基于LED通信的定位技術(shù)

王昊　李舸　石勁濤

摘 要：雖然傳統(tǒng)無線電技術(shù)己經(jīng)被廣泛使用并且技術(shù)也相當(dāng)成熟，但是工業(yè)界和科學(xué)界都認(rèn)為下一代無線通信系統(tǒng)的接入技術(shù)將是基于多種接入技術(shù)的組合，其中也包括光無線（OW）通信接入技術(shù)。該文提出了一套可見光通信的定位技術(shù)，并對現(xiàn)有的定位技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，通過仿真和實驗驗證了可見光用于室內(nèi)定位的可行性以及優(yōu)越性。該文在充分研究IEEE802.15.7標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出一種利用超幀的通信時隙進(jìn)行室內(nèi)定位的方法。其次建立室內(nèi)信道光功率分布模型并仿真得出室內(nèi)的直射和反射信道光功率分布，為位置指紋建庫奠定基礎(chǔ)。提出優(yōu)化位置指紋的方案，減少位置指紋查找時間和計算過程。并且搭建可見光通信硬件平臺，通過LED進(jìn)行信號傳輸和接收，進(jìn)一步驗證可見光用于通信的可行性。

關(guān)鍵詞：可見光通信室內(nèi)定位 IEEE802.15.7 超幀位置指紋 LED通信

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0019-02

1 可見光通信的應(yīng)用價值

室內(nèi)可見光通信由于自身通信機(jī)理，可廣泛應(yīng)用于以下三類典型場景，且具有重要的應(yīng)用價值：首先是微波受限場景，由于頻譜重疊可能引起通信沖突，目前在一些場合不允許使用傳統(tǒng)微波波段的無線接入設(shè)備，如醫(yī)院的一些醫(yī)療檢測區(qū)域和飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)。為了滿足這些場所的便捷通信需求，可以使用可見光頻段進(jìn)行通信，從而更大程度拓展無線通信范圍。其次是室內(nèi)高速接入，在高清電視、虛擬現(xiàn)實等新業(yè)務(wù)的推動下，室內(nèi)環(huán)境將是后需要海量帶寬的又一個應(yīng)用區(qū)域。可見光通信將在室內(nèi)高速靈活接入中發(fā)揮重要作用，除了家居環(huán)境，還能廣泛應(yīng)用在會議室、報告廳、展廳、超市等大型室內(nèi)場景下。還有保密通信場景，傳統(tǒng)無線信號波長較長，遇到宏觀物體發(fā)生衍射，因而可能出現(xiàn)電磁泄露、信息被竊聽。而利用可見光進(jìn)行通信，只要遇到墻壁、窗簾等障礙物，光波將被反射回來，因此可以實現(xiàn)保密通信。

室內(nèi)定位有著廣泛的應(yīng)用前景，首先，公共安全和應(yīng)急響應(yīng)。在緊急情況下每一個人都想被救援人員精確定位到，大到建筑物的位置，甚至是樓層或者房間號。其次，可以應(yīng)用于手機(jī)購物、移動電子商務(wù)、個性化廣告、優(yōu)惠信總等。面向大型建筑物應(yīng)急疏散，公共安全及災(zāi)后救援重大應(yīng)用需求，需要突破在大型復(fù)雜建筑物內(nèi)精確定位和位置服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，而研制出大型建筑復(fù)雜環(huán)境室內(nèi)定位系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度寬內(nèi)外無縫定位將為大型建筑物定位導(dǎo)航監(jiān)控與應(yīng)急服務(wù)管理提供技術(shù)支持。

2 室內(nèi)可見光通信網(wǎng)絡(luò)

可見光通訊個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（VPAN）分為三類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)、星型和廣播結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通信設(shè)備之間建立一個單一的中央控制器又稱協(xié)調(diào)器。所有網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)作，與其他網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立，這是通過選擇一個VPAN標(biāo)示符來實現(xiàn)的。該標(biāo)示符可以在目前沒有被覆蓋區(qū)域內(nèi)的任何其它網(wǎng)絡(luò)使用，一旦選擇VPAN標(biāo)識符，其他設(shè)備就可以連接到該網(wǎng)絡(luò)中。在點(diǎn)對點(diǎn)拓樸結(jié)構(gòu)屮，關(guān)聯(lián)的兩個設(shè)備之一起到協(xié)調(diào)器的作用，每個設(shè)備在其覆蓋范圍內(nèi)可以和其他任何設(shè)進(jìn)行通信，其屮一點(diǎn)作為一個協(xié)調(diào)器，過第一個裝置在信道上進(jìn)行通信。廣播模式下的設(shè)備可以將發(fā)出的信號傳輸?shù)狡渌O(shè)備，而不形成一個網(wǎng)絡(luò)，通訊是單向的不需要目的地址。

