[發(fā)明專利]一種基于不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的雙模LED定位方法和系統(tǒng)有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201811150262.0 | 申請日： | 2018-09-29 |
| 公開（公告）號： | CN109324311B | 公開（公告）日： | 2022-08-19 |
| 發(fā)明（設計）人： | 江明;李正鵬;蔡鯤翼;陳賢煜 | 申請（專利權）人： | 中山大學 |
| 主分類號： | G06F17/10 | 分類號： | G06F17/10 |
| 代理公司： | 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102 | 代理人： | 林麗明 |
| 地址： | 510275 廣東*** | 國省代碼： | 廣東;44 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 不同 輻射 波瓣模數(shù) 雙模 led 定位 方法 系統(tǒng) | ||
1.一種基于不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的雙模LED定位方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟S1:燈具包含有兩顆擁有不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的LED燈芯，兩顆LED燈芯的模數(shù)分別為n0和n1，n0,n1∈Z+；每盞燈具的兩顆LED燈芯采用時分復用按照固定的周期在兩個連續(xù)時隙{t0,t1}中交替發(fā)送相同載波頻率調制的符號，其周期用TS表示，符號峰值功率用PL表示；不同的燈具通過采用頻分復用使用不同的特定載波頻率進行信號的傳送；
步驟S2：考慮信號反射強度在反射過程中的變化，在一個真實的VLP室內場景，來自燈具發(fā)射機的光線會通過數(shù)次反射，最終疊加到裝有光電二極管PD的VLP接收機UE上，反射的相對強度依賴于特定的房間形狀和房間內反射物體的反射系數(shù)，考慮一個通用的長方體房間模型，影響信號反射強度的因素可歸納為一個環(huán)境參數(shù)集向量EN，表示為：
EN＝{L,W,hS,hR,ρW,ρE,ρS,ρN,ρC,ρF} (1)
其中各參數(shù)的含義為：
L/W/hS/hR：房間長度、寬度、LED燈具高度、VLP接收機高度；
ρW/ρE/ρS/ρN/ρC/ρF：房間西墻/東墻/南墻/北墻/天花板/地板的反射系數(shù)；
步驟S3：在考慮環(huán)境參數(shù)集向量EN的基礎上引申出一個概念：NLOS和LOS鏈路之間的信道直流增益CDG比例因子ρ(Si,R,EN,n)，用于描述NLOS信道增益和LOS信道增益之間的關系；
定義第i個燈具和PD之間的總信道直流增益為H(Si,R,n)，有
Si＝(xi,yi,hS)表示第i盞燈具位于空間中的坐標，R＝(xR,yR,hR)表示UE位于空間中的坐標；
其中H(k)(Si,R,n)表示第i個LED發(fā)射機發(fā)出的光線經(jīng)歷了k次反射后被位于R的PD所接收的CDG，總信道直流增益H(Si,R,n)等于從零次反射到無限多次反射的CDG之和；將總信道直流增益H(Si,R,n)分成兩部分，一部分是來自視距鏈路LOS鏈路的貢獻，用HLOS(Si,R,n)表示；另一部分來自非視距鏈路NLOS鏈路的貢獻，用HNLOS(Si,R,EN,n)表示，固定位置組合和環(huán)境下的NLOS鏈路CDG看成一常數(shù)，令：
HNLOS(Si,R,EN,n)＝ρ(Si,R,EN,n)HLOS(Si,R,n) (3)
其中ρ(Si,R,EN,n)稱為與位置組合{Si,R}和環(huán)境參數(shù)向量EN相關的NLOS和LOS鏈路之間的CDG比例因子；
步驟S4：在考慮多徑反射或NLOS鏈路的信道直流增益CDG的基礎上計算兩路時隙的光信號峰值，UE接收來自于第i個燈具發(fā)出的連續(xù)兩個符號周期上，即{t0,t1}兩個時隙上的光信號峰值可分別表示為：
和
上述式(4)和式(5)中，t表示測量一對光強值的測量時間序號，t＝0,...,M-1，M表示測量總次數(shù)；β為PD響應率；測量噪聲和均為方差為σ2、均值為零的高斯隨機變量，而且兩次測量噪聲是互相獨立的；θi表示燈具的輻射角，φi表示UE的入射角，AR表示VLP接收機PD的信號接收面積；di表示燈具與UE之間的距離；F表示指示函數(shù)；h表示燈具與UE之間的垂直距離；
