11 基于LED可见光通信的室内定位技术研究※许银帆1,2 黄星星1 李荣玲1 迟 楠1 （1. 复旦大学 通信科学与工程系，上海 200433；2. 武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）Research on Indoor Positioning Algorithm Based on LED Visible Light CommunicationXU Yinfan1,2 HUANG Xingxing1 LI Rongling1 CHI Nan1(1. Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433; 2. School of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070)Abstract: As a combination of lighting and optical communication, to broaden the spectrum resource, green energy-saving new wireless communication technology, LED visible light communication (VLC) technology based application in indoor positioning system has recently become a very hot research topic. The domestic and foreign research on LED visible light communication in indoor positioning technology is divided into non-imaging positioning technology and imaging positioning technology. Among them, there are four non-imaging positioning technology methods: triangulation method , scenario analysis, proximity method and hybrid techniques with VLC and Ad Hoc wireless network. This article provides an overview of these two technologies, and their performance are compared. Finally the outlook for future research are discussed .Key words: LED; visible light communication; indoor positioning; non-imaging positioning; imaging positioning作为1种照明和光通信结合、可拓宽频谱资源、绿色节能的新型无线通信技术，基于LED可见光通信（VLC）技术在室内定位系统中的应用近来成为1个非常热门的研究课题。国内外对基于LED可见光的室内定位技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术。其中，非成像定位技术有4种方法：三角测量法，情景分析法，接近法以及VLC和Ad Hoc网络混合法。本文对这两种技术进行概述，并对其性能进行比较，最后讨论了未来的研究前景。LED；可见光通信；室内定位；非成像定位；成像定位摘 要：关键词：引言近年来，随着LED在照明、通信和传感技术等各个领域的广泛应用[1]，可见光通信（VLC）具有专题研究同时用于照明和通信的优势，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术。在基于VLC的各种应用中，室内定位系统与现有的定位技术相比具有许多优※基金项目：国家“863”计划资助项目(2013AA013603)；由上海市科委重点项目(12dz1143000)支持。CHINA LIGHT & LIGHTING

12 点， 成为国内外研究人员的研究热点。现有的定位系统主要基于全球定位系统（GPS）和无线电波技术。GPS能很好地应用于室外定位，然而因为其定位依赖于无线电波传播，室内覆盖小，导致在室内环境中会出现较大的定位误差，因此不适用于室内定位。过去10年，基于无线电波技术提出许多室内定位方案。主要有：WLAN、RFID、UWB、WIFI、超声系统、蓝牙等，这些方法提供了从几米到几十厘米的定位精度。然而，大多数基于无线通信的系统会受到电磁干扰影响，在多个用户共享的情况下通信质量下降，这些都直接影响了定位质量。此外，基于RF的系统不能在医院、飞机或一些电磁敏感的环境中使用，相比之下，VLC定位技术有如下优点：（1）VLC技术使用LED作光源，从而用于室内定位目的的VLC系统均可在用于照明的地方提供服务，而且除一些必要的信号处理，几乎不需多余的功率消耗。（2） 基于VLC的定位系统不会产生任何射频干扰，因此可以部署在射频辐射被严格限制的环境中（如医院）。（3）因为VLC系统受到多径效应以及来自其他无线手持设备的干扰较少，所以比无线电波能提供更高的定位精度[2]。目前，国内外对基于LED可见光的室内定位技术的研究分为非成像定位技术和成像定位技术两种。非成像定位使用传统的定位方法，利用多点对多点的通信，基于距离和角度进行定位。目前基于VLC系统的研究主要集中在成像定位技术上。2013年，美国因特尔公司、韩国三星公司等在IEEE 802.15组织下，成立了802.15.SG7a研究组起草授权申请，拟将光学成像通信（Optical Camera Communications，OCC)作为IEEE 802.15.7 -2011标准的修正，采用闪光灯、显示器、光学传感器等作为收发器件，以实现可变速率通信、定位导航和消息广播等功能。因此，可见光成像定位技术在今后会有更重大的发展。1 可见光定位非成像定位系统有多个LED发射器和多个接收器，来自每个LED阵列的光信号发送并行独立的位置信息数据流，且都被独立的接收器接收，但所接收的强度不同。