一種室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū)切換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可見(jiàn)光通信（VLC)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信 網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū)切換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，LED由于其低能耗，壽命長(zhǎng)，種類(lèi)繁多，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為下一代照明的 有力選擇，國(guó)內(nèi)外各大照明廠商（如飛利浦，億光，科瑞）相繼研發(fā)出各種高性能LED投入 市場(chǎng)，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)LED燈將成為人們?nèi)粘Ｉ钫彰鞯氖走x，同時(shí)LED的普及也為可見(jiàn)光通 信的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此外人們注意到LED還具有良好的調(diào)制性能、響應(yīng)靈敏度高等 優(yōu)點(diǎn)，利用LED的這種特性，在照明的同時(shí)，還可以把數(shù)據(jù)調(diào)制到LED上進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn) 一種新興的光無(wú)線通信技術(shù)，即可見(jiàn)光通信技術(shù)[。但是測(cè)量發(fā)現(xiàn)，一方面白光LED照明器 件本身的通信帶寬比較有限，因此需要研究各種提高VLC系統(tǒng)速率和網(wǎng)絡(luò)容量的方法和技 術(shù)，以實(shí)現(xiàn)寬帶通信的目標(biāo)；另一方面，由于單個(gè)LED光源發(fā)出的光具有一定的定向性，漫 射性比以往使用的熒光光源弱，因此，為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)，尤其是大型室內(nèi)環(huán)境的均勻照明，一 般需要在室內(nèi)天花板上按照規(guī)則排列若干LED光源形成光源陣列。所以如果我們讓不同的 LED光源發(fā)送不同的信息，每個(gè)LED光源獨(dú)自負(fù)責(zé)自身有效覆蓋范圍內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)通信，這 就實(shí)現(xiàn)了基于光源位置的空分復(fù)用，理論上可以大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信容量，我們把這 種網(wǎng)絡(luò)稱為室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于無(wú)線通信中的微蜂窩小區(qū)，只是覆蓋區(qū)域更 小，通常一個(gè)LED燈（陣列）照射的區(qū)域即為一個(gè)服務(wù)區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)LED燈能夠 服務(wù)的區(qū)域大概是直徑為2-3m的圓形區(qū)域，當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，可能只需幾秒就穿過(guò)一個(gè)服務(wù) 區(qū)域，同時(shí)由于可見(jiàn)光通信獨(dú)特的視距特性，信道特性和無(wú)線通信也大不相同，所以在室內(nèi) 微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)快速、準(zhǔn)確、有效的切換機(jī)制是保證移動(dòng)用戶服務(wù)質(zhì)量的前 提。在這些條件下，我們提出了新的定位和越區(qū)切換算法，而如何得到用戶的位置信息則是 其中的一個(gè)難點(diǎn)。目前大多數(shù)的位置服務(wù)LBS(locationbasedservice)都是利用多條下 行鏈路來(lái)得到用戶的位置信息，比如GPS，但是在室內(nèi)由于建筑物的遮擋，GPS處于不可用 狀態(tài)。而在我們的室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中，可以利用上行紅外鏈路，通過(guò)一些定位 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶位置的估計(jì)，從而保證切換的順利實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，我們引入了卡爾曼 濾波器?？柭鼮V波器是一種高效率的遞歸濾波器。它能夠從一系列的不完全及包含噪聲 的測(cè)量中，估計(jì)出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。我們?cè)诙ㄎ缓笫褂每柭鼮V波器來(lái)提高定位性能，通過(guò) 設(shè)法去掉噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)位置的更好的估計(jì)，這為我們?cè)诮酉聛?lái)的切換過(guò) 程提供了更加準(zhǔn)確的判決條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種在室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中基于卡爾曼濾波的定位與越區(qū) 切換方案，從而解決室內(nèi)可見(jiàn)光通信（VLC)網(wǎng)絡(luò)吞吐效率以及切換難執(zhí)行的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：
