基于LED可见光通信的室内定位技术研究_许银帆
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在式（ 2 ）中 t 1， t 2， t 3分别为 3 个参考点到达目 标位置的时间， t r为发射时间， c 是光速， t 12， t 23， t 13则是参考点到达目标位置的时间差 [4]。利用公式 （2）得到目标位置距离3个参考点的时间差，然后 同TOA一样的方法实现2D定位。此外，这种方法不 需要将时间标记加到发送的信号中，避免了传输速 率的损耗。
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ห้องสมุดไป่ตู้
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基于 RSS 的系统测量接收信号强度，并计算发 射信号的传播损耗，然后通过使用1个路径损失模型 来估计范围，最后通过3边测量来估计目标的位置， 测试方法同TOA类似，如图1所示。 基于AOA的系统需要测量信号相对于一些参考 点到达的角度，再通过方向线的交点定位目标。理 论上仅需要两个参考点来执行 2D 定位，需要 3 个参 考点实现3D定位。 AOA为基础的系统中最重要的特 征是，参考点和目标之间不需要同步。 1.1.2 情景分析法 情景分析分为两个阶段：首先收集在1个场景中 每个采样点（也称指纹）的位置信息并存储起来， 建立指纹库；然后通过将实时测量的用户信号与指 纹库中的信息相匹配，从而实时确定目标的位置。 其中，可以被用作指纹的因素包括但不限于前面提 到的所有测量值，即TOA ，TDOA，RSS和AOA 。 综合考虑复杂性和其他问题，主要用 RSS 测量值作
制后在可见光信道中并行传输，在接收端的成像器 件上成像得到发送过来的图像信息，之后通过对接 收到的图像进行处理，最终解调出最初发送的数 据，实现高精度室内定位。 1.1 非成像定位技术 非成像定位技术是基于专用的光电探测器来实 现对LED灯的检测，主要有4种实现方法：三角测量 法，情景分析法，接近法及VLC和Ad Hoc混合法。 下面对这4种方法进行详细说明。 1.1.1 三角测量法 三角测量是使用三角形的几何性质来估计位 置的算法 [3] ，有两个分支：距离和角度。其中目 标到多个参考点的距离不能直接测量得到，所以 我们通过测量接收的信号强度（ RSS ），到达时 间（ TOA ）或到达时间差（ TDOA ）来间接测量 距离。角度测量是测量相对于几个参考点到达角 （AOA），然后通过找到方向线的交叉点从而实现 位置的估计，这些方向线是半径范围从参考点（光 源）到目标（接收器）的圆。 在 TOA 为基础的系统中，如图 1 所示，需要对 到达3个参考点的时间进行测量，分别为t1，t2，t3。 根据公式（1） 得到目标位置距离3个参考点的距离R1，R2，R3 （c是光速）。以3个参考点为圆心，以对应距离为 半径的 3 个圆的交点即为目标位置。 TOA 有两个关 键的问题：首先，所有参考点以及目标使用的时钟 要完全同步，任何不准确的同步将直接造成定位误 差；其次，必须在发送信号内包含时间标记，这会 在数据传输速率上造成额外的消耗。
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为VLC系统的指纹。 1.1.3 接近法 接近法依靠密集的网格参考点，每个参考点 都具有 1 个已知位置。如果目标从单一参考点采集 信号，则被认为是协同定位于该节点，从而实现定 位。因为这种方法使用LED光源作为发射器，所以 理论上该方法的测量精度不低于网格本身的分辨 率。 1.1.4 VLC 和 Ad Hoc 网络混合法 VLC 和 Ad Hoc 网络混合定位方法示意图如图 3 所示。首先，可见光标识数据（ID）随光照产生， 来自 LED 灯 A 的位置信息被目标节点（例如监控节 点）的光电二极管模块接收；接收到的ID被重建和 处理后为数字可见光 ID数据，通过ZigBee收发器模 块被转移到Ad Hoc无线网络。ZigBee收发路由器节 点将可见光标识信息通过多跳传输到主节点；最后 带有位置信息的ID数据在连接到主节点的系统控制 器的屏幕上显示[5]。
Research on Indoor Positioning Algorithm Based on LED Visible Light Communication
XU Yinfan1,2 HUANG Xingxing1 LI Rongling1 CHI Nan1
(1. Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433; 2. School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070) Abstract: As a combination of lighting and optical communication, to broaden the spectrum resource, green energy-saving new wireless communication technology, LED visible light communication (VLC) technology based application in indoor positioning system has recently become a