步驟S5：忽略噪聲zt，計算輻射角θi的估計值將兩個符號時間周期的光信號峰值進行相除操作，也就是式(4)除以式(5)，所有與光發(fā)射機參數(shù)和強度相關的其它參數(shù)將會被抵消，則可獲得燈具的輻射角估計值具體地，定義來自第i個燈具的兩個連續(xù)符號周期內的連續(xù)接收符號強度的比例值為：
進一步地，利用式(3)，定義關于{n0,n1}之間的CDG相對值為：
Γ(Si,R,EN,n0,n1)可簡化成Γ(n0,n1)，在一定的燈具輻射角范圍內Γ(n0,n1)≈1；
根據(jù)式(6)，輻射角θi的估計值及其余弦可表示為：
其中
步驟S6：執(zhí)行步驟S7求解局部解或者執(zhí)行步驟S8求解全局解；
步驟S7：進行局部解的求解，首先計算輻射角余弦真實值cosθi，根據(jù)空間幾何原理，第i盞DM-LED燈具到PD的輻射角余弦真實值cosθi可以表示成
而根據(jù)式(8)可獲得輻射角余弦估計值
聯(lián)立式(8)和式(9)，輻射角余弦誤差值可表示為
上式共有3個未知變量，分別為xR、yR和Γ(n0,n1)，因此需要至少3個燈具的輻射角余弦估計值來構成一個輻射角余弦誤差方程組，假設能夠有效被PD檢測的DM-LED燈具數(shù)量為ν，當ν≥3時，可將誤差方程組轉換成求解誤差平方和的最小值優(yōu)化問題：
其中Xmin和Xmax分別為xR的最小值和最大值，Ymin和Ymax分別為yR的最小值和最大值，Γmin和Γmax分別為Γ的最小值和最大值，該目標函數(shù)是非線性的非凸函數(shù)，因此現(xiàn)有的優(yōu)化算法只能找到局部最小值，優(yōu)化問題即式(11)的最小值的獲得及收斂程度依賴于參數(shù)集{xR,yR,Γ(n0,n1)}的初值，式(11)可通過現(xiàn)有的優(yōu)化算法獲得UE的估計坐標值
步驟S8：進行全局解的求解，因為式(11)是一個非線性目標，只能獲得局部最小值，為了獲得全局最小值，可以考慮將式(10)中的二次方程降為一次方程，首先，理想的優(yōu)化目標為式(10)中的估計值和真實值相等，即易知有
上式進一步整理為
令和則式(13)可寫為：
假設接收機可以檢測到ν個LED燈具的發(fā)送信號，利用式(14)可得到以下形式的方程組：
Γ(n0,n1)值可以被看做一個常數(shù)，故γ值同樣也可視為一個常數(shù)，通過對式(15)方程組中的每兩個方程進行兩兩相減操作，可以得到一個由個方程組成的方程組：
上式用矩陣的形式記為：
AQ＝B (17)
其中：
Q＝[xR,yR]T (18)
式(17)通過線性最小二乘LLS方法Q＝(ATA)-1ATB進行求解。
2.一種基于不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的雙模LED定位系統(tǒng)，其特征在于，包括LED燈具以及接收器UE，LED燈具相鄰位置安裝有兩顆擁有不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的LED燈芯；該系統(tǒng)具體執(zhí)行以下過程：
步驟S1:燈具包含有兩顆擁有不同朗伯輻射波瓣模數(shù)的LED燈芯，兩顆LED燈芯的模數(shù)分別為n0和n1，n0,n1∈Z+；每盞燈具的兩顆LED燈芯采用時分復用按照固定的周期在兩個連續(xù)時隙{t0,t1}中交替發(fā)送相同載波頻率調制的符號，其周期用TS表示，符號峰值功率用PL表示；不同的燈具通過采用頻分復用使用不同的特定載波頻率進行信號的傳送；
步驟S2：考慮信號反射強度在反射過程中的變化，在一個真實的VLP室內場景，來自燈具發(fā)射機的光線會通過數(shù)次反射，最終疊加到裝有光電二極管PD的VLP接收機UE上，反射的相對強度依賴于特定的房間形狀和房間內反射物體的反射系數(shù)，考慮一個通用的長方體房間模型，影響信號反射強度的因素可歸納為一個環(huán)境參數(shù)集向量EN，表示為：
EN＝{L,W,hS,hR,ρW,ρE,ρS,ρN,ρC,ρF} (1)
其中各參數(shù)的含義為：
L/W/hS/hR：房間長度、寬度、LED燈具高度、VLP接收機高度；
ρW/ρE/ρS/ρN/ρC/ρF：房間西墻/東墻/南墻/北墻/天花板/地板的反射系數(shù)；
步驟S3：在考慮環(huán)境參數(shù)集向量EN的基礎上引申出一個概念：NLOS和LOS鏈路之間的信道直流增益CDG比例因子ρ(Si,R,EN,n)，用于描述NLOS信道增益和LOS信道增益之間的關系；