独立的数据流用MIMO信号处理技术获取，从而实现定位。成像定位系统使用LED阵列作为发射端，对其上的像素进行强度、空间等调制后在可见光信道中并行传输，在接收端的成像器件上成像得到发送过来的图像信息，之后通过对接收到的图像进行处理，最终解调出最初发送的数据，实现高精度室内定位。1.1 非成像定位技术非成像定位技术是基于专用的光电探测器来实现对LED灯的检测，主要有4种实现方法：三角测量法，情景分析法，接近法及VLC和Ad Hoc混合法。下面对这4种方法进行详细说明。1.1.1三角测量法三角测量是使用三角形的几何性质来估计位置的算法[3]，有两个分支：距离和角度。其中目标到多个参考点的距离不能直接测量得到，所以我们通过测量接收的信号强度（RSS），到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）来间接测量距离。角度测量是测量相对于几个参考点到达角（AOA），然后通过找到方向线的交叉点从而实现位置的估计，这些方向线是半径范围从参考点（光源）到目标（接收器）的圆。在TOA为基础的系统中，如图1所示，需要对到达3个参考点的时间进行测量，分别为t1，t2，t3。根据公式（1）得到目标位置距离3个参考点的距离R1，R2，R3（c是光速）。以3个参考点为圆心，以对应距离为半径的3个圆的交点即为目标位置。TOA有两个关键的问题：首先，所有参考点以及目标使用的时钟要完全同步，任何不准确的同步将直接造成定位误差；其次，必须在发送信号内包含时间标记，这会在数据传输速率上造成额外的消耗。基于TDOA的系统中，测量信号从不同的参考213R1R2R31 TOARSS2014年第4期

13 点到达的时间差，这些信号需要精确地在同一时刻发送，因此所有的参考点必须被精确地同步发射。然而，接收机不必与发射机同步，因为它不是对到达的绝对时间的测量。如图2所示，通过测量3个信号的达到时间差来实现TDOA。在式（2）中t1，t2，t3分别为3个参考点到达目标位置的时间，tr为发射时间，c是光速，t12，t23，t13则是参考点到达目标位置的时间差[4]。利用公式（2）得到目标位置距离3个参考点的时间差，然后同TOA一样的方法实现2D定位。此外，这种方法不需要将时间标记加到发送的信号中，避免了传输速率的损耗。基于RSS的系统测量接收信号强度，并计算发射信号的传播损耗，然后通过使用1个路径损失模型来估计范围，最后通过3边测量来估计目标的位置，测试方法同TOA类似，如图1所示。基于AOA的系统需要测量信号相对于一些参考点到达的角度，再通过方向线的交点定位目标。理论上仅需要两个参考点来执行2D定位，需要3个参考点实现3D定位。 AOA为基础的系统中最重要的特征是，参考点和目标之间不需要同步。1.1.2情景分析法情景分析分为两个阶段：首先收集在1个场景中每个采样点（也称指纹）的位置信息并存储起来，建立指纹库；然后通过将实时测量的用户信号与指纹库中的信息相匹配，从而实时确定目标的位置。其中，可以被用作指纹的因素包括但不限于前面提到的所有测量值，即TOA ，TDOA，RSS和AOA 。综合考虑复杂性和其他问题，主要用RSS测量值作为VLC系统的指纹。1.1.3接近法接近法依靠密集的网格参考点，每个参考点都具有1个已知位置。如果目标从单一参考点采集信号，则被认为是协同定位于该节点，从而实现定位。因为这种方法使用LED光源作为发射器，所以理论上该方法的测量精度不低于网格本身的分辨率。1.1.4 VLC和Ad Hoc网络混合法VLC和Ad Hoc网络混合定位方法示意图如图3所示。首先，可见光标识数据（ID）随光照产生，来自LED灯A的位置信息被目标节点（例如监控节点）的光电二极管模块接收；接收到的ID被重建和处理后为数字可见光 ID数据，通过ZigBee收发器模块被转移到Ad Hoc无线网络。ZigBee收发路由器节点将可见光标识信息通过多跳传输到主节点；最后带有位置信息的ID数据在连接到主节点的系统控制器的屏幕上显示[5]。1.2 成像定位技术基于可见光的成像定位系统结构如图4所示，利用LED照明阵列作为VLC发送部分，从阵列中的至少4个LED发射的三维坐标通过两个光学透镜被接收，然后由两个图像传感器解调信息，并使用图像传感器中接收到的LED图像的距离几何关系计算出目标的位置[6]。在选择LED灯时，必须确保它们不共线，如图4中的LED1、LED2、LED3、LED4。系统中元件参数的确定有3个限制：（1）4个光源影像不能只落在1个图像传感器上，否则信道矩阵不是满秩的，则所有通道无法实现独立的数据传输；（2）发射器光束角必须足够大，以照亮接收机在覆盖区域的边缘；（3）成像透镜的直径必须足够大，以收集到足够的光线，以维持所需的链路预算t1-t2t2-t3t1-t3t1t3t22 TDOAALEDALEDNNZigbee Zigbee 3 VLCAd Hoc 121212232323131313[()()]()[()()]()[()()]()rrrrrrRcttttcttRcttttcttRcttttctt=−−−=−⎧⎫⎪⎪=−−−=−⎨⎬⎪⎪=−−−=−⎩⎭2许银帆 等：基于LED可见光通信的室内定位技术研究

14 图像传感器接收到的LED图像的几何图形如图5所示。根据图中的几何关系，任何1个LED到目标的距离d可以由公式（3）计算得到：其中，m1, m2分别为LED图像中心距离两个成像接收器中心的距离；h为LED到透镜的距离；f为透镜的焦距。这些距离均是已知的。在得到4个参考点到目标的距离之后，可以很容易地得到目标位置的三维坐标，即实现定位。2 性能比较前面我们已经对非成像定位技术和成像定位技术进行了概况及分析，包括系统结构及定位计算的表达式，接下来对以上基于LED可见光通信的室内定位技术的性能进行比较，如表1所示。三角测量法是最传统、应用最多的定位方法。其中，RSS的性能不高，因为当接收器靠近墙壁或房间边缘时估计误差增大。AOA是1种利用图像传感器获得光的入射角来定位，该方法具有较高的精度，但需要高度复杂的图像传感器阵列。对于TOA， LED显示屏和接收器之间必须同步，但是LED显示屏和接收器通过无线连接，很难进行部署。然而，对于TDOA 、LED面板和接收器之间没必要同步，TDOA只需要位于同1个房间[8]。情景分析法利用指纹库，完成目标单一定位的时间比三角测量法更短，也节约了大量用于计算的[7]。LEDhadfbefLcθPm1Pm2m2m15 12PLED4LED发射阵列LED1LED2LED3P,4 222222122(2)2hfmmLfdf++−=3VLCTOA TDOA AOA RSSVLCAd Hoc1 LED2014年第4期

