西电中期报告标准模版

1、西安电子科技大学通信工程学院本科生毕业论文（设计）中期进展报告（ 2016 届）题 目 车载可见光定位技术研究 学生姓名 专 业 通信工程 学 号 指导教师 2016 年 4 月（本表一式三份，本人、指导教师、学院各一份）1、毕业设计工作是否更换题目及是否按开题报告预定的内容及进度安排进行没有更换题目，按照开题报告预定的内容及进度安排进行中。2 目前已完成的研究工作及结果（内容要详实充分）课题研究背景：最先开始的定位技术为GPS技术。GPS定位中最为实用的RTK定位测量方式 xyz=xyz-1000-zyx010z0-xy001-yx0zxyzm在至少3个公共点上，求GPS坐标与适用坐标之间的

2、转换参数(点校正)；式中：X、Y、z是当地坐标系中的实际(适用)坐标，x、y、zRTK测出的坐标，xyz是坐标平移参数仅是坐标旋转参数，m是缩放参数，中间3×7的矩阵是转换系数阵。用2个平高、1个高程公共点，代人上式(列出7个方程)，解出7个转换参数(唯一解)；用3个平高公共点带入，可列出9个方程，平差解出7个参数的最或是值。获得7个转换参数(平移、旋转、缩放)后，将RTK每测出1个点的坐标xyz，带人上式求出该点的适用坐标xyz。这是原理，实际是将新参数重新置人RTK中即可(RTK直接显示适用坐标)。这便是通常我们所见的GPS定位技术中常见的实现方式。然后出现的是WIFI定位技术主

3、要用于室内下面介绍一种常见的方式室内常用的定位方法：到达时间法（TOA）通过测量无线信号在发射端与待测点传播的单程或者往返时间，根据信号传播速度来计算出发射端与待测点之间的距离。若测量单程时间，要求发射端或者待测点能记录信号发射的准确时间，对系统节点之间的时钟同步有较高的要求。若测量往返时间，则不要求发射端与待测点之间的同步，只需要发射端或待测点有比较精确的时钟。采用此方法，用所测的往返时间除以2即可得到单程时间，这个方法在测量传播时间中十分常见。若发射端到接收端的传播时间为t，无线信号的传播速度为v，则发射端到接收端的距离s可估算为v*t。在确定空间中点的位置时，可使用三边定位方法。基于WI

4、FI的定位系统中，发射信号端为无线接入点(AP)，在理想的环境下，选取3个AP为圆心，以估算出AP到接收端的距离为半径画圆，在理想的情况下，三圆会相交于一点，这点即为待测点的空间位置。、这种方法对时间的同步性要求，和时间的精度要求特别高。实现起来难度很大。方法2：到达角度法（AOA）通过己知的AP节点和待测点间的角度进行定位。在该定位机制中，通过接收端感知AP发送信号的到达方向或者角度，然后可通过三角定位测量法(在接下来的计算节点位置的方法中介绍)计算出节点的。AOA很容易受到外界环境的干扰。对于与定位精度有很大的影响，实验已经证明AOA的定位精度甚至不如（TOA）.方法3：到达时间差法（TD

5、OA）在TDOA方法通过测量无线信号从不同AP的时间差来进行定位，这样做可以大大降低AP与待测点时间同步的要求。待测点到达AP的时间差为一定的值，可知待测点与AP的距离差也为定值，待测点一定位于以AP为焦点的双曲线上，可用双曲线定位法算出空间中点的位置，即求解出不同AP的双曲线的交点。若要求出AP的位置，至少需要两个双曲线方程组成一个方程组，即需要3个AP。信号强度法(RSSI) 在室内的已知环境中，使用可以接收到信号强度的机器去估计室内环境中的环境干扰参数和墙壁衰减因子。从而得出该室内环境下的传播模型。据此，就可以通过待测节点所接收到的信号强度去估计出待测节点与发射信号机器之间的距离。由于R

