室内高速可见光通信及定位一体化方法及装置

1.本发明属于可见光通信技术领域，具体为一种室内高速可见光通信及定位一体化方法及装置。


背景技术：

2.室内可见光通信技术可以应用于日常办公以及保密通信，具有传输速率快、通信安全度高等突出特点。将可见光通信技术应用在照明领域中，实现室内可见光通信系统，这方面的研究是随着白光照明发光二极管(led)的大规模应用而受到重视的。催生室内可见光通信技术诞生的另一个重要因素是随着信息技术的发展，人类进入移动互联网时代，越来越多的无线通信业务对带宽的需求井喷式增长。而现有的无线频谱资源有限并且大部分都已经分配殆尽，这导致频谱资源的缺口不断扩大。虽然通过有效的频谱资管理以及动态频谱接入等方式可以在一定程度上环节频谱资源紧张的问题，但问题依然存在。与此同时，可见光通信也存在有一些弊端。白光照明led带宽小，设计初衷是用于照明，这使得一般的调制方法无法进行高速通信。普通的正交频分复用(ofdm)技术可以在一定程度上提高频谱效率，但因其峰值平均功率比(papr)较高，会导致led的非线性效应和消耗功率较大的问题，因此无法实现对室内接收端的精确定位以及通信与定位同时实现。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种室内高速可见光通信及定位一体化方法及装置，解决现有led作为可见光无线通信(lifi)光源带宽受限以及通信与定位同时实现的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1，获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；
7.步骤2，在信号发射端上加载传输信号；
8.步骤3，信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；
9.步骤4，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端接收信号发射端处理后的信号；
10.步骤5，信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；
11.步骤6，根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内高速可见光定位。
12.本技术四个led照明灯的大发散角使其照射到矩形室内地面的所有位置，同时四个led照明灯作为信号发射端，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收
端分别接收四个led照明灯的信号，信号发射端将信号处理后产生的恒包络正交频分复用信号的包络始终是正弦信号形式，利用这一特点，信号发射端的led除加载信号的色彩维度外，其余色彩维度加载同样包络的普通信号，使得led可以使用白光进行照明的同时，在其中一维度上加载传输信号，实现室内高速可见光通信，并且通过获取四个led照明灯的坐标可以得到探测器所在位置的坐标，实现室内可见光定位。
13.优选的，四个所述led照明灯采用rgba四维色彩空间，四个led照明灯分别使用rgba色彩空间中的一个维度进行信号的调制与加载，所述光电探测器带有rgba四种维度滤光片，该光电探测器可将对应色彩维度的信号进行接收并处理，实现室内高速可见光通信。
14.优选的，信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号具体包括：信号发射端将传输信号依次进行串并转换、qam映射、n点dft扩展、子载波分配、2n点dft扩展、实/虚部相连以及并串转换处理生成恒包络正交频分复用信号，经过上述处理后，产生的恒包络正交频分复用信号的包络始终是正弦信号形式。
15.优选的，步骤5，信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出具体包括：信号接收端对信号发射端处理后的信号依次进行并串转换、实/虚部相接、反应对称映射、2n点dft变换、频域均衡、子载波逆分配、n点idft扩展、qam逆映射以及并串转换处理并输出，最终实现室内高速可见光通信。
16.优选的，由于信号发射端的信号处理过程产生的恒包络正交频分复用信号具有正弦信号形式的恒定包络，因此该信号对于距离信息较为敏感，可通过对于信号的接收判断信号的传输距离，因此，当信号接收端接收到信号发射端四个led传输的信号时，可以得到四种信号的传输距离，具体如下，步骤1获取的四个led照明灯所在坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，若光电探测器所在坐标为(x0,y0,z0)，四个led照明灯与光电探测器发送信号的距离分别为r1、r2、r3、r4，则
[0017][0018]
对上式进行求解即可得到光电探测器所在坐标(x0,y0,z0)实现定位。
[0019]
求解过程如下：对上式进行分解得到
[0020][0021]
对上述四个方程进行两两相减，得到下式
[0022]
[0023]
其中
[0024][0025]
将上述方程转换为矩阵相乘，如下式所示
[0026][0027]
根据上式计算光电探测器所在坐标(x0,y0,z0)，实现室内可见光定位。
[0028]
优选的，所述n点dft扩展如下式所示
[0029][0030]
优选的，所述子载波分配如下式所示
[0031][0032]
优选的，所述2n点idft扩展如下式所示
[0033][0034]
可得
[0035][0036]
上述方程表明该样本前半部分可以简单地是为输入qam样本地相位旋转版本，由于反对称性质，其后半部分是冗余的，因此，原先需要的n点dft和2n点idft的nlog2n个复数乘法可以减少为n个复数乘法。基于这一特性，可以通过y(m)的前半部分的实部和虚部相连来生成最终实值样本s
tx
，如下式所示
[0037][0038]
其中
[0039][0040]
本技术还提供一种室内高速可见光通信及定位一体化装置，用于实现上述任一项所述的室内高速可见光通信及定位一体化方法，包括，
[0041]
坐标获取单元，用于获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；
[0042]
传输信号加载单元，用于在信号发射端上加载传输信号；
[0043]
信号处理单元，用于信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；
[0044]
信号接收单元，用于接收信号发射端处理后的信号；
[0045]
信号处理输出单元，用于信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；
[0046]
坐标计算单元，用于根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内可见光定位
[0047]
