本實用新型涉及可見光通信定位技術，特別涉及一種基于CDMA調制的可見光通信定位方法的定位系統。
背景技術：
：全球定位系統(GlobalPositioningSystem，GPS)是良好的戶外應用導航系統，在手機地圖服務、汽車導航、船舶和飛機等行業具有廣泛的應用。目前GPS室外定位技術已經十分成熟，并且普遍應用于各個領域，這很大程度上激勵了室內定位技術的開發和研究。近年來，室內定位技術吸引了越來越多的關注，如大型倉庫里的產品定位檢測、大型建筑內部的導航服務(博物館、購物中心、停車場)等。但是在建筑物內部、人口密集的城市、橋下、地下等環境，由于多徑衰落的影響和其他無線設備的干擾使得GPS在建筑物內的信號覆蓋較差，用于室內定位存在較大的誤差。最近十多年以來，各科技巨頭和研究機構在室內定位技術方面開展了大量的研究，涌現了很多新的技術，如基于移動通信網絡的輔助GPS(A-GPS)、偽衛星(Pseudolite)、無線局域網(WLAN)、RFID、Zigbee、藍牙、超寬帶無線電(UltraWideBand，UWB)、地磁測量衛星、紅外定位、光跟蹤定位、計算機視覺定位、超聲波定位，這些方法提供了從幾米到幾十厘米的定位精度。然而，大多數基于無線通信的系統會受到電磁干擾影響，在多個用戶共享的情 況下通信質量下降，這些都直接影響了定位質量。與上述傳統的室內定位方案不同，可見光室內定位技術是基于可見光通信(visiblelightcommunication，VLC)的室內定位技術，通過以人眼識別不了的高頻來控制LED的光強度，進而傳播定位的ID信息。VLC定位技術相對于傳統室內定位技術具有定位精度高、附加模塊少、保密性好、兼顧通信與照明，且沒有電磁輻射、不受電磁干擾等優點，已成為國內外研究人員的研究熱點。基于VLC的定位算法主要有接收信號強度(Receivedsignalstrength,RSS)、到達時間(Timeofarrival,TOA)和到達時間差(Timedifferenceofarrival,TDOA)。由于RSS通過測量信號在傳遞過程中的衰減程度即可測定相關距離，并不需要TOA或TDOA接收端和發射端有嚴格同步的時鐘周期，控制簡單，具有很好的應用前景。然而，由于定位系統中存在多個參考點，不同信源所發射的ID定位信息會由于多徑效應的存在而產生碼間干擾，進而大大限制了定位的精度。技術實現要素：本實用新型的首要目的在于克服現有技術的上述缺點與不足，提出一種實現基于CDMA調制的可見光通信定位方法，該方法通過利用CDMA調制中擴頻碼的正交性，每個LED發出的定位碼經過特定的PN碼直接擴頻，經由自適應濾波器能分辨出各LED的ID碼和對應的強度。本實用新型的另一目的在于克服現有技術的上述缺點與不足，提出一種實現基于CDMA調制的可見光通信定位方法的定位系統，該系統通過融合CDMA調制技術，搭建出一個可實現異步接收的高精度室內可見光通信定位 系統。本實用新型的首要目的通過以下技術方案實現：一種基于CDMA調制的可見光通信定位方法，包括以下步驟：步驟1、每個LED燈具所對應的ID信息通過OOK基帶調制后形成帶寬為B1的基帶調制信號；步驟2、所述基帶調制信號經PN碼發生器所產生的PN碼進行擴頻處理后，形成帶寬為B2的擴頻信號，其中，B2遠大于B1；步驟3、所述擴頻信號經LED驅動電路驅動LED燈具發出可見光信號；步驟4、位于地面的由3個相同的光電二極管以邊長為0.01m的等邊三角形排列而成的光電檢測器件接收可見光信號后，再經過相應的信號處理技術獲得ID信息；步驟5、根據所述的ID信息并結合RSS三角定位算法，最終得出定位的位置坐標。所述步驟4包括以下步驟：步驟41、所述可見光信號經過光電檢測器件后形成電信號；步驟42、所述電信號經過EA放大電路以及自適應濾波器處理后形成解擴前的信號；步驟43、CDMA解擴模塊通過內置的同步電路來捕捉LED燈具所發射的PN碼的準確相位，由此產生與發送端相位一致的PN碼與所述解擴前的信號進行解擴處理，還原出ID信息。