室内可见光通信定位技术的研究

摘  要：由于室内定位在人们的日常生活中存在着巨大的需求，室内定位已成为当前的研究热点，而传统的Wi-Fi、RFID、蓝牙等定位技术都会受到多径效应或者电磁干扰等因素的影响，很难实现精确定位。本文主要研究室内可见光通信系统中的定位技术，比较几种常见的可见光定位方法，提出一种可见光定位方法，使其能够满足室内通信的基本需求，可以广泛应用于超市、大型购物中心等类似场合。

关键词：室内可见光定位;定位精度;接收信号强度定位

中图分类号：TN929.1       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）22-0065-03

Abstract：Due to the huge demand of indoor positioning in people’s daily life，indoor positioning has become the current research hotspot. However，traditional positioning technologies such as Wi-Fi，RFID，Bluetooth，etc. are affected by multi-path effect or electromagnetic interference，so it is difficult to achieve accurate positioning. This paper mainly studies the positioning technology in the indoor visible light communication system，compares several common visible light positioning methods，and proposes a visible light positioning method，which can meet the basic needs of indoor communication，and can be widely used in supermarkets，large shopping centers and other similar fields.

Keywords：indoor visible light positioning;positioning accuracy;received signal strength positioning

0  引  言

近几年随着无线通信的快速发展，人们对通信的需求日益增长，但射频频谱资源随之变得越来越匮乏，为了解决这个问题，广大科研工作者都在不断地尝试寻找新的技术方案来解决这个难题，其中基于LED的可见光通信可以非常好地解决这样的问题。可见光通信是在LED光源上加装控制芯片，将其作为光信号的发射机，接收端再利用光敏传感器捕捉光信号。由于可见光通信可以在空气中直接传输光信号，不需要另外假设传输通道，而且与传统的无线通信方式相比，可见光通信具有保密性好、抗电磁干扰、频谱资源豐富等优点;可见光通信是利用可见光传递信号，不会影响传统的无线通信系统，且对人体没有伤害，因此可见光通信受到越来越多的关注。本文着重对可见光通信系统中的定位技术进行研究，以便可见光通信更好地应用于室内场景中。

1  室内可见光通信系统

在室内构建可见光通信系统，首先要求系统中的LED要具有照明功能，这样也便于可见光通信系统的改造推广，同时LED还要作为可见光信号的发送器件。本文首先构建了一个单LED的可见光通信系统模型，如图1所示，在这个室内可见光通信系统中LED相当于光信号的发射机，接收端就相当于光信号的接收机，由于LED的光照是有范围的，所有只有当这个接收终端处于LED的光照范围内，才可以接收LED发出的可见光信号。

由于在室内可见光通信系统中，会受到发射机和接收机的位置以及室内墙壁和物体的存在的影响，因此在室内可见光通信中信号的传递路径不止一条，其传递路径主要有：直射路径和反射路径。

可见光直射路径是指发射机发出的可见光信号直接到达接收机的传输通道，其信号传输通道模型如图2（a）所示，其中φ为发射机发出的光信号光照角，ψ为光信号的入射角，LED到接收机表面之间的直线距离为D1。直射传输方式的优点是可见光信号的利用率高，信号可以高速稳定传输，但是其灵活性较差，必须采用定向发射机和定向接收机，两者必须严格对准才能保证正常通信。

可见光反射路径指可见光从发射机发出，经过室内的墙壁或物体一次及多次反射后再到达接收机的传输通道，由于可见光在多次反射后，信号功率会变得越来越低，因此本文仅考虑可见光只经过一次反射，其信号传输通道模型如图2（b）所示，其中φ为发射机发出的光信号光照角，ψ为可见光信号经过墙壁一次反射后的入射角，D2为反射点与接收机表面之间的直线距离。可见光通信系统中也会受到多径效应的影响，导致信号的传输质量降低、定位不准确。

2  室内定位技术

所谓定位就是系统利用获取的信息，进行接收端位置推算，得到接收端最有可能在的位置，根据接收端所处环境不同又分为室外定位和室内定位。对于室外定位的研究已经比较成熟，本文只针对室内定位技术进行探讨。目前室内定位主要采用无线电磁波、基站定位等多种技术，从而实现用户在室内环境中的位置定位，下面来了解几种常用的室内定位技术。

2.1  Wi-Fi定位

通过无线局域网（WLAN），实现复杂环境中的定位、监测，其优点是便于组网，但Wi-Fi定位通常只能覆盖90米左右，而且用于室内定位的精度只能达到2米左右，还存在严重的同频干扰问题。

2.2  RFID定位

射频识别定位（RFID）是利用射频方式，通过读取RFID标签信息，从而监测出标签携带者所在的位置，优点是定位精确，精度最高可以达到厘米级，且其成本较低，但RFID定位抗干扰能力差，容易受到外界的干扰，另外RFID本身不具备通信能力，不宜于大范围的推广使用。

2.3  蓝牙定位

蓝牙定位是通过测量信号的强度实现定位，需要至少三台蓝牙基站，再进行三角定位算法计算，就可以获得用户的位置信息。蓝牙定位的优点是设备体积小，易于装备于移动设备中，缺点是蓝牙定位只适用于较小空间内。

