一种基于RSS的LED定位系统及方法技术方案

一种基于RSS的LED定位系统及方法，涉及LED光通信和室内定位应用领域，包括至少三个发送端和一个接收端，每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端在待传输数据前增加PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；接收端光探测器探测可见光信号并转化成电信号，其中一个FFT单元对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器将结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出时域信号的峰值，功率-距离换算模块估算接收端到每个LED的距离值并输出；本发明专利技术发送多个正交PN码区分不同LED信源，降低了发送端的硬件复杂度，节省了LED带宽。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及LED光通信和室内定位应用领域，具体来讲是一种基于RSS的LED定位系统及方法。
技术介绍
LED(Lighting Emitting Diode，发光二极管)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，势将成为下一代照明技术。LED因为具有节能、安全、可用频谱宽等优点，在提供室内照明的同时还可应用于无线光通信系统中，同时满足室内上网以及一系列扩展应用。基于LED的室内定位就是其中一个潜力巨大的应用方向，由于LED在室内布放位置固定，覆盖范围较广，以各LED为参照可以准确获知位置和距离，在室内实现类似GPS的定位和导航。 LED定位通常采用基于RSS(Received Signal Power，接收信号功率)和三角几何方法进行定位。由于LED通信系统具有光无线通信的特点，在视距通信(LOS)条件和发送接收角对准情况下，接收信号的光功率满足公式： Pr ( d ) = Pr ( d 0 ) + 10 * n * lg ( d d 0 ) + X ]]> 其中d为发射节点到接收节点之间的距离，n为路径损耗指数，表示光功率随距离增加衰减的快慢与周围的环境有关，X为平均值为0的高斯分布随机变量，d0为参考距离，通常取1米，Pr(d0)表示在参考距离为d0时测得的光功率。 根据上述公式，光功率随通信距离的增加而线性减小，接收光功率和距离用对数曲线表示将是一条近似直线，确定这种线性关系后，测得接收信号的光功率即可确定发射和接收间的距离。根据三角几何原理，接收端测量出到已知位置的三个独立信源的距离，即可定位得出接收端的位置。 作为参考点的多个信源，必须发送不同信号以示区分并避免信号间干扰。基于频率区分是最常用的方法，即发送端的信号使用不同频率载波发送，接收端使用滤波器滤出不同的频带并计算其功率，基于3个LED定位的可见光定位发送频率如图1所示；这种设置虽然区分了不同信源，但硬件的区别定制增加了发送端和接收端的硬件复杂度，不同的频率划分还增加了LED布放时的难度，实际可用的LED带宽变得有限。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于RSS的LED定位系统及方法，发送多个正交PN码区分不同LED信源，相对于多个LED占用不同频带的做法，降低了发送端的硬件复杂度，节省了LED带宽。 为达到以上目的，本专利技术提供一种基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一个接收端，每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；所述接收端包括光探测器、乘法器、IFFT单元、多个FFT单元、比较电路、功率-距离换算模块，光探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器用于将变换后的结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，IFFT模块对于每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED的功率，功率-距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离值并输出。 在上述技术方案的基础上，所述功率-距离换算模块的输入为光探测器对各个LED的接收功率，功率-距离换算模块计算后，输出各LED到光探测器的垂直照射距离，即估算的距离值。 在上述技术方案的基础上，所述光探测器输出的电信号进行FFT变换后的结果依次与每个PN码的FFT值卷积相乘，再依次经过IFFT运算和比较电路得到电信号与各PN码的相关峰峰值，该峰值表示接收各LED的功率的相对大小。 在上述技术方案的基础上，所述接收端包括一个三角定位模块，所述三角定位模块接收来自功率-距离换算模块输出的估算的距离值，基于三角定位方法计算输出光探测器的坐标。 在上述技术方案的基础上，每个发送端包括一个放大器，将待传输数据信号放大后，输出至T型偏置器。 在上述技术方案的基础上，所述PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。 本专利技术还提供一种基于权利要求1所述基于RSS的LED系统的定位方法，包括如下步骤： 步骤1.