一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法和系统与流程

本发明涉及可见光通信技术，特别涉及一种基于cdma调制的室内可见光异步定位方法和系统。

背景技术：

目前，全球定位系统作为一种精确定位的导航系统，在各领域均得到了广泛应用，如交通、测绘等行业。其应用在室外定位时可展现高精度、高效益的工作，但对于室内定位，由于无线电磁干扰等，在一定程度上影响了其定位质量，使之应用产生了一定的限制。

近年来，基于可见光通信(visiblelightcommunication，vlc)的室内定位系统快速发展，随着智能手机与平板电脑的兴起，vlc室内定位技术的实现具有了更大的可能，其具有高保密性、抗干扰能力强、通信质量好、兼顾通信与照明等优点。可见光的定位方法是基于vlc的室内定位技术，通过将人眼识别不到的高频信号加载到led灯具上，来传输定位相关的信息。vlc定位技术可以利用摄像头作为接入端，通过运行相应的软件，捕捉led灯具的信号，实现接收端的定位。但是，用于定位的传统vlc算法如到达时间法、到达时间差法、到达信号角度法等需要接收端与发射端设备时钟的严格同步，从而需要智能设备不断分析捕获的视频信号，导致智能设备的高功耗，将缩短电池寿命，且成本较高。虽然另外的定位算法如接收信号强度法(receivedsignalstrength,rss)不需要其时钟同步，但在现今的多种vlc定位算法中，传统的rss三角定位算法由于多径效应导致的码间干扰，使定位的精度得不到有效的保障。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提出了一种基于cdma调制的室内可见光异步定位方法，将发送端的led灯具发出的可见光id信号利用cdma调制技术，经设计过的pn码序列进行相应的扩频处理，在接收端通过相同的pn码，对接收信号进行解扩，从而实现异步接收的室内可见光通信定位技术。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于cdma调制的室内可见光异步定位方法，其包括以下步骤：

步骤1、对led灯具的原始id信息进行ook调制，形成基带调制信号；

步骤2、采用扩频码对所述基带调制信号进行扩频，获得扩频信号；

步骤3、所述扩频信号经led驱动电路驱动位于室内天花板的led灯具发出可见光信号；

步骤4、智能设备通过摄像头捕捉所述可见光信号，光信号通过光电转换器转变为电信号；

步骤5、通过解扩及信息解调获得led灯具的原始id信息，结合rss三角定位算法，最终得出接收端精准的位置坐标。

进一步地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21、所述扩频码由pn码序列组成；

步骤22、给led灯具分配设定的pn码序列，任意相邻的两个灯具的pn码序列接近无关，至少需要5个不同的扩频码，以区分相邻的led灯具；

步骤23、每个led的原始id信息与pn码序列相乘得到扩频信号，通过扩频码序列对信号的调制实现频谱扩展，原始id信息被扩展到较宽的频带；每个led灯可在时间周期内传送特殊的id信息，实现异步多址通信。

进一步地，所述步骤5包括以下步骤：

步骤51、接收端产生与发送端一致的pn码序列，对电信号进行解扩；

步骤52、对解扩信号进行信息解调，恢复出原始id信息，得到接收信号强度；

步骤53、通过rss三角定位算法，经计算得到接收端与发送端的距离，以三个led灯具为基本单位，可得出接收端的位置坐标。

进一步地，所述步骤5中的rss三角定位算法计算包括以下步骤：

步骤51、测量出发送端到接收端的距离di、辐射角和入射角ψi，接收端到天花板的距离h以及接收端的面积ar；

步骤52、发送端和接收端的信道增益hi可表示为：

其中，m表示朗伯发光阶数，可表示为是led灯具的半功率角，ψc是接收端的视场角；

步骤53、假设接收面垂直向上，则故(1)式可化为：

其中ri

为接收端到发送端的距离；

步骤54、假设发射led装置的信号为si(t)，则该接收信号强度r(t)可以表示为：

其中，n(t)为高斯噪声；hi为(2)式所指的信道增益，下标i＝1,2,3,4，分别代表四个led灯具tx1，tx2，tx3，tx4；

测量出接收端信号强度r，求得信号增益h，接收端到发送端的距离r使用h的反函数hi^-1计算；

如果得到2个以上的r，则接收装置rx的定位位置能随后使用三边测量法估计，rx应在三盏led灯具所作圆的交叉位置，从而得出精确坐标。

实现所述定位方法的基于cdma调制的室内可见光异步定位系统，包括信号发射部分、和移动端信号接收部分，其特征在于：所述信号发射部分包括信号调制模块、cdma扩频码发生器、扩频码调制器、led灯具；所述移动端信号接收部分包括移动接收设备、放大整形电路和cdma解扩模块。

