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针对室内定位与定向系统,提出了一种结合粒子群优化(PSO)和天牛须搜索(BAS)的VLC室内定位与定向算法,通过PSO算法探索接收端的最优方向,利用BAS算法对每个粒子当前方向下的最佳三维坐标进行搜索。首先在3 m×3 m×5 m的室内空间和40 dB信噪比下进行仿真研究,所提出的VLC室内定位与定向系统实现了平均定位误差4.82 cm和平均定向误差2.24°的性能指标。然后在0.9 m×0.9 m×1.5 m的实验系统中,实施了同时定位与定向的实验验证,平均定位与定向误差分别为5.32 cm 与5.99°。相比传统VLC室内定位方案,所提 VLC 室内定位与定向系统不需要接收端高度和方向的先验知识,大大降低了使用复杂度,具有更加广泛的应用场景。
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2020 年 12 月 Journal on Communications November 2020
第 41 卷第 12 期 通 信 学 报 Vol.41
No.12
基于可见光通信的室内定位与定向系统
杨国伟,黄兆标,樊冰,周雪芳,毕美华
(杭州电子科技大学通信工程学院,浙江 杭州 310018)
摘 要:针对室内定位与定向系统,提出了一种结合粒子群优化(PSO)和天牛须搜索(BAS)的 VLC 室内定位
与定向算法,通过 PSO 算法探索接收端的最优方向,利用 BAS 算法对每个粒子当前方向下的最佳三维坐标进行
搜索。首先在 3 m×3 m×5 m 的室内空间和 40 dB 信噪比下进行仿真研究,所提出的 VLC 室内定位与定向系统
实现了平均定位误差 4.82 cm 和平均定向误差 2.24°的性能指标。然后在 0.9 m×0.9 m×1.5 m 的实验系统中,实
施了同时定位与定向的实验验证,平均定位与定向误差分别为 5.32 cm 与 5.99°。相比传统 VLC 室内定位方案,
所提 VLC 室内定位与定向系统不需要接收端高度和方向的先验知识,大大降低了使用复杂度,具有更加广泛
的应用场景。
关键词:可见光通信;室内定位与定向;接收信号强度;粒子群优化;天牛须搜索
中图分类号:TN92
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000−436x.2020217
Indoor positioning and orientating system based
on visible light communication
YANG Guowei, HUANG Zhaobiao, FAN Bing, ZHOU Xuefang, BI Meihua
School of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China
Abstract: For the insufficient research on the simultaneously positioning and orientating system, a VLC positioning and
orientating algorithm based on combining particle swarm optimization (PSO) and beetle antennae search (BAS) was
proposed. The PSO algorithm was used to explore the optimal direction of the receiver and meanwhile the BAS algorithm
was used to search the best three-dimensional coordinates of each particle in the current direction. Firstly, the indoor
space of 3 m×3 m×5 m and the SNR of 40 dB were assumed in the simulation, the proposed VLC indoor positioning and
orientating system could achieve the average positioning error of 4.82 cm and average orientating error of 2.24°. Then, in
the laboratory space of 0.9 m×0.9 m×1.5 m, the experimental demonstration was accomplished for the first time, and the
average positioning and orientating errors of this experimental system were 5.32 cm and 5.99°, respectively. Compared
with the traditional VLC indoor positioning schemes, the proposed VLC positioning and orientating system does not need
the prior knowledge of the height and direction of the receiver, which greatly reduces the system complexity and is ap-
plicable to a wider range of applications.
