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0 1 2 … 2M - 1
Hale Waihona Puke 0 起始时隙 保护时隙脉冲位置
图 3 SRDPIM 符号结构
t = 100 μs
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0 1 2 … 15
0 1 2 … 15
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Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
一种基于可见光信标的室内定位系统及实现
陈灿峰 1，谭 伟 2
CHEN Canfeng1, TAN Wei2
1.诺基亚中国研究院，北京 100013 2.北京航空航天大学 软件学院，北京 100083 1.Nokia Research Center, Beijing 100013, China 2.School of Software, Beihang University, Beijing 100083, China
使用 PDR 计算出相 对于信标 1 的距离
接收器
…
接收器
…
接收器
步行方向
接收器接收到信 标节点 1 的光信
号，解调得到信标 节点 1 的 ID1 值
接收器接收到信 标节点 2 的光信
号，解调得到信标 节点 2 的 ID2 值
接收器无法接收
到信标节点的光 信号，依靠 PDR
测量得到偏移信 标节点 2 的距离
1 引言
随着近年来人们对室内定位和导航服务的需求日 益增加，实现低成本、高精度的室内定位，具有越来越重 要的现实意义。目前，常用的室内定位技术主要有以下 几种[1]：WIFI，蓝牙，ZigBee，超宽带，RFID 等定位方案， 算 法 有 基 于 时 间 到 达（TOA），到 达 时 间 差（TDOA），接 收信号强度指示（RSSI），指纹等定位算法。然而这些定 位 方 案 都 有 部 署 难 、设 备 复 杂 、成 本 高 等 缺 点 。 针 对 这 些不足和近年来可见光通信技术的发展，国外研究人员 开始提出基于可见光的室内定位方案。与传统方案相 比，基于可见光的室内定位无电磁污染，部署容易，既满 足 照 明 要 求 ，又 降 低 了 功 耗 和 成 本 。 随 着 下 一 代 绿 色 LED 照明技术的发展，基于可见光的室内定位将是一种 很有前景的室内定位备选方案。
常见的可见光调制方式有数字脉冲间隔调制 （DPIM）、开 关 键 控（OOK）、脉 冲 位 置 调 制（PPM）、差 分 脉冲位置调制（DPMM）等。通过对比，本文采用 SRDPIM 的调制方式。相对其他调制方法，虽然 SRDPIM 带宽需
基金项目：国家自然科学基金项目（No.61170296）。 作者简介：陈灿峰（1978—），男，博士，研究领域为物联网、嵌入式系统；谭伟（1987—），男，在读研究生，研究领域为嵌入式系统。
陈灿峰，谭 伟：一种基于可见光信标的室内定位系统及实现
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求 [6-7] 大 ，但 平 均 发 射 功 率 高 [6]，算 法 简 单 ，可 以 降 低 占 用 CPU 的资源和功耗。利用其误时隙率[6]随着信噪比减小 而增大的特点使接收器只能在信噪比较好的区域解调 出 信 息 ，较 适 合 用 作 可 见 光 信 标 节 点 的 调 制 方 式 。 此 外 ，SRDPIM 的 解 调 只 需 要 时 钟 同 步 而 不 需 要 时 间 同 步，大大简化了系统的实现。
摘 要：设计了一种基于 LED 可见光信标的室内定位系统，具有成本低、功耗低、调制解调算法简单等优点，实验数 据表明，使用光学天线可以明显减小误码率并增大可见光通信的传输距离，该室内系统定位最小所需时间为 76 ms， 当 LED 信标高度为 1 m 时，定位精度约为 20 cm。 关键词：可见光通信；室内定位；低功耗蓝牙 文献标志码：A 中图分类号：TP391 doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1401-0025
仿真结果表明，本文所设计的光学天线的聚光性能 良好，能量集中且均匀。光线进入光学天线后，PD 光信 号增益明显增加，能量集中度增大，其中有约 80%的光 能聚集到 PD 传感器上，视场内具有较高的光学增益，可 以增加 PD 在 LED 正下方的接收功率，提高 LED 通信系 统的信噪比和信标的定位精度并有效减少了多光源引 起的干扰。
2 定位原理与系统结构 2.1 基于可见光信标的定位原理