very hot research topic. The domestic and foreign research on LED visible light communication in indoor positioning technology is divided into non-imaging positioning technology and imaging positioning technology. Among them, there are four non-imaging positioning technology methods: triangulation method , scenario analysis, proximity method and hybrid techniques with VLC and Ad Hoc wireless network. This article provides an overview of these two technologies, and their performance are compared. Finally the outlook for future research are discussed . Key words: LED; visible light communication; indoor positioning; non-imaging positioning; imaging positioning
引言
近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等 各个领域的广泛应用 [1]，可见光通信（ VLC ）具有
※
同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜 力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中， 室内定位系统与现有的定位技术相比具有许多优
基金项目：国家“863”计划资助项目(2013AA013603)；由上海市科委重点项目(12dz1143000)支持。
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基于 TDOA 的系统中，测量信号从不同的参考
许银帆 等：基于LED可见光通信的室内定位技术研究
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点到达的时间差，这些信号需要精确地在同一时刻 发送，因此所有的参考点必须被精确地同步发射。 然而，接收机不必与发射机同步，因为它不是对到 达的绝对时间的测量。如图2所示，通过测量3个信 号的达到时间差来实现TDOA。
CHINA LIGHT & LIGHTING
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专题研究
基于LED可见光通信的室内定位技术研究※
许银帆1,2 黄星星1 李荣玲1 迟 楠1
（1. 复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433；2. 武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）
摘 要： 作为1种照明和光通信结合、可拓宽频谱资源、绿色节能的新型无线通信技术，基于LED可见光通 信（VLC）技术在室内定位系统中的应用近来成为1个非常热门的研究课题。国内外对基于LED可 见光的室内定位技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术。其中，非成像定位技术有4种方 法：三角测量法，情景分析法，接近法以及VLC和Ad Hoc网络混合法。本文对这两种技术进行概 述，并对其性能进行比较，最后讨论了未来的研究前景。 关键词： LED；可见光通信；室内定位；非成像定位；成像定位
⎧ R12 = c[(t1 − tr ) − (t2 − tr )] = c(t1 − t2 ) ⎫ ⎪ ⎪ ⎨ R23 = c[(t2 − tr ) − (t3 − tr )] = c(t2 − t3 ) ⎬ ⎪ R = c[(t − t ) − (t − t )] = c(t − t ) ⎪ 1 r 3 r 1 3 ⎭ ⎩ 13
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1.2 成像定位技术 基于可见光的成像定位系统结构如图 4 所示， 利用LED照明阵列作为VLC发送部分，从阵列中的 至少4个LED发射的三维坐标通过两个光学透镜被接 收，然后由两个图像传感器解调信息，并使用图像 传感器中接收到的LED图像的距离几何关系计算出 目标的位置 [6]。在选择 LED 灯时，必须确保它们不 共线，如图4中的LED1、LED2、LED3、LED4。 系统中元件参数的确定有 3 个限制：（ 1 ） 4 个 光源影像不能只落在1个图像传感器上，否则信道矩 阵不是满秩的，则所有通道无法实现独立的数据传 输；（2）发射器光束角必须足够大，以照亮接收机 在覆盖区域的边缘；（3）成像透镜的直径必须足够 大，以收集到足够的光线，以维持所需的链路预算
1 可见光定位