Key words: visible light communication, indoor positioning and orientating, received signal strength, particle swarm op-
timization, beetle antennae search
收稿日期:2020–07–01;修回日期:2020–08–19
基金项目:浙江省公益性技术应用研究计划基金资助项目(No. 2017C31067);国家自然科学基金资助项目(No.61405051,
N
o.61501157)
Foundation Items: The Zhejiang Provincial Public Technology Application Research Project (No.2017C31067), The National
N
atural Science Foundation of China (No.61405051, No.61501157)
第 12 期 杨国伟等:基于可见光通信的室内定位与定向系统 ·163·
1 引言
随着大型室内建筑逐渐增多,对室内定位的需
求快速增长,各类室内定位方案成为当前研究的热
点。由于电磁屏蔽、多径衰落、障碍物阻挡等因素
影响,全球定位系统(GPS, global position system)
无法应用于室内定位。因此,基于 Wi-Fi、蓝牙、
射频识别(RFID, radio frequency identification)、超
宽带等室内基站的无线定位方案逐渐发展起来,但
是室内的电磁环境复杂且定位精度要求高,单类型
无线定位方案无法兼顾定位精度、系统稳定性和运维
成本,自身均有一定局限性
[1-2]
。另外,一种无线光
通信——可见光通信(VLC, visible light commu-
nication),以其绿色、抗电磁干扰、频谱资源丰富
等优势得到迅速发展,同时基于 VLC 的高精度室
内定位也得到了广泛研究。与其他无线通信方案相
比,基于 VLC 的室内定位不受电磁干扰,系统稳
定,定位精度高
[3-4]
。同时,该 VLC 定位系统可以
和智慧照明系统融合铺设,大大降低了建设与运维
成本。
基于 VLC 的室内定位系统通常采用 LED 作为
光源。LED 具有合适的调制速率,能在照明的同时
实现通信与定位。在 VLC 室内定位系统中,一般
采用几何测量法和基于图像的算法来进行定位。几
何测量法一般采用到达时间(ToA, time of arrival)
[5]
、
到达角度(AoA, angle of arrival)
[6]
、到达角差(ADoA,
angle difference of arrival)
[7]
、接收信号强度(RSS,
received signal strength)
[8-9]
来进行测距。其中,
ToA、TDoA 要求设备具有严格的同步时钟周期,
AoA 易受信号范围限制。而基于图像的定位算
法相对复杂,硬件成本和功耗较高,其应用受到一
定限制
[10-11]
。
现有的大部分 VLC 定位系统都存在一些缺陷
需要克服。例如,在基于 RSS 的定位系统中,为了
简化定位模型,通常假设接收端保持竖直向上
[8-9]
或倾角已知
[12]
状态,接收端自身倾角未知或者变动
将使 VLC 的定位精度下降。采用惯性测量单元
(IMU, inertial measurement unit)来测量接收端的倾
角,则会增加终端的复杂性,也会引入 IMU 抖动
误差
[13]
。对于基于图像的算法的 VLC 定位系统,
有研究采用 ADoA 补偿倾斜角,但要求的 LED 布
置密度较高,不适合实际照明场景
[10]
。ToA 不受接
收端的倾角影响,但要求接收端与发射机之间有严
格的时间同步,设备成本较高
[5]
。
为了消除上述 RSS 定位系统中接收端倾角的
影响,本文研究了一种基于 RSS 的 VLC 室内定位
与定向系统,实现了接收端三维空间坐标和三维方
向的探测,消除了传统三维定位系统中接收端方向
对定位精度的影响。本文首先分析了融合接收端方
向角的 VLC 定位模型;然后提出了一种基于粒子
群优化(PSO, particle swarm optimization)和天牛
须搜索(BAS, beetle antennae search)的融合算法,
同时实现了定位与定向的功能;最后搭建了 0.9 m×
0.9 m×1.5 m 空间内的实验系统,验证了所提定位与
定向算法的有效性和整个系统的可行性。
2 基于 RSS 的 VLC 定位系统模型
2.1 系统模型
在 VLC 定位系统模型中,采用 LED 光源作为
定位参考发射源,采用光电探测器(PD, photo
detector)作为接收端。LED 发射带有 ID(identity)
信息的光信号,PD 感应光信号并将其转换为电流,
处理器利用相应的 RSS 模型来计算接收端的位置。
图 1 展示了 VLC 定位系统模型。接收端的三维空
间坐标表示为
31
R
×
∈r ,三维方向表示为
31
R
×
∈n 。
相应地,LED 光源的三维空间坐标和三维方向表示为
31
Sm
×
∈r 和
31
Sm
×
∈n ,其中 1, ,mK= ,K 为 LED
光源的数量;
m
φ
和
m
θ
分别为 LED 光源的辐照角
和接收端的入射角,h 为发射端所在平面距地面
的高度。
图 1 VLC 室内定位系统模型
在 VLC 定位系统中,多个 LED 光源的光信号
在时域上是重叠的。因此,要实现 VLC 室内定位,
首先要实现多址,可采用的方案有时分多址
(TDMA, time division multiple access)
[14]
、频分多
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