6、SSI算法必须考虑到各种干扰，所以算法比较难。常见的传播模型有：(1)线性距离路径损耗模型线性模型是一种非常常见的统计学模型，它是建立在假设室内环境中的路径损耗和传输距离为线性分布，它的表达式为：Ld=ad+lo该式子中，口为一次的参数，lo是恒定参数，L(d)是距离发射机端为d的信号强度。(2)对数距离路径损耗模型室内对数距离路径损耗，满足下列式子: PL(d)=PL(d0)(d)+10log10dd0+X(d)式中，以为参考距离，是由测量的量决定，一般可取lm；d是发射机端和接收机端之间的距离；是路径损耗指数，它依赖于周边环境和建筑物的类型，代表路径损耗儿PL随着距离增长的速率；X是标准偏

7、差为的正态随机变量；PL(d0)表示参考距离d0处的功率值，可通过实际测量出。(3)衰减因子模型衰减因子模型考虑了建筑物类型的影响以及障碍物引起的变化。衰减因子模型预测路径损耗与实际测量的标准偏差比较减少了4dB，而对数距离模型的偏差为13dB。所以该衰减因子模型优于对数距离损耗模型，该衰减因子模型为：式中，表示同层测试的路径损耗指数值(同层即同一建筑的楼层)。如果能获得较好的同层路径损耗系数弦，则可通过附加楼层衰减因子FAF(Floorattenuation factor)获得不同楼层路径损耗。将多楼层影响的指数代替FAF，则有：室内路径损耗是自由空间损耗加上衰减因子FAF，对于多层建筑物，

8、衰减因子并随着距离成指数增长。为信道衰减常数，单位为dBm。给出了的典型信道衰减常数值。信号强度法基本原理是通过待测点所接收到的信号强度，对待测点与AP之间的距离进行估计。在发射端的发射功率一定的条件下，它发出的信号在室内环境中的传播损耗符合一定的规律，这些规律可用室内传播模型表示，利用模型可以估算测端与AP之间的距离。在计算空间中点的具体位置时，可采用合适的室内传播模型来估算待测点与三个AP的距离，即采用三边测量法进行定位。这种定位方式也有自己的缺点，我们学习过通信原理，能引起信号衰减的因素过多。所以受到影响的因素过多，有可能收到少考虑有些因素造成误差。2. 非参数化室内定位方法：采用的是信

9、号强度指纹定位方法：信号强度指纹定位方法是一种基于无线信号强度的定位方法。它的优点在于有着较高的定位精度，而且其定位方法实现简单，所以在近几年的无线室内定位方法文献中，有很多在对基于信号强度指纹的定位方法进行研究。信号强度指纹定位方法可分成两个阶段：校准阶段和定位阶段。在校准阶段中，需要采集信号强度作为指纹库。在一个部署了若干个无线信号发射点的环境中设置足够多的采集点，在每个采集点处设定一定的频率去采集一组信号强度数据，并通过这些数据估算出每个采集点的信号强度RSSI；，将这信号数据与采集点的位置信息存入数据库中。在定位阶段，待测点运动到某一位置时，也按一定的频率去采集一组信号强度数据，将这组

10、信号数据发送给服务器端，服务器端将该数据与数据库中的校准数据进行匹配，从而估算出待测点现在的位置。基于信号强度的指纹定位方法，因为有信号指纹库，与基于模型的定位方法相比有更高的定位精度，但是它也有一些缺点。比如，在一般条件下，校准数据的数量越多，校准数据的质量越好，定位会更精确。但较多的校准数据必然带来人力工作量的。这种算法类似于对比法，由于有观测物体的经过所以该点信号强度必然发生改变必然存在一个变化过程。对比指纹库，找到发生变的点RSSI。这是我个人的理解。这便是出现在可见光定位之前的集中主要技术。基础知识积累：关于可见光通信的文章，因为可见光通信是可见光定位的基础。我理解到可见光通信出现的

