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)光通信三維定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，室內(nèi)定位系統(tǒng)(Indoor Positioning Systems,IPS)成為最熱門的話題，該技術(shù)有利于人類以及智能機(jī)器人的室內(nèi)服務(wù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┪恢眯畔⒁约巴扑拖鄳?yīng)的服務(wù)信息。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,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)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而由于多徑衰落、電磁屏蔽效應(yīng)以及其他無(wú)線設(shè)備的干擾使得GPS等傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)在室內(nèi)的信號(hào)覆蓋率較差，用于室內(nèi)定位存在較大定位誤差。故此，近年來(lái)，誕生了許多基于無(wú)線電磁波的室內(nèi)定位技術(shù)，如：ZigBee、WiFi、RFID、藍(lán)牙、紅外定位等，這些方法提供了幾米到幾十厘米的定位精度。然而，這些定位系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)：(i)需要重新配置較多的信號(hào)接入點(diǎn)，增加了室內(nèi)定位系統(tǒng)的成本以及控制的難度；(ii)由于無(wú)線信號(hào)的空間分布不均勻，且穩(wěn)定性不高，在同一點(diǎn)定位位置點(diǎn)上波動(dòng)性較強(qiáng)，進(jìn)而限制了定位的精度；(iii)這些無(wú)線定位技術(shù)均會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，一方面會(huì)受到其他無(wú)線服務(wù)的影響進(jìn)而影響了定位的質(zhì)量，另一方面對(duì)于類似于醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等電磁敏感的場(chǎng)合并不適用。

與上述的室內(nèi)定位技術(shù)不同，可見(jiàn)光室內(nèi)定位技術(shù)是一種基于可見(jiàn)光通信技術(shù)(visible light communication,VLC)的室內(nèi)定位技術(shù)，與傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)相比具有定位精度高、無(wú)電磁干擾、附加模塊少、保密性好、兼顧通信與照明等優(yōu)點(diǎn)，已引起國(guó)際上許多專家學(xué)者的關(guān)注。現(xiàn)有的VLC定位算法大致可以分為三類：場(chǎng)景分析法(scene analysis)、鄰近法(proximity)、三角定位法(triangulation algorithm)。場(chǎng)景分析法是指通過(guò)將測(cè)量信息與預(yù)先校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配的一種定位算法，省去了計(jì)算的過(guò)程。然而需要進(jìn)行精確的預(yù)校準(zhǔn)，不可立即運(yùn)用于一個(gè)新的環(huán)境設(shè)施里面。鄰近法則依靠一個(gè)具有多個(gè)參考點(diǎn)的網(wǎng)格，每個(gè)格點(diǎn)都有一個(gè)已知的位置，因而定位的精度不會(huì)超過(guò)網(wǎng)格本身的分辨率。

三角定位法是使用三角形的幾何性質(zhì)來(lái)進(jìn)行位置估計(jì)的算法，它主要分為兩種：角度法和多邊法。角度法指測(cè)量接收端相對(duì)于若干個(gè)定位參考點(diǎn)的到達(dá)角(angle of arrival,AOA)，通過(guò)尋找方向線的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)位置的估算。角度法本質(zhì)上為成像定位技術(shù)，通過(guò)攝像頭來(lái)捕獲接收視場(chǎng)角(field of view,FOV)。而多邊法則是通過(guò)測(cè)量接收端與不同定位參考點(diǎn)LED光源之間的水平投影距離進(jìn)而估算出接收端的具體坐標(biāo)值。定位的距離檢測(cè)一般可通過(guò)到達(dá)時(shí)間(time-of-arrival,TOA)、到達(dá)時(shí)間差(time-difference-of-arrival,TDOA)或接收信號(hào)強(qiáng)度(Received signal strength,RSS)等方式。其中RSS算法通過(guò)測(cè)量可見(jiàn)光信號(hào)在空間傳遞過(guò)程中的衰減因子即可檢測(cè)定位的距離，并不像TOA或TDOA算法中要求發(fā)射端和接收端具有嚴(yán)格的同步時(shí)鐘周期，控制簡(jiǎn)單且具有更高的定位精度。進(jìn)一步地，一般使用三角定位算法通過(guò)基于強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)技術(shù)(Intensity Modulationand Direct Detection,IM/DD)的接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估算定位的距離時(shí)，至少需要知道三個(gè)不同參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)，而不同參考點(diǎn)信源所發(fā)出的ID位置信息在時(shí)域和頻域上一般是重疊的，且會(huì)由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生碼間干擾，進(jìn)而大大限制了VLC定位的精度。為了克服碼間干擾，進(jìn)一步提高定位的精度，Kim Hyun-Seung等采用載波分配技術(shù)，但由于發(fā)射端和接收端不隨頻率穩(wěn)定變化，因而需要額外的補(bǔ)償算法；Yang Se-Hoon等分別采用時(shí)隙分配技術(shù)和波長(zhǎng)分配技術(shù)來(lái)克服碼間干擾的影響，卻需要發(fā)射端和接收端有嚴(yán)格的同步以及需要光學(xué)濾波器或多個(gè)接收器分集接收；這些方法都大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型的目的在于提出了一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信三維定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，定位精度高。

