本博文主要是對可見光通信的研究現狀、技術瓶頸、可見光定位的技術原理、誤差分析等作總結匯總。
博客的格式不好調~有需要的讀者請下載資源中的PDF版本哈~
目錄
第一章可見光通信技術調研
可見光通信（Visible light communication，VLC/LiFi）是通過以人眼無法識別的高頻（大於200HZ）來控制LED的亮滅，接收端通過光電傳感器/圖像傳感器來接收，進而實現通信與照明的一體化。可見光通信系統的基礎結構一般由三個部分組成，包括可見光信號發射端、可見光信號傳輸信道和可見光信號接收端，下圖展示了可見光通信系統的基礎結構。可見光信號發射端包括調製模塊、驅動電路、光發射器等。原始的二進制信號首先經過編碼、調製和預均衡等變換，得到的預處理信號經過模數轉換後驅動光發射器如LED(light emitting diode)以控制其光照強度，從而實現電信號到光信號的轉換。此外，在光發射器後加上光學透鏡和聚光杯可以進一步提高接收端信號強度，從而增大傳輸距離。經過調製後的可見光信號在大氣或者水下等自由空間信道中傳播，到達可見光信號接收端。可見光信號接收端包括接收天線、光電檢測器、解調模塊等。一般使用光電二極管PIN、雪崩光電二極管APD 等光電檢測器來檢測光信號，實現光信號到電信號的轉換。得到的電信號經過後均衡、解調和解碼等數字信號處理後，恢復出原始發射信號。
圖1-1可見光系統框圖
1.1可見光通信研究進展
近年來，被譽爲 “綠色照明”的LED照明技術快速發展。與傳統的熒光燈、白熾燈等照明光源相比，白光LED具有低功耗、可靠性高、使用時間長、尺寸小以及綠色環保等優點，被廣泛用於照明、顯示等範疇。同時，白光LED具有響應速度快、靈敏度高、可調性強等優點。因此，在可見光通信技術（Visible Light Communication, VLC）一般採用白光LED作爲信源，通過將人眼無法識別的高頻信號（高速明暗閃爍信號，大於200HZ）加載到LED燈具上進行傳輸，通過強度調製與直接檢測（Intensity Modulation and Direct Detection, IM/DD）實現光信號的無線傳輸，使白光LED從照明領域擴展到通信領域。而LED光源的普及將使VLC技術的信源無處不在。
與傳統的射頻(Radio Frequency, RF)等無線通信技術相比，可見光通信技術能以較低的成本同時實現照明與通信兩大功能，適用於各種無線網絡接入場景，無電磁干擾，綠色環保，功耗低，保密性強。此外，且VLC所利用的可見光波段的波長介於780nm~375nm之間（電磁輻射波譜如圖1所示），尚屬於空白的頻譜，無需授權即可使用，頻譜資源極度豐富，是現有無線通信頻譜的10000多倍。因此VLC技術可有效利用空白頻譜，充分利用資源，拓展了下一代寬帶通信的頻譜，可以有效解決當今無線頻譜資源緊張的問題。與此同時，VLC技術並不是要替代傳統的通信技術，而是起到補充的作用，釋放頻譜空間，拓寬頻譜資源，與現有無線通信網絡共存以及兼容。
圖1.1-1 頻譜資源示意圖
在民用領域可見光通信得到了各國的重點關注.1998年，香港大學的Grantham Pang首次提出了基於發光二極管（LED）的可見光通信技術的概念，他將音頻等信號調製到LED燈具上，通過100KHZ的光波在自由空間光鏈路下傳播到耳機上，第一次驗證了可見光通信的可行性。2000年，日本慶應義塾大學的Tanaka Yuichi和索尼公司的Haruyama Shinichiro等人提出了利用LED照明燈作爲通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統，並進行仿真驗證。至此，大量的研究人員看到VLC有廣闊的發展前景，引起VLC的研究熱潮。2000 年，Tanaka 等人提出將提供照明的白光 LED 用於室內無線鏈路，從一系列的數值分析和仿真結果驗證了採用白光 LED 同時兼具照明和通信功能的可行性[30]。2001 年，他們分別採用歸零開關鍵控（Return-to-zero On-Off Keying, RZ-OOK）與正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）方式，對信道進行了計算機模擬仿真，結果表明光程差引起的延遲會對高速 VLC 造成很大影響[31]。2002 年，中川研究室的 Fan 和 Komine分析了多徑效應和陰影效應對通信性能的影響，給出了相應的解決方案[32]。2003年，Komine 等人利用已有的家庭電力線傳送信號波形的線路修復方案，提出了將可見光通信與電力線通信相結合的方案[33]。同年，他們具體分析了室內無線光通信鏈路，基於數值分析和計算機仿真提出一套基於 OOK 調製的可見光通信系統，數據速率達到 400 Mbps[34]。