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摘要室内定位由于在工业生产和日常生活中存在重要的应用价值而成为研究的热点，传统的WiFi、蓝牙等无线定位技术由于电磁干扰和多径效应等原因很难实现高精度的室内定位.经过调制的白光LED在满足照明需求的同时能够传送位置信息，实现室内的高精度定位.首先介绍了可见光定位系统中常用的几种调制方式，对不同调制方式的特点做出比较，提出了一种适用于可见光定位的调制方式；然后，介绍并讨论了可见光定位系统的两种解调方法；之后介绍了几种可见光定位的算法，并对每一种算法的性能进行详细的分析；最后对于可见光定位中存在的问题进行了讨论与展望.关键词室内定位；可见光；调制方式；定位算法
中图分类号TN929
文献标志码A
0引言
随着时代的发展，室内定位逐渐成为一个热门的问题.传统的定位方法主要采用GPS实现定位.GPS目前已经广泛应用在室外定位导航中，并且有着不错的定位精度.然而，由于多径效应和信号穿过墙壁时强度的衰减等因素的影响，GPS在室内定位中的精度和稳定性十分不理想[1].为了解决室内定位的需求，国内外各机构展开了大量的研究，力求寻找一种高精度、高稳定性、低复杂度的安全有效的室内定位方案.早在1992年AT&T剑桥实验室就开发出了Active Badge定位系统，此系统是基于红外线的定位方案[2].2000年微软研究院提出了RADAR定位系统，此系统基于接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）来进行室内定位，它的硬件组成是基于80211协议的WLAN[2].同年MIT开发出了Cricket室内定位系统，此系统是基于射频+超声波的TDOA定位系统[2].此外，最近几年国内外一些公司也开发出了许多种定位方案.苹果公司于2013年发布了iBeacon室内定位方案，采用蓝牙通信的方法，向空间中预先布设的iBeacon设备发送信息，并且通過蓝牙信号强度来估计设备与iBeacon的距离.国内北京智慧图科技有限公司开发出的Rtmap和专用的“寻鹿”app，采用WiFi和蓝牙信号进行定位，可以达到3 m以内的定位精度和2～3 s的刷新频率；华策光通信科技有限公司开发的Ubeacon系统使用经过调制的白光LED进行信号的发送，通过智能手机接收光信号进行解算实现定位，精度可达1 m；清研讯科（北京）科技有限公司开发的LocalSense定位系统采用无线脉冲技术，通过测量脉冲传播的时间来实现定位，精度可以达到10 cm.
与室外定位相比，室内定位环境较小，障碍物较多，因此室内定位方案需要具有精度高、稳定性强的特点.此外从大规模推广的角度考虑还需要具有系统简单、成本低、对人安全等特点.传统的WiFi、蓝牙等无线定位方案由于电磁波的信道衰减和多径效应，以及大量无线终端的互相干扰等原因，很难实现较高的定位精度，理论上来说3～5 m已经是无线定位精度的极限.激光、超宽带无线脉冲等定位方案虽然可以将定位精度提高到分米级别，然而由于相关设备较为复杂，成本难以降低[3].从定位精度和系统成本两方面来考虑，可见光定位是一种有效的定位方案.可见光定位基于可见光通信技术，采用白光LED作为发射端，在提供照明的同时向外发送经过调制的光信号，从而实现信息的传输[45]，在接收端通过接收机对信号进行解调和计算，实现定位功能.相比于传统无线通信，可见光频率较高，可以有效地避免电磁波的相互干扰[6].可见光通信信道一般为LOS信道，多径效应对信道的影响较小，因此可见光定位可以实现10 cm以内的定位精度.LED是公认的下一代照明的绿色光源，基于LED的可见光定位采用白光LED发射信号，利用智能手机等终端进行接收，系统简单、成本低廉，便于大规模推广.
1可见光定位系统结构概述
典型的LED可见光定位系统结构如图1所示.
一个完整的可见光定位系统由驱动模块、LED灯具、接收机等部分组成.系统的发射端是多个LED组成的阵列，在提供照明的同时向外发射光信息，光信号经过空间信道传播由接收机接收，通过定位算法解算出接收机的位置.系统的工作流程主要分3步：光信号调制、光信号接收、位置解算.光信号调制将位置信息经过调制加载到每个LED上，使处于不同位置的LED携带不同的位置信息.光信号接收是指采用特定的接收机（CCD、PD等）对LED发出的信号进行接收，一般在接收到光信号时存在光电转换过程，将光信号转换成电信号进行处理.最后对接收机接收到的信号进行定位算法处理，解算出接收机的位置坐标.可见光定位系统一般通过上述3个步骤实现定位，接下来本文将从信号调制、接收解调、定位算法3个方面出发，介绍可见光定位系统的关键技术.
