本實(shí)用新型涉及可見(jiàn)光通信定位技術(shù)，特別涉及一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位方法的定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)是良好的戶外應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng)，在手機(jī)地圖服務(wù)、汽車導(dǎo)航、船舶和飛機(jī)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。目前GPS室外定位技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并且普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這很大程度上激勵(lì)了室內(nèi)定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。近年來(lái)，室內(nèi)定位技術(shù)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注，如大型倉(cāng)庫(kù)里的產(chǎn)品定位檢測(cè)、大型建筑內(nèi)部的導(dǎo)航服務(wù)(博物館、購(gòu)物中心、停車場(chǎng))等。但是在建筑物內(nèi)部、人口密集的城市、橋下、地下等環(huán)境，由于多徑衰落的影響和其他無(wú)線設(shè)備的干擾使得GPS在建筑物內(nèi)的信號(hào)覆蓋較差，用于室內(nèi)定位存在較大的誤差。最近十多年以來(lái)，各科技巨頭和研究機(jī)構(gòu)在室內(nèi)定位技術(shù)方面開(kāi)展了大量的研究，涌現(xiàn)了很多新的技術(shù)，如基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的輔助GPS(A-GPS)、偽衛(wèi)星(Pseudolite)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、RFID、Zigbee、藍(lán)牙、超寬帶無(wú)線電(UltraWideBand，UWB)、地磁測(cè)量衛(wèi)星、紅外定位、光跟蹤定位、計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位、超聲波定位，這些方法提供了從幾米到幾十厘米的定位精度。然而，大多數(shù)基于無(wú)線通信的系統(tǒng)會(huì)受到電磁干擾影響，在多個(gè)用戶共享的情 況下通信質(zhì)量下降，這些都直接影響了定位質(zhì)量。與上述傳統(tǒng)的室內(nèi)定位方案不同，可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)是基于可見(jiàn)光通信(visiblelightcommunication，VLC)的室內(nèi)定位技術(shù)，通過(guò)以人眼識(shí)別不了的高頻來(lái)控制LED的光強(qiáng)度，進(jìn)而傳播定位的ID信息。VLC定位技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)具有定位精度高、附加模塊少、保密性好、兼顧通信與照明，且沒(méi)有電磁輻射、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)。基于VLC的定位算法主要有接收信號(hào)強(qiáng)度(Receivedsignalstrength,RSS)、到達(dá)時(shí)間(Timeofarrival,TOA)和到達(dá)時(shí)間差(Timedifferenceofarrival,TDOA)。由于RSS通過(guò)測(cè)量信號(hào)在傳遞過(guò)程中的衰減程度即可測(cè)定相關(guān)距離，并不需要TOA或TDOA接收端和發(fā)射端有嚴(yán)格同步的時(shí)鐘周期，控制簡(jiǎn)單，具有很好的應(yīng)用前景。然而，由于定位系統(tǒng)中存在多個(gè)參考點(diǎn)，不同信源所發(fā)射的ID定位信息會(huì)由于多徑效應(yīng)的存在而產(chǎn)生碼間干擾，進(jìn)而大大限制了定位的精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，提出一種實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位方法，該方法通過(guò)利用CDMA調(diào)制中擴(kuò)頻碼的正交性，每個(gè)LED發(fā)出的定位碼經(jīng)過(guò)特定的PN碼直接擴(kuò)頻，經(jīng)由自適應(yīng)濾波器能分辨出各LED的ID碼和對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度。本實(shí)用新型的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，提出一種實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位方法的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)融合CDMA調(diào)制技術(shù)，搭建出一個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步接收的高精度室內(nèi)可見(jiàn)光通信定位 系統(tǒng)。