每个发送端在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，经由T型偏置器和LED后发出可见光信号； 步骤2.接收端的光探测器同时接收来自所有发送端的可见光信号，并完成光电转换，对转换后的电信号进行FFT计算，再分别与各PN码的FFT运算结果卷积相乘，然后通过IFFT运算模块和比较电路找出峰值，该峰值大小作为接收该PN码对应LED的功率； 步骤3.将步骤2中得到的不同LED的功率，根据功率-距离对应关系找出每个LED到接收端的估算的距离值； 步骤4.选取对应的接收功率最大的三个LED，将三个LED到接收端估算的距离值输入三角定位模块，计算接收端坐标；其中所述估算距离需要进行多次角度修正和估算，直至估算距离收敛至稳定值。 在上述技术方案的基础上，步骤3中，功率-距离对应关系采用预先测量，在各个LED发射角和光探测器接收角都为0的条件下，光探测器在不同传输距离下对各个LED的接收功率分别测量，从而确定功率-距离对应关系。 在上述技术方案的基础上，步骤4中，假设估算的光探测器坐标为(xe，ye，ze)，则相对于第i个LED(xi，yi，zi)，LED的发射角为 θ i = a tan ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一个接收端，其特征在于：每个发送端包括T型偏置器和LED，发送端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，并经过T型偏置器和LED变成可见光发出；所述接收端包括光探测器、乘法器、IFFT单元、多个FFT单元、比较电路、功率‑距离换算模块，光探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN码的FFT变换，乘法器用于将变换后的结果与每个PN码的FFT运算结果卷积相乘，IFFT模块对于每个乘积进行IFFT变换，比较电路用于找出IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED的功率，功率‑距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离值并输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于RSS的LED定位系统，包括至少三个发送端和一
个接收端，其特征在于：每个发送端包括T型偏置器和LED，发送
端用于在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码序列，并经过T
型偏置器和LED变成可见光发出；所述接收端包括光探测器、乘法
器、IFFT单元、多个FFT单元、比较电路、功率-距离换算模块，光
探测器用于探测混叠的可见光信号并转化成一个电信号，其中一个
FFT单元用于对电信号进行FFT变换，其余FFT单元用于每个PN
码的FFT变换，乘法器用于将变换后的结果与每个PN码的FFT运
算结果卷积相乘，IFFT模块对于每个乘积进行IFFT变换，比较电路
用于找出IFFT变换后时域信号的峰值，并作为接收到来自每个LED
的功率，功率-距离换算模块用于估算接收端到每个LED的距离值并
输出。
2.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在于：
所述功率-距离换算模块的输入为光探测器对各个LED的接收功率，
功率-距离换算模块计算后，输出各LED到光探测器的垂直照射距离，
即估算的距离值。
3.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在
于：所述光探测器输出的电信号进行FFT变换后的结果依次与每个
PN码的FFT值卷积相乘，再依次经过IFFT运算和比较电路得到电
信号与各PN码的相关峰峰值，该峰值表示接收各LED的功率的相
对大小。
4.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在
于：所述接收端包括一个三角定位模块，所述三角定位模块接收来自
功率-距离换算模块输出的估算的距离值，基于三角定位方法计算输

\t出光探测器的坐标。
5.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在
于：每个发送端包括一个放大器，将待传输数据信号放大后，输出至
T型偏置器。
6.如权利要求1所述的基于RSS的LED定位系统，其特征在
于：所述PN码序列为相同长度伪随机序列，各PN码之间正交不相
关，多个发送端分别插入不同的PN码序列以示区分。
7.一种基于权利要求1所述基于RSS的LED系统的定位方法，
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.每个发送端在待传输数据前增加对应于该发送端的PN码
序列，经由T型偏置器和LED后发出可见光信号；
步骤2.接收端的光探测器同时接收来自所有发送端的可见光信
号，并完成光电转换，对转换后的电信号进行FFT计算，再分别与
各PN码的FFT运算结果卷积相乘，然后通过IFFT运算模块和比较
电路找出峰值，该峰值大小作为接收该PN码对应LED的功率；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘武，杨超，杨奇，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北;42