2可见光定位调制方法
可见光定位是基于LED可见光通信技术的室内定位方法，IEEE 802157定义了可见光通信的标准，主要是对于可见光通信的调制方案和调光支持的研究[7].在定位系统中白光LED作为发射端，既要提供向外发送信息的功能，又要兼顾室内的照明效果.IEEE 802157中也提出了可见光通信在实际应用中需要解决闪烁和调光两个问题.由于闪烁会导致人眼受到损伤，LED在调制时一般需要注意闪烁频率的问题.目前并没有关于闪烁频率的统一标准，一般认为超过200 Hz的频率是对人体无害的.此外，为了高效利用能源，满足不同场景的照明需求，可见光通信要求LED光源具备调光功能，在任意光强等级使系统都能维持正常通信.下面将介绍几种不同的调制方案及其各自的特点.
21OOK调制
通断键控（OnOff Keying，OOK）又名二进制振幅键控（2ASK），通过单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭.在可见光通信中，通过控制发射端LED的开和关来表示“1”和“0”两种状态.需要指出的是，这里的开和关并非表示严格意义上的灯具的亮或灭，而是表示LED亮度的两种不同的状态[8].OOK调制在无线通信领域已有广泛的应用.作为一种较为简单的调制方式，OOK具有系统简单、易于实现等优点. LED产生白光的途径主要分为两类.一种是利用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生白光，另一种是利用RGB（Red、Green、Blue）三色混合产生白光.RGB三色LED成本较高，目前市场上的LED灯具主要采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生白光的方案.由于黄色荧光粉存在一定的响应时间，所以会导致这种LED用作光通信时速率受到限制.文献[9]利用NRZOOK编码的LED可见光通信速率是10 Mbps.近年来，利用蓝光滤光片和雪崩二极管接收等方法可以将OOK调制的通信速率提高到230 Mbps.相比之下RGB三色LED利用NRZOOK调制的通信速率则可以达到470 Mbps.
OOK系统简单，对于可见光定位系统来说实现较为容易，但是在抗噪性方面存在不足.
22PPM调制
脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）通过编码产生脉冲信号，对可见光通信中的信号进行调制.PPM调制将一个信号持续时间分成N个相同的时隙，通过脉冲信号在时隙的位置来表示不同的信息.时隙数N和信号位数n存在N=2n的关系，对于一组二进制信号m1，m2，…，mn，信号在时隙中的位置为K=20×m1+2×m2+…+2n-1×mn.例如，对于4PPM调制系统，图2中的4个脉冲就分别表示“00”、“01”、“10”、“11”4个不同的信号.
相比OOK调制，PPM调制系统的收发机较为复杂，在接收端需要对时隙和码元进行同步.此外，PPM调制存在系统频谱效率低的缺点.由于每个时隙中仅有一个脉冲，因此当n很大时信号的占空比很低，这就导致整个系统的数据传输速率较低.
为了克服PPM系统存在的缺点，人们提出了许多改进的方案.文献[10]提出差分脉冲位置调制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）.DPPM与PPM相似，只是把PPM一个脉冲结束后多余的时隙删除，使下一个时隙紧跟在上一个脉冲信号结束之后.DPPM相比PPM带宽效率较高，由于每个调制波形均以脉冲结束，因此DPPM收发机也较为简单.除此之外，还有子载波脉冲位置调制（SubCarrier Pulse Position Modulation，SCPPM）、变脉冲位置调制（Variable Pulse Position Modulation，VPPM）等调制方案，分别在抗干扰和调光方面对于PPM调制进行了改进和提升.
23OFDM调制
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种新型的高效编码技术.OFDM基于FFT和IFFT算法，将高速串行数据变换成多路并行子数据流，在正交子信道上传输[11].随着DSP技术的发展，采用DSP作为系统收发机可以快速实现数据的调制和解调.OFDM具有带宽效率高、抗多径干扰能力强的优点.
OFDM的发送和接收流程如图3所示.
OFDM调制在发射端经过QAM映射、串并转换、预均衡、快速傅里叶变换（IDFT）、加循环前缀和并串转换的过程.串并转换将单路串行信号转换成多路的并行信号，并且进入每个支路单独进行调制.进入子信道的数据流经过快速傅里叶变换变成各子信道子载波的集合.由于信号的多径效应带来的码间串扰，在接收端各子载波之间不再保持良好的正交状态，所以需要在发射端快速傅里叶变换之后加入保护间隔.为了使信号工作在LED工作区，需要将产生的OFDM信号经过功率放大器放大，再通过偏置树，这样发射端的流程就已经完成.在接收端通过光电二极管（PD）接收到LED的光信号，经过和发射端相反的过程完成解调，还原出原始信号.
尽管OFDM调制具有频谱利用率高、抗多径干扰强的特点，但是在可见光通信中还是存在不足.由于LED的电流和发光强度之间是非线性的关系，使得采用OFDM调制的可见光通信系统的峰值平均功率比（PeaktoAverage Power Ratio，PAPR）较高，这会导致LED光源在数据传输过程中发生闪烁，影响照明效果和LED寿命[12].此外，OFDM系统的特性要求在发射端每个LED都需要模数转换器（ADC），在接收端需要配置数模转换器（DAC），这不仅会增加整个定位系统的成本，而且会导致系统复杂度增加，不利于推广应用.
24FSK调制
频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）通过对信号的频率进行调制，利用不同频率代表不同的信息.FSK调制的流程如图4所示.
