)前VLIP系統(tǒng)中,LED有兩種用途:①絕大多數(shù)情況下被用作定位信標(biāo),定位過程中每個LED都被分配唯一標(biāo)識符和坐標(biāo)等信息,并通過相應(yīng)的編碼和調(diào)制技術(shù)將這些信息發(fā)送到接收端;②少數(shù)情況下LED僅用作照明,通過接收端的特殊定位方法設(shè)計來計算目標(biāo)位置[8-11]。

1.3 傳輸調(diào)制技術(shù)

VLIP通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)是指在保證LED正常照明功能的基礎(chǔ)上,以某種合適的方式調(diào)制LED光信號,即讓 LED 能夠以適當(dāng)頻率進行切換,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在光信道中高效傳輸,同時光強變化不會被人眼所察覺。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前針對VLIP調(diào)制技術(shù)的研究不是很多,但由于大多數(shù)VLC調(diào)制技術(shù)可以用于VLIP中或者給予借鑒,所以下面將介紹主流的VLC調(diào)制技術(shù),以便于供定位領(lǐng)域采納使用,包括通斷鍵控(On-Off Keying,OOK)、脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation,PPM)、CSK技術(shù)、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)以及混合調(diào)制等,并對VLC不同調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點進行對比分析,如表1所示。

表1 VLC不同調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺Tab.1 Analysis of the advantages and disadvantages amongdifferent modulation techniques in VLC

1.4 接收器技術(shù)

接收器是VLIP系統(tǒng)的又一重要組成器件,負責(zé)接收從光信道傳來的光信號,從而得到LED的標(biāo)識符、位置坐標(biāo)、光信號強度等定位信息。當(dāng)前VLIP系統(tǒng)常用的接收器主要分為光電二極管(Photodiode,PD)和圖像傳感器兩類。PD具有對光敏感的特性,可以將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電流,從而獲得接收信號強度(Received Signal Strength,RSS)、信號到達時間(Time of Arrival,TOA)、信號到達時間差(Time Difference of Arrival,TDOA)等信息,并且響應(yīng)速度較快,靈敏度高,成本較低,所以目前VLIP系統(tǒng)多考慮用PD探測光信號。常用的PD包括雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)和PIN型光電二極管(Positive-Intrinsic-Negative Photodiode,PIN-PD)。

圖像傳感器本質(zhì)上由PD陣列構(gòu)成,在VLIP系統(tǒng)中負責(zé)捕獲LED光源的圖像,并利用卷簾快門效應(yīng)所形成的明暗交錯的條紋來傳輸數(shù)據(jù)?；趫D像傳感器的VLIP系統(tǒng)不易受到多徑效應(yīng)的影響,而且可以在空間上分離光源,無須使用多路復(fù)用技術(shù)。常用的圖像傳感器包括電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)圖像傳感器和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)圖像傳感器。此外,由于大部分智能手機都配備高清攝像頭,所以基于智能手機的VLIP系統(tǒng)將具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 VLIP定位方法及其相關(guān)輔助定位技術(shù)

定位方法及其輔助定位技術(shù)是VLIP實現(xiàn)高精度定位的關(guān)鍵核心,近年來國內(nèi)外提出了一系列VLIP定位方法及其相關(guān)輔助定位技術(shù)。圖2展示了VLIP定位方法的詳細分類體系,其中,基礎(chǔ)定位方法指的是采用數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)定位的一類算法,具體包括接近法、三邊定位法、指紋定位法、混合定位法等;相關(guān)輔助定位技術(shù)指的是利用傳感器測量的數(shù)據(jù)來輔助實現(xiàn)高精度定位的一類定位技術(shù),具體包括圖像傳感器定位、光探測器組合定位、慣性測量單元定位、光傳感器定位等。

圖2 VLIP定位方法的詳細分類體系Fig.2 Detailed classification scheme of VLIP positioning methods

2.1 基礎(chǔ)定位方法

在基于射頻的定位方法中,常采用接近法、三邊定位、指紋定位、混合定位等基礎(chǔ)定位方法,這些方法也逐漸被應(yīng)用到VLIP中。表2列出了文獻中提出的定位系統(tǒng)的精度/誤差、成本、復(fù)雜度,可以對使用相同類型算法的定位系統(tǒng)之間進行比較,同時也可以對這4種類型的算法在3種維度上進行整體比較。

