基于可见光通信的室内定位算法及相应参数估计克拉美罗界沈芮张剑王鼎信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002摘要基于可见光通信的新型室内定位方法具有传统无线定位方法难以替代的优势，且室内光源布局对定位性能的好坏有着直接影响。在满足室内光照条件要求的前提下，针对典型可见光通信室内定位模拟环境，推导了待测点的克拉美罗界(CRB)和定位性能最佳的光源布局，并使用高斯-牛顿算法进行了仿真分析，证明了文中推导的正确性。关键词可见光通信；室内定位；克拉美罗界；高斯-牛顿算法中图分类号TN929.12文献标识码Adoi:10.3788/LOP51.090604IndoorLocationMethodandtheCramer-RaoBoundEstimationBasedonVisibleLightCommunicationsShenRuiZhangJianWangDingCollegeofInformationEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou,Henan450002,ChinaAbstractThenewindoorlocationmethodbasedonvisiblelightcommunicationshasirreplaceableadvantagesovertraditionalwirelesslocationmethods.Asforthenewlocationmethod,thelightdistributionhasdirectimpactonthelocationperformance.Intheconditionofmeetingtheindoorilluminationrequirements,thecramer-raobound(CRB)andtheoptimallightdistributionwiththebestlocationperformanceinatypicalsimulationenvironmentisinferred,afterthat,simulationanalysisisgivenusingtheGauss-Newtonalgorithm,andtheresultsdemonstratethevalidityofthetheory.Keywordsvisiblelightcommunications;indoorlocation;Cramer-RaoBound;Gauss-NewtonalgorithmOCIScodes060.4510;120.6650;350.5340;220.29451引言可见光通信(VLC)是利用白光LED固态光源在照明同时实现通信的新型绿色通信技术，具有泛在覆盖、节能降耗、健康安全、定向辐射、布设简单、成本低廉、电磁兼容性良好等突出优点，近年来已经成为国内外研究热点。特别是在信道特性研究[1-3]、高速传输编码研究[4-7]、定位应用等领域有着快速发展。在移动互联网时代，各种基于定位的位置服务系统应用越来越普遍。据统计，现代社会人们80%的时间是在室内活动，并且随着城市化的发展，各类大型建筑物越来越多，因此室内定位需求日益迫切。此外，传统的无线电定位系统在矿井、医院、加油站等特殊环境下使用受限，并且长期的电磁辐射对人体存在潜在的损害。相比于传统的无线定位技术，基于VLC的定位技术在室内无线定位领域具有良好的应用前景。与传统无线电定位技术相比较，利用VLC技术实现室内定位的不同之处在于，系统设计与布设时需要考虑室内照明的基本需求，即室内多个可见光源的布局应满足室内任意区域的最低光照度要求。由于仅考虑照明要求或仅考虑定位精度要求的光源布局结构并不相同，因此在室内可见光无线定位系统设计过程中，需要考虑照明与定位约束条件下的室内多个可见光源的整体优化布局问题。收稿日期:2014-02-11;收到修改稿日期:2014-04-21;网络出版日期:2014-08-16基金项目:国家863计划(2013AA013603)作者简介:沈芮(1987—)，男，硕士研究生，主要从事可见光通信室内定位方面的研究。E-mail:kobe777369@163.com导师简介:张剑(1973—)，男，博士，副教授，主要从事可见光通信方面的研究。E-mail:swordrawn@163.com090604-151,090604(2014)激光与光电子学进展www.opticsjournal.net本文介绍了基于接收信号强度检测的VLC定位方法和仿真模型，推导了光源任意对称布局时待测面定位误差分布性能限(克拉美罗界，CRB)和高斯-牛顿算法的理论性能，最后对文中推导所得结果进行了仿真对比验证。2基于接收信号强度检测的VLC定位方法基于接收信号强度检测(RSSI)的VLC定位方法，其原理与传统无线电定位中的RSSI方法基本相同。由于可见光通信过程中，信号通常采用强度调制，接收端可利用光电检测器件(PD)实现对信号直流能量的检测，因此与RSSI方法的结合十分自然。图1给出了典型的VLC下行链路信道模型，即朗伯模型[8-9]。图1朗伯模型Fig.1Lambert′smodel模型中从LED到接收端直射视距光信道直流增益H(0)的数学表达式为（m+1）AmcosϕTsgcosφ,0≤φ≤φcφ>φcH(0)=2πD20,...