在FSK调制系统中，两独立的振荡器根据数据的比特流产生两种频率不同的信号.fH和fL分别代表数据流中的“0”和“1”.由于信号是根据数据流中的“0”、“1”信号在两振荡器中切换，所以该方法产生的信号是非连续的.产生连续FSK信号的方法是首先产生FSK基带信号，然后利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制.
FSK系统具有实现容易、抗噪声和抗衰减性能较好的优点，在传输速率要求不高的中低速通信领域得到了广泛的应用.
25调制方式总结
上文介绍了几种可见光通信中常用的通信方式，并且比较了各种调制方式的特点.可见光通信的目的是实现信息的高速有效传递，所以需要一种速率高、抗干扰强的调制方式.可见光定位与通信则有所不同.由于在可见光定位系统中，每个LED作为信号的发射端向外发送的只有各自的位置信息，相比于一般的通信系统传送的信息量要少很多，所以可见光定位系统对于信息的传输速率并没有太高的要求，一般在几十kbps即可满足要求.相比之下可见光系统更加看重調制方式的抗干扰能力以及整体的复杂程度等方面的特性.所以综合上述几种调制方式的特点，FSK调制由于复杂度较低、实现简单以及较好的抗干扰能力成为可见光定位系统的理想调整方案（表1）. 3可见光定位接收方法
目前可见光定位系统的接收方式主要分为两种，一种是利用图像传感器进行成像的接收，另一种是利用光电二极管等设备进行非成像的接收.
31成像接收
图像传感器可以用来接收光信号，利用图像传感器接收光信号有多种方法.文献[13]利用图像传感器加透镜的方法对LED阵列成像，并通过距离的几何关系计算目标位置.此外，目前广泛应用的智能手机的摄像头就是一个典型的图像传感设备.手机摄像头的集成电路上存在阵列排布的光电探测器，利用手机的摄像头接收光信号，可以将智能手机转换成一个可见光定位的终端设备，且无需外加其他模块，方便使用和推广.
采用手机摄像头的图像传感器接收方案虽然具有使用方便的优点，但是光电传感器数量过多会减少相机拍摄时每秒的帧数（framespersecond，fps），一般智能手机每秒最大为40帧，这会极大地限制信息传输的速率.手机摄像头在拍摄过程中存在卷帘快门（Rolling Shutter）效应.由于相机传感器上存在大量的光电探测器，因此相机在拍摄过程中并不是一次完成全部像素点的扫描，而是逐行进行扫描，这就是相机的Rolling Shutter效应.利用相机的Rolling Shutter效应可以提高信息的传输速率.如图5所示，对于FSK系统，假设LED在发送信号时不断在亮暗状态之间切换，当LED处于“亮”的状态时，图像传感器会接收
到一行亮纹（图5a），当LED处于“暗”的状态时，图像传感器会接收
到一行暗的条纹（图5b），重复以上过程，最后图像传感器接收到的是明暗相间条纹的LED灯的像（图5c）.根据接收到图像上的条纹间距可以解算出LED发送端发送的光信息.
32非成像接收
在光信号的非成像接收
中，采用光电二极管是一种典型的接收光信号的方法.光电二极管是由PN结组成的半导体器件，可以将接收
的光信号转换成电流信号.由于光电二极管的存在，这种接收方案需要独立的模块，在模块中完成光电信号的转换.图6是北京莱博思光电科技有限公司研发的光信号接收模块，信号可以由光电二极管接收通过音频接口传入手机做后续的计算处理（图6a），或者在有计算功能的独立模块中完成定位解算（图6b），然后通过蓝牙等方法向外发送解算后的位置信息.
4可见光定位算法分析
目前可见光定位算法主要分为成像定位和非成像定位两大类.成像定位算法利用图像传感器接收多个LED灯发射出的信号，然后解算出位置信息.非成像定位算法包括ID法、场景分析法、三角测量法等，其中三角测量法是应用比较广泛的定位算法.三角测量法通过对距离或者角度的测量来实现定位计算，包括测量到达角度（AOA）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、信号强度（RSS）.可见光定位算法分类如图7所示.
41成像定位算法
文献[13]提出的成像定位算法，整个系统结构如图8所示.该系统采用三个坐标已知的LED作为发射端，LED发射的光线经过成像透镜，在接收端分别被图像传感器接收，并且解算出各自的三维位置坐标.
按照上述步骤即可求出待测点坐标.成像定位算法精度和传感器分辨率有关，一般具有较高的定位精度.
42非成像定位算法
可见光定位中非成像定位算法主要包括较为简单的ID定位法、通过分析对比光强信息的场景分析法以及通过计算距离的三角测量法，其中三角测量法通过测量角度、时间、光强等参数来计算位置.
421ID法
在LEDID定位法中，控制终端将位置信息通过编码调制加载到LED灯具上，使每个LED灯具携带各自独有的位置信息.LED将信息以光信号的形式发射出去，在接收端通过接收机接收，通过对光信号的识别判断接收的ID信息来实现定位，具体如图10所示.
ID定位法系统结构简单，采用简单编码调制方式即可实现.由于该算法定位时仅凭借单个LED的信号实现判决，所以定位精度理论上为两个LED间距的一半.