非成像定位系统有多个LED发射器和多个接收 器，来自每个LED阵列的光信号发送并行独立的位 置信息数据流，且都被独立的接收器接收，但所接 收的强度不同。独立的数据流用 MIMO 信号处理技 术获取，从而实现定位。成像定位系统使用LED阵 列作为发射端，对其上的像素进行强度、空间等调
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2014年第4期
点， 成为国内外研究人员的研究热点。 现有的定位系统主要基于全球定位系统 （ GPS ）和无线电波技术。 GPS 能很好地应用于室 外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室 内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位 误差，因此不适用于室内定位。过去 10 年，基于 无线电波技术提出许多室内定位方案。主要有： WLAN 、 RFID 、 UWB 、 WIFI 、超声系统、蓝牙 等，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精 度。然而，大多数基于无线通信的系统会受到电磁 干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下 降，这些都直接影响了定位质量。此外，基于RF的 系统不能在医院、飞机或一些电磁敏感的环境中使 用，相比之下， VLC 定位技术有如下优点：（ 1 ） VLC技术使用LED作光源，从而用于室内定位目的 的VLC系统均可在用于照明的地方提供服务，而且 除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消 耗。（ 2 ） 基于 VLC 的定位系统不会产生任何射频 干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境 中（如医院）。（3）因为VLC系统受到多径效应以 及来自其他无线手持设备的干扰较少，所以比无线 电波能提供更高的定位精度[2]。 目前，国内外对基于 LED 可见光的室内定位 技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术 两种。非成像定位使用传统的定位方法，利用多 点对多点的通信，基于距离和角度进行定位。目 前基于 VLC 系统的研究主要集中在成像定位技术 上。2013年，美国因特尔公司、韩国三星公司等在 IEEE 802.15 组织下，成立了 802.15.SG7a 研究组起 草授权申请，拟将光学成像通信（ Optical Camera Communications，OCC)作为IEEE 802.15.7 -2011标 准的修正，采用闪光灯、显示器、光学传感器等作 为收发器件，以实现可变速率通信、定位导航和消 息广播等功能。因此，可见光成像定位技术在今后 会有更重大的发展。
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在式（ 2 ）中 t 1， t 2， t 3分别为 3 个参考点到达目 标位置的时间， t r为发射时间， c 是光速， t 12， t 23， t 13则是参考点到达目标位置的时间差 [4]。利用公式 （2）得到目标位置距离3个参考点的时间差，然后 同TOA一样的方法实现2D定位。此外，这种方法不 需要将时间标记加到发送的信号中，避免了传输速 率的损耗。
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基于 RSS 的系统测量接收信号强度，并计算发 射信号的传播损耗，然后通过使用1个路径损失模型 来估计范围，最后通过3边测量来估计目标的位置， 测试方法同TOA类似，如图1所示。 基于AOA的系统需要测量信号相对于一些参考 点到达的角度，再通过方向线的交点定位目标。理 论上仅需要两个参考点来执行 2D 定位，需要 3 个参 考点实现3D定位。 AOA为基础的系统中最重要的特 征是，参考点和目标之间不需要同步。 1.1.2 情景分析法 情景分析分为两个阶段：首先收集在1个场景中 每个采样点（也称指纹）的位置信息并存储起来， 建立指纹库；然后通过将实时测量的用户信号与指 纹库中的信息相匹配，从而实时确定目标的位置。 其中，可以被用作指纹的因素包括但不限于前面提 到的所有测量值，即TOA ，TDOA，RSS和AOA 。 综合考虑复杂性和其他问题，主要用 RSS 测量值作
制后在可见光信道中并行传输，在接收端的成像器 件上成像得到发送过来的图像信息，之后通过对接 收到的图像进行处理，最终解调出最初发送的数 据，实现高精度室内定位。 1.1 非成像定位技术 非成像定位技术是基于专用的光电探测器来实 现对LED灯的检测，主要有4种实现方法：三角测量 法，情景分析法，接近法及VLC和Ad Hoc混合法。 下面对这4种方法进行详细说明。 1.1.1 三角测量法 三角测量是使用三角形的几何性质来估计位 置的算法 [3] ，有两个分支：距离和角度。其中目 标到多个参考点的距离不能直接测量得到，所以 我们通过测量接收的信号强度（ RSS ），到达时 间（ TOA ）或到达时间差（ TDOA ）来间接测量 距离。角度测量是测量相对于几个参考点到达角 （AOA），然后通过找到方向线的交叉点从而实现 位置的估计，这些方向线是半径范围从参考点（光 源）到目标（接收器）的圆。 在 TOA 为基础的系统中，如图 1 所示，需要对 到达3个参考点的时间进行测量，分别为t1，t2，t3。 根据公式（1） 得到目标位置距离3个参考点的距离R1，R2，R3 （c是光速）。以3个参考点为圆心，以对应距离为 半径的 3 个圆的交点即为目标位置。 TOA 有两个关 键的问题：首先，所有参考点以及目标使用的时钟 要完全同步，任何不准确的同步将直接造成定位误 差；其次，必须在发送信号内包含时间标记，这会 在数据传输速率上造成额外的消耗。