进一步地，所述信号调制模块将原始id信息进行ook调制，形成基带调制信号；所述cdma扩频码发生器产生本地pn码序列，发送给扩频码调制器；所述扩频码调制器接收扩频码，并与含有led灯具位置信息的基带调制信号相乘，使其频带得以扩展，得到扩频调制信号。

进一步地，所述led灯具置于室内led照明系统，所需灯具至少四个；使led灯具均匀排布在室内空间；取其中四个led灯具作为一个基本的定位单元，通过配置每个相邻的led灯具不同的pn码序列，实现多址通信；所述led灯具通过led驱动电路与扩频码调制器相连，发出相应的可见光信号。

进一步地，所述移动接收设备通过摄像头捕捉可见光信号，并使用光电信号转换器，分别将不同的光探测器输出转换为电信号，传送给放大整形电路；所述放大整形电路，用于放大、调整电信号并传送给cdma解扩模块。

进一步地，所述cdma解扩模块包括扩频码发生器、扩频码解调器；所述扩频码发生器通过同步电路捕捉led灯具所发射的pn码的准确相位，调整本地pn码的相位，产生与发送端相位一致的pn码，作为解扩用的本地pn码；所述扩频码解调器接收本地pn码，并鉴定识别放大整形电路所传送的电信号，还原出原始id信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明将cdma调制技术应用于vlc系统中，在不增加器件带宽的前提下，成倍地提高了无线通信的速率与质量。

(2)使用cdma的扩频码来进行id信号的区分，实现了码分复用，提高了信息的传输效率，减小了干扰。

附图说明

图1为实例中基于cdma调制的室内可见光异步定位方法的示意图。

图2为实例中实现cdma调制的原理图。

图3为实例中led灯具的分布原理图。

图4为实例中led灯具的扩频编码原理图。

图5为实例中实现三角定位算法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于cdma调制的可见光异步定位方法的模型。对于室内led照明系统，使大于4个的led灯均匀排布在室内天花板长方形的方格内。取其中4个led灯具作为一个基本的定位单元，分别标识为tx1、tx2、tx3和tx4。在地面，布置装备有光电检测器件的智能设备rx。

进一步实施地，如图2所示，为实现cdma调制，采用直接扩频技术，原始id信息通过ook调制后变成了带宽为b1的信号，再由pn码调制成带宽为b2的宽带信号，然后通过驱动电路驱动led发出可见光信号。接收端用光电检测器件接收后，通过一系列的滤波放大处理，再通过同步电路捕捉发送的pn码的准确相位，由此产生与发送端相位一致的pn码，作为解扩用的本地信号，以准确恢复成获取原始id信息。

进一步实施地，为了在密集的led灯具排布中区分不同的扩频码，led灯具按照图3所示排列，至少需要5个不同的扩频码用来配备led灯具，减少干扰且易于进行rss三角算法的计算，每个相邻的led灯具的扩频码不尽相同。

如图4所示，通过配置每个led灯具互不相同的扩频码，从而区分邻近led灯中不同的id信号。有三个分别标记为txl、tx2和tx3的led灯和一个移动设备接收灯rx，发射装置tx1、tx2和tx3的定位id信息是根据扩频码生成的，rx光源检测信号的强度取决于它的位置，因此可以实现在频域与时域的信号分离。

如图5所示，为三角定位算法的原理示意图。id信息确定定位的位置区域，即定位单元；根据接收光信号的衰减可以获得光电检测器件rx与每个led灯具之间的距离，进而实现精确的位置定位。

假设led为朗伯点光源，则txi和rxi的信道增益hi可表示为：

其中，是led灯具的半功率角，

di是txi到rxi的距离，ar是光电检测器件的面积，和ψi分别是txi和rxi的辐射角和入射角，ψc是rx的视场角。下标i＝1,2,3,4，分别代表tx1，tx2，tx3，tx4。

假设接收面垂直向上，rx到天花板的高度是h，则故上式可化为：

假设发射led装置txi信号为si(t)，则该接收信号r(t)可以表示为：

其中，n(t)为高斯噪声，hi为(2)式所指的信道增益，下标i＝1,2,3,4，分别代表tx1，tx2，tx3，tx4。

因此，基于以上分析，如果h已知，则接收端到发送端的距离r可以使用hi^-1计算。

如果所有安装在天花板上的led灯都有相同的发射角和发射功率，那么它们的信道增益h和接收强度r可以使用相同的表示方式。通过测量不同的led灯的接收到的光功率，则可以计算出不同的r。如果得到2个以上的r，则接收装置的定位位置可以随后使用三边测量法估计，显然，未知位置的目标应该定位在tx1、tx2和tx3的所作圆的交叉位置。

上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之。