422场景分析法
场景分析法通过将接收机接收到的光强信息与已知的光强分布做对比，寻找出光强特征相似的点作为接收机的坐标.场景分析法实现定位主要分为两步：指纹库的建立和实时定位.建立指纹库一般是对场景做网格状划分，测量各点的光强信息并记录在指纹库中.实时定位阶段则是将接收机接收到的光强信号与指纹库中的各点做对比，从而找出相似的点作为定位坐标.
由于场景分析法并不是基于距离的测量和计算实现定位，所以该方法并不受信道的多径反射等干扰的影响，并且可以实现3D定位.场景分析法的定位精度主要取决于指纹库建立时的网格划分精度，理论精度为网格两点之间间距的一半.然而，由于场景分析法需要预先建立指纹库，所以该方法的可移植性和灵活性较差.此外，当场景面积较大时，指纹库的建立工作量十分巨大，所以寻找一种合理的简化指纹库的建立方法是该方法未来需要解决的问题.
423三角测量法
AOA法通过测量多个LED灯到达接收机的角度来实现定位，其原理如图11所示.
图11展示的是AOA定位系统在二维平面内的示意.LED发射端的位置坐标（xi，yi）已知，在接收端检测到LED灯具的到达角度αi，则可确定接收机的位置在从点（xi，yi）出发水平角为αi的延长线上.通过综合场景内多个LED发射的光信息，并结合最小二乘法即可估计出接收机的位置.AOA定位方法精度较高，但是角度的测量是该定位法需要解决的重要问题，一般系统的接收机需要配置角度传感器[14].
TOA定位系统通过测量信号从LED发射端发射到接收機接收所用的时间（ti）来计算接收机与LED灯具的距离（Ri），Ri=c×ti，其中c为光速.要实现对于接收机的定位，至少需要接收到三个LED发射出的信号.系统原理如图12所示. TOA系统需要所有发射机和接收机时钟同步才能测量出正确的到达时间，所以系统的定位精度和时钟同步率有关.一般来说要实现厘米级的定位精度需要各发射机之间的时间同步到1 ns以内.所以，TOA定位理论上可以达到较高的定位精度，但是相应的成本也比较高.
与TOA定位不同，TDOA通过测量信号从不同的发射端到达接收端的时间差来实现定位[15].TDOA通过测量一组到达时间差来确定一条双曲线，通过三条双曲线的交点来确定接收机的位置，所以该方法同样至少需要三个LED发射端.TDOA测量的是信号的到达时间差，所以不需要发射端和接收端保持时间同步，仅需要发射端之间时间同步即可[16].
RSS定位算法通过对光强的检测来计算距离，从而实现定位.对于基于LED可见光通信的定位系统，我们主要考虑下行的直射链路的信道，信道增益系数的数学表达式为
其中i表示定位时接收到发射机信号的数量，一般i等于3或4，此时该方程组为超定方程组，可以采用最大似然估计的方法计算出接收机的坐标.
RSS定位法的精度和光强分布有关，建立合理的信道模型可以大幅提高定位精度.此外，可以通过在发射端和接收端设计合理的光学天线来获得较为良好的光强分布.由于智能手机等移动端本身具有一定的光强度检测的硬件基础，集成光电二极管的检测设备也可以做到低成本、小型化，所以RSS定位法是三角测量法中最容易实现的定位方案.
43定位方法总结
对于上述几种LED室内可见光定位算法的性能及特点进行比较，结果如表2所示.
成像定位算法利用图像传感器对LED的距离进行估算，进而实现定位.该方法的定位精度与系统各部分的分辨率有关，一般具有较高的定位精度.由于智能手机的普及，利用手机摄像头作为图像传感器接收并处理信号可以有效降低系统成本和复杂度.因此该方案具有较高的研究价值和应用前景.
在非成像定位算法中，ID定位法利用每个LED发出的标签信号来实现定位.该方法具有系统简单、易于实现的优点.然而ID法的定位精度取决于灯具布设的密度，因此一般定位精度较低，并且抗干扰能力较差.场景分析法利用采集到的光信号与指纹库对比实现定位，定位速度较快，且不存在距离计算过程，功耗需求低.然而场景分析法定位需要事先建立指纹库，对于不同场景的可移植性较差.此外，由于LED光通量存在衰减，随着时间的推移指纹库的数据会逐渐失效，影响定位效果.
三角测量法是定位算法中的传统算法.在三角测量法中，AOA算法通过角度测量来计算方位，具有较高的精度.然而由于AOA算法需要特定的角度传感器，所以不便于和现有的智能设备结合并推广.TOA和TDOA定位算法通过对到达时间或者时间差的测量来计算距离，虽然TDOA算法不需要发送端和接收端时钟同步，但是这两种算法都需要发送端各LED之间实现同步.在室内环境面积较大、LED数量很多的情况下各发射端之间同步是很难实现的，因此这两种方法都不便于大规模的推广和应用.RSS从LED的下行链路的信道模型出发，建立光照和距离之间的关系，通过测量光强来计算距离，目前已经实现了10 cm以内的定位精度.综上所述，RSS定位算法精度较高，且系统简单，易于实现，是可见光定位算法中性价较高的一种定位算法.
