室内可见光定位系统及网络研究

Visible light communication (VLC) is becoming a booming research topic because its advantage of energy saving and broad bandwidth compared to wirless communication. With the increasing demand of high precision indoor positioning and location based service, we propose in this project to research 3D indoor positing system and network based on visible light communication. The critical issue concerning the indoor positioning system based on VLC is to improve its positioning accuracy and reliability, and the theoretical and experimental research will be carried on the design of LED layout and Lens antenna,modulation format and modulation depth,3D positioning algorithm and the fusion with sensors. On the networking of visible light positioning system, asynchronous networking mechanism and principle of the different users among inter-cell and different inter-cell will be studied, and the method to fulfill a uplink and downlink bi-direction communication networking will be proposed. In this project, fundamental research including theory and experiment will be focused to realize the high accuracy indoor positioning based on visible light communication. A proof indoor positioning system and network will be built to verify the proposed theoretical model, working principle, digital signal processing algorithm and methods. The research results in this project will have great significance and potential application prospects in the field of indoor positioning and navigation.

作为绿色通信，可见光通信在照明和通信领域成为研究的热点。随着室内定位及基于位置服务日益增长的需求，本项目提出基于可见光通信的高精度室内三维定位系统及网络关键技术研究，主要开展可见光室内定位系统研究与基于位置服务的组网研究。为了提高可见光通信系统的定位精度和可靠性，拟从LED阵列分布、透镜天线优化设计、LED调制格式与调制深度、3D定位算法及多传感器融合几个方面开展理论和实验研究。在可见光定位组网方面，主要研究小区内部不同用户之间、小区之间的网络异步组网机制和原理，提出双向通信网络上下行链路的通信原理和实现方法。本项目是采用可见光通信实现高精度室内定位、解决无缝室内外定位的先期性基础研究，提出相关理论模型、原理、数字信号处理算法与实现方法，攻克其中的关键技术，构建可见光室内定位实验网络，验证提出的理论模型、原理、算法和方法。预期取得的研究成果将在室内定位导航方面具有重要意义和潜在的应用前景。

本项目所研究的室内定位技术是基于新兴的无线通信技术——可见光通信 (Visible Light Communication, VLC)，LED光源可兼容照明和通信功能，无需另外架设光源信标即可方便地实现室内定位。.本项目主要开展了五方面研究，包括：(1) 异步驱动组网研究：本课题组提出了不同调制频率代表不同ID的异步组网定位方法，验证了频率间隔在100Hz以上时，对系统地定位误差没有影响，定位精度优于10cm，简化了传统的时分复用系统对同步性的要求，提高了系统的扩展性；（2）噪声抑制研究：提出了一种差分抑制光源抖动噪声的系统及算法，采用参考基站采集抖动噪声，通过算法抑制噪声波动，有效提高定位精度；系统的研究了多径效应对定位系统的影响机理，提出了一种多次迭代抑制多径效应的算法，可把定位精度提高13倍以上。（3）光学天线研究：提出了一种光学天线设计方案，并分析了如何应用于系统中，通过接收到的光功率精确计算出目标平面上探测器到中心的距离，可以简化定位算法，提高了定位精度。（4）成像定位研究：提出了一种稀疏光源高精度成像定位算法，定位精度可达cm精度，在此基础上，提出了一种谱分复用的成像定位异步组网方法，即可实现异步组网又可高精度定位。（5）融合定位研究：进行了多传感器融合算法仿真和实验研究，采用3种不同的融合算法进行组合定位，提高了系统的健壮性和定位精度。结合所有研究成果，构建了定位系统，并可上传定位信息到服务器，建立实现基于位置服务的数据中心。构建了一套在代表性小区内具有数据库中心的定位示范网络，且该小区范围可扩展。. 本项目实现了预期研究目标，超额完成学术论文发表、申请国家发明专利等任务。本项目研究从理论机理研究、实验验证、系统搭建等方面全面的对可见光定位系统及网络进行了研究，本研究内容对于室内定位领域的应用具有很高的借鉴价值。