11、背景，随着多媒体技术的普及和智能网络技术的迅速发展，人们可以在无线网络覆盖区域内的任何地点登陆到全球信息网，高速的获取信息。虽然这为人们的生活带来了极大的便利，但同时也对数据的无线传输速率与传输质量提出了更高的要求。而在射频通信领域，由于信息传输需求的骤然增多，使得有限的频谱资源变得非常紧缺。所以在这样的背景之下，可见光通信技术作为传统射频通信技术的有力补充，引起了全球科研人员的广泛关注，迅速成为了无线光通信领域的研究热点。可见光通信技术，是利用实际照明中使用的发光二极管发出快速的、人眼无法察觉的闪烁信号来传输信息，实现通信的。与现在常用的无线电射频通信相比，可见光通信绿色环保，对人体无害，无

12、需频带资源，保密性也很高。因此，可见光通信技术被普遍认为拥有较好的科研价值和应用前景。 所有信息都必须有载体才可以传递。我在大学期间主要围绕无线电作为载体来传递信息的课程。而可见光通信只不过是把载体变成了可见光。来简单介绍一下可见光通信系统的基本相关情况。优点：(1) 基于白光LED 通信技术为绿色通信，与射频和红外通信不同，信号光源的光谱为可见光波段（380-780nm），无电磁辐射，对人眼无害，对人身安全。(2) 由于红外和射频通信时对人体有害，红外和射频的通信功率受限，但 LED 在通信时无任何辐射，即使不限制功率对人体健康也是没有危害的。(3) 白光 LED 通信没有电磁干扰，可用于医

13、院、飞机等不适合采用射频通信的场所，综上所述，利用白光 LED 通信优势多多，可考虑在某些通信领域替代射频通信，比如短途室内通信等；在某些通信领域，可见光通信技术可以与射频技术相辅相成，共同使无线应用领域多元化。 可见光通信调制技术分类与特点可见光通信系统中的调制方式包括开关键控（OOK）、脉冲位置调制、差分脉冲位置调制，变脉冲位置调制，色移键控调制，子载波脉冲位置调制和正交频分复用（OFDM）等。其中 OOK 调制方式从电路设计的复杂度来看有很大的优势，从频谱利用的角度和克服多径效应的角度出发OFDM调制性能最佳。 国内外研究与发展现状可见光通信技术根据其应用环境的不同分为室外可见光通信技术

14、和室内可见光通信技术，其中室外可见光通信技术由香港大学的G.Peng教授在1998年提出,主要应用于智能交通领域. 室内可见光通信技术则由日本庆应义塾（KEIO）大学的Nakagawa教授在2000年提出，主要应用在室内无线接入领域。虽然室内可见光通信技术提出较晚，但属于可见光通信应用的主体，技术发展迅速，研究成果也比较多，主要的研究方向包括可见光光源和光敏元件的属性和布局、可见光通信系统的建模、可见光通信系统的调制解调技术和可见光信系统的编译码技术等。室内可见光通信技术的早期研究都是由日本学者完成的，主要的成果是对可见光信系统进行建模和研究如何降低码间干扰（ISI，Inter Symbol

15、Interference）和多径效应对可见光通信系统性能的影响。国内可见光发展情况，我国可见光通信技术的研究起步较晚.2006年以后才逐渐成为了研究热点,2008年研究成果的在数量上开始爆发性增长，但所做的工作大多是基础理论研究和模拟仿真，创新性科研成果的数量明显少于日本和欧美。2006年，西安理工大学柯熙政教授，杭州电子科技大学的周洋分别对可见光通信的关键技术进行了简单的研究，并介绍了可见光通信技术的发展方向。2007年，西安理工大学的丁德强、柯熙政对可见光通信系统的光源布局进行了设计与仿真研究,首先设计了室内VLC通信模型，然后计算出了光源布局和VLC通信性能关系，最后设计了四光源最优布局