表2 VLIP基礎(chǔ)定位方法的對比分析Tab.2 Comparative analysis of VLIP basic positioning methods

2.2 相關(guān)輔助定位技術(shù)

為了實現(xiàn)更高精度的室內(nèi)定位,許多VLIP系統(tǒng)已開始借助其他技術(shù)來輔助定位,本小節(jié)將以傳感器類型為分類標(biāo)準(zhǔn)介紹VLIP中的相關(guān)輔助定位技術(shù)。在可見光室內(nèi)定位過程中,可以利用傳感器測得的數(shù)據(jù)來輔助定位,并提高定位精度。VLIP系統(tǒng)中較常用的傳感器包括圖像傳感器、光探測器組合、慣性測量單元和光傳感器等,表3列出了相關(guān)文獻中提出的定位技術(shù)的精度/誤差、成本、復(fù)雜度,可以對使用同類型傳感器的定位技術(shù)之間進行對比評估,同時也可以對使用不同類型的傳感器的定位技術(shù)之間進行整體比較。

表3 傳感器輔助方法的對比分析Tab.3 Comparative analysis of sensor-assisted methods

3 VLIP當(dāng)前面臨的問題與解決方法

盡管VLIP技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用前景廣泛,但也面臨著許多問題和挑戰(zhàn),主要包括光源閃爍、接收器視野有限、多徑效應(yīng)、環(huán)境噪聲影響等。下面將結(jié)合相關(guān)文獻詳細介紹VLIP面臨的問題及其對應(yīng)的解決方案,并在表4中列出相關(guān)文獻中提出的解決方案的精度/誤差、成本和復(fù)雜度,從而可以對比評估每個問題的解決方案。

表4 VLIP面臨問題的解決方案對比分析Tab.4 Comparative analysis of solutions to problems faced by VLIP

3.1 光源閃爍

大多數(shù)VLIP系統(tǒng)在定位過程中都需要將LED的位置信息或者識別碼發(fā)送給接收端,因此許多系統(tǒng)都會采用OOK調(diào)制技術(shù)來調(diào)制信息,并通過控制LED的光照強度將信息發(fā)送到VLC信道中。但是,若OOK調(diào)制中“On”和“Off”的切換頻率太低,就會導(dǎo)致LED發(fā)生人眼可察的亮度變化,即閃爍問題。對于該問題,當(dāng)前主要從編碼方案和光源改造兩個角度提出解決方案:文獻[38]中提出的系統(tǒng)使用智能手機的相機作為接收器,提出了一種新的編碼方案——交叉25碼(Interleaved Two of Five,ITF),規(guī)定用條紋的寬窄來表示LED的“On”和“Off”,因此系統(tǒng)接收端的相機捕獲到的圖像由明暗交錯的寬窄條紋組成,這也表明LED是快速地交替“打開”和“關(guān)閉”,不會出現(xiàn)長時間“打開”或者“關(guān)閉”的現(xiàn)象,有效緩解了閃爍問題;文獻[53]中利用偏振光不會被人眼所察覺的特性,提出了一種基于光偏振的VLIP系統(tǒng),在發(fā)射端和接收端分別添加一個偏振器,發(fā)射端的偏振器將非偏振光轉(zhuǎn)換為偏振光,并通過控制電壓的變化來調(diào)制偏振光,使得光線經(jīng)過接收端的偏振器之后出現(xiàn)明暗變化,并被相機所捕獲,完成對LED標(biāo)識符信息的傳輸。該系統(tǒng)對相機的要求較低,實時定位精度可達10 cm,且適用于智能手機和穿戴設(shè)備。

3.2 多徑效應(yīng)

