一种使用多色LED的可见光通信网室内定位方法

摘要

本发明公开了一种使用多色LED的可见光通信网室内定位方法，使用多色LED灯中的多种颜色合成恒定的白光输出，保证照明质量，每个LED灯中的多种颜色输出功率比唯一，可见光通信网中邻近LED灯形成的重叠覆盖区的多种颜色输出功率比唯一，接收机检测接收信号中不同颜色可见光能量的比值并上行反馈至可见光控制中心，可见光控制中心通过查询其存储的网络中所有LED灯唯一的多种颜色功率比和所有可能的重叠覆盖区域的多种颜色输出功率比及与之对应的LED灯位置，可得知可见光接收机处于哪一个或哪几个LED灯的覆盖区域，实现对可见光接收机的定位。本发明充分利用可见光信号的功率资源，在无需额外的系统负载的前提下快速定位用户，不影响可见光信号的高速传输。

说明书

技术领域

本发明是一种可见光通信网室内定位方法，属于无线网络技术领域。

背景技术

随着数据业务的大幅增长，无线网络必须提供更大的容量和更高效的频谱利用率。然而大多数无线电波频谱资源已经分配完毕，此外无线电波还会对相邻的设备产生干扰，无线网络正遭遇容量瓶颈。可见光通信技术是近几年兴起的无线通信技术，它能够解决无线通信频谱资源日益拥挤的难题。可见光通信网使用免费的可见光频谱资源，它不仅能够避免电磁干扰而且还能使用LED节能材料在提供照明的同时传输数据。可见光通信系统利用低成本的发光二极管(LED)作为信号的发送机，PIN光电二极管或者雪崩光电二极管作为接收机，在室内环境中能够显著地减少现有无线通信网络的负担。可见光通信网通常利用在室内安装多个LED灯形成无缝信号覆盖及有效照明，然而在移动场景中，用户可能从一个LED灯的信号覆盖区走入另一个LED灯的信号覆盖区，服务该用户的LED灯随之改变。因此，可见光通信系统必须及时对用户快速定位以便分配合适的LED灯为用户提供高速下行数据传输，同时不能增加系统的负载。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可见光通信网室内定位方法，该方法能够充分利用可见光信号的功率资源，在无需额外的系统负载的前提下快速定位用户，不影响可见光信号的高速传输。实现本发明的技术方案如下：

一种使用多色LED的可见光通信网室内定位方法，包括：

a)使用多色LED灯中的多种颜色合成恒定的白光输出，保证照明质量；

b)在保证恒定白光输出的前提下，每个LED灯中的多种颜色输出功率比唯一，可见光通信网中邻近LED灯形成的重叠覆盖区的多种颜色输出功率比唯一，这些各不相同的颜色输出功率比设为可见光接收机区分不同LED灯信号的依据；

c)用户持有的可见光接收机检测接收信号中不同颜色可见光能量的比值并形成上行反馈信号，发送至可见光控制中心；

d)可见光控制中心存储网络中所有LED灯唯一的多种颜色功率比和所有可能的重叠覆盖区域的多种颜色输出功率比值，以及与之对应的LED灯位置，可得知可见光接收机处于哪一个或哪几个LED灯的覆盖区域，从而实现对可见光接收机的定位。

进一步地，a)中所述LED灯中的多种颜色的色度值(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…(x_L,y_L),L>3满足以下方程组条件：

$\left(\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}{x}_j\\ y=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}{y}_j\\ 1=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}\\ P_i=[p_{1,i},p_{2,i},...,p_{L,i}]>0\end{array}\right)$

其中(x,y)为白色的色度值，p_j,i为第i个LED灯中第j种颜色的功率占总发射可见光功率的比值；对于每一个LED灯而言，P_i各不相同。

进一步地，所述方法还包括：设计LED灯的归一化功率比，所述设计准则是使网络中任意两个LED灯的归一化功率比之间的最小欧式距离最大；所述LED灯多种颜色的归一化功率比生成的具体方法为：

e)根据网络中LED灯的数量随机生成满足所述方程组条件的LED灯多种颜色输出功率比P₁,P₂,...,P_M，M为网络中LED灯的个数；

f)设置参数α初始值为1，参数α_s为阈值门限值；

g)对于每一个P_j，j＝1,…,M求解使表达式-ln(∑_j≠kexp(-a||P_j-P_k||₂))/α最大且满足所述方程组条件的输出功率比P_k，最终得到新的集合P₁,P₂,...,P_M；

h)判断α值是否小于α_s，若小于，则增大α的数值，返回步骤g)；若大于或等于，则网络中M个LED灯的多种颜色输出功率比为P₁,P₂,...,P_M。

进一步地，所述α_s设置为5000，所述增大α数值的方式为扩大为原来数值的2倍。

进一步地，所述可见光接收机具有以下特征：

i)不仅能够接收LED灯发送的信号，还能够建立上行链路并发送反馈信号至可见光控制中心；

j)可见光接收机前安装透镜以便使不同颜色的可见光投射在接收器不同的位置，降低不同颜色信道间的干扰。

进一步地，所述上行链路为可见光上行接入点，或者WiFi热点，或者蜂窝网基站，或者蓝牙，或者红外线接入点。

进一步地，所述多色LED采用4色LED，分别是红色、绿色、蓝色和青色。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种可见光通信网室内定位方法，该方法能够充分利用可见光信号的功率资源，在无需额外的系统负载的前提下快速定位用户，不影响可见光信号的高速传输。