同年，日本成立了可見光通信聯盟（Visible light communication consortium, VLCC），以推動 VLC 標準化爲目標[35]，並於 2007 年提出了可見光通信系統標準（JEITA CP-1221）和可見光 ID 系統標準（JEITA CP-1222）[36]，以及可見光信標系統（JEITA CP-1223）[37]。2004 年，Komine 等人對室內 VLC 系統進行建模分析，指出可見光信道在多光源的情況下必須考慮光程差，並探討了多徑反射、碼間干擾（Inter-Symbol Interference, ISI）和 FOV 等因素對系統性能的影響[38]。2005 年，慶應大學（Keio University）提出了一種基於LED 發射器和二維圖像傳感器接收的高速並行無線 VLC 系統，相比點對點傳輸，數據速率提高了 50 倍[39]。2006 年，Sugiyama 對脈衝位置調製（Pulse-position modulation, PPM）進行了改進，提出了副載波反向脈衝位置調製（Subcarrier inverted pulse-position modulation, SC-I-PPM）方式，可以有效抑制背景光的影響[40]。2007 年，他提出了脈寬調製（Pulse-width modulation, PWM）和改變調製深度的兩種用於 VLC 的亮度控制方法，並探討了 PWM 頻率、LED 亮度和通信性能之間的關係[41]。2008 年，在日本 Kujukuri 海灘進行了利用燈塔上的 LED 作爲發射機、圖像傳感器作爲接收機的 VLC 實驗，成功實現了當時世界上最遠的可見光通信傳輸，最遠傳輸距離爲 2 km，傳輸速率爲 1022 bps[42]。2009 年，Komine等人提出了一種自適應均衡器，解決了可見光通信中存在的 ISI 問題[43]。2010 年，慶應大學演示了基於 VLC 的室內定位系統[44]。2011 年 Liu 和 Noonpakdeew 等人對採用圖像傳感器對可見光通信進行了重要的理論分析[45]。2012 年，Fujimoto 等人採用雙二進制的 OOK 調製技術，並使用預均衡和後均衡技術，單顆 LED 實現614 Mbps 的傳輸速率[46]。2014 年，他們基於單個 LED 採用非歸零開關鍵控（Non-return-to-zero On-Off Keying, NRZ-OOK）技術，在不加濾光片的情況下最大傳輸速率爲 662 Mbps，創造了該項調製技術的世界紀錄[47]。同年 5 月，日本太陽誘電和東洋電機共同研發了水下高速可見光通信裝置，最大通信速度爲 50 Mbps，最大通信距離爲 50 m [48]。
歐洲把研究的重心放在如何提高可見光通信系統性能上。2006 年，Afgani 等人採用概念證明演示的方式，第一次在 VLC 中完成了正交頻分複用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）的發射方案[49]。2007 年，Haas 等人在單顆 LED 下采用基於 QPSK 調製的編碼 OFDM（Coded OFDM, C-OFDM）技術，在 90 cm 距離下，系統的誤碼率達到 2×10-5[50]。2008 年，由歐盟資助開展了OMEGA 項目，旨在建立 Gbps 級室內高速通信系統，VLC 技術使研究重點之一[51]。同年，Minh 等人提出了一種多諧振均衡技術，預均衡後可獲得 45 MHz 的調製帶寬。基於 NRZ-OOK 調製，在 10 cm 距離內數據速率最高達到 80 Mbps，同時誤碼率低於 1×10-6[52]。2009 年，他們採用藍光濾光片及一階模擬均衡器將傳輸速率提高到 100 Mbps[53]。2010 年，Vucic 等人利用單顆商用 LED 及 DMT技術，首先實現了第一套實時速率爲 100 Mbps 的可見光通信鏈路[54]。同年，他們在不使用均衡的情況下，接收端採用雪崩光電二極管（Avalanche Photo Diode, APD）速率達到 230 Mbps，採用 PIN 速率達到 125 Mbps，同時誤碼率低於 2×10-3[55]。後來，Vucic 等人又以一套數據速率 513 Mbps 的演示樣機肯定了 VLC 系統的寬帶潛能[56]。2011 年，他們基於 DCO-OFDM 並採用比特和功率分配同時進行對稱信號限幅，以波分複用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）的方法分別調製基於 RGB 芯片的白光 LED 中的紅、綠、藍三個分量，並在接收端採用相應的濾光片，在單顆 RGB-LED 的基礎上實現了 803 Mbps[57]。