16、方案并通过实验予以验证.2008年，暨南大学于志刚提出了角度分集的光接收技术，该技术能有效的降低不同路径引起的码间干扰，提高了信噪比。利用他提出的接收器布局模型，可以实现VLC系统以10Mhz的调制速率稳定地运行。同年，江苏大学的朱娜、仲启端、朱江课题组分别对VLC系统调制技术、接收系统和信道模型进行了研究，其中朱娜首先比较了OOK、PPM，MPPM等调制技术。认为MPPM技术的调制特性是最佳的；仲启端则提出了等增益合并方法，利用空间分集和时间分集接收原理，有效地客服了信道衰落。另外，2008年，吉林大学的马俊分析了OOK调制方式下可见光通信系统的时延仿真，并比较了OOK和OOK-RZ之间的区

17、别,仿真结果表明对于VLC系统OOK的调制特性更为理想。2010年，长春理工大学的张华提出了自适应OFDM方案，解决了信道对调制解调方式的影响，实验证明这种方案要优于传统的OFDM方案。另外在2010年 5月，在上海世博会上，中国科学院展示了一套VLC系统，该系统可以同时接入3个用户，以2Mbps的速度进行数据传输，通信距离也达到了2m，从该系统的各项性能指标上来看，已经接近国际水平。2011年，杨宇等人基于强度调制及直接检测技术，利用大功率LED照明灯，实现了室内单项VLC 系统，实验证明，该系统能在通信速率为90Kbs。同年，江南大学徐子轩等人对LED阵列的空间光强分布进行建模，并基于此证

18、明了VLC系统接收电路的幅频特性不随光强变化而变化。2012年，南京吉林大学博士学位论文14航天航空大学的王俊波等人提出了利用分数间隔均衡技术来降低码间干扰对VLC 系统性能的影响，实验结果表明，T/2分数间隔均衡器在抑制多径效应方面，表现的更为出色。同年，暨南大学骆宏图设计了基于以太网的LED可见光通信系统，将VLC技术融入以太网，提供了新的无线宽带接入方案，未来应用场景非常广阔。近几年，国内大部分学者的研究领域主要集中在如何提高可见光系统的通信速率，2006年暨南大学陈长缨教授等人实现了室内白光 LED 无线通信系统，该系统能够在最大20cm的距离内，以10Mhz的传输速率进行点对点的数据

19、传输。2010年，暨南大学陈长缨课题组基于LED的光源特性、信道模型和通信链路的研究，对原有的可见光通信系统进行了优化和改造，首先使用LED阵列代替了单LED光源，其次采用角度分集的光接收技术对接收器布局调整，最后使用6B8B编码技术对信号进行处理，实验证明改良后的VLC系统在性能上有了大幅提升，实现了以 4Mbps的速度稳定传输数字视频信号。2013年，复旦大学迟楠教授出版了可见光通信研究的第一本教材，并基于单载波频域均衡（SC-FDE）技术实现了通讯速率 3.75Gb/s 的VLC系统，该系统使用一个彩色的LED作为光源，利用 SC-FDE 技术对信号进行处理。同年台湾工业技术研究院等人提

20、出并论证了用一个简单的数字后均衡技术，来改善 LED 的可见光通信信道带宽的限制，以提升VLC系统的传输速率。翻译外文文献：智能车辆照明系统在汽车安全领域的运用这篇文章主要讲述了可见光在车辆安全方面起到的重要作用。据已有的材料已经可以确信现有的技术可以实现车辆与车辆（V2V）之间的通信以及为车与车之提供次米级别的高精度定位。这两项技术将会为汽车安全带来一个全新的理念，智能驾驶或者指日可待。尽管，这一天的到来仍然是未知的但是我们有理由相信这一天应该可以在我们的有生之年看到。现在我们已经可以预想V2V的行业标准。专用短距离通信与定位技术是完全可以运用在商用汽车产品上的。然而对于广大的汽车使用者以及