所述步驟5中的RSS三角定位算法計算：步驟51、每一個LED都攜帶著經過CDMA編碼后的ID信息在室內空間 中傳播，空間傳播的路徑看為LOS鏈路，因此，從LED到接收端直射視距光信道直流增益H(0)的數學表達式為：H(0)=1d2·ALED(θ)·APD(ψ),---(1)]]>其中，θ為LED燈具的發射角，ψ為光電二極管的接收角，光電二極管和對應燈具的距離為d，ALED(θ)是LED在θ時候的增益，APD(ψ)是PD在ψ時候的增益；經過抽樣判決得到信號bi(t)，該信號可以認為是LED發出的原始信號，與經過自適應濾波器yi(t)的信號作比較，即可得到信號在空間中的衰減H(0)，衰減H(0)包括了空間信道的光衰減，加性高斯白噪聲；根據公式1，即得出光電二極管和對應LED燈具的距離d；d=ALED(θ)·APD(ψ)·Pbi(t)Pyi(t),---(2)]]>其中，Pyi(t)是經過匹配濾波器后抽取出來對應信道的信號的功率，是經過判決后還原出來的信號；其中H為LED與PD的垂直距離；當PD水平放置時，ψ＝θ；投影到PD所在的平面，PD與LED的水平距離由此可得出光電二極管與分別與每4個LED燈具所組成的定位單元中的三個LED燈具的關系式：(x-x1)2+(y-y1)2=dxy12(x-x2)2+(y-y2)2=dxy22(x-x3)2+(y-y3)2=dxy33,---(3)]]>其中，下標1、2和3分別代表LED1、LED2與LED3；[x1、x2、x3]和[y1、y2、y3]分別為LED1、LED2、LED3對應的橫坐標和縱坐標；[dxy1、dxy2、dxy3]分別為PD與LED1、LED2、LED3之間的水平距離；通過求解上述方程組，即可確定PD所在的精確位置(x,y)；步驟52、按步驟51所述方法分別求出3個光電二極管的坐標后，求對應三角形的重心，即求出精確的位置坐標。所述步驟5中的定位位置坐標是通過ID信息確定定位的區域，通過RSS三角定位算法確定光電二極管與定位區域里三個不同LED燈具的距離，進而實現精確的定位。本實用新型的另一目的通過以下技術方案實現：一種實現基于CDMA調制的可見光通信定位方法的定位系統，包括：發射子系統、傳輸子系統和接收子系統。其特征在于：原始的ID信息經過OOK基帶調制模塊后，形成基帶調制信號；所述基帶調制信號經過CDMA擴頻模塊后形成擴頻信號；所述擴頻信號經過LED驅動電路驅動LED燈具發射可見光ID信號；所述可見光ID信號經過自由空間到達光電檢測器件；所述光電檢測器件將可見光ID信號轉換為電信號；所述電信號再依次經過放大電路、自適應濾波電路和CDMA解擴模塊最終獲得ID信號以及空間傳播時信號的衰減；根據所述ID信號，可以初步判斷所在位置的區域，并根據信號的衰減大小，實現精確的位置定位。所述發射子系統包括OOK基帶調制模塊、CDMA擴頻模塊、LED驅動電路和LED燈具。所述傳輸子系統為自由空間。所述接收子系統具有：光電檢測器件、放大電路、自適應濾波電路和 CDMA解擴模塊。由于可見光通信定位系統具有多個LED燈具，而不同LED燈具之間由于碼間干擾從而大大影響了定位的精確度。為此，提出一種基于CDMA調制的可見光通信定位算法，利用CDMA調制技術對LED燈具發射的帶有ID標簽的光信號進行編碼，移動終端接收到來自各個LED光源的光信號的混合信號，由于CDMA擴頻編碼具有正交性，可恢復出各LED光源的信息以及對應光信號的衰減，根據ID信息和其衰減大小，利用三角定位算法即可實現移動終端的精確定位。比起傳統的可見光通信定位技術不僅大大提高了定位的精度，而且系統簡單且不需要同步發射，大大提高了系統的性能。具有廣闊的應用前景。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點和有益效果：1、本實用新型創新性地將CDMA調制技術應用于VLC系統中，在不增加器件帶寬的前提下，成倍地提高了無線通信的速率與質量。2、本實用新型針對定位系統中由于存在多個參考點而帶來的多徑效應的問題，創新性地實用光正交碼，可以實現在時域與頻域均重疊的信號分離，進而實現了碼分復用，克服了由于碼間干擾所帶來的定位誤差。3、本實用新型通過創新性地使用CDMA調制技術與RSS三角定位法相結合，與傳統的定位系統相比，不僅實現了高精度的定位技術，而且不需要同步發射，大大增加了VLC定位系統的穩定性。附圖說明圖1為本實用新型實現可見光通信定位的示意圖。圖2為本實用新型實現基于CDMA調制的可見光通信室內定位系統原理 框圖。圖3為本實用新型直接序列擴頻系統的原理框圖。