本发明的有益效果是：
[0048]
1、本技术四个led照明灯的大发散角使其照射到矩形室内地面的所有位置，同时四个led照明灯作为信号发射端，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端分别接收四个led照明灯的信号，信号发射端将信号处理后产生的恒包络正交频分复用信号的包络始终是正弦信号形式，利用这一特点，信号发射端的led除加载信号的色彩维度外，其余色彩维度加载同样包络的普通信号，使得led可以使用白光进行照明的同时，在其中一维度上加载传输信号，实现室内高速可见光通信，并且通过获取四个led照明灯的坐标可以得到探测器所在位置的坐标，实现室内可见光定位，因此本技术可以实现现有led作为可见光无线通信与定位同时实现；
[0049]
2、本发明信号发射端将信号处理后产生了恒包络正交频分复用信号，降低了峰值平均功率比(papr)，降低系统整体工作功率，提高led信号传输速率；
[0050]
2、本发明使用恒包络正交频分复用信号，相较于其他信号更容易使led在通信的过程中始终保持发出白光进行照明；
[0051]
3、本发明使用恒包络正交频分复用信号，调制后的信号包络始终为正弦函数，可同时使用四个led可以实现对室内接收端的精确定位，实现通信与定位同时实现。
附图说明
[0052]
图1为本技术一种室内高速可见光通信及定位一体化方法的方法步骤流程图；
[0053]
图2为本技术中信号发射端和信号接收端信号处理过程流程图；
[0054]
图3为本技术中恒包络正交频分复用技术时域图；
[0055]
图4为本发明中室内三维通信与定位工作结构示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0057]
实施例一
[0058]
如图1所示，本技术一种室内高速可见光通信及定位一体化方法的实施例，具体包括以下步骤：
[0059]
步骤1，获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；
[0060]
步骤2，在信号发射端上加载传输信号；
[0061]
步骤3，信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成
恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；
[0062]
步骤4，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端接收信号发射端处理后的信号；
[0063]
步骤5，信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；
[0064]
步骤6，根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内高速可见光定位。
[0065]
本技术四个led照明灯的大发散角使其照射到矩形室内地面的所有位置，同时四个led照明灯作为信号发射端，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端分别接收四个led照明灯的信号，信号发射端将信号处理后产生的恒包络正交频分复用信号的包络始终是正弦信号形式，利用这一特点，信号发射端的led除加载信号的色彩维度外，其余色彩维度加载同样包络的普通信号，使得led可以使用白光进行照明的同时，在其中一维度上加载传输信号，实现室内高速可见光通信，并且通过获取四个led照明灯的坐标可以得到探测器所在位置的坐标，实现室内可见光定位。
[0066]
实施例二
[0067]
本技术一种室内高速可见光通信及定位一体化方法的实施例，具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1，获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端，四个所述led照明灯采用rgba四维色彩空间，四个led照明灯分别使用rgba色彩空间中的一个维度进行信号的调制与加载；
[0069]
步骤2，在信号发射端上加载传输信号；
[0070]
步骤3，如图2所示，信号发射端将传输信号依次进行串并转换、qam映射、n点dft扩展、子载波分配、2n点dft扩展、实/虚部相连以及并串转换处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数，其中，
[0071][0072]
将样本进行子载波分配，如下式所示
[0073][0074]
对样本进行2n点idft变换，如下式所示
[0075][0076]
结合所述(1)-(3)式可得
[0077][0078]
上述方程表明该样本前半部分可以简单地是为输入qam样本地相位旋转版本，由于反对称性质，其后半部分是冗余的。因此，原先需要的n点dft和2n点idft的nlog2n个复数乘法可以减少为n个复数乘法。基于这一特性，可以通过y(m)的前半部分的实部和虚部相连
来生成最终实值样本s
tx
，如下式所示
[0079][0080]
其中
[0081][0082]
由于四个led照明灯采用rgba四维色彩空间，四个所述led照明灯分别使用rgba色彩空间中的一个维度进行信号的调制与加载。基于所述方式产生的恒包络正交频分复用信号的包络始终是正弦信号形式，利用这一特点，四个led照明除加载信号的色彩维度外，其余色彩维度加载同样包络的普通信号，使得led照明灯可以使用白光进行照明的同时，在其中一维度上加载传输信号，实现室内高速可见光通信。
[0083]
步骤4，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端接收信号发射端处理后的信号，所述光电探测器带有rgba四种维度滤光片，该光电探测器可将对应色彩维度的信号进行接收并处理，实现室内高速可见光通信系统；
[0084]
步骤5，如图2所示，信号接收端对信号发射端处理后的信号依次进行并串转换、实/虚部相接、反应对称映射、2n点dft变换、频域均衡、子载波逆分配、n点idft扩展、qam逆映射以及并串转换处理并输出，实现室内高速可见光通信；
[0085]
步骤6，由于信号发射端信号处理过程产生的恒包络正交频分复用信号具有正弦信号形式的恒定包络，因此该信号对于距离信息较为敏感，可通过对于信号的接收判断信号的传输距离。因此，当接收端接收到所述发送端四个led照明灯传输的信号时，可以得到四种信号的传输距离；如图4所示，假设所述4个led所在坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，所述接收端所在坐标为(x0,y0,z0)，所述4个led发送信号的距离分别为r1、r2、r3、r4，可得到如下所示方程
[0086][0087]
对该方程进行求解即可得到接收端所在坐标(x0,y0,z0)实现定位。对上述方程进行分解，如下式所示