定義第i個燈具和PD之間的總信道直流增益為H(Si,R,n)，有
Si＝(xi,yi,hS)表示第i盞燈具位于空間中的坐標，R＝(xR,yR,hR)表示UE位于空間中的坐標；
其中H(k)(Si,R,n)表示第i個LED發(fā)射機發(fā)出的光線經(jīng)歷了k次反射后被位于R的PD所接收的CDG，總信道直流增益H(Si,R,n)等于從零次反射到無限多次反射的CDG之和；將總信道直流增益H(Si,R,n)分成兩部分，一部分是來自視距鏈路LOS鏈路的貢獻，用HLOS(Si,R,n)表示；另一部分來自非視距鏈路NLOS鏈路的貢獻，用HNLOS(Si,R,EN,n)表示，固定位置組合和環(huán)境下的NLOS鏈路CDG看成一常數(shù)，令：
HNLOS(Si,R,EN,n)＝ρ(Si,R,EN,n)HLOS(Si,R,n) (3)
其中ρ(Si,R,EN,n)稱為與位置組合{Si,R}和環(huán)境參數(shù)向量EN相關的NLOS和LOS鏈路之間的CDG比例因子；
步驟S4：在考慮多徑反射或NLOS鏈路的信道直流增益CDG的基礎上計算兩路時隙的光信號峰值，UE接收來自于第i個燈具發(fā)出的連續(xù)兩個符號周期上，即{t0,t1}兩個時隙上的光信號峰值可分別表示為：
和
上述式(4)和式(5)中，t表示測量一對光強值的測量時間序號，t＝0,...,M-1，M表示測量總次數(shù)；β為PD響應率；測量噪聲和均為方差為σ2、均值為零的高斯隨機變量，而且兩次測量噪聲是互相獨立的；θi表示燈具的輻射角，φi表示UE的入射角，AR表示VLP接收機PD的信號接收面積；di表示燈具與UE之間的距離；F表示指示函數(shù)；h表示燈具與UE之間的垂直距離；
步驟S5：忽略噪聲zt，計算輻射角θi的估計值將兩個符號時間周期的光信號峰值進行相除操作，也就是式(4)除以式(5)，所有與光發(fā)射機參數(shù)和強度相關的其它參數(shù)將會被抵消，則可獲得燈具的輻射角估計值具體地，定義來自第i個燈具的兩個連續(xù)符號周期內的連續(xù)接收符號強度的比例值為：
進一步地，利用式(3)，定義關于{n0,n1}之間的CDG相對值為：
Γ(Si,R,EN,n0,n1)可簡化成Γ(n0,n1)，在一定的燈具輻射角范圍內Γ(n0,n1)≈1；
根據(jù)式(6)，輻射角θi的估計值及其余弦可表示為：
其中
步驟S6：執(zhí)行步驟S7求解局部解或者執(zhí)行步驟S8求解全局解；
步驟S7：進行局部解的求解，首先計算輻射角余弦真實值cosθi，根據(jù)空間幾何原理，第i盞DM-LED燈具到PD的輻射角余弦真實值cosθi可以表示成
而根據(jù)式(8)可獲得輻射角余弦估計值
聯(lián)立式(8)和式(9)，輻射角余弦誤差值可表示為
上式共有3個未知變量，分別為xR、yR和Γ(n0,n1)，因此需要至少3個燈具的輻射角余弦估計值來構成一個輻射角余弦誤差方程組，假設能夠有效被PD檢測的DM-LED燈具數(shù)量為ν，當ν≥3時，可將誤差方程組轉換成求解誤差平方和的最小值優(yōu)化問題：
其中Xmin和Xmax分別為xR的最小值和最大值，Ymin和Ymax分別為yR的最小值和最大值，Γmin和Γmax分別為Γ的最小值和最大值，該目標函數(shù)是非線性的非凸函數(shù)，因此現(xiàn)有的優(yōu)化算法只能找到局部最小值，優(yōu)化問題即式(11)的最小值的獲得及收斂程度依賴于參數(shù)集{xR,yR,Γ(n0,n1)}的初值，式(11)可通過現(xiàn)有的優(yōu)化算法獲得UE的估計坐標值
步驟S8：進行全局解的求解，因為式(11)是一個非線性目標，只能獲得局部最小值，為了獲得全局最小值，可以考慮將式(10)中的二次方程降為一次方程，首先，理想的優(yōu)化目標為式(10)中的估計值和真實值相等，即易知有
上式進一步整理為
令和則式(13)可寫為：
假設接收機可以檢測到ν個LED燈具的發(fā)送信號，利用式(14)可得到以下形式的方程組：
Γ(n0,n1)值可以被看做一個常數(shù)，故γ值同樣也可視為一個常數(shù)，通過對式(15)方程組中的每兩個方程進行兩兩相減操作，可以得到一個由個方程組成的方程組：
上式用矩陣的形式記為：
AQ＝B (17)
其中：
Q＝[xR,yR]T (18)
式(17)通過線性最小二乘LLS方法Q＝(ATA)-1ATB進行求解。
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