在可見光定位過程中,室內(nèi)的墻面、天花板、鏡子等物體都會導(dǎo)致光信號出現(xiàn)反射、折射等現(xiàn)象,產(chǎn)生多徑效應(yīng),從而對定位精度產(chǎn)生影響,一般房間角落處和邊緣處的定位精度受到多徑效應(yīng)的影響最大。大多數(shù)文獻中都將多徑反射視為噪聲并通過使用特殊的調(diào)制技術(shù)、算法或者建立模型來減輕多徑效應(yīng)的不良影響,從而將定位誤差降低幾厘米到幾十厘米不等:文獻[54]中使用混合OFDM技術(shù)來抑制多徑效應(yīng),使得平均定位誤差從0.792 m降低到0.118 m;文獻[19]中利用基于橢圓的ACO-OFDM技術(shù)來調(diào)制信息,將平均定位誤差從0.30 m降低到0.23 m;文獻[24]將參考點在視距信道中的接收的信號功率和實際接收到的信號功率的比值作為指紋信號,再結(jié)合在線階段目標(biāo)設(shè)備測量到的光信號功率來排除實際定位過程中非視距信道中的干擾,和傳統(tǒng)的基于RSS的指紋定位法相比,定位誤差降低了59%;文獻[55]中提出了一種基于極限學(xué)習(xí)機(Extreme Learning Machine,ELM)和基于密度的噪聲應(yīng)用空間聚類(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)的混合定位方法來抑制房間墻壁和角落處的多徑效應(yīng),使得整個房間的定位誤差從11.97 cm降低到1.74 cm;文獻[56]中針對視距通信中的噪聲干擾和非視距通信中的多徑反射,提出了一種混合噪聲和多徑反射的高斯模型,與同類算法相比,最終定位誤差降低了26.42%;文獻[57]中提出了一種消除鏡面反射的算法,雖然只考慮了單個鏡面的情況,但是在一定程度上仍減輕了房間內(nèi)的鏡面物體反射對定位精度造成的影響,模擬結(jié)果表明,定位誤差從16.25 cm減少到2.71 cm。

有些研究中并不將多徑信號視為噪聲干擾,而是利用其來實現(xiàn)定位或提高定位精度:文獻[25]中通過量化非視距鏈路中的信息來提升定位目標(biāo)的位置和方向的測量精度;文獻[30]中采用紅外光電探測器作為接收器并將其安裝在天花板上,在定位過程中利用上行信道脈沖響應(yīng)的漫射分量進行定位,當(dāng)室內(nèi)存在4個LED光源時,定位精度可達5 cm。

3.3 接收器視野有限

二維平面中通常需要3個LED來實現(xiàn)定位,而三維空間則需要更多的LED才能實現(xiàn)高精度的定位,但接收器的視野有限,很難同時捕捉到來自3個或4個LED光源的信號,因此就無法獲得較高的定位精度甚至無法實現(xiàn)定位。此外,如果接收端和LED之間的垂直距離在定位過程中減小,接收器的視野也會受影響。若僅僅通過增加接收器的視野來解決此問題,那么又會在定位過程中引入噪聲干擾,降低信噪比。

對于該問題,部分研究通過使用加速度計、圖像傳感器、IMU等設(shè)備來獲取其他定位信息,以增加定位約束,從而確保實現(xiàn)較高精度的定位:文獻[48-49]中使用由IMU和相機組成的接收器,并利用擴展卡爾曼濾波器將兩者的測量值相結(jié)合,從而實現(xiàn)在僅有一個LED或者LED光源中斷情況下的三維實時定位;文獻[53]中使用加速度計來測量照相機和重力之間的傾斜角度,并將該角度和相機捕獲到的信息整合到同一智能設(shè)備中從而增加定位約束,僅使用兩個LED就可以實現(xiàn)三維實時定位;文獻[58]中提出了一種相機協(xié)助的增強接收信號比算法,將視覺信息和光信號強度相結(jié)合,在有限的視野范圍內(nèi)僅使用3個LED就能實現(xiàn)三維室內(nèi)空間中的高精度定位,獲得了低于5 cm的定位誤差;文獻[59]中使用混合成像光電二極管作為接收器,該接收器的PD部分負責(zé)測量每個LED的AOA,圖像傳感器部分負責(zé)拍攝高分辨率的圖像,以便識別出每個LED中的參考點,因此該系統(tǒng)的接收器視野中僅使用一個LED也可實現(xiàn)定位。

有些研究提出使用具有特殊結(jié)構(gòu)的接收器來消除接收器視野的限制:文獻[46]中使用的是由多個PD組成的接收器,與基于單個PD的系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)僅需兩個LED就可以實現(xiàn)較高精度定位;文獻[60]中通過將圖像傳感器傾斜一定的角度來接收至少來自3個LED光源發(fā)出的信號,降低房間角落處的定位誤差,增加有效定位區(qū)域的面積;文獻[61]中采用智能光電二極管作為接收器,在定位過程中根據(jù)其所處的LED照明范圍中的位置來旋轉(zhuǎn)其接收面,調(diào)整視野范圍,從而接收盡可能多的LED光源信號。