21、汽车消费者来说，目前最为流行的商用级别的GPS接收机却不能提供相应的精度，使得许多关于汽车安全领域的应用只能望洋兴叹没有高精度的定位指示这一切包括智能驾驶都只能是空中楼阁。于是在本片论文中我们设想可以结合目前新出现的可见光通讯技术以及可见光定位技术来对GPS系统进行一个有益的补充与完善使其能达到要求的精度。我们为此提出可行性的建议使用智能车辆照明系统运用在整个车辆安全系统中。在我们的常识中车辆的灯光可以提供照明和转向等实时信号给其他车辆并不具备定位等通信功能。我们得在一个单一的解决方案中实现具有可靠性的通信和精准的定位要求两个要求。而且我们所提出的方案必须具有低的复杂性实现起来较为容易，并且被

22、证明在车辆密度高或者车辆所处的拓扑结构迅速变化的场景中依然可以稳定的工作的系统。基于我们已经进行的分析以及实际运用中已经检验过的研究成果在这一篇论文中，我们也提出关于这样的一个系统的一些设计准则。并且最终，我们实验用的样机在整个评估过程中提供的依据和证据，证明了我们所设计的系统确实能够在具有潜在风险和具有未可知性的真实世界的场景中为我们的汽车驾驶者提供提前的预警提醒和帮助。可以大大地降低交通事故发生的概率以及比例。这是我对于这篇文章总结。设计思路：要实现车载可见光定位我从翻译的论文中间找到了设计思路，就是把光电传感器加装在车辆上面如图。分为2种情况：1.车与交通灯之间的互相定位技术：首先车辆行

23、驶在路上周围的环境时时刻刻都在变化。从我前面了解的定位方中，我知道了在有固定目标是如何定位，有了固定点AP时定位方法我们完全可以借鉴我所了解的其他的定位方式来进行完善。比如路面上的交通灯，这是一个固定点AP我们完全可以利用。我们在前面学习的各种室内定位方法中的算法。加以改进就可以运用到我们的系统中去。重点是车与车之间的事实通信，并且确定位置的办法。这是一个难点，也是一个要利用我重新查找的资料中的办法来解决。 首先讲讲我对有固定目标例如交通灯等，定位方法的理解。结合自己找的论文，基于TDOA（信号到达时间差）用在这个路面上有固定光源的例如交通灯的方面。首先我在以前的周记中学到的很多方法都不行都基

24、本不可行。一个重要的原因便是路面上的固定点AP没有那么多。室内的TDOA也得进行改进才可以运用到室外的情况。 TDOA在前面的周记中已经讲过，结合我查看的论文。最终会得到一个双曲线方程组。在室外的情况下，改进车的两个前灯为可以发射光源的功能以外。在车的前灯位置安装光电（Photodiode，PD）接收机使车的前灯位置区还具有接受光信号的能力。这样才有光信号定位技术实现的基础。PD接收机同时接收来之交通灯的定位信号，根据定位信号到达两个 PD接收机的时间差（Time Difference of Arrival， TDOA）计算目标车辆（定义为两个PD接收机的几何中心）与交通灯的位置关系。最后根据

25、可见光通信技术获取的交通灯的真实位置信息（或代表位置坐标的 ID信息），换算得出目标车辆的真实位置信息。这样是可行的因为交通灯是不会自己长脚跑得，我们可以事先确定好交通灯的位置。这就类似于室内可见光定位技术的固定点AP。下面结合论文讲讲我的想法，运用双曲线定位原理F1和F2为起始时刻对称分布于 X 轴上的两个间距为2c的PD接收机，并以速度v沿Y轴的正方向运动，F1 和 F2 为 t 时刻PD接收机的位置,T 1为发射定位信号的交通灯， 那么可以根据可见光信号在初始时刻和t时刻到达两个PD接收机的时间差 t1和t2，确定两条离心率分别为e1和e2的双曲线（分别对应图1中上边和下边的双曲线，竖直