圖4為本實用新型實現基于CDMA調制的VLC定位系統原理框圖。圖5為本實用新型實現三角定位算法的原理示意圖。圖6為本實用新型實施例自適應濾波器原理框圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，一種基于CDMA調制的可見光通信定位算法的系統模型。根據室內的環境的需求布置m個LED燈具，其中，m為正整數，且m≥4；以每4個LED燈具作為一個定位的位置單元。在地面，由3個相同的光電二極管以邊長為0.01m的等邊三角形組成光電檢測器件。如圖2所示，原始的ID信息經過OOK基帶調制模塊后，形成基帶調制信號；所述基帶調制信號經過CDMA擴頻模塊后形成擴頻信號；所述擴頻信號經過LED驅動電路驅動LED燈具發射可見光ID信號；所述可見光ID信號經過自由空間到達光電檢測器件；所述光電檢測器件將可見光ID信號轉換為電信號；所述電信號再依次經過放大電路、自適應濾波電路和CDMA解擴模塊最終獲得ID信號以及空間傳播時信號的衰減；根據所述ID信號，可以初步 判斷所在位置的區域，并根據信號的衰減大小，實現精確的位置定位。所述CDMA擴頻與解擴原理如圖3所示，其中本實施案例中采用直接序列擴頻技術。如圖4所示，為本實用新型中，實現基于CDMA調制的VLC定位系統原理框圖。三個LED燈具分布輸入不同的ID信息，經過相應的CDMA擴頻處理后，實現了基于CDMA的VLC三角定位算法。Data1包括每個LED獨特的ID信號和需要傳播的信號。每個LED的Data1通過與特定的擴頻碼相乘。本實施案例中使用的擴頻碼為Walsh碼。一個長度為2n、具有2n個元素的Walsh碼可以通過哈達瑪矩陣(Hadamardmatrix)產生，如公式Hn=Hn-1Hn-1Hn-1Hn-1‾---(4)]]>經過DS-CDMA編碼后的信號，通過LED驅動電路，控制LED的發光亮度，以同一個通信信道傳輸到PD上，接收到的混合信號如式所示。r(t)=Σi=1∞Σk=1KAkbk(i)Sk(t-iTb)+δn(t)t∈[iTb,(i+1)Tb]---(5)]]>其中，Ak表示第k個LED的信號強度，bk(i)為第k個LED傳輸的信號序列，Tb為信息符號間隔，Sk(t)是歸一化特征波形。第i個信息符號間隔內第k個自適應濾波器的輸出為：yk(i)＝Akbk(i)+∑Ajbj(i)ρjk+nk(6)其中，ρjk是第k個和第j個用戶特征波形的互相關，定義為：ρjk=∫0TbSk(t)Sj(t)dt---(7)]]>由于Walsh碼的完全正交性，即ρjk＝0，每個LED的信息經過對應的匹 配濾波器后，得到對應的ID信號和空間傳播時，信號的衰減。根據ID信號，可以初步判斷所在位置的區域，并根據信號的衰減大小H(0)，精確定位出位置。如圖5所示，為RSS三角定位算法的原理示意圖。ID信息確定定位的位置區域，即定位單元；根據接收光信號的衰減可以獲得光電二極管與每個LED燈具之間的距離，進而實現精確的位置定位。一般商用的白光LED為熒光粉LED，由于熒光粉的響應延遲從而導致器件帶寬一般只有幾MHZ。當系統數據傳輸速率比較高時，LED帶寬的限制增加，進而使對一個信號的影響擴展到相鄰信號上，即產生碼間干擾，從而導致系統誤碼率大大提升，故此VLC數據傳輸速率受到了大大的限制，可以通過信道的均衡處理來提高系統的帶寬；與此同時，信道的隨機性和隨機性以及系統中電路噪聲、相移等也會大大影響定位的質量以及精度；進一步地，在多址接入系統中，由于多徑衰落導致各用戶地址碼的不完全正交性從而產生多用戶的干擾(即多址干擾)，可以通過后均衡處理技術來解決。因此，本項目擬通過使用DSP信號處理技術實現自適應濾波器算法，進而實現均衡信道，抵消回波，增強譜線，抑制信道噪聲等功能。如圖6所示，擬采用FIR橫向型濾波器。通過最小均方誤差(LeastMeanSquare,LMS)算法來調整濾波器系數從而實現根據信號的變化來時刻調節濾波器參數。從而解決了器件帶寬以及多用戶干擾等對定位精度影響的問題。上述實施例僅為本實用新型的一種實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應為等效的置換方式，都包含在本實用新 型的保護范圍之。當前第1頁1 2 3