一種基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信三維定位系統(tǒng)，包括定位信息發(fā)射子系統(tǒng)、定位信息傳輸子系統(tǒng)和定位終端接收子系統(tǒng)；所述定位信息發(fā)射子系統(tǒng)具有OOK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED燈具；所述定位信息傳輸子系統(tǒng)為室內(nèi)定位空間；所述定位終端接收子系統(tǒng)具有光電檢測(cè)器件、放大濾波處理模塊、CDMA解擴(kuò)模塊；所述OOK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED燈具依次連接；所述光電檢測(cè)器件、放大濾波處理模塊和CDMA解擴(kuò)模塊依次連接。

進(jìn)一步地，與三維物理坐標(biāo)相關(guān)的LED燈具的ID位置信息經(jīng)過(guò)所述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)CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊進(jìn)行擴(kuò)頻處理后形成擴(kuò)頻信號(hào)；所述擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射可見(jiàn)光信號(hào)；所述可見(jiàn)光信號(hào)通過(guò)室內(nèi)定位空間后由光電檢測(cè)器件所捕獲；所述光電檢測(cè)器件將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大濾波處理后形成解擴(kuò)前的信號(hào)；所述解擴(kuò)前的信號(hào)經(jīng)過(guò)CDMA解擴(kuò)模塊獲得經(jīng)過(guò)傳輸?shù)腎D位置信息；根據(jù)對(duì)ID位置信息的內(nèi)容，確定定位的位置區(qū)域以及光強(qiáng)衰減因子，通過(guò)光強(qiáng)的衰減因子獲得定位位置區(qū)域內(nèi)接收端與各LED參考點(diǎn)之間的距離，根據(jù)三角定位法進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位終端位置坐標(biāo)的確定。

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，無(wú)線通信的速率與質(zhì)量可成倍提高而不增加器件的帶寬。

(2)針對(duì)定位系統(tǒng)中多個(gè)參考點(diǎn)的存在而帶來(lái)的多徑效應(yīng)的問(wèn)題，本實(shí)用新型創(chuàng)新性地使用光正交碼，可以分離時(shí)域與頻域均重疊的信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了碼分復(fù)用，可克服由于碼間干擾所帶來(lái)的定位誤差。

(3)本實(shí)用新型創(chuàng)新性地將CDMA調(diào)制技術(shù)與三角定位法相結(jié)合，與傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)相比，不僅可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位，而且由于不需要同步發(fā)射從而大大增加了VLC定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)例中實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光通信定位的示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的系統(tǒng)框圖。

圖3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。

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，為一種基于CDMA調(diào)制的RSS三維定位算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)可見(jiàn)光通信定位的系統(tǒng)示意圖。本實(shí)施例中，在這個(gè)L*W*H(單位：m)的系統(tǒng)空間模型的天花板的四個(gè)端點(diǎn)處設(shè)置四個(gè)LED燈具作為一個(gè)定位的位置單元，如圖1所示的LED A、LED B、LED C、LED D。在距離地面h的水平面上，三個(gè)相同的光電二極管分別位于邊長(zhǎng)為0.01m的等邊三角形的三個(gè)頂角組成光電檢測(cè)器件。

如圖2，基于CDMA調(diào)制的可見(jiàn)光通信三維定位系統(tǒng)，包括定位信息發(fā)射子系統(tǒng)、定位信息傳輸子系統(tǒng)和定位終端接收子系統(tǒng)；所述定位信息發(fā)射子系統(tǒng)具有OOK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED燈具；所述定位信息傳輸子系統(tǒng)為室內(nèi)定位空間；所述定位終端接收子系統(tǒng)具有光電檢測(cè)器件、放大濾波處理模塊、CDMA解擴(kuò)模塊；所述OOK基帶調(diào)制模塊、CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED燈具依次連接；所述光電檢測(cè)器件、放大濾波處理模塊和CDMA解擴(kuò)模塊依次連接；與三維物理坐標(biāo)相關(guān)的LED燈具的ID位置信息經(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)CDMA擴(kuò)頻調(diào)制模塊進(jìn)行擴(kuò)頻處理后形成擴(kuò)頻信號(hào)；所述擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射可見(jiàn)光信號(hào)；所述可見(jiàn)光信號(hào)通過(guò)室內(nèi)定位空間后由光電檢測(cè)器件所捕獲；所述光電檢測(cè)器件將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大濾波處理后形成解擴(kuò)前的信號(hào)；所述解擴(kuò)前的信號(hào)經(jīng)過(guò)CDMA解擴(kuò)模塊獲得經(jīng)過(guò)傳輸?shù)腎D位置信息；根據(jù)對(duì)ID位置信息的內(nèi)容的具體分析，確定定位的位置區(qū)域以及光強(qiáng)衰減因子，結(jié)合所述三角定位法獲得定位區(qū)域內(nèi)定位終端的三維位置坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位終端位置坐標(biāo)的確定。

