引用本文:
黄胜,宁博文,向劲松,等:基于强度组合与距离加权的室内可见光定位算法研究[J]. 光通信技术,2019,43(8):1-6.
黄 胜,宁博文*,向劲松,李长萍
(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:对于室内可见光定位,非视距(NLOS)信道的能量会明显干扰接收信号强度(RSS)算法的精度。为了提高NLOS情况下的可见光定位性能,研究了NLOS传输散射功率对二维室内定位的影响。针对视距(LOS)与NLOS功率强度总和情况,提出一种接收功率强度组合与距离加权因子(ICDWF)相结合的室内定位算法。该算法将接收的功率通过数值的大小进行分组,通过RSS算法分别算出各组的估计坐标。然后引入一种以距离放大系数为基础的权重系数,最后将权重系数引入各组的坐标来得到最终的估计坐标。仿真结果表明:在所搭建的5 m×5 m×3 m室内环境中,该方案与传统RSS算法相比,在室内NLOS能量较高的区域平均误差降低了0.23 m。
关键词:可见光通信;室内定位;非视距传输;距离因子
中图分类号:TN929.12 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2019)08-0001-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.08.001
0 引言
近年来,随着智能物流仓库、室内机器人定位等众多新兴领域的发展,对于室内定位技术的需求也在不断增长,全球定位系统(GPS)[1]是目前最常用的定位方案,但在室内无法提供可用的定位服务[2]。世界各地的学者、机构也提出了许多基于无线通信的室内定位技术,目前常用的室内定位方案有红外、蓝牙、WiFi、射频识别(RFID)、紫蜂协议(ZigBee)和超宽带(UWB)等,从定位精度方面,这些技术可以提供几十厘米至几米的精度[3]。然而,对于常见的室内环境设施,这些系统均需要进行额外的硬件安装,从定位精度与硬件成本两方面考虑,上述方案均存在一定的局限性。
发光二极管(LED)的普及为可见光通信(VLC)的发展提供了硬件基础。基于VLC的室内定位技术相较于其它无线射频类的方案有许多明显优势[4]。对于采用VLC的室内定位方案,通过接收端的不同设备可以分为两类:光电探测器(PD)和图像传感器(Image Sensor)。基于图像传感器的方案是通过图像传感器对频率不同的LED进行识别[5],也可以利用发射平面与成像平面的几何关系进行估计[6]。目前,常用的基于PD方案有监测信号的到达时间(TOA)[7]、到达时间差(TDOA)[8]、到达角度(AOA)[9,10]以及接收信号强度(RSS)[11]等。这几种算法,TOA、TDOA与AOA都存在一定的局限性。RSS算法是最直接简便、使用最广泛的方法,由于室内可见光信道模型是已知的,因此,仅需要测试接收的信号强度即可计算出定位距离,RSS算法也可以与AOA进行结合使用[12,13]。近年来,一些研究方案则从硬件上针对RSS算法进行改进,如文 献[14]采用了一种多角度接收器的方案,利用不同接收器接收的光功率差值进行定位。然而从硬件方面改进的方案都需要增加额外的硬件条件,增加了系统的复杂度。RSS算法作为目前最常用的算法,也存在一些弊端。虽然在VLC中,视距传输(LOS)占绝大部分,但是对于室内环境,由于传播空间一般较小,因此非视距(NLOS)引起的散射能量在传输中也不能忽略,尤其是在室内的边角区域。目前,对于室内散射部分的能量讨论较少,采用RSS算法若不考虑散射的部分,则定位效果会过于理想化,与实际环境下的结果严重不符。
针对上述问题,本文提出一种室内LOS与NLOS结合情况下基于强度组合与距离加权因子(ICDWF)的可见光定位算法。
4 结束语
RSS算法作为目前最常用的算法,其定位精度与接收的功率强度有着紧密的联系。本文从室内LED的LOS与NLOS信道模型出发,首先验证了室内环境中NLOS信道的功率在房间的边角区域不可忽略,而后在考虑加入NLOS功率的情况下,提出了一种ICDWF定位算法。仿真结果表明:在5 m×5 m×3 m的室内环境中,ICDWF定位算法在室内外部区域的定位性能有着明显的提升,平均误差降低了0.23 m,最大提升点在房间的四角。对于室内的整体平均误差也有着的约0.17 m的降低。该算法不需要在室内环境安装额外的硬件设施,对于一般室内环境均适用。