5总结与展望
本文对可见光定位系统的调制、接收方案以及定位算法做了介绍与比较，在所有调制和算法方案中，综合定位效果和系统成本考虑，重点提出了采用FSK调制、RSS算法的定位方案.相比于其他定位方案，该系统具有较高的定位精度和抗干扰能力，并且结构简单、容易实现、成本低廉，具有较高的推广价值.
該系统后续主要需要解决如下几个技术问题：1）对于NLOS信道采用适当的迭代算法解决RSS算法中常见的由于墙壁反射等多径效应带来的精度下降的问题；2）对于LOS信道需要解决环境光（如太阳光）造成的噪声干扰；3）开发可见光定位与惯性导航定位结合的组合定位算法，解决由于光信号被遮挡造成的可见光定位无法工作的问题；4）通过对定位系统发送端和接收端光学天线的设计，提高定位系统整体的精度和稳定性.
可见光定位具有精度高、无电磁辐射、成本低等优点，在仓储定位、地下矿井定位等工业生产场景以及商场、地下停车场、医院等日常生活领域具有极高的应用前景.伴随着LED的大规模推广与应用，相信可见光定位必将成为未来室内定位的主流方案.
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Key wordsindoor positioning；visible light；modulation format；positioning algorithms
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与室外定位相比，室内定位环境较小，障碍物较多，因此室内定位方案需要具有精度高、稳定性强的特点.此外从大规模推广的角度考虑还需要具有系统简单、成本低、对人安全等特点.传统的WiFi、蓝牙等无线定位方案由于电磁波的信道衰减和多径效应，以及大量无线终端的互相干扰等原因，很难实现较高的定位精度，理论上来说3～5 m已经是无线定位精度的极限.激光、超宽带无线脉冲等定位方案虽然可以将定位精度提高到分米级别，然而由于相关设备较为复杂，成本难以降低[3].从定位精度和系统成本两方面来考虑，可见光定位是一种有效的定位方案.可见光定位基于可见光通信技术，采用白光LED作为发射端，在提供照明的同时向外发送经过调制的光信号，从而实现信息的传输[45]，在接收端通过接收机对信号进行解调和计算，实现定位功能.相比于传统无线通信，可见光频率较高，可以有效地避免电磁波的相互干扰[6].可见光通信信道一般为LOS信道，多径效应对信道的影响较小，因此可见光定位可以实现10 cm以内的定位精度.LED是公认的下一代照明的绿色光源，基于LED的可见光定位采用白光LED发射信号，利用智能手机等终端进行接收，系统简单、成本低廉，便于大规模推广.
1可见光定位系统结构概述
典型的LED可见光定位系统结构如图1所示.
一个完整的可见光定位系统由驱动模块、LED灯具、接收机等部分组成.系统的发射端是多个LED组成的阵列，在提供照明的同时向外发射光信息，光信号经过空间信道传播由接收机接收，通过定位算法解算出接收机的位置.系统的工作流程主要分3步：光信号调制、光信号接收、位置解算.光信号调制将位置信息经过调制加载到每个LED上，使处于不同位置的LED携带不同的位置信息.光信号接收是指采用特定的接收机（CCD、PD等）对LED发出的信号进行接收，一般在接收到光信号时存在光电转换过程，将光信号转换成电信号进行处理.最后对接收机接收到的信号进行定位算法处理，解算出接收机的位置坐标.可见光定位系统一般通过上述3个步骤实现定位，接下来本文将从信号调制、接收解调、定位算法3个方面出发，介绍可见光定位系统的关键技术.
2可见光定位调制方法
可见光定位是基于LED可见光通信技术的室内定位方法，IEEE 802157定义了可见光通信的标准，主要是对于可见光通信的调制方案和调光支持的研究[7].在定位系统中白光LED作为发射端，既要提供向外发送信息的功能，又要兼顾室内的照明效果.IEEE 802157中也提出了可见光通信在实际应用中需要解决闪烁和调光两个问题.由于闪烁会导致人眼受到损伤，LED在调制时一般需要注意闪烁频率的问题.目前并没有关于闪烁频率的统一标准，一般认为超过200 Hz的频率是对人体无害的.此外，为了高效利用能源，满足不同场景的照明需求，可见光通信要求LED光源具备调光功能，在任意光强等级使系统都能维持正常通信.下面将介绍几种不同的调制方案及其各自的特点.
21OOK调制
通断键控（OnOff Keying，OOK）又名二进制振幅键控（2ASK），通过单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭.在可见光通信中，通过控制发射端LED的开和关来表示“1”和“0”两种状态.需要指出的是，这里的开和关并非表示严格意义上的灯具的亮或灭，而是表示LED亮度的两种不同的状态[8].OOK调制在无线通信领域已有广泛的应用.作为一种较为简单的调制方式，OOK具有系统简单、易于实现等优点. LED产生白光的途径主要分为两类.一种是利用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生白光，另一种是利用RGB（Red、Green、Blue）三色混合产生白光.RGB三色LED成本较高，目前市场上的LED灯具主要采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生白光的方案.由于黄色荧光粉存在一定的响应时间，所以会导致这种LED用作光通信时速率受到限制.文献[9]利用NRZOOK编码的LED可见光通信速率是10 Mbps.近年来，利用蓝光滤光片和雪崩二极管接收等方法可以将OOK调制的通信速率提高到230 Mbps.相比之下RGB三色LED利用NRZOOK调制的通信速率则可以达到470 Mbps.