[0088][0089]
对上述四个方程进行两两相减，如下式所示
[0090][0091]
其中
[0092][0093]
将上述方程转换为矩阵相乘，如下式所示
[0094][0095]
最终即可得到光电探测器所在位置的坐标(x0,y0,z0)，实现室内高速可见光定位，如图3所示，显示了恒包络正交频分复用信号的时域图，于图中可以看到经过调制产生的信号具有恒定的正弦形状包络，可以同时满足所述系统的通信和定位功能。
[0096]
实施例三
[0097]
一种室内高速可见光通信及定位一体化装置，用于实现上述任一项所述的室内高速可见光通信及定位一体化方法，包括，
[0098]
坐标获取单元，用于获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；
[0099]
传输信号加载单元，用于在信号发射端上加载传输信号；
[0100]
信号处理单元，用于信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；
[0101]
信号接收单元，用于接收信号发射端处理后的信号；
[0102]
信号处理输出单元，用于信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；
[0103]
坐标计算单元，用于根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内可见光定位。
[0104]
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；步骤2，在信号发射端上加载传输信号；步骤3，信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；步骤4，矩形室内空间的地面上可移动的光电探测器作为信号接收端接收信号发射端处理后的信号；步骤5，信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；步骤6，根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内高速可见光定位。2.根据权利要求1所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，四个所述led照明灯采用rgba四维色彩空间，四个led照明灯分别使用rgba色彩空间中的一个维度进行信号的调制与加载，所述光电探测器带有rgba四种维度滤光片。3.根据权利要求2所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所步骤3，信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号具体包括：信号发射端将传输信号依次进行串并转换、qam映射、n点dft扩展、子载波分配、2n点dft扩展、实/虚部相连以及并串转换处理生成恒包络正交频分复用信号。4.根据权利要求3所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所步骤5，信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出具体包括：信号接收端对信号发射端处理后的信号依次进行并串转换、实/虚部相接、反应对称映射、2n点dft变换、频域均衡、子载波逆分配、n点idft扩展、qam逆映射以及并串转换处理并输出。5.根据权利要求4所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所述步骤6，根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内可见光定位具体包括：步骤1获取的四个led照明灯所在坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，若光电探测器所在坐标为(x0,y0,z0)，四个led照明灯与光电探测器发送信号的距离分别为r1、r2、r3、r4，则根据上式计算光电探测器所在坐标(x0,y0,z0)，实现室内可见光定位。6.根据权利要求3所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所述n点dft扩展如下式所示
7.根据权利要求6所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所述子载波分配如下式所示8.根据权利要求7所述的一种室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，所述2n点idft扩展如下式所示可得上述方程表明该样本前半部分可以简单地是为输入qam样本地相位旋转版本，由于反对称性质，其后半部分是冗余的。因此，原先需要的n点dft和2n点idft的nlog2n个复数乘法可以减少为n个复数乘法。基于这一特性，可以通过y(m)的前半部分的实部和虚部相连来生成最终实值样本s
tx
，如下式所示其中9.一种室内高速可见光通信及定位一体化装置，用于实现权利要求1-8任一项所述的室内高速可见光通信及定位一体化方法，其特征在于，包括，坐标获取单元，用于获取矩形室内空间的屋顶四角的四个led照明灯所在坐标，四个所述led照明灯作为信号发射端；传输信号加载单元，用于在信号发射端上加载传输信号；信号处理单元，用于信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；信号接收单元，用于接收信号发射端处理后的信号；信号处理输出单元，用于信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；坐标计算单元，用于根据步骤1获取的四个led照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内可见光定位。

技术总结
本申请公开了一种室内高速可见光通信及定位一体化方法及装置，包括：获取矩形室内空间的屋顶四角的四个LED照明灯所在坐标，四个所述LED照明灯作为信号发射端；在信号发射端上加载传输信号；信号发射端将传输信号基于恒包络正交频分复用技术进行信号处理生成恒包络正交频分复用信号，处理后的信号包络始终为正弦函数；信号接收端对信号发射端处理后的信号进行与信号发射端相反的信号处理并输出，实现室内高速可见光通信；根据获取的四个LED照明灯所在坐标计算光电探测器所在坐标，实现室内高速可见光定位。本发明可以在LED照明灯完成照明功能的同时提高通信速率实现室内高速可见光通信并完成接收端定位。可见光通信并完成接收端定位。可见光通信并完成接收端定位。


技术研发人员：徐敬 张天豪 杜子豪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/16