可见光通信中的室内定位技术研究

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虽然传统无线电技术已经被广泛使用并且技术也相当成熟,但是工业界和科学界都认为下一代无线通信系统(4G)的接入技术将是基于多种接入技术的组合,其中也包括光无线(OW)通信接入技术。光无线具有许多无线电不具备的优势,首先,光无线拥有巨大的未经使用且未被管制的可用带宽,而且光波不会产生电磁干扰(EMI)。此外,光无线信号不会穿透墙壁,这样的信号约束使每个房间自动成为一个通信小区,小区间不会有任何干扰,人们可以在相邻小区中重复使用相同的通信频率,并且各个小区可以采用相同的系统和通信设备,从而可以设计出一个简单的高容量的无线局域网。光无线通信能保护通信隐私和防止窃听,这特性对于某些行业具有很强的吸引力,例如,军事和金融。此外,他们在某些特殊的环境和场景也有广泛的应用前景,如医院和飞机等无线电系统被禁止使用的场合。无线电和光无线的结合使用将能提供广阔的频谱容量,而这单独靠无线电系统实现是比较困难的。大多数的光无线通信系统工作在波长约850纳米或1550纳米范围内的近红外波段(主要是由于现有的光源和安全法规规定),然而,随着LED的固态照明(400-780纳米)技术取得的进展,可见光(VLC)通信的研究和设计也受到世界各研究机构广泛关注。新型高功率白光LED比传统照明光源具有明显的优势,如潜在的高功率效率和更长的使用寿命使LED成为未来照明市场的主要候选设备。利用LED灯进行照明和通信已经得到国内外研究机构的广泛关注,无处不在的照明和信号基础设施使得VLC还能以相对较低的成本提供额外的服务和应用。实现VLC系统的关键是LED,LED被认为是下一代绿色照明设备,它不仅低能耗,使用寿命长,尺寸小,绿色环保,而且还可以用其通断的发光原理传输信号。目前最快的LED器件的调制带宽能达到10M左右,但若想进行高速数据的传输必须使用高速的调制技术等,国外有许多机构已经对其展开研究,目前使用正交频分复用(OFDM)传输的最大速率能达到500MHz/s,若采用时分复用方式进行广播通信,这样带宽将远远不能满足目前高速业务的需求,因此需要对VLC的空分复用技术进行研究[11]~[16]。空分复用根据用户的位置动态分配信息,每个LED负责其照明范围内用户的信号传输,它改变了广播方式由所有的灯承载相同的业务的方式,可以极大地提高LED带宽的利用率,由于空分复用首先必须确定用户的位置信息,因此对用户进行定位是整个空分复用技术的前提[17]~[20]。本文即对室内定位技术进行探讨和研究。本文提出了一套可见光通信的定位技术,并对现有的定位技术进行了改进,通过仿真和实验,验证了可见光用于室内定位的可行性以及优越性。本文在充分研究IEEE802.15.7标准的基础上提出一种利用超帧的通信时隙进行室内定位的方法。其次建立室内信道光功率分布模型并仿真得出室内的直射和反射信道光功率分布,为位置指纹建库奠定基础。提出优化位置指纹的方案,减少位置指纹查找时间和计算过程。并且搭建可见光通信硬件平台,通过LED进行信号传输和接收,进一步验证了可见光用于通信的可行性。
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