OOK系统简单，对于可见光定位系统来说实现较为容易，但是在抗噪性方面存在不足.
22PPM调制
脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）通过编码产生脉冲信号，对可见光通信中的信号进行调制.PPM调制将一个信号持续时间分成N个相同的时隙，通过脉冲信号在时隙的位置来表示不同的信息.时隙数N和信号位数n存在N=2n的关系，对于一组二进制信号m1，m2，…，mn，信号在时隙中的位置为K=20×m1+2×m2+…+2n-1×mn.例如，对于4PPM调制系统，图2中的4个脉冲就分别表示“00”、“01”、“10”、“11”4个不同的信号.
相比OOK调制，PPM调制系统的收发机较为复杂，在接收端需要对时隙和码元进行同步.此外，PPM调制存在系统频谱效率低的缺点.由于每个时隙中仅有一个脉冲，因此当n很大时信号的占空比很低，这就导致整个系统的数据传输速率较低.
为了克服PPM系统存在的缺点，人们提出了许多改进的方案.文献[10]提出差分脉冲位置调制（Differential Pulse Position Modulation，DPPM）.DPPM与PPM相似，只是把PPM一个脉冲结束后多余的时隙删除，使下一个时隙紧跟在上一个脉冲信号结束之后.DPPM相比PPM带宽效率较高，由于每个调制波形均以脉冲结束，因此DPPM收发机也较为简单.除此之外，还有子载波脉冲位置调制（SubCarrier Pulse Position Modulation，SCPPM）、变脉冲位置调制（Variable Pulse Position Modulation，VPPM）等调制方案，分别在抗干扰和调光方面对于PPM调制进行了改进和提升.
23OFDM调制
正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种新型的高效编码技术.OFDM基于FFT和IFFT算法，将高速串行数据变换成多路并行子数据流，在正交子信道上传输[11].随着DSP技术的发展，采用DSP作为系统收发机可以快速实现数据的调制和解调.OFDM具有带宽效率高、抗多径干扰能力强的优点.
OFDM的发送和接收流程如图3所示.
OFDM调制在发射端经过QAM映射、串并转换、预均衡、快速傅里叶变换（IDFT）、加循环前缀和并串转换的过程.串并转换将单路串行信号转换成多路的并行信号，并且进入每个支路单独进行调制.进入子信道的数据流经过快速傅里叶变换变成各子信道子载波的集合.由于信号的多径效应带来的码间串扰，在接收端各子载波之间不再保持良好的正交状态，所以需要在发射端快速傅里叶变换之后加入保护间隔.为了使信号工作在LED工作区，需要将产生的OFDM信号经过功率放大器放大，再通过偏置树，这样发射端的流程就已经完成.在接收端通过光电二极管（PD）接收到LED的光信号，经过和发射端相反的过程完成解调，还原出原始信号.
尽管OFDM调制具有频谱利用率高、抗多径干扰强的特点，但是在可见光通信中还是存在不足.由于LED的电流和发光强度之间是非线性的关系，使得采用OFDM调制的可见光通信系统的峰值平均功率比（PeaktoAverage Power Ratio，PAPR）较高，这会导致LED光源在数据传输过程中发生闪烁，影响照明效果和LED寿命[12].此外，OFDM系统的特性要求在发射端每个LED都需要模数转换器（ADC），在接收端需要配置数模转换器（DAC），这不仅会增加整个定位系统的成本，而且会导致系统复杂度增加，不利于推广应用.
24FSK调制
频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）通过对信号的频率进行调制，利用不同频率代表不同的信息.FSK调制的流程如图4所示.
在FSK调制系统中，两独立的振荡器根据数据的比特流产生两种频率不同的信号.fH和fL分别代表数据流中的“0”和“1”.由于信号是根据数据流中的“0”、“1”信号在两振荡器中切换，所以该方法产生的信号是非连续的.产生连续FSK信号的方法是首先产生FSK基带信号，然后利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制.
FSK系统具有实现容易、抗噪声和抗衰减性能较好的优点，在传输速率要求不高的中低速通信领域得到了广泛的应用.
25调制方式总结
上文介绍了几种可见光通信中常用的通信方式，并且比较了各种调制方式的特点.可见光通信的目的是实现信息的高速有效传递，所以需要一种速率高、抗干扰强的调制方式.可见光定位与通信则有所不同.由于在可见光定位系统中，每个LED作为信号的发射端向外发送的只有各自的位置信息，相比于一般的通信系统传送的信息量要少很多，所以可见光定位系统对于信息的传输速率并没有太高的要求，一般在几十kbps即可满足要求.相比之下可见光系统更加看重調制方式的抗干扰能力以及整体的复杂程度等方面的特性.所以综合上述几种调制方式的特点，FSK调制由于复杂度较低、实现简单以及较好的抗干扰能力成为可见光定位系统的理想调整方案（表1）. 3可见光定位接收方法
目前可见光定位系统的接收方式主要分为两种，一种是利用图像传感器进行成像的接收，另一种是利用光电二极管等设备进行非成像的接收.
