如何進(jìn)行LED可見(jiàn)光的室內(nèi)定位算法的研究論文說(shuō)明

　　本文分析了室內(nèi)可見(jiàn)光定位的各種算法，包括接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）、傳輸時(shí)間差（TDOA）、傳輸時(shí)間（TOA）、接收信號(hào)角度（AOA）和混合定位等算法。給出了各種算法的基本定位原理，重點(diǎn)研究了基于LED可見(jiàn)光的RSS和TDOA定位算法。

　　針對(duì)RSS定位精度低、普適性不高、定位區(qū)域小的問(wèn)題，提出了利用多個(gè)LED發(fā)射端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法和四LED質(zhì)心加權(quán)算法。多LED定位算法法充分考慮了照明LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)定位性能的影響，引入了定位單元選取的基本原則，有效的解決了可見(jiàn)光定位中的遮擋效應(yīng)。四LED質(zhì)心加權(quán)定位算法從可見(jiàn)光傳輸距離短定位精度高的特點(diǎn)出發(fā)將傳輸距離信息作為加權(quán)因子引入定位算法中，提高了定位精度，擴(kuò)大了定位區(qū)域，有效地提高了系統(tǒng)的應(yīng)用性。

　　針對(duì)目前TDOA定位算法不收斂、誤差大及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問(wèn)題，提出了基于LED的非線性優(yōu)化算法和區(qū)域協(xié)作的室內(nèi)定位算法。非線性優(yōu)化算法利用定位終端到兩個(gè)LED的傳輸距離之差，構(gòu)造距離估計(jì)目標(biāo)函數(shù)，采用有約束的非線性規(guī)劃算法估計(jì)定位終端的位置。有效地解決了室內(nèi)噪聲環(huán)境中常規(guī)TDOA定位算法不收斂或誤差偏大的問(wèn)題。同時(shí)，為了進(jìn)一一步優(yōu)化定位性能，將距離信息引入加權(quán)因子中，提出了質(zhì)心加權(quán)混合定位算法。區(qū)域協(xié)作的室內(nèi)定位算法充分考慮了室內(nèi)光信道中的各種噪聲因素的影響，引入多 照明區(qū)域聯(lián)合定位思想，利用LED發(fā)出的參考信號(hào)估計(jì)定位節(jié)點(diǎn)到各LED的信號(hào)傳輸時(shí)間差，構(gòu)造協(xié)作定位距離估計(jì)目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)非線性最小二乘法獲得定位目標(biāo)的位置估計(jì)，不僅提高了室內(nèi)定位精度和系統(tǒng)應(yīng)用的普適性及魯棒性，而且有效地解決了室內(nèi)可見(jiàn)光定位存在的遮擋效應(yīng)。此外，對(duì)動(dòng)態(tài)定位追蹤也有。一定的效果。

　　本文分析了室內(nèi)可見(jiàn)光定位的各種算法，包括接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）、傳輸時(shí)間差（TDOA）、傳輸時(shí)間（TOA）、接收信號(hào)角度（AOA）和混合定位等算法。給出了各種算法的基本定位原理，重點(diǎn)研究了基于LED可見(jiàn)光的RSS和TDOA定位算法。

　　針對(duì)RSS定位精度低、普適性不高、定位區(qū)域小的問(wèn)題，提出了利用多個(gè)LED發(fā)射端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方法和四LED質(zhì)心加權(quán)算法。多LED定位算法法充分考慮了照明LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)定位性能的影響，引入了定位單元選取的基本原則，有效的解決了可見(jiàn)光定位中的遮擋效應(yīng)。四LED質(zhì)心加權(quán)定位算法從可見(jiàn)光傳輸距離短定位精度高的特點(diǎn)出發(fā)將傳輸距離信息作為加權(quán)因子引入定位算法中，提高了定位精度，擴(kuò)大了定位區(qū)域，有效地提高了系統(tǒng)的應(yīng)用性。