基于可见光信标的室内定位原理如图 1。 可见光接收器上设计一个光学定向天线，使接收器 只能接收 LED 信标节点垂直正下方的光线。当接收器 位于 LED 信标节点的正下方时，接收器上的可见光传 感器接收到信标节点发出的带有信标 ID 的可见光并进 行解调得到信标 ID，LED 信标的位置坐标预先存在数 据库中，通过查询数据库得到 LED 信标节点的室内位 置坐标。当接收器偏离 LED 信标正下方时，可以使用 个 人 航 位 推 测（Personal Dead Reckoning，PDR）[8]原 理 计算位置坐标：使用三轴加速度传感器和方向传感器推 算 出 接 收 器 与 上 一 个 信 标 的 相 对 位 置 ，再 结 合 上 一 个 LED 信标的坐标得到此时接收器的室内位置坐标。本 文重点讨论的是使用 LED 作为室内定位信标的设计方 法，PDR 的具体实现原理不再赘述。 本文中，基于 LED 可见光信标采用强度调制/直接 检 测（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD）的 可 见 光 通 信 系 统 ，实 现 单 向 下 行 通 信 ，可 见 光 发 射 器 和 接收器为定向视距链路（LOS）。利用可见光信道模型[9] 中信道直流增益 H (0) [10]值在水平偏移 LED 中心越远越小 的分布特性对 LED 和光电检测器（Photoelectric Detector， PD）以及光学定向天线进行设计：在 PD 接收面外侧，设
E-mail：canfeng.chen@ 收稿日期：2014-01-06 修回日期：2014-02-18 文章编号：1002-8331（2015）05-0082-06 CNKI 网络优先出版：2014-05-20, /kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1401-0025.html
图 1 基于可见光信标的室内定位原理
接收器接收到信 标节点 3 的光信
号，解调得到信标 节点 3 的 ID3 值
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Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
~220 V
1 可见光发射器
调制器
LED 驱动电路 大功率 LED 灯
2.2 系统结构
基于可见光信标的室内定位系统结构如图 2。 系 统 分 为 三 大 部 分 ：可 见 光 发 射 器 部 分 ① ，可 见 光
LED 信标节点 1
LED 信标节点 2
LED 信标节点 3
可见光
接收信标节点 垂直正下方的 光 线 ，滤 除 其 他光源的光线
光学定向天线
接收器
…
可见光
可见光
调制了信标 ID 号的灯光
位置服务器 位置服务方式一
2 可见光接收器
可见光传感器
信号处理模块
解调器 及 BLE 模块
BLE 无线通信
3
加速度传感器
电子罗盘传感器
智能手机
网络
移动网络
位置服务方式二
离线地图 应用程序
图 2 系统结构图
接收器部分②，智能手机部分③。其中可见光发射器部 分包括可见光调制器、LED 驱动电路、大功率 LED 灯。 可见光接收器设计成小型可穿戴设备，包括可见光传感 器（光 电 检 测 器）、信 号 处 理 模 块 、解 调 器 及 低 功 耗 蓝 牙 （BLE）模块。
计一种能增大直流增益 H (0) 并能减小光线入射半角的 光学定向天线。本文设计了二次光学的全内反射（Total Internal Reflection，TIR）光学天线 ，其 [11] 为非成像系统， 对于接收的小角度光线通过凸透镜进行处理，对于大角 度的光线使用反光杯透镜进行处理，克服了单独使用凸 透镜或者反光杯对光线处理不理想的缺点，兼顾了凸透 镜 和 反 光 杯 的 优 势 ，减 小 了 系 统 的 半 视 场 角 ，并 提 高 了 光学增益 。 [12] 光学天线采用亚克力（PMMA）材料，减轻 了重量和体积。使用 LightTools 软件进行非序列模式仿 真和优化。PD 入射角和光学增益关系[13]的仿真结果表 明可以通过设定光学增益的阈值来对特定入射角的可 见光进行选择性接收；使用光学天线可以保证在使用大 功率半角 的 [10] LED 的情况下，以较小角度且较高的增益 接收可见光，即接收器在距 LED 一定的水平偏移内才 能解调出 LED 的可见光信息，这样提高 LED 作为信标 的精度，同时又不影响室内照明的均匀度。同时可见光 信道中引入的噪声，影响了通信的信噪比和误码率 。 [14] 由于 PD 接收到光信号的信噪比正比于 PD 的接收功率 的平方[15]，因此，提高 LED 的发射功率或者 PD 的接收功 率或者信道直流增益可以增大信噪比。
CHEN Canfeng, TAN Wei. Visible light communication based indoor positioning system. Computer Engineering and Applications, 2015, 51（5）：82-87.
Abstract：A LED beacon based indoor positioning system is designed, which has advantages of low power, low cost and simple modulation/demodulation. Experimental results show the use of optical antenna can improve the BER performance of visible light communication system. The minimum delay to receive beacon ID is 76 ms, and the positioning accuracy is around 20 cm when the LED beacon height is 1 m. Key words：visible light communication; indoor positioning; bluetooth low energy