一种基于PN扩频码的室内可见光定位方法与流程

本发明涉及一种基于pn扩频码的室内可见光定位方法，属于可见光定位技术领域。

背景技术：

与传统的室内定位技术不同，可见光室内定位技术是一种基于可见光通信技术的室内定位技术，这种技术与传统室内定位技术相比具有定位精度高、无电磁干扰、附加模块少、保密性好、兼顾通信与照明等优点，已引起国际上许多专家学者的关注。

基于可见光通信的室内定位算法中，定位的参考点为led点光源，而定位目标为光电检测器件，定位的距离检测一般通过接收信号强度(rss)，到达时间(toa)或到达时间差(tdoa)等方式。其中rss算法通过测量可见光信号在空间传递过程中的衰减因子即可检测定位的距离，并不像toa或tdoa算法中要求发射端和接收端具有严格的同步时钟周期，控制简单且具有更高的定位精度。进一步地，一般使用三角定位算法(triangulationalgorithm)通过基于强度调制和直接检测技术(im/dd)的接收信号强度来估算定位的距离时，至少需要知道三个参考节点的位置，而不同参考点信源所发出的信号在时域和频域上一般是重叠的，为了区分不同信源发出的信号，传统的可见光室内定位方法是通过调节不同光源的频率，但这种方法却有着诸多缺点：其用途较为单一，只能作为定位系统用，且携带信息少，不具有灵活性、多样性，同时系统的可扩展性较差。为了进一步提高定位的精度，kimhyun-seung等采用载波分配技术，但由于发射端和接收端不随频率稳定变化，因而需要额外的补偿算法；yangse-hoon等分别采用时隙分配技术和波长分配技术来克服码间干扰的影响，却需要发射端和接收端有严格的同步以及需要光学滤波器或多个接收器分集接收；这些方法都大大增加了系统的复杂程度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于pn扩频码的室内可见光定位方法，利用数据帧结构传输伪随机码(pn码)，在接收端接收数据帧并利用伪随机码的正交性准确区分不同的光源，从而实现室内可见光的精确定位。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于pn扩频码的室内可见光定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在发送端生成用于发送信息的数据帧信号，所述数据帧包括前导码、帧头、帧头校验序列、可选字段、数据单元；

步骤2，采用移位寄存器产生pn码，并将pn码插入帧头的保留字段中，同时在pn码字段后面插入光源数量字段；将通信数据插入数据单元的介质访问控制头和帧校验序列之间，得到新的数据帧信号，新的数据帧信号经过led驱动电路后形成可见光信号并发送出去；

步骤3，在接收端可见光信号由光电检测器件转化为电信号后，经过放大电路和自适应滤波器处理，得到处理后的信号；

步骤4，从处理后的信号中提取出pn码，并根据pn码判断其光束对应的光源，从而获得该光源的光强，利用光强与距离的公式获得接收机与光源的距离，再根据rss算法，得到接收机的位置，实现定位。

作为上述方案的一种优选方案，步骤2所述将pn码插入帧头的保留字段中，同时在插入位置设置标识位，标记从该标识位开始插入pn码。

作为上述方案的一种优选方案，步骤4所述从处理后的信号中提取出pn码具体为：根据标识位找到插入的pn码并提取出来。

一种基于pn扩频码的室内可见光定位方法，包括如下步骤：

步骤1，在发送端生成用于发送信息的数据帧信号，所述数据帧包括前导码、帧头、帧头校验序列、可选字段、数据单元；

步骤2，采用移位寄存器产生pn码，利用pn码对通信数据进行扩频，并将扩频后的通信数据插入数据单元的介质访问控制头和帧校验序列之间，得到新的数据帧信号，新的数据帧信号经过led驱动电路后形成可见光信号并发送出去；

步骤3，在接收端可见光信号由光电检测器件转化为电信号后，经过放大电路和自适应滤波器处理，得到处理后的信号；

步骤4，从处理后的信号中提取出扩频后的通信数据，并利用解扩器进行解扩，得到通信数据和pn码，根据pn码判断其光束对应的光源，从而获得该光源的光强，利用光强与距离的公式获得接收机与光源的距离，再根据rss算法，得到接收机的位置，实现定位。

作为上述方案的一种优选方案，步骤2所述将扩频后的通信数据插入数据单元的介质访问控制头和帧校验序列之间，同时在插入位置设置标识位，标记从该标识位开始插入扩频后的通信数据。