31成像接收
图像传感器可以用来接收光信号，利用图像传感器接收光信号有多种方法.文献[13]利用图像传感器加透镜的方法对LED阵列成像，并通过距离的几何关系计算目标位置.此外，目前广泛应用的智能手机的摄像头就是一个典型的图像传感设备.手机摄像头的集成电路上存在阵列排布的光电探测器，利用手机的摄像头接收光信号，可以将智能手机转换成一个可见光定位的终端设备，且无需外加其他模块，方便使用和推广.
采用手机摄像头的图像传感器接收方案虽然具有使用方便的优点，但是光电传感器数量过多会减少相机拍摄时每秒的帧数（framespersecond，fps），一般智能手机每秒最大为40帧，这会极大地限制信息传输的速率.手机摄像头在拍摄过程中存在卷帘快门（Rolling Shutter）效应.由于相机传感器上存在大量的光电探测器，因此相机在拍摄过程中并不是一次完成全部像素点的扫描，而是逐行进行扫描，这就是相机的Rolling Shutter效应.利用相机的Rolling Shutter效应可以提高信息的传输速率.如图5所示，对于FSK系统，假设LED在发送信号时不断在亮暗状态之间切换，当LED处于“亮”的状态时，图像传感器会接收
到一行亮纹（图5a），当LED处于“暗”的状态时，图像传感器会接收
到一行暗的条纹（图5b），重复以上过程，最后图像传感器接收到的是明暗相间条纹的LED灯的像（图5c）.根据接收到图像上的条纹间距可以解算出LED发送端发送的光信息.
32非成像接收
在光信号的非成像接收
中，采用光电二极管是一种典型的接收光信号的方法.光电二极管是由PN结组成的半导体器件，可以将接收
的光信号转换成电流信号.由于光电二极管的存在，这种接收方案需要独立的模块，在模块中完成光电信号的转换.图6是北京莱博思光电科技有限公司研发的光信号接收模块，信号可以由光电二极管接收通过音频接口传入手机做后续的计算处理（图6a），或者在有计算功能的独立模块中完成定位解算（图6b），然后通过蓝牙等方法向外发送解算后的位置信息.
4可见光定位算法分析
目前可见光定位算法主要分为成像定位和非成像定位两大类.成像定位算法利用图像传感器接收多个LED灯发射出的信号，然后解算出位置信息.非成像定位算法包括ID法、场景分析法、三角测量法等，其中三角测量法是应用比较广泛的定位算法.三角测量法通过对距离或者角度的测量来实现定位计算，包括测量到达角度（AOA）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、信号强度（RSS）.可见光定位算法分类如图7所示.
41成像定位算法
文献[13]提出的成像定位算法，整个系统结构如图8所示.该系统采用三个坐标已知的LED作为发射端，LED发射的光线经过成像透镜，在接收端分别被图像传感器接收，并且解算出各自的三维位置坐标.
按照上述步骤即可求出待测点坐标.成像定位算法精度和传感器分辨率有关，一般具有较高的定位精度.
42非成像定位算法
可见光定位中非成像定位算法主要包括较为简单的ID定位法、通过分析对比光强信息的场景分析法以及通过计算距离的三角测量法，其中三角测量法通过测量角度、时间、光强等参数来计算位置.
421ID法
在LEDID定位法中，控制终端将位置信息通过编码调制加载到LED灯具上，使每个LED灯具携带各自独有的位置信息.LED将信息以光信号的形式发射出去，在接收端通过接收机接收，通过对光信号的识别判断接收的ID信息来实现定位，具体如图10所示.
ID定位法系统结构简单，采用简单编码调制方式即可实现.由于该算法定位时仅凭借单个LED的信号实现判决，所以定位精度理论上为两个LED间距的一半.
422场景分析法
场景分析法通过将接收机接收到的光强信息与已知的光强分布做对比，寻找出光强特征相似的点作为接收机的坐标.场景分析法实现定位主要分为两步：指纹库的建立和实时定位.建立指纹库一般是对场景做网格状划分，测量各点的光强信息并记录在指纹库中.实时定位阶段则是将接收机接收到的光强信号与指纹库中的各点做对比，从而找出相似的点作为定位坐标.
由于场景分析法并不是基于距离的测量和计算实现定位，所以该方法并不受信道的多径反射等干扰的影响，并且可以实现3D定位.场景分析法的定位精度主要取决于指纹库建立时的网格划分精度，理论精度为网格两点之间间距的一半.然而，由于场景分析法需要预先建立指纹库，所以该方法的可移植性和灵活性较差.此外，当场景面积较大时，指纹库的建立工作量十分巨大，所以寻找一种合理的简化指纹库的建立方法是该方法未来需要解决的问题.
423三角测量法
AOA法通过测量多个LED灯到达接收机的角度来实现定位，其原理如图11所示.
