[發(fā)明專利]一種室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū)切換方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510631659.1
• 申請(qǐng)日: 2015-09-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105162519A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃治同;熊節(jié)慶;紀(jì)越峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/116
• 分類號(hào): H04B10/116;H04B10/114;H04W36/08
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信(VLC)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū)切換方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，LED由于其低能耗，壽命長(zhǎng)，種類繁多，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為下一代照明的有力選擇，國(guó)內(nèi)外各大照明廠商(如飛利浦，億光，科瑞)相繼研發(fā)出各種高性能LED投入市場(chǎng)，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)LED燈將成為人們?nèi)粘Ｉ钫彰鞯氖走x，同時(shí)LED的普及也為可見(jiàn)光通信的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此外人們注意到LED還具有良好的調(diào)制性能、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，利用LED的這種特性，在照明的同時(shí)，還可以把數(shù)據(jù)調(diào)制到LED上進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)一種新興的光無(wú)線通信技術(shù)，即可見(jiàn)光通信技術(shù)[。但是測(cè)量發(fā)現(xiàn)，一方面白光LED照明器件本身的通信帶寬比較有限，因此需要研究各種提高VLC系統(tǒng)速率和網(wǎng)絡(luò)容量的方法和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)寬帶通信的目標(biāo)；另一方面，由于單個(gè)LED光源發(fā)出的光具有一定的定向性，漫射性比以往使用的熒光光源弱，因此，為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)，尤其是大型室內(nèi)環(huán)境的均勻照明，一般需要在室內(nèi)天花板上按照規(guī)則排列若干LED光源形成光源陣列。所以如果我們讓不同的LED光源發(fā)送不同的信息，每個(gè)LED光源獨(dú)自負(fù)責(zé)自身有效覆蓋范圍內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)通信，這就實(shí)現(xiàn)了基于光源位置的空分復(fù)用，理論上可以大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信容量，我們把這種網(wǎng)絡(luò)稱為室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)。

室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)類似于無(wú)線通信中的微蜂窩小區(qū)，只是覆蓋區(qū)域更小，通常一個(gè)LED燈(陣列)照射的區(qū)域即為一個(gè)服務(wù)區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)LED燈能夠服務(wù)的區(qū)域大概是直徑為2-3m的圓形區(qū)域，當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，可能只需幾秒就穿過(guò)一個(gè)服務(wù)區(qū)域，同時(shí)由于可見(jiàn)光通信獨(dú)特的視距特性，信道特性和無(wú)線通信也大不相同，所以在室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)快速、準(zhǔn)確、有效的切換機(jī)制是保證移動(dòng)用戶服務(wù)質(zhì)量的前提。在這些條件下，我們提出了新的定位和越區(qū)切換算法，而如何得到用戶的位置信息則是其中的一個(gè)難點(diǎn)。目前大多數(shù)的位置服務(wù)LBS(locationbasedservice)都是利用多條下行鏈路來(lái)得到用戶的位置信息，比如GPS，但是在室內(nèi)由于建筑物的遮擋，GPS處于不可用狀態(tài)。而在我們的室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中，可以利用上行紅外鏈路，通過(guò)一些定位算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶位置的估計(jì)，從而保證切換的順利實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，我們引入了卡爾曼濾波器。卡爾曼濾波器是一種高效率的遞歸濾波器。它能夠從一系列的不完全及包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。我們?cè)诙ㄎ缓笫褂每柭鼮V波器來(lái)提高定位性能，通過(guò)設(shè)法去掉噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的更好的估計(jì)，這為我們?cè)诮酉聛?lái)的切換過(guò)程提供了更加準(zhǔn)確的判決條件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種在室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū)切換方案，從而解決室內(nèi)可見(jiàn)光通信(VLC)網(wǎng)絡(luò)吞吐效率以及切換難執(zhí)行的問(wèn)題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：

圖1所示的一個(gè)室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)模型，該模型適用于比較寬闊的大廳等場(chǎng)景。我們通過(guò)排列LED燈的分布，利用可見(jiàn)光的視距性，既實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫覆蓋來(lái)保證用戶的服務(wù)質(zhì)量，又節(jié)省了在LED燈上的花費(fèi)。如果用戶在當(dāng)前服務(wù)小區(qū)1，那么當(dāng)用戶移動(dòng)到小區(qū)邊緣時(shí)，必須有一套機(jī)制來(lái)通知協(xié)調(diào)器完成即將到來(lái)的越區(qū)切換。基于此，我們提出了一種切換機(jī)制來(lái)解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟為：

(1)在單個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)完成定位。

(2)利用卡爾曼濾波器濾除噪聲影響，提高定位精度。

(3)利用上述步驟的位置信息決定是否啟動(dòng)預(yù)切換。

(4)移動(dòng)臺(tái)利用接收到的信號(hào)功率信息通知協(xié)調(diào)器完成鏈路切換過(guò)程。

進(jìn)一步，步驟(1)中在單個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)完成定位是指在圖2所示的單個(gè)LED燈下估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)的位置。在該系統(tǒng)中，我們采取的上行方式為紅外上行，通過(guò)控制紅外信號(hào)功率來(lái)防止對(duì)人眼造成傷害。

進(jìn)一步，步驟(2)中，我們引入了卡爾曼濾波器來(lái)處理步驟(1)中得到的定位數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(1)～公式(5)，我們迭代更新每個(gè)采樣時(shí)刻移動(dòng)臺(tái)的位置，由于卡爾曼濾波器不用記錄歷史狀態(tài)，只需要保存上一時(shí)刻的協(xié)方差，所以卡爾曼濾波器實(shí)際上就是不斷的把協(xié)方差遞歸，從而估算出最優(yōu)的狀態(tài)值，這里就是指移動(dòng)臺(tái)的平面坐標(biāo)。圖3顯示了通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)系統(tǒng)定位的優(yōu)化過(guò)程，可以看出提升還是很明顯的。