　　針對(duì)目前TDOA定位算法不收斂、誤差大及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問(wèn)題，提出了基于LED的非線性優(yōu)化算法和區(qū)域協(xié)作的室內(nèi)定位算法。非線性優(yōu)化算法利用定位終端到兩個(gè)LED的傳輸距離之差，構(gòu)造距離估計(jì)目標(biāo)函數(shù)，采用有約束的非線性規(guī)劃算法估計(jì)定位終端的位置。有效地解決了室內(nèi)噪聲環(huán)境中常規(guī)TDOA定位算法不收斂或誤差偏大的問(wèn)題。同時(shí)，為了進(jìn)一一步優(yōu)化定位性能，將距離信息引入加權(quán)因子中，提出了質(zhì)心加權(quán)混合定位算法。區(qū)域協(xié)作的室內(nèi)定位算法充分考慮了室內(nèi)光信道中的各種噪聲因素的影響，引入多 照明區(qū)域聯(lián)合定位思想，利用LED發(fā)出的參考信號(hào)估計(jì)定位節(jié)點(diǎn)到各LED的信號(hào)傳輸時(shí)間差，構(gòu)造協(xié)作定位距離估計(jì)目標(biāo)函數(shù)，并通過(guò)非線性最小二乘法獲得定位目標(biāo)的位置估計(jì)，不僅提高了室內(nèi)定位精度和系統(tǒng)應(yīng)用的普適性及魯棒性，而且有效地解決了室內(nèi)可見(jiàn)光定位存在的遮擋效應(yīng)。此外，對(duì)動(dòng)態(tài)定位追蹤也有。一定的效果。

　　本文主要研究了可見(jiàn)光通信在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了室內(nèi)傳播條件下的光信道特性及該信道特性下影響定位精度的一些因素。 另外介紹了室內(nèi)可見(jiàn)光定位的基本原理和常見(jiàn)的室內(nèi)定位算法，包括接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）、傳輸時(shí)間差（TDOA）、傳輸時(shí)間（TOA）、接收信號(hào)角度（AOA）和混合定位等算法。概述了以上各種算法的基本原理并且重點(diǎn)研究了RSS定位算法和TDOA定位算法。在對(duì)RSS的研究中，提出了基于多LED的高精度室內(nèi)定位算法與基于距離加權(quán)的室內(nèi)定位算法，對(duì)提出的兩種定位算法進(jìn)行了原理分析和建模仿真，驗(yàn)證了算法的適用性。在針對(duì)TDOA的研究中，提出了基于目標(biāo)函數(shù)的非線性優(yōu)化算法和區(qū)域協(xié)作的定位思想，詳細(xì)分析了此兩種算法原理，仿真驗(yàn)證了其定位的高精度特性。

　　本文的創(chuàng)新性工作為：

　?。?）提出了基于多LED的高精度室內(nèi)定位算法。該算法充分考慮了室內(nèi)布設(shè)多個(gè)照明LED的實(shí)際情況，有效地提高了可見(jiàn)光RSS室內(nèi)定位算法精度，并且解決了傳統(tǒng)三邊定位法無(wú)法處理光傳輸鏈路被遮擋導(dǎo)致定位失敗的問(wèn)題。提出了多LED定位時(shí)，選擇LED定位單元要遵循的兩個(gè)基本原則，即滿秩和強(qiáng)信號(hào)銳角三角形結(jié)構(gòu)原則。通過(guò)仿真驗(yàn)證了基于該原則實(shí)施定位，能夠獲得良好的性能。此外，還分析討論了可見(jiàn)光定位發(fā)射機(jī)布局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)定位性能的影響。

　?。?）提出了基于距離加權(quán)的定位算法。將加權(quán)思想引入到室內(nèi)可見(jiàn)光定位應(yīng)用中，改善了傳統(tǒng)三邊定位法受限室內(nèi)LED布局及定位范圍小的缺陷。本算法將傳輸距離信息引入加權(quán)因子中，提高了算法的定位精度。此外，分析了距離加權(quán)衰減常數(shù)對(duì)定位性能的影響，給出了指導(dǎo)性建議。