15 能量消耗。但是情景分析法的缺点是要求系统必须在特定的环境中，要预先收集指纹库，因此不能在1个新的环境中瞬间调用。接近法的定位精度取决于所设置网格本身的分辨率，这与所选取的参考点的密度有关，而且采用的是估计定位，目标的位置只能协同于某个参考点的位置，所以不适用于精确定位的情况。基于可见光通信（VLC）和Ad Hoc无线网络的定位方法具有VLC极低的接收错误和Zigbee 网络可移植性、低功耗、安全性好的特点，克服了估计误差大、成本高和传统的定位技术服务范围有限的问题。这种定位方法适用于目标节点的位置远离系统控制器的情况。成像定位技术的具体实现依赖于图像传感器对接收到的LED图像的距离计算，所以估计的精度和每个组件测量精度有关[9]。该算法由于定位速度比较快，可以适用于静止或缓慢移动的目标。仿真结果表明，该方法的最小定位误差可以在数厘米的范围内[10]。随着中国的智能手机用户超过4亿，这些手机具备安装智能软件的能力和良好的拍摄效果，就也为可见光成像定位技术提高了发展契机，因此可见光成像定位技术有广泛的应用前景。综上所述，作为1个新的研究领域，可见光成像定位技术不仅能达到定位精度高、速度快、可移植性强的要求，而且随着更深入的研究，可见光成像定位技术将会有更大的改进，可能会发展成为将来室内定位的主流技术。3 结论本文通过对现有的5种基于LED可见光通信的室内定位算法进行概述及比较，研究了每个定位算法性能的决定因素和适用环境。随着VLC成像MIMO系统的发展，基于成像接收法的VLC定位系统是新崛起的研究热点。然而，对可见光成像阵列分集、复用、传输、通信定位等基础原理和技术还有待深入研究。我们相信，基于LED可见光通信的室内定位技术将有更广的应用前景和发展空间。参考文献[1] Yang S H, Jeong E M, Kim D R, et al. Indoor three-dimensional location estimation based on LED visible light communication[J]. Electronics Letters, 2013, 49(1): 54-56.[2] R. Mesleh, R. Mehmood, H. Elgala, et al. Indoor MIMO optical wireless communication using spatial modulation[C]//Proc. IEEE Int. Conf. Communications (ICC), Cape Town, South Africa. 2010: 1-5.[3] Zhang W, Kavehrad M. Comparison of VLC-based indoor positioning techniques[C]//SPIE OPTO. International Society for Optics and Photonics, 2013: 86450M-6.[4] Cho S H, Yeo S R, Choi H H, et al. A design of synchronization method for TDOA-based positioning system[C]//Control, Automation and Systems (ICCAS), 2012 12th International Conference on. IEEE, 2012: 1373-1375.[5] Lee Y U, Kavehrad M. Two hybrid positioning system design techniques with lighting LEDs and ad-hoc wireless network[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2012, 58(4): 1176-1184.[6] Dambul K D, O'brien D, Faulkner G. Indoor optical wireless MIMO system with an imaging receiver[J]. Photonics Technology Letters, IEEE, 2011, 23(2): 97-99.[7] Rahman M S, Haque M M, Kim K D. Indoor positioning by LED visible light communication and image sensors[J]. International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), 2011, 1(2): 161-170.[8] Kim Y, Shin Y, Yoo M. VLC-TDOA Using sinusoidal pilot signal[C]//International Conference on IT Convergence and Security (ICITCS). IEEE, 2013: 1-3.[9] Yoshino M, Haruyama S, Nakagawa M. High-accuracy positioning system using visible LED lights and image sensor[C]//Radio and wireless symposium, 2008 IEEE. IEEE, 2008: 439-442.[10] Tanaka T, Haruyama S. New position detection method using image sensor and visible light LEDs[C]//IEEE Second International Conference on Machine Vision (ICMV 2009). 2009: 150-153.（本文编辑 王东明）许银帆 等：基于LED可见光通信的室内定位技术研究