此外,還可以通過使用特殊的LED或基于單個LED的定位方法來解決該問題:文獻[35]中提出了一種不平衡的單LED定位方法,該算法設(shè)計并使用了一個帶有信標(biāo)的LED,利用成像三角關(guān)系實現(xiàn)了高精度、低復(fù)雜度定位;文獻[36]中提出一種由VLC輔助的透視四線算法,先根據(jù)平面幾何和立體幾何關(guān)系得到單個LED在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo),然后再利用最小二乘法和單視圖幾何算法得到相機在世界坐標(biāo)系中的位置和姿勢;文獻[62]中使用可轉(zhuǎn)向的LED作為發(fā)射器,在定位過程中首先利用某個固定角度的光源得到定位目標(biāo)位置的初始值,然后根據(jù)這個初始值以及迭代算法來調(diào)整LED的角度,調(diào)節(jié)其照明覆蓋范圍,降低接收端視野受限帶來的定位誤差。

3.4 環(huán)境光噪聲

現(xiàn)實室內(nèi)場景中并不具備實驗室環(huán)境下的理想照明條件,接收端不僅會接收到LED發(fā)出的光信號,還會受到環(huán)境光的干擾。對于環(huán)境光噪聲這一問題,可以利用濾波器技術(shù)或者設(shè)計特定的算法來減輕其對定位精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的不良影響:文獻[63]和[64]中分別使用卡爾曼濾波器和粒子濾波器對接收到的信號進行處理,有效解決了環(huán)境光對信號造成干擾的問題,提高了定位精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性;文獻[65]中通過計算無噪聲干擾的情況下和有噪聲干擾的情況下的接收端和發(fā)射端之間的距離的差值來補償環(huán)境光帶來的噪聲影響,最高可將定位誤差降低幾十厘米,該方法不僅顯著降低了太陽光引起的定位誤差,且不會增加算法的計算復(fù)雜度。

有些定位系統(tǒng)中并不把環(huán)境光看作是干擾源,而是利用環(huán)境光作為光源,解決了白天關(guān)閉LED燈的情況下的定位問題:文獻[8]中提出了一種基于環(huán)境光的VLIP系統(tǒng),該系統(tǒng)在現(xiàn)有的照明結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用光傳感器來檢測定位目標(biāo)在光傳感器附近移動時環(huán)境光的強度變化,從而利用指紋定位法來確定定位目標(biāo)的位置,并獲得了厘米級的定位精度;文獻[66]中提出的系統(tǒng)同樣也是直接使用環(huán)境光來定位,但不需要使用額外的傳感器,只需要將由偏光片和雙折射材料制成的芯片覆蓋在燈罩或者透光的玻璃窗上,并為芯片建立方向和色調(diào)值之間的映射,定位時根據(jù)圖像傳感器捕獲的照片中的芯片即可計算出定位目標(biāo)的位置和方向。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段VLIP技術(shù)雖然已經(jīng)取得一定的發(fā)展,但若要在未來6G愿景下應(yīng)用部署,并且滿足定位需求,還需要深入研究。

為了加快實際應(yīng)用部署VLIP的速度,未來研究工作可以從3個方面入手:

一是將VLIP技術(shù)和其他無線定位技術(shù)相結(jié)合?，F(xiàn)有的基于藍牙、WLAN、移動射頻等無線定位技術(shù)都已經(jīng)比較成熟,而VLIP技術(shù)還處于理論階段,將兩者相結(jié)合可以有效地提高通信速率和定位精度,使得VLIP系統(tǒng)能盡快應(yīng)用在實際環(huán)境中。

二是在實驗中不斷改進當(dāng)前定位方法。目前提出的大部分定位方法都是在理想室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)的,但在實際定位過程中會出現(xiàn)很多不確定的干擾因素,現(xiàn)有的方法并不能保證定位成功。

三是根據(jù)目前的研究進展設(shè)計專門用于VLIP的發(fā)射器或接收器,從而減少噪聲干擾,提高定位系統(tǒng)性能。