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为VLC系统的指纹。 1.1.3 接近法 接近法依靠密集的网格参考点，每个参考点 都具有 1 个已知位置。如果目标从单一参考点采集 信号，则被认为是协同定位于该节点，从而实现定 位。因为这种方法使用LED光源作为发射器，所以 理论上该方法的测量精度不低于网格本身的分辨 率。 1.1.4 VLC 和 Ad Hoc 网络混合法 VLC 和 Ad Hoc 网络混合定位方法示意图如图 3 所示。首先，可见光标识数据（ID）随光照产生， 来自 LED 灯 A 的位置信息被目标节点（例如监控节 点）的光电二极管模块接收；接收到的ID被重建和 处理后为数字可见光 ID数据，通过ZigBee收发器模 块被转移到Ad Hoc无线网络。ZigBee收发路由器节 点将可见光标识信息通过多跳传输到主节点；最后 带有位置信息的ID数据在连接到主节点的系统控制 器的屏幕上显示[5]。
Research on Indoor Positioning Algorithm Based on LED Visible Light Communication
XU Yinfan1,2 HUANG Xingxing1 LI Rongling1 CHI Nan1
(1. Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433; 2. School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070) Abstract: As a combination of lighting and optical communication, to broaden the spectrum resource, green energy-saving new wireless communication technology, LED visible light communication (VLC) technology based application in indoor positioning system has recently become a very hot research topic. The domestic and foreign research on LED visible light communication in indoor positioning technology is divided into non-imaging positioning technology and imaging positioning technology. Among them, there are four non-imaging positioning technology methods: triangulation method , scenario analysis, proximity method and hybrid techniques with VLC and Ad Hoc wireless network. This article provides an overview of these two technologies, and their performance are compared. Finally the outlook for future research are discussed . Key words: LED; visible light communication; indoor positioning; non-imaging positioning; imaging positioning
引言
近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等 各个领域的广泛应用 [1]，可见光通信（ VLC ）具有
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同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜 力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中， 室内定位系统与现有的定位技术相比具有许多优
基金项目：国家“863”计划资助项目(2013AA013603)；由上海市科委重点项目(12dz1143000)支持。
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基于 TDOA 的系统中，测量信号从不同的参考
许银帆 等：基于LED可见光通信的室内定位技术研究
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点到达的时间差，这些信号需要精确地在同一时刻 发送，因此所有的参考点必须被精确地同步发射。 然而，接收机不必与发射机同步，因为它不是对到 达的绝对时间的测量。如图2所示，通过测量3个信 号的达到时间差来实现TDOA。
