基于可见光通信的多维定位系统设计与实现

摘要

近年来，位置信息服务(LBS，Location Based Service)迅速发展，尤其是室内定位的需求日益增长。与此同时，可见光通信技术迅速发展，并将成为无线保真(Wi-Fi，WirelessFidelity)和蜂窝通信等无线通信技术的重要补充。室内定位是可见光通信的重要应用之一，它可以充分利用可见光现有的照明设施，同时获得较高的定位精度，从而大幅度提升室内LBS服务的质量。本学位论文围绕如何利用可见光通信系统进行多维定位这一核心问题，深入研究了实际定位系统的搭建和多维定位算法，实现了较高精度的多维定位目标。
　　本文的主要工作如下:
　　(1)介绍了定位技术和发光二极管（LED，Light Emitting Diode）照明技术的发展，讨论了基于可见光通信的定位技术研究现状，分析了多维定位的特点和应用前景。
　　(2)通过对比现有的室内定位技术，较为详细地说明了可见光定位系统的相对优势，然后分析了常见的无线定位方法在可见光定位系统中的可行性，最后给出了现有照明设施的简易改造方案和可见光定位系统的总体实现方案。
　　(3)提出了一种可见光定位系统的具体实现方案。通过详细地分析可见光通信的特点和多维定位的需求设计并实现了可见光通信基带中的调制解调、编解码和可见光数据帧，然后给出了发射端和接收端的软硬件实现，同时在服务器端搭建软件平台用以对整个定位系统进行配置和测试，此外还实现了基于Qt的定位图形用户界面(GUI，Graphical User Interface)程序。
　　(4)分别提出了基于三边定位和基于指纹匹配和K近邻的两种三维定位算法。三边定位算法通过对可见光信号的接收信号强度（RSS，Received Signal Strength）的分布函数进行简化和拟合，并结合三边定位公式得到最终定位结果;基于指纹匹配和K近邻的定位算法首先使用指纹匹配算法找到最近邻点，然后通过K近邻迭代搜索得到K近邻，最后对K近邻进行加权平均得到最后的定位结果。
　　(5)对基于可见光通信的定位系统的配置和测试进行说明，同时分别给出了基于三边定位、基于指纹匹配和K近邻的三维定位算法的定位结果及分析。其中，基于三边定位的算法定位精度大部分高于基于指纹匹配和K近邻的定位算法，但是后者采用指纹匹配技术增强了算法的适用性，同时又采用了K近邻迭代搜索和位置加权估计提高了相同的采样密度下的定位精度。
　　(6)对学位论文的研究内容进行总结概括，并指出目前研究的不足和将来的研究方向。

目录

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摘要

图表目录

缩略语

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作及章节安排

1．3．1 论文主要研究工作

1．3．2 论文各章节安排

第2章 基于可见光通信的室内定位系统总体方案

2．1 现有的室内定位技术

2．2 常见的无线定位方法

2．3 可见光定位系统的总体实现方案

2．4 本章小结

第3章 基于可见光通信的室内定位系统实现

3．1 可见光定位系统的整体框架

3．2 可见光通信基带设计

3．2．1 调制解调与编解码

3．2．2 可见光信号的数据帧

3．3 收发端的软硬件实现

3．3．1 发射端的软硬件实现

3．3．2 接收端的软硬件实现

3．4 服务器端命令行程序设计

3．4．1 运行环境及配置

3．4．2 命令行控制系统

3．4．3 收发端串口通信协议

3．5 基于Qt的定位GUI设计

3．6 本章小结

第4章 基于可见光通信的多维定位算法研究

4．1 可见光的传播特性

4．2 三边定位算法

4．2．1 LED光源的分布拓扑

4．2．2 RSS分布函数的简化和拟合

4．2．3 三边定位

4．3 基于指纹匹配和K近邻的三维定位算法

4．3．1 指纹匹配

4．3．2 K近邻迭代搜索

4．3．3 位置加权估计

4．4 本章小结

第5章 可见光多维定位系统的测试与定位结果

5．1 定位系统的豌置与测试

5．2 基于三边定位的算法定位结果

5．3 基于指纹匹配和K近邻的算法定位结果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果