　?。?）提出了基于目標(biāo)函數(shù)的非線性優(yōu)化定位算法。通過(guò)引入帶約束的非線性優(yōu)化思想將位置估計(jì)轉(zhuǎn)化為帶約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而采用非線性最小二乘（NLLS）算法實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)高精度定位，解決了傳統(tǒng)定位坐標(biāo)求解不收斂性或誤差

　　偏大的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上將距離信息引入加權(quán)因子中，提出了質(zhì)心加權(quán)混合定位算法，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)高精度定位。

　?。?）提出了照明區(qū)域協(xié)作定位的思想。在區(qū)域協(xié)作定位算法中依據(jù)室內(nèi)照明區(qū)域相互重疊的實(shí)際場(chǎng)景，利用多個(gè)照明區(qū)域之間的協(xié)作定位較好地解決了室內(nèi)定位遮擋及噪聲干擾導(dǎo)致傳統(tǒng)定位算法失效或定位精度較差的實(shí)際問(wèn)題。引入了帶約束的非線性優(yōu)化思想，解決了傳統(tǒng)算法失效的問(wèn)題。另外針對(duì)復(fù)雜的室內(nèi)可見(jiàn)光信道環(huán)境，分析研究了具有反射及漫反射信道下室內(nèi)可見(jiàn)光定位算法的性能。與現(xiàn)有文獻(xiàn)給定的研究條件不同，本文給出的信道傳輸環(huán)境，考慮了反射路徑造成的碼問(wèn)串?dāng)_的影響，使得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具-一般性。

　　本論文內(nèi)容共分為六章，各章節(jié)內(nèi)容安排如下：

　　第1章緒論。本章主要介紹了信息時(shí)代室內(nèi)定位的背景和意義，并且分析了幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)。在藍(lán)牙、UWB、超聲波等定位技術(shù)手段的前提下給出了基于白光LED的室內(nèi)可見(jiàn)光定位方案，介紹了室內(nèi)可見(jiàn)光定位的意義以及國(guó)內(nèi)外在該方面的最新研究進(jìn)展以及應(yīng)用情況。

　　第2章室內(nèi)可見(jiàn)光通信的信道特性。本章介紹了室內(nèi)可見(jiàn)光的照度計(jì)算及分布。分析了可見(jiàn)光通信在直射信道（LOS）和反射信道（NLOS）下分別接收到的信號(hào)功率。最后介紹了可見(jiàn)光鏈路中可能存在的噪聲干擾，對(duì)室內(nèi)可見(jiàn)光信道進(jìn)行了建模仿真，給出了白光LED在室內(nèi)各點(diǎn)的功率分布及信噪比分布。

　　第3章VLC定位原理及常用算法。本章主要介紹了VLC室內(nèi)定位的基本原理，給出了RSS定位、TOA定位、TDOA定位及AOA定位的基本算法原理，簡(jiǎn)單介紹了混合定位算法的一些研究成果及趨勢(shì)。

　　第4章改進(jìn)的RSS室內(nèi)定位算法。本章針對(duì)RSS定位精度不高的問(wèn)題提出了改進(jìn)的RSS定位算法：基于多LED的高精度室內(nèi)定位算法，基于距離加權(quán)的室內(nèi)定位算法與RSS和AOA混合定位算法，對(duì)每一種定位算法進(jìn)行了原理分析與建模仿真，驗(yàn)證了算法的有效性和適用性。

　　第5章高精度TDOA室內(nèi)定位算法。本章針對(duì)傳統(tǒng)TDOA定位算法不收斂或誤差偏大問(wèn)題提出了兩種高精度的TDOA定位算法：基于目標(biāo)函數(shù)的非線性優(yōu)化算法和基于區(qū)域協(xié)作的室內(nèi)定位算法。在考慮室內(nèi)反射、漫反射引起的噪聲干擾下進(jìn)行了建模仿真，驗(yàn)證了算法的有效性和適用性。

　　第6章總結(jié)與展望。本章對(duì)全文的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，提出了下一步的研究方向，對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行了展望。