CHINA LIGHT & LIGHTING
11
专题研究
基于LED可见光通信的室内定位技术研究※
许银帆1,2 黄星星1 李荣玲1 迟 楠1
（1. 复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433；2. 武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）
摘 要： 作为1种照明和光通信结合、可拓宽频谱资源、绿色节能的新型无线通信技术，基于LED可见光通 信（VLC）技术在室内定位系统中的应用近来成为1个非常热门的研究课题。国内外对基于LED可 见光的室内定位技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术。其中，非成像定位技术有4种方 法：三角测量法，情景分析法，接近法以及VLC和Ad Hoc网络混合法。本文对这两种技术进行概 述，并对其性能进行比较，最后讨论了未来的研究前景。 关键词： LED；可见光通信；室内定位；非成像定位；成像定位
⎧ R12 = c[(t1 − tr ) − (t2 − tr )] = c(t1 − t2 ) ⎫ ⎪ ⎪ ⎨ R23 = c[(t2 − tr ) − (t3 − tr )] = c(t2 − t3 ) ⎬ ⎪ R = c[(t − t ) − (t − t )] = c(t − t ) ⎪ 1 r 3 r 1 3 ⎭ ⎩ 13
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1.2 成像定位技术 基于可见光的成像定位系统结构如图 4 所示， 利用LED照明阵列作为VLC发送部分，从阵列中的 至少4个LED发射的三维坐标通过两个光学透镜被接 收，然后由两个图像传感器解调信息，并使用图像 传感器中接收到的LED图像的距离几何关系计算出 目标的位置 [6]。在选择 LED 灯时，必须确保它们不 共线，如图4中的LED1、LED2、LED3、LED4。 系统中元件参数的确定有 3 个限制：（ 1 ） 4 个 光源影像不能只落在1个图像传感器上，否则信道矩 阵不是满秩的，则所有通道无法实现独立的数据传 输；（2）发射器光束角必须足够大，以照亮接收机 在覆盖区域的边缘；（3）成像透镜的直径必须足够 大，以收集到足够的光线，以维持所需的链路预算
1 可见光定位
非成像定位系统有多个LED发射器和多个接收 器，来自每个LED阵列的光信号发送并行独立的位 置信息数据流，且都被独立的接收器接收，但所接 收的强度不同。独立的数据流用 MIMO 信号处理技 术获取，从而实现定位。成像定位系统使用LED阵 列作为发射端，对其上的像素进行强度、空间等调
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点， 成为国内外研究人员的研究热点。 现有的定位系统主要基于全球定位系统 （ GPS ）和无线电波技术。 GPS 能很好地应用于室 外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室 内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位 误差，因此不适用于室内定位。过去 10 年，基于 无线电波技术提出许多室内定位方案。主要有： WLAN 、 RFID 、 UWB 、 WIFI 、超声系统、蓝牙 等，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精 度。然而，大多数基于无线通信的系统会受到电磁 干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下 降，这些都直接影响了定位质量。此外，基于RF的 系统不能在医院、飞机或一些电磁敏感的环境中使 用，相比之下， VLC 定位技术有如下优点：（ 1 ） VLC技术使用LED作光源，从而用于室内定位目的 的VLC系统均可在用于照明的地方提供服务，而且 除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消 耗。（ 2 ） 基于 VLC 的定位系统不会产生任何射频 干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境 中（如医院）。（3）因为VLC系统受到多径效应以 及来自其他无线手持设备的干扰较少，所以比无线 电波能提供更高的定位精度[2]。 目前，国内外对基于 LED 可见光的室内定位 技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术 两种。非成像定位使用传统的定位方法，利用多 点对多点的通信，基于距离和角度进行定位。目 前基于 VLC 系统的研究主要集中在成像定位技术 上。2013年，美国因特尔公司、韩国三星公司等在 IEEE 802.15 组织下，成立了 802.15.SG7a 研究组起 草授权申请，拟将光学成像通信（ Optical Camera Communications，OCC)作为IEEE 802.15.7 -2011标 准的修正，采用闪光灯、显示器、光学传感器等作 为收发器件，以实现可变速率通信、定位导航和消 息广播等功能。因此，可见光成像定位技术在今后 会有更重大的发展。