一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法和系统。定位方法利用CDMA调制技术，通过配备室内空间中LED灯具互不相同的CDMA扩频码，使灯具发出的定位的ID信息实现时域和频域均重叠的信号分离，实现异步通信。根据信号强度衰减的大小确定定位点与各LED灯具的距离，利用三边测量算法即可实现接收机的精准定位。相比传统的可见光室内定位方法，本发明专利技术的方法不需要发送设备和接收设备之间高精度的时钟和同步，降低了接收端智能设备的功耗，同时,CDMA技术具有通信质量好、接通率高、发射功率小、抗干扰能力强等诸多优点，这使得室内定位更加简单、可靠和有效。

Indoor visible light asynchronous positioning method and system based on CDMA modulation

The invention discloses an indoor visible light asynchronous positioning method and system based on CDMA modulation. The positioning method using CDMA modulation technology, CDMA codes by equipped with indoor space LED lamps are different from each other, signal separation ID information to realize the time domain and frequency domain so that a location are overlapping, asynchronous communication. The distance between the positioning point and the LED lamps is determined according to the size of the signal intensity attenuation, and the precise positioning of the receiver can be realized by using the three side measurement algorithm. Compared with the traditional visible light indoor positioning method, the method of the invention does not require high precision clock and synchronization between the sending and receiving devices, reduce power consumption, the receiving end of intelligent equipment at the same time, CDMA technology has many advantages such as good communication quality, high connection rate, low transmission power, strong anti-interference ability, which makes the indoor positioning is more simple, reliable and effective.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法和系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术将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，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术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，由此产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的一种基于CDMA调制的室内可见光异步定位方法，其特征在于，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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：文尚胜，黄瑞怡，关伟鹏，陈昊，陈颖聪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44