可见光通信系统资料总结

几种室内可见光通信定位系统方案的理论精度分析

（1）可见光通信定位系统的研究意义：

由于GPS 不能应用在室内环境中，所以许多关于在建筑物内部的定位技术被提了出来。例如RF-ID,WLAN 及infrare 等。在这些室内定位技术中，VLC 定位有更高的精度。据报道，在VLC 定位系统中能够达到厘米级的精度。与此同时，VLC 技术还有许多其他的优点。第一：光学信号中没有电磁干扰，在一些特殊的地方很有帮助，如医院，军事基地，飞机等。第二：在不远的将来，LED 灯作为指示灯可能成为基本的照明源，用于VLC 定位系统时没有必要建立附加设施，所以VLC 系统的成本比较低。三，可见光信号无辐射，不会危害人体健康。最后，该光信号无法绕过不透明障碍，使所发送的信息不容易被捕获。所以我们认为基于白光照明LED 的VLC 系统将在定位的应用中起重要作用。

（2）研究要点：

作了关于VLC 定位系统的理论精度极限方面的分析。借鉴了射频无线信号中分析理论精度的方法——Cramer –Rao bound ，即任何无偏估计量的方差的下限。

（3）四种定位方案及原理：

假设条件：LED 灯符合朗伯模型，并且每只LED 灯的信号为不同的强度调制频率。这里采用石膏墙，在这种场景中，多径反射对CRB 的影响很小，因此只考虑LOS 环境。经光电转换之后，接收到的电信号为

()()()r t x t n t ατ=⋅-+

其中a 是光信道的衰减，τ代表信号从发射到接收所需要的时间，()n t 是光

谱密度为02N 的高斯噪声。

h d

h d

①RSSI: 通过接收信号的强度来测量发射器和接收器之间的距离。公式为：

()()2

131

cos cos 212R m R m m m A d m A R h R d αϕφππ+++=+⎛⎫= ⎪⎝⎭

其中a 为光信道的衰减，A R 为接收器的有效面积，m 为朗伯阶数，R 为光电二极

管的响应度，两个角度如图所示。

注：此种方法定位时至少需要3只LED 信号灯。这里假设与LED 垂直的轴和与接收器垂直的轴是平行的。当室内的高度确定时，在测量平面上可以画出分别以3个参考点为圆心，以每个参考点和被测点之间的距离为半径的三个圆，当系统中没有噪声并且3只LED 灯完全符合朗伯模型时，三个圆会相交于一点，这个点就是被测点。然而，现实中不存在这种理想的情况。在现实中，三个圆往往不会相交于一点，而是一个小区域，此时利用最小二乘法解决问题。

影响因素：第一:接收器角度的影响；第二：由墙面及其他物体反射引起的多径效应。因为假设中提到与LED 垂直的轴和与接收器垂直的轴是平行的以及采用石膏墙，所以这里不予考虑这两个因素。

②TOA ：利用要测的信号从发射到接收所需的时间来计算发射器和接收器之间的距离。

只考虑LOS 这条链路，测距公式：

d c τ=

注：发射器上的时钟和接收器上的时钟必须严格同步。

影响因素：第一，时钟不同步会引起定位误差；第二，信号中必须有时间戳，这就增加了数据传送速率方面的成本。

③TDOA ：信号从两只LED 灯到达探测器的时间差可以被测量出来。由检测到的接收信号之间的相位差，计算出时间差。

注：为了实现定位功能，至少需要4只LED 灯；或者是当在不同的时隙中传播信号时需要3只LED 灯。LED 灯之间的时钟必须同步，但LED 的时钟与探测器的时钟对是否同步没有要求。被测量点的坐标可以通过三角测量法计算出来。

④AOA:通过计算LOS 链路与水平面的夹角来计算LED 灯与探测器之间的距离。 计算公式：

()90ψϕ=︒-

sin()h d ψ=

注：这个定位模式中，与LED 垂直的轴和与接收器垂直的轴是平行的。我们通过 简单计算，得到所需要的角度值。若室内的高度已知，由勾股定理可以计算出LED 灯的水平投影和接收器之间的距离。同样能够画出三个圆进行定位，三个圆的交点即为被测点。

（4）四种定位方案中的理论精度分析（CRB ）：

The CRB of AOA

()1b A b O b

d m i σ⋅+≥

The CRB of TOA

2b b

c i σπβ⋅≥

The CRB of TDOA

b b i σ≥

The CRB of RSSI 3b b b d m i σ≥⋅+

分析得出： 影响定位精度的因素：发射器和接收器之间的距离、电子带宽。

对比RSSI 和AOA ：①当在一个大的范围内定位时，RSSI 和AOA 的定位精度会变得很差。②由上述表达式可知，RSSI 的精度高于AOA 的精度。③较于其他的方案，RSSI 的不需要复杂的检测设备。

对比TOA 和TDOA: ①由上述表达式可知，TOA 的精度高于TDOA 的精度。但是在实际的问题中，发射器和接收器非同步时，TDOA 这种方案应用很广泛。② TOA 和TDOA 的精度随电子带宽的增加而提高。

混合模式是提高精度的一种方法，文中也提到了关于AOA 和TOA 的混合模式。