[0006] 圖1所示的一個(gè)室內(nèi)微蜂窩可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)模型，該模型適用于比較寬闊的大廳 等場(chǎng)景。我們通過(guò)排列LED燈的分布，利用可見(jiàn)光的視距性，既實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫覆蓋來(lái)保證用戶 的服務(wù)質(zhì)量，又節(jié)省了在LED燈上的花費(fèi)。如果用戶在當(dāng)前服務(wù)小區(qū)1，那么當(dāng)用戶移動(dòng)到 小區(qū)邊緣時(shí)，必須有一套機(jī)制來(lái)通知協(xié)調(diào)器完成即將到來(lái)的越區(qū)切換?；诖?，我們提出了 一種切換機(jī)制來(lái)解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟為：
[0007] (1)在單個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)完成定位。
[0008] (2)利用卡爾曼濾波器濾除噪聲影響，提高定位精度。
[0009] (3)利用上述步驟的位置信息決定是否啟動(dòng)預(yù)切換。
[0010] (4)移動(dòng)臺(tái)利用接收到的信號(hào)功率信息通知協(xié)調(diào)器完成鏈路切換過(guò)程。
[0011] 進(jìn)一步，步驟（1)中在單個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)完成定位是指在圖2所示的單個(gè)LED燈 下估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)的位置。在該系統(tǒng)中，我們采取的上行方式為紅外上行，通過(guò)控制紅外信號(hào) 功率來(lái)防止對(duì)人眼造成傷害。
[0012] 進(jìn)一步，步驟（2)中，我們引入了卡爾曼濾波器來(lái)處理步驟（1)中得到的定位數(shù) 據(jù)，通過(guò)公式（1)~公式（5)，我們迭代更新每個(gè)采樣時(shí)刻移動(dòng)臺(tái)的位置，由于卡爾曼濾波 器不用記錄歷史狀態(tài)，只需要保存上一時(shí)刻的協(xié)方差，所以卡爾曼濾波器實(shí)際上就是不斷 的把協(xié)方差遞歸，從而估算出最優(yōu)的狀態(tài)值，這里就是指移動(dòng)臺(tái)的平面坐標(biāo)。圖3顯示了通 過(guò)卡爾曼濾波對(duì)系統(tǒng)定位的優(yōu)化過(guò)程，可以看出提升還是很明顯的。
[0018] 進(jìn)一步，步驟（3)中，由于協(xié)調(diào)器能時(shí)刻監(jiān)測(cè)到移動(dòng)臺(tái)的位置，所以當(dāng)移動(dòng)臺(tái)往微 蜂窩小區(qū)邊緣移動(dòng)時(shí)，如果和發(fā)射端LED的水平距離超過(guò)一定距離后，協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)預(yù)切 換過(guò)程，具體過(guò)程如圖4所示。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入重疊區(qū)域以后，協(xié)調(diào)器將會(huì)把移動(dòng)臺(tái)的下行信 息同時(shí)在兩個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)廣播，并準(zhǔn)備好切換過(guò)程需要的資源。
[0019] 進(jìn)一步，步驟（4)中，移動(dòng)臺(tái)開(kāi)始監(jiān)控所有接收到的信號(hào)，一旦滿足公式(6)的條 件
[0020]Pcur<Padj,Pcur<Pthr (6)移動(dòng)臺(tái)就開(kāi)始發(fā)送切換請(qǐng)求給協(xié)調(diào)器。其中Pcur 是移動(dòng)臺(tái)接收到當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號(hào)功率，P#是接收到相鄰小區(qū)的信號(hào)功率，Ptto是一個(gè) 切換閾值功率，用來(lái)預(yù)防乒乓效應(yīng)。協(xié)調(diào)器收到切換請(qǐng)求后開(kāi)始執(zhí)行切換過(guò)程。圖5顯示 了定位誤差對(duì)系統(tǒng)切換成功概率的影響。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)在單個(gè)小區(qū)內(nèi)完成定位，減少了LED燈排列的密度，也即 減小了微蜂窩小區(qū)排列的密度，而以往的一些研究都是通過(guò)三個(gè)LED完成定位的。雖然在 每個(gè)小區(qū)內(nèi)額外增加了一個(gè)ro，但就整體復(fù)雜度和開(kāi)銷(xiāo)來(lái)看并沒(méi)有增加，而且同樣做到了 無(wú)縫覆蓋。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為系統(tǒng)LED的排布模型
[0023] 圖2為單個(gè)微蜂窩小區(qū)內(nèi)的定位模型