26、虚线为曲率e1双曲线的左准线）。x-c2+y2=e1*x-(-a1/e1) (1)x-c2+(y-y)=e2*x-(-a2/e2) (2)其中,y=v´t 为接收机在时间间隔 t 内的移动距离，离心率 e=c/a ,a=C ×t 为双曲线上任意点到双曲线两个焦点距离差的一半,C =3*108m/s为可见光的传播速度,t 为可见光信号到达两个 PD接收机的时间差。两条双曲线的四个交点T1,T2，T3和T 4 为满足方程(1)和（2）的四个解,由于可见光信号到达探测器 F1的时间小于探测器F2，那么交通灯应位于 x<0 的左半平面内，即双曲线的左半支上， 可以有效去除T2

27、 和T4两个假解；而非全向接收的PD接收机决定交通灯应位于接收机的最大视场角内，即 y>0 且 y>y ，可以有效去除假解T3 ，确定交通灯T1在 XY 坐标系上的位置坐标，以及交通灯T1与PD接收机的位置关系。结合交通灯T1的真实位置信息 (X，Y) ， 最终可以计算得出定位目标 （即坐标系原点） 的真实位置信息 (X-x，Y-y) 。这样的方式的局限性在于必须要求交通灯与车辆等高。这就使得有些交通灯就不能发挥作用。例如西电东门口的交通灯，太高了。一般的车辆根本不可能和它等高，这里就出现了一个新的问题需要解决，从我们的生活实际出发。我们只见过比车高的或者和车等高的交通灯。没有比车

28、低的信号灯，那样的话司机看不见。就失去了作为交通指示的意义。我们在这里主要讨论高信号灯的情况。TDOA单灯定位改进方法中,A1和A2为初始时刻对称分布于 XYZO 坐标系 X 轴上的两个接收机(-c,0,0)和(c,0,0),为简化计算,假设两个接收机在XOY平面内以速度v沿正向运动，则t时刻这两个接收机的位置B1和B2为（-c,y,0）和(c,y,0)交通灯 T1在XYZO坐标系上的坐标为,T1A1A2平面与XOY平面的夹角为1=arctan(xy),T1B1B2平面与 XOY 平面的夹角为2=arctan(z/y-y),沿T1A1A2平面与T1B1B2平面的交线MN将T1B1B2平面旋转=

29、2-1与T1A1A2平面重合,可得接收机B1和B2的映射点B1和B2 。根据坐标转换理论，映射点 B1和B2 在XYZO坐标系上的坐标（x1', y1', z1'）和(x2', y2', z2')换矩阵T的逆矩阵，当交通灯的真实高度Z与接收机实际高度z已知时，交通灯与两映射点1和2的距离差。最后转换得出定位目标 （即 XYZO 坐标系原点）的真实位置 (X x，Y y，Z -z)2.车与车之间的相互定位通信：根据翻译的得到的思路车与车要运用相位差定位技术。.可见光可用于相对车辆之间相互的定位。在这种系统中，每个尾灯或前照灯发出高频正弦曲线，车辆上

30、的不同灯就可以通过各自的接收器测量接收的正弦信号的相位差。每个灯之间的不同距离信息可以通过相位差来计算。当有两个或者更多的距离差可以使用时（即，两个车辆之间建立起来超过3个VLC链接），可以在2D平面上用已经得到的数据列出一组方程求解这些方程组，可以得到相对位置信息（当这个要求不满足时，但至少一条链路可用，该系统可以随时返回，自由地实现GPS与VLC的切换。相比于现在车辆产品使用的测距传感器，例如雷达和激光测距仪，VLP是更具成本效益，几十厘米的其误差的量级性能足以满足大多数安全应用。完成了车与车辆之间的关于载波相位差分技术的定位的思路。在单站无源定位中，当辐射源目标和观测平台之间存在相对运动时，可以利用信号的到达方向和相位变化率来实现目标定位。这种基于相位差变化率的无源定位技术与传统测向交会定位技术相比，增加了相位差变化率观测量，解决了测向交会需要较大交会角、定位时间长等问题。对于车辆而言，车辆在行驶的过程中间车灯已经我们的事先处理车灯就