基于LED通信的定位技術

王昊　李舸　石勁濤

摘 要：雖然傳統無線電技術己經被廣泛使用并且技術也相當成熟，但是工業界和科學界都認為下一代無線通信系統的接入技術將是基于多種接入技術的組合，其中也包括光無線（OW）通信接入技術。該文提出了一套可見光通信的定位技術，并對現有的定位技術進行了改進，通過仿真和實驗驗證了可見光用于室內定位的可行性以及優越性。該文在充分研究IEEE802.15.7標準的基礎上，提出一種利用超幀的通信時隙進行室內定位的方法。其次建立室內信道光功率分布模型并仿真得出室內的直射和反射信道光功率分布，為位置指紋建庫奠定基礎。提出優化位置指紋的方案，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進行信號傳輸和接收，進一步驗證可見光用于通信的可行性。

關鍵詞：可見光通信室內定位 IEEE802.15.7 超幀位置指紋 LED通信

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

1 可見光通信的應用價值

室內可見光通信由于自身通信機理，可廣泛應用于以下三類典型場景，且具有重要的應用價值：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微波波段的無線接入設備，如醫院的一些醫療檢測區域和飛機機艙內。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行通信，從而更大程度拓展無線通信范圍。其次是室內高速接入，在高清電視、虛擬現實等新業務的推動下，室內環境將是后需要海量帶寬的又一個應用區域。可見光通信將在室內高速靈活接入中發揮重要作用，除了家居環境，還能廣泛應用在會議室、報告廳、展廳、超市等大型室內場景下。還有保密通信場景，傳統無線信號波長較長，遇到宏觀物體發生衍射，因而可能出現電磁泄露、信息被竊聽。而利用可見光進行通信，只要遇到墻壁、窗簾等障礙物，光波將被反射回來，因此可以實現保密通信。

室內定位有著廣泛的應用前景，首先，公共安全和應急響應。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，可以應用于手機購物、移動電子商務、個性化廣告、優惠信總等。面向大型建筑物應急疏散，公共安全及災后救援重大應用需求，需要突破在大型復雜建筑物內精確定位和位置服務等關鍵技術，而研制出大型建筑復雜環境室內定位系統，實現高精度寬內外無縫定位將為大型建筑物定位導航監控與應急服務管理提供技術支持。

2 室內可見光通信網絡

可見光通訊個人區域網絡（VPAN）分為三類拓撲結構：點對點、星型和廣播結構，如圖1所示。在星型拓撲結構中，通信設備之間建立一個單一的中央控制器又稱協調器。所有網絡獨立運作，與其他網絡之間相互獨立，這是通過選擇一個VPAN標示符來實現的。該標示符可以在目前沒有被覆蓋區域內的任何其它網絡使用，一旦選擇VPAN標識符，其他設備就可以連接到該網絡中。在點對點拓樸結構屮，關聯的兩個設備之一起到協調器的作用，每個設備在其覆蓋范圍內可以和其他任何設進行通信，其屮一點作為一個協調器，過第一個裝置在信道上進行通信。廣播模式下的設備可以將發出的信號傳輸到其他設備，而不形成一個網絡，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調器啟動，協調器向設備發送下行指令，該指令包含服務的類型，協調器的容量，協調器的地址等信息。所有在覆蓋范圍內的設備在接收到協調器的位置搜索請求后均回復一個上行應答信號。如下行的搜索信號和上行的響應信號均能被正確接收，設備即定位成功，否則，協調器將會向相鄰單元發送搜索請求。

3 可見光通信的室內信道特性

在室內環境中，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很大程度上取決于反射鏈路。LED燈有兩個基本特性，發光強度和光照強度。發光強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。同時，能量通量用能見度來表示，發光強度用來表示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發光強度的計算公式：，其中為空間角度，為發光的光流。，V是標準發光度曲線，是最大能見度。

討論可見光通信系統的一些可能的應用，假定分析的對象是間房間，房間大小為5m-5m-3m，房間內燈的固定方式如圖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物理層主要包括數字和模擬的發射機，以及模擬和數字接收器。數字發射機包括數據源、基帶調制器和數-模擬轉換器。同樣，數字接收器包含一個模擬-數轉換器（ADC）、基帶解調器和數據接收器。模擬發射機包括驅動電路和可見光源LED燈，該接收機包括光學成像器件、光電二極管、跨阻抗放大器以及一個帶通濾波器。物理層的數字部分將數字信號轉換成模擬的電壓信號，并經過驅動電路線性放大并轉換成交流信號作為LED的信號源，LED外加一直流偏置使其工作在具有單極驅動電流的線性區域，驅動電流的絕對值必須大于0。直流、交流電流輸入給LED并驅動K發光。接收端通過光電二極管接收光功率信號并將其轉換成電流信號，電流信號經過跨阻放大器放大后經過帶通濾波器，然后通過模數轉換將接收的模擬信號轉換回數字信號從而完成數字信號的傳輸。

5 結語

該文介紹了可見光室內定位系統的設計、實施，以及能支持移動和基于地理位置的應用。該系統通過監聽器接收彌漫在整個室內空間的信標幀信息來對設備的物理地址進行定位。協調器通過可見光發送帶有網絡拓撲結構，IP地址以及所屬單元的信標幀信號，接收端接收到信標信號后回復一個確認信號，協調器在收到接收端發送的確認信號后便開始查找設備所在的單元，從而可以粗略的估算出設備所在的區間，下一步是結合接收端接收到的各個協調器的光照強度RSSI值來精確計算終端和協調器的距離，并且通過查找位置指紋庫來確定該強度值對應的物理地址。可見光通信用于室內定位有諸多優點，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。

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

參考文獻

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