本實(shí)用新型的首要目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位方法，包括以下步驟：步驟1、每個(gè)LED燈具所對(duì)應(yīng)的ID信息通過(guò)OOK基帶調(diào)制后形成帶寬為B1的基帶調(diào)制信號(hào)；步驟2、所述基帶調(diào)制信號(hào)經(jīng)PN碼發(fā)生器所產(chǎn)生的PN碼進(jìn)行擴(kuò)頻處理后，形成帶寬為B2的擴(kuò)頻信號(hào)，其中，B2遠(yuǎn)大于B1；步驟3、所述擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)出可見(jiàn)光信號(hào)；步驟4、位于地面的由3個(gè)相同的光電二極管以邊長(zhǎng)為0.01m的等邊三角形排列而成的光電檢測(cè)器件接收可見(jiàn)光信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)獲得ID信息；步驟5、根據(jù)所述的ID信息并結(jié)合RSS三角定位算法，最終得出定位的位置坐標(biāo)。所述步驟4包括以下步驟：步驟41、所述可見(jiàn)光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)器件后形成電信號(hào)；步驟42、所述電信號(hào)經(jīng)過(guò)EA放大電路以及自適應(yīng)濾波器處理后形成解擴(kuò)前的信號(hào)；步驟43、CDMA解擴(kuò)模塊通過(guò)內(nèi)置的同步電路來(lái)捕捉LED燈具所發(fā)射的PN碼的準(zhǔn)確相位，由此產(chǎn)生與發(fā)送端相位一致的PN碼與所述解擴(kuò)前的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理，還原出ID信息。所述步驟5中的RSS三角定位算法計(jì)算：步驟51、每一個(gè)LED都攜帶著經(jīng)過(guò)CDMA編碼后的ID信息在室內(nèi)空間 中傳播，空間傳播的路徑看為L(zhǎng)OS鏈路，因此，從LED到接收端直射視距光信道直流增益H(0)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：H(0)=1d2·ALED(θ)·APD(ψ),---(1)]]>其中，θ為L(zhǎng)ED燈具的發(fā)射角，ψ為光電二極管的接收角，光電二極管和對(duì)應(yīng)燈具的距離為d，ALED(θ)是LED在θ時(shí)候的增益，APD(ψ)是PD在ψ時(shí)候的增益；經(jīng)過(guò)抽樣判決得到信號(hào)bi(t)，該信號(hào)可以認(rèn)為是LED發(fā)出的原始信號(hào)，與經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器yi(t)的信號(hào)作比較，即可得到信號(hào)在空間中的衰減H(0)，衰減H(0)包括了空間信道的光衰減，加性高斯白噪聲；根據(jù)公式1，即得出光電二極管和對(duì)應(yīng)LED燈具的距離d；d=ALED(θ)·APD(ψ)·Pbi(t)Pyi(t),---(2)]]>其中，Pyi(t)是經(jīng)過(guò)匹配濾波器后抽取出來(lái)對(duì)應(yīng)信道的信號(hào)的功率，是經(jīng)過(guò)判決后還原出來(lái)的信號(hào)；其中H為L(zhǎng)ED與PD的垂直距離；當(dāng)PD水平放置時(shí)，ψ＝θ；投影到PD所在的平面，PD與LED的水平距離由此可得出光電二極管與分別與每4個(gè)LED燈具所組成的定位單元中的三個(gè)LED燈具的關(guān)系式：(x-x1)2+(y-y1)2=dxy12(x-x2)2+(y-y2)2=dxy22(x-x3)2+(y-y3)2=dxy33,---(3)]]>其中，下標(biāo)1、2和3分別代表LED1、LED2與LED3；[x1、x2、x3]和[y1、y2、y3]分別為L(zhǎng)ED1、LED2、LED3對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；[dxy1、dxy2、dxy3]分別為PD與LED1、LED2、LED3之間的水平距離；通過(guò)求解上述方程組，即可確定PD所在的精確位置(x,y)；步驟52、按步驟51所述方法分別求出3個(gè)光電二極管的坐標(biāo)后，求對(duì)應(yīng)三角形的重心，即求出精確的位置坐標(biāo)。所述步驟5中的定位位置坐標(biāo)是通過(guò)ID信息確定定位的區(qū)域，通過(guò)RSS三角定位算法確定光電二極管與定位區(qū)域里三個(gè)不同LED燈具的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的定位。本實(shí)用新型的另一目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位方法的定位系統(tǒng)，包括：發(fā)射子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)。其特征在于：原始的ID信息經(jīng)過(guò)OOK基帶調(diào)制模塊后，形成基帶調(diào)制信號(hào)；所述基帶調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)CDMA擴(kuò)頻模塊后形成擴(kuò)頻信號(hào)；所述擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射可見(jiàn)光ID信號(hào)；所述可見(jiàn)光ID信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間到達(dá)光電檢測(cè)器件；所述光電檢測(cè)器件將可見(jiàn)光ID信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述電信號(hào)再依次經(jīng)過(guò)放大電路、自適應(yīng)濾波電路和CDMA解擴(kuò)模塊最終獲得ID信號(hào)以及空間傳播時(shí)信號(hào)的衰減；根據(jù)所述ID信號(hào)，可以初步判斷所在位置的區(qū)域，并根據(jù)信號(hào)的衰減大小，實(shí)現(xiàn)精確的位置定位。