[發(fā)明專利]基于蟻群算法的可見光通信室內(nèi)三維定位的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710878217.6
• 申請(qǐng)日: 2017-09-26
• 公開（公告）號(hào): CN107786266A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 文尚勝;吳興邦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/116
• 分類號(hào): H04B10/116;H04W4/33;H04W4/021;G01S5/16
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明關(guān)于可見光通信室內(nèi)定位技術(shù)，使用了一種基于蟻群算法(ACO)通過測(cè)量接收LED信號(hào)強(qiáng)度(RSS)進(jìn)行室內(nèi)三維定位方法。

背景技術(shù)

GPS(全球定位系統(tǒng))目前已被廣泛應(yīng)用于交通、測(cè)繪等許多行業(yè)。在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航，軌跡記錄、大地測(cè)量、周邊信息查詢等定位領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是當(dāng)涉及到室內(nèi)定位時(shí)，由于金屬材料具有表面趨膚效應(yīng)，信號(hào)在鋼筋混凝土表層就被衰減吸收，來自衛(wèi)星的無線電信號(hào)將被高建筑物阻擋，易導(dǎo)致較大的定位誤差。為了滿足室內(nèi)定位服務(wù)日益增長(zhǎng)的需求，已經(jīng)開發(fā)出了紅外定位、無線局域網(wǎng)(WLAN)、射頻識(shí)別(RFID)、藍(lán)牙、紫蜂協(xié)議(ZigBee)、超寬帶(UWB)和超聲波定位對(duì)GPS進(jìn)行補(bǔ)充。但是這些室內(nèi)定位解決方案定位精度較低、操作復(fù)雜且成本高、保密性較差。

使用可見光通信(VLC)來進(jìn)行定位系統(tǒng)是解決室內(nèi)定位問題的新思路。VLC可以提高LED的利用效率，集照明與通信功能于一體，并且具有定位精度高，無電磁干擾，無通信盲區(qū)，通信保密性好，方便快捷，能耗較低等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)VLC定位系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了二維平面定位，國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維定位系統(tǒng)的研究較少，存在相應(yīng)的技術(shù)空白。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述系統(tǒng)及方法存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于蟻群算法(ACO)可見光通信室內(nèi)三維定位的方法及系統(tǒng)。在發(fā)射器處對(duì)每個(gè)LED上加載的原始ID信息碼元進(jìn)行CDMA擴(kuò)頻，使用雙極性調(diào)制，利用Walsh碼的正交性，實(shí)現(xiàn)時(shí)域與頻域均重疊的信號(hào)的分離。在接收器處使用相同的Walsh對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)原來的信號(hào)，然后采樣獲得相應(yīng)信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度衰減因子，再利用蟻群算法(ACO)進(jìn)行局域搜索或全局搜索可實(shí)現(xiàn)精確的三維定位。本方法及系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)，一是創(chuàng)新性地提出了利用可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，可實(shí)現(xiàn)高精度定位；二是引入了CDMA調(diào)制技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有頻分和時(shí)分可見光通信系統(tǒng)信道容量小的缺點(diǎn)，且提高了室內(nèi)光通信質(zhì)量；三是通過將蟻群算法和傳統(tǒng)RSS三角定位算法相結(jié)合，提高了定位算法的計(jì)算效率，而且實(shí)現(xiàn)了算法誤差可視化，有利于定位精度控制。

基于蟻群算法的可見光通信室內(nèi)三維定位的方法，其包括以下步驟：

步驟一：對(duì)發(fā)射端LED的原始ID信息碼進(jìn)行CDMA擴(kuò)頻調(diào)制；

步驟二：發(fā)射端LED發(fā)射加載經(jīng)過CDMA擴(kuò)頻調(diào)制的ID信息碼信號(hào)；

步驟三：接收端接收來自各個(gè)發(fā)射機(jī)光信號(hào)，得到的為混合光信號(hào)，對(duì)上述混合光信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)以獲得對(duì)應(yīng)LED的光強(qiáng)衰減因子和ID位置信息；

步驟四：利用信道的增益表示LED的光強(qiáng)衰減因子；

步驟五：根據(jù)所述LED的光照強(qiáng)衰減因子，通過基于蟻群算法(ACO)的三維定位算法來確定接收器的三維坐標(biāo)；

進(jìn)一步地，所述步驟一中的CDMA擴(kuò)頻調(diào)制包括以下步驟：

步驟(1.1)：獲得與各個(gè)LED地理位置相關(guān)的ID信息碼，ID碼為二進(jìn)制序列；

步驟(1.2)：使用開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制生成基帶ID信號(hào)；

步驟(1.3)：生成調(diào)制信號(hào)，采用Walsh碼作為擴(kuò)頻碼，對(duì)基帶ID信號(hào)的碼元進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。

進(jìn)一步地，所述步驟三中的信號(hào)解擴(kuò)包括以下步驟：

步驟(3.1)：在所述接收端處，經(jīng)過采樣處理后，使用要恢復(fù)出的發(fā)射端LED的Walsh碼，與接收信號(hào)碼元進(jìn)行對(duì)應(yīng)相乘操作；

步驟(3.2)：對(duì)上述進(jìn)行對(duì)應(yīng)相乘操作后的信號(hào)按Walsh碼長(zhǎng)度分別進(jìn)行積分操作；

步驟(3.3)：對(duì)上述積分操作后的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，可獲得ID信息碼,同時(shí)根據(jù)Walsh碼長(zhǎng)度可獲得ID信息碼對(duì)應(yīng)LED的光強(qiáng)衰減因子。

進(jìn)一步地，所述光強(qiáng)衰減因子通過以下步驟獲得：

光信號(hào)接收機(jī)接收到的混疊信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)處理后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理。進(jìn)一步地，假想發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率已知，且不考慮燈具等因素的光衰減，定義來自每個(gè)信號(hào)源的光強(qiáng)衰減因子為H⁽ⁿ⁾(0)，可由以下公式來表示：

其中n代表發(fā)射機(jī)的序號(hào)；P_r為接收功率，P_background為入射到PD的背景光功率，P_t為L(zhǎng)ED的光功率根據(jù)上述的室內(nèi)無線光通信直射鏈路(LOS)信道增益，可由采樣操作得出。步驟五(1)：在待搜索的三維空間范圍內(nèi)，隨機(jī)生成多個(gè)螞蟻個(gè)體。單個(gè)螞蟻個(gè)體包含3個(gè)不同坐標(biāo)分量(x,y,z)。

進(jìn)一步地，所述步驟五中的基于蟻群算法(ACO)的三維定位算法包括以下步驟：