作为上述方案的一种优选方案，步骤4所述从处理后的信号中提取出扩频后的通信数据具体为：根据标识位找到插入的扩频后的通信数据并提取出来。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明方法针对发送的二进制码流进行了调制，利用正交性较好的pn码，代替传统的对灯的频率调制，从而不需要对发射端发射的信息进行同步发射的处理，大大简化了系统控制的复杂程度。

2、本发明方法很大程度上克服了码间串扰，解决了因码间串扰造成的误码率高以及不同光束很难区分的问题，提高了系统性能和定位精度。

附图说明

图1是本发明实施例一系统发射与接收的原理框图。

图2是本发明实施例一所用数据帧结构示意图。

图3是本发明实施例二系统发射与接收的原理框图。

图4是本发明实施例二所用数据帧结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的思路是对现有的可见光室内定位技术进行改进，对发送的数据帧进行处理，利用正交性良好的pn码，接收端经自适应滤波器分辨出各led的pn码和对应的信号强度，根据衰减的大小确定定位点的距离，再利用三角定位(rss)算法即可实现接收机的精确定位。在克服了码间干扰的同时，不需要对发射端发射的信息进行同步发射的处理，大大简化了系统控制的复杂程度，提升了定位的精度。

pn码主要是指m序列，其有诸多优点：首先，均衡性好，游程分布具有规律性，具有移位相加特性，即一个m序列mp与其经过任意次延迟移位产生的另一个不同序列mr模2相加，得到的仍是mp的某次延迟移位序列ms；其次，其自相关函数具有周期性，且是偶函数，这都有利于我们之后的研究，而且因为pn码有着良好的正交性，所以可以用来区分不同的光源发来的信号，同时可以在帧结构中携带大量信息，不仅可以定位，还能实现通信的功能，且具有灵活性，多样性，系统的扩展性好。

实施例一发射与接收原理框图如图1所示。本方案具体采用如下方法：

在室内可见光定位系统的发送端，对发送的二进制码流(即数据帧)进行以下处理：根据移位寄存器产生pn码，该移位寄存器的级数尽量的高，从而产生较长的pn码序列，将产生的pn码序列插入到数据帧中，我们将插入的位置固定在数据帧结构的帧头中的保留字段处，其不会对数据帧中间的信息进行干扰，而且这种方法充分利用了帧结构的存储空间，不会造成不必要的浪费，提高系统整体的性能。并在插入的位置设置一个标识位，标记从此位置插入pn序列，以方便接收读取，从而得到最终的数据帧结构。

在室内可见光定位系统的接收端，对于接收到的信号进行如下处理：在接收端接收到传输的数据帧后，通过标志位找到我们插入的pn序列，因为pn码的正交性，保证了其受到的码间干扰很小，我们通过比较之前插入的pn码确定其是来自哪个灯的光束，从而可以得到来自某个灯的光强，根据光强与距离的关系公式，再根据rss算法，得到目标位置，从而实现精确定位。

如图2所示，为本实施例所用的数据帧结构示意图，我们选择固定的位置插入准备好的pn码，不同光源采用互相正交的pn码，在帧头的保留字段中插入pn码和光源数量字段，pn码用来区分不同光源，光源数量字段用来判定房间中的光源数量。

实施例二的发射与接受原理图如图3所示，具体采用如下方法：

在室内可见光定位系统的发送端，对发送的信息进行以下处理：根据移位寄存器产生pn码，该移位寄存器的级数尽量的高，从而产生较长的pn码序列，利用产生的pn码对通信数据进行扩频，得到扩频后的信息。将扩频后的通信信息插入到数据帧的数据单元字段，构成新的数据帧结构，利用驱动电路和led灯发送进入信道。

在室内可见光定位系统的接收端，对于接收到的信号进行如下处理：在接收端接收到传输的数据帧后，通过标志位找到我们插入的通信信息，利用解扩器解扩，得到通信信息和pn码，再根据数据库查找对应的pn码所对应的光源，从而可以得到来自某个灯的光强，根据光强与距离的关系公式，再根据rss算法，得到目标位置，从而实现精确定位。

如图4所示，为本实施例所用的数据帧结构示意图，不同光源采用互相正交的pn码，利用pn码对通信数据进行扩频处理，我们将扩频后的通信信息插入到数据单元字段，构成新的数据帧结构，随着光信号一起发出。

接收端的光电检测器件通过强度调制和直接检测技术(im/dd)来接收定位的光信号，通过检测pn码信息来确定该光束来自哪个灯，从而获得来自每盏灯的光强，然后根据光强与距离之间的关系公式可以计算出接收端到三个灯之间的距离，然后使用三角定位算法即可实现对接收端的精确定位。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。