作為舉例，本實(shí)用新型的三角定位法可以采用現(xiàn)有的RSS三角定位法，具體如下：

將其中的三個(gè)LED燈具自身的ID位置信息通過(guò)OOK基帶調(diào)制模塊進(jìn)行基帶調(diào)制，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)頻模塊的擴(kuò)頻操作后形成擴(kuò)頻信號(hào)。擴(kuò)頻操作主要分為擴(kuò)頻和加擾兩步，首先采用擴(kuò)頻碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻，再將擾碼加載到擴(kuò)頻后的信號(hào)中。本實(shí)施案例中采用m序列作為信道的編碼，Walsh碼作為地址編碼。該長(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(Hadamard matrix)產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)DS-CDMA編碼后，所述擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)LED驅(qū)動(dòng)電路分別驅(qū)動(dòng)LED燈具發(fā)射可見(jiàn)光ID信號(hào)，這些可見(jiàn)光ID信號(hào)中包含有各自LED燈具的ID位置信息；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)濾波電路進(jìn)行放大濾波處理。由于Walsh碼的完全正交性，經(jīng)過(guò)抽樣判決后，每個(gè)LED燈具的信息經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的匹配自適應(yīng)濾波器后，最后由CDMA解擴(kuò)模塊的處理而得到對(duì)應(yīng)的ID位置信號(hào)和空間傳播時(shí)信號(hào)的光強(qiáng)衰減因子。

進(jìn)一步地，再利用所述的RSS三角定位迭代算法進(jìn)行處理，其大體上包括以下兩步：通過(guò)使用LED燈具發(fā)送的ID位置信息來(lái)假設(shè)高度以及高度的補(bǔ)償部分，再使用二維定位算法實(shí)現(xiàn)在XY平面的定位，進(jìn)而通過(guò)迭代算法實(shí)現(xiàn)接收端即光電檢測(cè)器件的三維位置坐標(biāo)的確定。其中RSS三角定位迭代算法詳細(xì)的說(shuō)明如下：對(duì)于室內(nèi)VLC定位系統(tǒng)，主要考慮直射視距鏈路，因?yàn)楣庑盘?hào)從LED燈具到定位終端的光電檢測(cè)器件的信道增益可表示為：

其中θ為L(zhǎng)ED的發(fā)射角；為光電檢測(cè)器件的入射角；A為光電檢測(cè)器件的有效面積,d為L(zhǎng)ED燈具到定位終端間的距離,θ_c為定位終端的視場(chǎng)角,T_s(θ)為光學(xué)濾波器的增益,G(θ)為光學(xué)透鏡的增益,m_t和m_r均為朗伯階數(shù)。

由公式(1)可得定位單元中第i個(gè)LED與定位終端間距離為：

其中，

當(dāng)考慮定位終端水平放置時(shí)，有其中，(H-h)為L(zhǎng)ED與定位終端間的垂直距離，H為定位單元的高度，故此公式(2)可以表示為：

通過(guò)光強(qiáng)衰減因子的檢測(cè)可以獲得H(0)_i，通過(guò)定位高度的判決算法可以獲得h也即為定位終端的z軸坐標(biāo)z_e。進(jìn)而可以獲得定位單元中第i個(gè)LED與定位終端間距離d_i。根據(jù)勾股定理，可獲得定位單元中第i個(gè)LED與定位終端間的水平投影距離d_i,x,y

根據(jù)定位區(qū)域內(nèi)LEDA、LEDB、LEDC三盞LED燈具，運(yùn)用三角定位法，可以獲得定位終端的位置坐標(biāo)(x_e,y_e)

其中，[x_A，x_B，x_C]和[y_A，y_B，y_C]分別為L(zhǎng)EDA、LEDB、LEDC三盞LED燈具的x和y物理坐標(biāo)。最終可獲得定位終端的三維坐標(biāo)(x_e,y_e,z_e)

RSS三角迭代算法以及所述ID位置信號(hào)，可以初步判斷光電檢測(cè)器件所在位置的區(qū)域，即定位單元；根據(jù)接收信號(hào)的光強(qiáng)衰減因子的大小，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)位置的精確定位。

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。