所述發(fā)射子系統(tǒng)包括OOK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴(kuò)頻模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED燈具。所述傳輸子系統(tǒng)為自由空間。所述接收子系統(tǒng)具有：光電檢測(cè)器件、放大電路、自適應(yīng)濾波電路和 CDMA解擴(kuò)模塊。由于可見(jiàn)光通信定位系統(tǒng)具有多個(gè)LED燈具，而不同LED燈具之間由于碼間干擾從而大大影響了定位的精確度。為此，提出一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位算法，利用CDMA調(diào)制技術(shù)對(duì)LED燈具發(fā)射的帶有ID標(biāo)簽的光信號(hào)進(jìn)行編碼，移動(dòng)終端接收到來(lái)自各個(gè)LED光源的光信號(hào)的混合信號(hào)，由于CDMA擴(kuò)頻編碼具有正交性，可恢復(fù)出各LED光源的信息以及對(duì)應(yīng)光信號(hào)的衰減，根據(jù)ID信息和其衰減大小，利用三角定位算法即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的精確定位。比起傳統(tǒng)的可見(jiàn)光通信定位技術(shù)不僅大大提高了定位的精度，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單且不需要同步發(fā)射，大大提高了系統(tǒng)的性能。具有廣闊的應(yīng)用前景。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：1、本實(shí)用新型創(chuàng)新性地將CDMA調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于VLC系統(tǒng)中，在不增加器件帶寬的前提下，成倍地提高了無(wú)線通信的速率與質(zhì)量。2、本實(shí)用新型針對(duì)定位系統(tǒng)中由于存在多個(gè)參考點(diǎn)而帶來(lái)的多徑效應(yīng)的問(wèn)題，創(chuàng)新性地實(shí)用光正交碼，可以實(shí)現(xiàn)在時(shí)域與頻域均重疊的信號(hào)分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了碼分復(fù)用，克服了由于碼間干擾所帶來(lái)的定位誤差。3、本實(shí)用新型通過(guò)創(chuàng)新性地使用CDMA調(diào)制技術(shù)與RSS三角定位法相結(jié)合，與傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)相比，不僅實(shí)現(xiàn)了高精度的定位技術(shù)，而且不需要同步發(fā)射，大大增加了VLC定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。附圖說(shuō)明圖1為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信定位的示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信室內(nèi)定位系統(tǒng)原理 框圖。圖3為本實(shí)用新型直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的VLC定位系統(tǒng)原理框圖。圖5為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)三角定位算法的原理示意圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例自適應(yīng)濾波器原理框圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1如圖1所示，一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信定位算法的系統(tǒng)模型。根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境的需求布置m個(gè)LED燈具，其中，m為正整數(shù)，且m≥4；以每4個(gè)LED燈具作為一個(gè)定位的位置單元。在地面，由3個(gè)相同的光電二極管以邊長(zhǎng)為0.01m的等邊三角形組成光電檢測(cè)器件。