3  室内定位技术的主要指标

室内定位技术的主要性能指标包括：定位精确度和定位速度。

3.1  定位精确度

定位的精确程度是衡量一个定位系统性能好坏最重要的指标之一，目前在室外定位时，应用最广的是美国的GPS系统，另外我国的北斗导航也已经应用于多个领域，它们在室外无遮挡的地方可以实现高精度定位，其中民用的GPS定位精度可达几米左右;而在室内环境中，使用GPS进行定位时，信号受到墙壁的阻挡明显变弱，这样定位的精度会受到很大的影响。目前用于室内定位的主要有：Wi-Fi、RFID、蓝牙等，但这些基于无线电磁波技术的定位方式也会受到电磁波干扰、多径效应等因素的影响。

3.2  定位速度

例如平常在室外使用GPS定位时，有时会出现定位慢的现象，原因是有建筑物的遮挡或者是定位时处于高速的移动状态，而在室内定位中，定位的速度更为关键，其也是衡量系统性能的重要指标之一，定位速度的快慢取决于选取的定位方法和外部环境。

4  基于几何测量的定位方法

目前，室内可见光定位方法主要有：几何测量法、近似感知法、场景分析法等。几何测量法中的几种定位方法有：到达时间定位（TOA）、到达时间差定位（TDOA）、到达角度定位（AOA）和接收信号强度定位（RSS）。

4.1  TOA定位

TOA定位是通过测量信号在发射机和接收机之间的传输时间，从而确定它们之间的距离以及接收机和三个发射机的坐标，算出接收机所在的坐标，实现定位。由于光的传播速度极快，极小的时间误差都会导致出现较大的距离偏差，另一方面，发射机和接收机要保持严格的时间同步，因此TOA定位很难应用于实际的室内可见光通信系统中。

4.2  TDOA定位

由于在TOA定位中需要严格保证收发两端的时间同步，为了解决这样的技术问题，引入TDOA定位，它是通过测量信号在接收机到不同发射机的传输时间差，再通过位置算法来计算距离差，再利用双曲线交点最终来确定接收机的位置，由此可以减小由于测量的时间误差带来的距离误差的问题。

4.3  AOA定位

AOA定位通过检测可见光信号的光照角度，只需要两个信号发射机即可确定接收机的位置，如图3所示，接收机收到了两个可见光信号，那么这两条可见光的交点就是接收机所在位置，但由于此方法中对于角度的测量需要借助其他测量设备，因此AOA定位的应用范围也受到很大的限制。

4.4  RSS定位

RSS定位通過检测可见光信号的信号功率，不同发射机发送不同频率的可见光信号，一般至少需要三个以上的发射机，接收端通过测量收到的信号功率，再计算接收机与各个发射机之间的距离，再利用三边定位法，可以计算出接收机所在的具体坐标。RSS定位的优点是对硬件设备要求比较低，定位速度快，也是目前应用较多的定位方法。

如图4所示为某一个RSS定位场景，其中三个LED的位置坐标分别为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3），D1、D2、D3分别是接收端到达三个LED的距离，接收端的坐标为（x，y，z），三边定位法的公式为：

对于三边定位法，LED一般默认为都装在屋顶，因此y1=y2=y3等于室内高度，接收端位于室内地面，也就是z=0，此时只要三个LED不在同一条直线上，就可以算出接收端唯一的一组坐标值（x，y，z），这组坐标值也就是接收端的所在位置。但在可见光通信系统中，由于接收平面可能出现倾斜现象，且接收端会受到内部噪声的影响，利用三边定位将会出现较大偏差，因此还需要进一步优化定位算法。

5  结  论

本文主要对室内可见光通信中的定位技术进行研究，了解几种常见的定位方法的原理和优缺点，重点分析了RSS定位法，接下来我们将使用Matlab软件构建系统模型，进行仿真实验，为可见光通信的室内定位技术提供数据参考。后期我们将会着重研究在移动场景下的室内定位，如图5所示，在超市的购物推车上安装接收终端，在购物车进入某一购物区域时，由该区域上方LED发出的可见光信号，可以实现购物车的位置定位，另外接收终端还可以为顾客推送一些相关信息，这将是一种新型的商业推广方式，而且可以在现有的照明系统上进行改造，系统改造比较简便，虽然具有在购物车进入两个LED光照交叉的区域或者多个LED光照交叉区域时较难实现精确定位的难点，但依然具有很高的市场推广价值。

参考文献：

[1] 吴楠，王旭东，胡晴晴，等.基于多LED的高精度室内可见光定位方法 [J].电子与信息学报，2015，37（3）：727-732.

[2] 乔琪，闻凯.基于自适应链路切换的双LED室内可见光通信系统 [J].光通信技术，2018，42（2）：50-54.

[3] 王辉.基于位置指纹的室内可见光定位方法研究 [D].西安：西安电子科技大学，2018.

[4] 叶子蔚.基于接收信号强度检测的可见光定位方法研究 [D].郑州：郑州大学，2018.

作者简介：乔琪（1983-），男，汉族，江苏淮安人，教研室

主任，讲师，硕士，研究方向：光通信系统、智能信号与图像处理。