附图说明

图1多色LED可见光通信网示意图；

图2四色LED可见光通信网中4-LED和8-LED场景下的定位误差仿真图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明中的可见光通信网包括多个多色LED灯负责室内的照明和可见光下行链路的传输，一个可见光控制中心及一个能提供从移动用户至可见光控制中心传输信息的上行链路，可以是可见光上行接入点，WiFi热点，蜂窝网基站，蓝牙或红外线接入点等。可见光接收机不仅能够接收LED灯发送的信号，还具有建立上行链路发送反馈信号至可见光控制中心的能力，此外，可见光接收机前安装透镜以便使不同颜色的可见光投射在接收器不同的位置，尽可能降低不同颜色信道间的干扰。本发明使用多色LED中的多种颜色合成恒定的白光输出，保证照明质量。若将LED灯中多种颜色的色度值表示为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，…(x_L,y_L),L>3，则满足：

$\left(\begin{array}{c}x=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}{x}_j\\ y=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}{y}_j\\ 1=\underset{j=1}{\overset{L}{\Sigma }}{p}_{j,i}\\ P_i=[p_{1,i},p_{2,i},...,p_{L,i}]>0\end{array}\right)$

其中(x,y)为白色的色度值，p_j,i为第i个LED灯中第j种颜色的功率占总发射可见光功率的比值。对于每一个LED灯而言，P_i都各不相同。

在保证恒定白光输出的前提下，每个LED灯中的多种颜色输出功率比唯一，可见光通信网中邻近LED灯形成的重叠覆盖区的多种颜色输出功率比唯一，这些各不相同的颜色输出功率比对于可见光接收机而言是区分不同LED灯信号的依据。此外，可见光接收机检测接收信号中不同颜色可见光能量的比值并形成上行反馈信号发送至可见光控制中心。可见光控制中心存储网络中所有LED灯唯一的多种颜色功率比和所有可能的重叠覆盖区域的多种颜色输出功率比值及与之对应的LED灯位置，可得知可见光接收机处于哪一个或哪几个LED灯的覆盖区域，从而实现对可见光接收机的定位。

在设计LED灯的归一化功率比数值时，设计准则是使任意两个LED灯的归一化功率比之间的最小欧式距离最大，LED灯多种颜色的归一化功率比生成的具体方法为：

a)根据网络中LED灯的数量随机生成满足公式(1)中方程组条件的LED灯多种颜色输出功率比P₁,P₂,...,P_M，M为网络中LED灯的个数；

b)设置参数α初始值为1，参数α_s为阈值门限值，本发明中可设置为5000；

c)对于每一个P_j，j＝1,…,M求解使表达式-ln(∑_j≠kexp(-α||P_j-P_k||₂))/α最大且满足(1)中的限定条件的输出功率比P_k，最终得到新的集合P₁,P₂,...,P_M；

d)判断α值是否小于α_s，若小于，则增大α的数值，例如扩大至原来数值的2倍，返回步骤c)；若大于或等于，则网络中M个LED灯的多种颜色输出功率比为P₁,P₂,...,P_M；

本发明实施例采用四色LED，四种颜色分别为红色(R，Red)、绿色(G，Green)、蓝色(B，Blue)和青色(C，Cyan)。表1所示为四色LED可见光通信网中4-LED和8-LED场景下的最优功率比值，表2所示为四色LED可见光通信网中4-LED场景中所有可能的重叠覆盖区域的RGBC四色功率比值，其中(1,2)表示编号1的LED灯和编号为2的LED灯的重叠覆盖区域，其余有类似定义。从表1和表2可看出编号为2和LED灯与编号为3的LED灯的重叠覆盖区域的RGBC功率比与编号为4的LED灯的比值相同，若用户将在此重叠覆盖区域检测的RGBC功率比值发送给可见光控制中心，会造成定位错误。因此，在网络布置时需要将编号3的LED与编号4的LED灯隔开，使其不相邻且无重叠覆盖区域。

表1

表2

重叠覆盖区域RGBC(1,2)0.40090.05740.16180.3799(1,3)0.37550.14330.24370.2375(1,4)0.38820.10040.20270.3087(2,3)0.35850.20070.29840.1424(2,4)0.37120.15780.25740.2136(3,4)0.34580.24370.33930.0712

图2所示为四色LED可见光通信网中4-LED和8-LED场景下的定位误差仿真图。由于可见光控制中心存储可见光通信网中所有LED灯唯一的多种颜色功率比和所有可能的重叠覆盖区域的多种颜色输出功率比值及与之对应的LED灯位置，因而当用户无论处于单独LED灯覆盖区域还是重叠覆盖区域都可以准确跟踪定位。图2比较了当可见光控制中心存储/不存储重叠覆盖区域的LED灯的多颜色输出功率比值时用户的定位误差。当可见光控制中心不存储重叠覆盖区域的输出功率比值时，定位误差相比较而言更小，然而在此场景下，当用户处于重叠覆盖区域时，系统无法对其定位。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。