如圖2所示，原始的ID信息經(jīng)過(guò)OOK基帶調(diào)制模塊后，形成基帶調(diào)制信號(hào)；所述基帶調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)CDMA擴(kuò)頻模塊后形成擴(kuò)頻信號(hào)；所述擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射可見(jiàn)光ID信號(hào)；所述可見(jiàn)光ID信號(hào)經(jīng)過(guò)自由空間到達(dá)光電檢測(cè)器件；所述光電檢測(cè)器件將可見(jiàn)光ID信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；所述電信號(hào)再依次經(jīng)過(guò)放大電路、自適應(yīng)濾波電路和CDMA解擴(kuò)模塊最終獲得ID信號(hào)以及空間傳播時(shí)信號(hào)的衰減；根據(jù)所述ID信號(hào)，可以初步 判斷所在位置的區(qū)域，并根據(jù)信號(hào)的衰減大小，實(shí)現(xiàn)精確的位置定位。所述CDMA擴(kuò)頻與解擴(kuò)原理如圖3所示，其中本實(shí)施案例中采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。如圖4所示，為本實(shí)用新型中，實(shí)現(xiàn)基于CDMA調(diào)制的VLC定位系統(tǒng)原理框圖。三個(gè)LED燈具分布輸入不同的ID信息，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的CDMA擴(kuò)頻處理后，實(shí)現(xiàn)了基于CDMA的VLC三角定位算法。Data1包括每個(gè)LED獨(dú)特的ID信號(hào)和需要傳播的信號(hào)。每個(gè)LED的Data1通過(guò)與特定的擴(kuò)頻碼相乘。本實(shí)施案例中使用的擴(kuò)頻碼為Walsh碼。一個(gè)長(zhǎng)度為2n、具有2n個(gè)元素的Walsh碼可以通過(guò)哈達(dá)瑪矩陣(Hadamardmatrix)產(chǎn)生，如公式Hn=Hn-1Hn-1Hn-1Hn-1‾---(4)]]>經(jīng)過(guò)DS-CDMA編碼后的信號(hào)，通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路，控制LED的發(fā)光亮度，以同一個(gè)通信信道傳輸?shù)絇D上，接收到的混合信號(hào)如式所示。r(t)=Σi=1∞Σk=1KAkbk(i)Sk(t-iTb)+δn(t)t∈[iTb,(i+1)Tb]---(5)]]>其中，Ak表示第k個(gè)LED的信號(hào)強(qiáng)度，bk(i)為第k個(gè)LED傳輸?shù)男盘?hào)序列，Tb為信息符號(hào)間隔，Sk(t)是歸一化特征波形。第i個(gè)信息符號(hào)間隔內(nèi)第k個(gè)自適應(yīng)濾波器的輸出為：yk(i)＝Akbk(i)+∑Ajbj(i)ρjk+nk(6)其中，ρjk是第k個(gè)和第j個(gè)用戶特征波形的互相關(guān)，定義為：ρjk=∫0TbSk(t)Sj(t)dt---(7)]]>由于Walsh碼的完全正交性，即ρjk＝0，每個(gè)LED的信息經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的匹 配濾波器后，得到對(duì)應(yīng)的ID信號(hào)和空間傳播時(shí)，信號(hào)的衰減。根據(jù)ID信號(hào)，可以初步判斷所在位置的區(qū)域，并根據(jù)信號(hào)的衰減大小H(0)，精確定位出位置。如圖5所示，為RSS三角定位算法的原理示意圖。ID信息確定定位的位置區(qū)域，即定位單元；根據(jù)接收光信號(hào)的衰減可以獲得光電二極管與每個(gè)LED燈具之間的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的位置定位。一般商用的白光LED為熒光粉LED，由于熒光粉的響應(yīng)延遲從而導(dǎo)致器件帶寬一般只有幾MHZ。當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率比較高時(shí)，LED帶寬的限制增加，進(jìn)而使對(duì)一個(gè)信號(hào)的影響擴(kuò)展到相鄰信號(hào)上，即產(chǎn)生碼間干擾，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率大大提升，故此VLC數(shù)據(jù)傳輸速率受到了大大的限制，可以通過(guò)信道的均衡處理來(lái)提高系統(tǒng)的帶寬；與此同時(shí)，信道的隨機(jī)性和隨機(jī)性以及系統(tǒng)中電路噪聲、相移等也會(huì)大大影響定位的質(zhì)量以及精度；進(jìn)一步地，在多址接入系統(tǒng)中，由于多徑衰落導(dǎo)致各用戶地址碼的不完全正交性從而產(chǎn)生多用戶的干擾(即多址干擾)，可以通過(guò)后均衡處理技術(shù)來(lái)解決。因此，本項(xiàng)目擬通過(guò)使用DSP信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波器算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)均衡信道，抵消回波，增強(qiáng)譜線，抑制信道噪聲等功能。如圖6所示，擬采用FIR橫向型濾波器。通過(guò)最小均方誤差(LeastMeanSquare,LMS)算法來(lái)調(diào)整濾波器系數(shù)從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)信號(hào)的變化來(lái)時(shí)刻調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)。從而解決了器件帶寬以及多用戶干擾等對(duì)定位精度影響的問(wèn)題。上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍之。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3