图11展示的是AOA定位系统在二维平面内的示意.LED发射端的位置坐标（xi，yi）已知，在接收端检测到LED灯具的到达角度αi，则可确定接收机的位置在从点（xi，yi）出发水平角为αi的延长线上.通过综合场景内多个LED发射的光信息，并结合最小二乘法即可估计出接收机的位置.AOA定位方法精度较高，但是角度的测量是该定位法需要解决的重要问题，一般系统的接收机需要配置角度传感器[14].
TOA定位系统通过测量信号从LED发射端发射到接收機接收所用的时间（ti）来计算接收机与LED灯具的距离（Ri），Ri=c×ti，其中c为光速.要实现对于接收机的定位，至少需要接收到三个LED发射出的信号.系统原理如图12所示. TOA系统需要所有发射机和接收机时钟同步才能测量出正确的到达时间，所以系统的定位精度和时钟同步率有关.一般来说要实现厘米级的定位精度需要各发射机之间的时间同步到1 ns以内.所以，TOA定位理论上可以达到较高的定位精度，但是相应的成本也比较高.
与TOA定位不同，TDOA通过测量信号从不同的发射端到达接收端的时间差来实现定位[15].TDOA通过测量一组到达时间差来确定一条双曲线，通过三条双曲线的交点来确定接收机的位置，所以该方法同样至少需要三个LED发射端.TDOA测量的是信号的到达时间差，所以不需要发射端和接收端保持时间同步，仅需要发射端之间时间同步即可[16].
RSS定位算法通过对光强的检测来计算距离，从而实现定位.对于基于LED可见光通信的定位系统，我们主要考虑下行的直射链路的信道，信道增益系数的数学表达式为
其中i表示定位时接收到发射机信号的数量，一般i等于3或4，此时该方程组为超定方程组，可以采用最大似然估计的方法计算出接收机的坐标.
RSS定位法的精度和光强分布有关，建立合理的信道模型可以大幅提高定位精度.此外，可以通过在发射端和接收端设计合理的光学天线来获得较为良好的光强分布.由于智能手机等移动端本身具有一定的光强度检测的硬件基础，集成光电二极管的检测设备也可以做到低成本、小型化，所以RSS定位法是三角测量法中最容易实现的定位方案.
43定位方法总结
对于上述几种LED室内可见光定位算法的性能及特点进行比较，结果如表2所示.
成像定位算法利用图像传感器对LED的距离进行估算，进而实现定位.该方法的定位精度与系统各部分的分辨率有关，一般具有较高的定位精度.由于智能手机的普及，利用手机摄像头作为图像传感器接收并处理信号可以有效降低系统成本和复杂度.因此该方案具有较高的研究价值和应用前景.
在非成像定位算法中，ID定位法利用每个LED发出的标签信号来实现定位.该方法具有系统简单、易于实现的优点.然而ID法的定位精度取决于灯具布设的密度，因此一般定位精度较低，并且抗干扰能力较差.场景分析法利用采集到的光信号与指纹库对比实现定位，定位速度较快，且不存在距离计算过程，功耗需求低.然而场景分析法定位需要事先建立指纹库，对于不同场景的可移植性较差.此外，由于LED光通量存在衰减，随着时间的推移指纹库的数据会逐渐失效，影响定位效果.
三角测量法是定位算法中的传统算法.在三角测量法中，AOA算法通过角度测量来计算方位，具有较高的精度.然而由于AOA算法需要特定的角度传感器，所以不便于和现有的智能设备结合并推广.TOA和TDOA定位算法通过对到达时间或者时间差的测量来计算距离，虽然TDOA算法不需要发送端和接收端时钟同步，但是这两种算法都需要发送端各LED之间实现同步.在室内环境面积较大、LED数量很多的情况下各发射端之间同步是很难实现的，因此这两种方法都不便于大规模的推广和应用.RSS从LED的下行链路的信道模型出发，建立光照和距离之间的关系，通过测量光强来计算距离，目前已经实现了10 cm以内的定位精度.综上所述，RSS定位算法精度较高，且系统简单，易于实现，是可见光定位算法中性价较高的一种定位算法.
5总结与展望
本文对可见光定位系统的调制、接收方案以及定位算法做了介绍与比较，在所有调制和算法方案中，综合定位效果和系统成本考虑，重点提出了采用FSK调制、RSS算法的定位方案.相比于其他定位方案，该系统具有较高的定位精度和抗干扰能力，并且结构简单、容易实现、成本低廉，具有较高的推广价值.
該系统后续主要需要解决如下几个技术问题：1）对于NLOS信道采用适当的迭代算法解决RSS算法中常见的由于墙壁反射等多径效应带来的精度下降的问题；2）对于LOS信道需要解决环境光（如太阳光）造成的噪声干扰；3）开发可见光定位与惯性导航定位结合的组合定位算法，解决由于光信号被遮挡造成的可见光定位无法工作的问题；4）通过对定位系统发送端和接收端光学天线的设计，提高定位系统整体的精度和稳定性.
可见光定位具有精度高、无电磁辐射、成本低等优点，在仓储定位、地下矿井定位等工业生产场景以及商场、地下停车场、医院等日常生活领域具有极高的应用前景.伴随着LED的大规模推广与应用，相信可见光定位必将成为未来室内定位的主流方案.
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Key wordsindoor positioning；visible light；modulation format；positioning algorithms