圖2描述的是位置搜索程序的流程圖。位置搜索指令可以由用戶或協(xié)調(diào)器啟動，協(xié)調(diào)器向設(shè)備發(fā)送下行指令，該指令包含服務(wù)的類型，協(xié)調(diào)器的容量，協(xié)調(diào)器的地址等信息。所有在覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備在接收到協(xié)調(diào)器的位置搜索請求后均回復(fù)一個上行應(yīng)答信號。如下行的搜索信號和上行的響應(yīng)信號均能被正確接收，設(shè)備即定位成功，否則，協(xié)調(diào)器將會向相鄰單元發(fā)送搜索請求。

3 可見光通信的室內(nèi)信道特性

在室內(nèi)環(huán)境中，接收端接收到的光信號的色散時延取決于墻面等物體的反射。由于白光LED的福射半角較激光二極管要寬很多，在分析VLC系統(tǒng)的時候就要兼顧直射（LOS）和漫反射兩種情況。此外，接收端的離散多徑效應(yīng)很大程度上取決于反射鏈路。LED燈有兩個基本特性，發(fā)光強(qiáng)度和光照強(qiáng)度。發(fā)光強(qiáng)度代表了每一個固定角度上的能量流，并且與一個被照平面上的照明度有關(guān)。同時，能量通量用能見度來表示，發(fā)光強(qiáng)度用來表示LED燈的亮度。另一方面，向外傳播的可見光的能量表明了 LED向外轄射的所有能量，并且被作為可見光通信的一個參數(shù)發(fā)光強(qiáng)度的計算公式：，其中為空間角度，為發(fā)光的光流。，V是標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光度曲線，是最大能見度。

討論可見光通信系統(tǒng)的一些可能的應(yīng)用，假定分析的對象是間房間，房間大小為5m-5m-3m，房間內(nèi)燈的固定方式如圖3所示，桌子距地面高度為0.85m，LED燈距地面高度為2.5m，具有光傳輸能力的LED燈安裝在離地面2.5m的高度上，桌子離地度為0.85m，一個用戶終端放在桌子上。

4 可見光通信硬件通信平臺

VLC物理層主要包括數(shù)字和模擬的發(fā)射機(jī)，以及模擬和數(shù)字接收器。數(shù)字發(fā)射機(jī)包括數(shù)據(jù)源、基帶調(diào)制器和數(shù)-模擬轉(zhuǎn)換器。同樣，數(shù)字接收器包含一個模擬-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、基帶解調(diào)器和數(shù)據(jù)接收器。模擬發(fā)射機(jī)包括驅(qū)動電路和可見光源LED燈，該接收機(jī)包括光學(xué)成像器件、光電二極管、跨阻抗放大器以及一個帶通濾波器。物理層的數(shù)字部分將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬的電壓信號，并經(jīng)過驅(qū)動電路線性放大并轉(zhuǎn)換成交流信號作為LED的信號源，LED外加一直流偏置使其工作在具有單極驅(qū)動電流的線性區(qū)域，驅(qū)動電流的絕對值必須大于0。直流、交流電流輸入給LED并驅(qū)動K發(fā)光。接收端通過光電二極管接收光功率信號并將其轉(zhuǎn)換成電流信號，電流信號經(jīng)過跨阻放大器放大后經(jīng)過帶通濾波器，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換回數(shù)字信號從而完成數(shù)字信號的傳輸。

5 結(jié)語

該文介紹了可見光室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計、實施，以及能支持移動和基于地理位置的應(yīng)用。該系統(tǒng)通過監(jiān)聽器接收彌漫在整個室內(nèi)空間的信標(biāo)幀信息來對設(shè)備的物理地址進(jìn)行定位。協(xié)調(diào)器通過可見光發(fā)送帶有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IP地址以及所屬單元的信標(biāo)幀信號，接收端接收到信標(biāo)信號后回復(fù)一個確認(rèn)信號，協(xié)調(diào)器在收到接收端發(fā)送的確認(rèn)信號后便開始查找設(shè)備所在的單元，從而可以粗略的估算出設(shè)備所在的區(qū)間，下一步是結(jié)合接收端接收到的各個協(xié)調(diào)器的光照強(qiáng)度RSSI值來精確計算終端和協(xié)調(diào)器的距離，并且通過查找位置指紋庫來確定該強(qiáng)度值對應(yīng)的物理地址。可見光通信用于室內(nèi)定位有諸多優(yōu)點(diǎn)，保密性好不會有電磁干擾，能用于許多電磁波被禁止的場合，且成本低。

可見光通信應(yīng)用與定位的技術(shù)受現(xiàn)實諸多因素的影響，并且由于該技術(shù)的研發(fā)在世界范圍內(nèi)也是初級階段，許多基礎(chǔ)理論的研究還不是很充分，因此該技術(shù)得到全面的普及可能還需要一段時間。

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