2012 年，Khalid等人提出以單顆熒光激發的 LED，並採用 DCO-OFDM 技術實現了 1 Gbps[58]。不久後，他們使用單顆商用的 RGB-LED 實現了 3.4 Gbps 的數據速率[59]。2013年，Azhar 等人採用熒光激發 LED 並使用 4×4 的多輸入多輸出（Multiple input multiple output, MIMO）佈局實現了 1 m 範圍內 1 Gbps 的光通信系統[60]。2014年，Tsonev 等人以單色微型 LED（Micro LED, μLED）在單輸入單輸出（Single input single output, SISO）佈局下實現了 3.5 Gbps 的數據速率[61,62]。同年，Cossu等人利用 RGBY-LED，採用 WDM 和 DMT 技術，在大於 1.5 m 範圍內實現了 5.6 Gbps 的數據速率，創造了當時最快的離線峯值記錄[63]。2016 年，PureLiFi 在全球移動通信大會（Mobile World Congress, MWC）上推出了 LiFi-X，該系統通過使用白光 LED 和 USB 接口，支持 40 Mbps 全雙工通信[64]。2017 年，英國研究者採用新型的微尺寸 LED（Micro-LEDs），獲得高達 655 MHz 的調製帶寬，結合OFDM 和自適應比特加載，VLC 的傳輸速率刷新到 10.34 Gbps[65]。同年，德國弗朗霍夫海因希裏赫茲研究所（Heinrich Hertz Institute, HHI）使用傳統 LED 開發了實時數據速率超過 1 Gbps 的點對點 VLC 系統，支持高清和 4K 視頻數據的無損傳輸[66]。2019 年，PureLiFi 推出了全球首款可見光無線通信（Light Fidelity, LiFi）專用集成芯片（Application Specific Integrated Circuit, ASIC），兼容 IEEE 802.11 標準且數據速率爲 86.4 Mbps。同年在 MWC 2019 上推出了首批千兆 LiFi 組件，使得設備製造商可以將 LiFi 功能設計到手機中[67]。
美國隨後也意識到了可見光通信技術蘊含的價值。2007 年，Kavehrad 等人在《Scientific America》上發表了關於 VLC 的文章“光寬帶室內服務”，認爲光束可能是比無線電更好的傳輸介質[68]。2008 年，Little 等人在波士頓大學演示了一套基於白光 LED 的全雙工點對點通信系統，在 3 m 的範圍內實現了 56 kbps 的傳輸速率，展示了可見光通信的可行性、簡易性和低成本[69]。2010 年，Boston 大學的 Wu 和 Little 對室內 LOS 場景下信號遮擋的問題進行了研究，基於理論分析和仿真提出了兩種室內光源拓撲方案，用於解決 LOS 下遮擋的問題[70]。2011 年，IEEE 發佈了 IEEE 802.15.7 標準，定義了一種在光學透明介質中使用可見光進行短程光無線通信（Optical wireless communication, OWC）的物理層和 MAC 層[71]。同年，德國、挪威、以色列與美國等共同成立 Li-Fi 聯盟，進行航空航天系統中的連網研究，利用 VLC 技術實現飛行時的無線網絡環境[72]。2012 年，Kottke 等人研究了高速 VLC 技術，基於 DMT 技術，採用了 RGB-LED 的發射機、PIN 的接收機，實現了單信道 806 Mbps 的傳輸速率[73]。很快，Kottke 等人採用 WDM-DMT 技術，完成了第一條基於 RGB-LED 的吉比特鏈路，傳輸速率達到 1.25 Gbps，誤碼率爲 2×10-3[74]。2013 年，Butala 等人提出了一套基於 SVD-MIMO 的光通信系統，在保持目標照明要求和用戶移動的情況下使傳輸速率最大化[75]。2014 年，Biagi 等人提出了基於空時分組碼（Space-time block coding, STBC）的 MIMO-PPM 方案，結合了 PPM 在低信噪比下的優勢和 MIMO 的高帶寬利用率[76]。2015年，Elgala 等人提出了一種新的 OFDM 和單載波頻域均衡（Single carrier frequency-domain equalization, SC-FDE）信號格式，稱爲極性 OFDM（P-OFDM）和極性 SC-FDE（P-SC-FDE），該格式的頻譜效率是目前最先進的單極 OFDM 和SC-FDE 格式的兩倍[77]。2016 年，成立了 Firefly LiFi 公司，主要研究用於室內和室外 5G LTE 小型蜂窩基站連接和 Wi Fi 回程的 VLC 技術[78]。2017 年，Rahaim等人研究了在密集部署網絡中，鏈路干擾對系統性能的影響[79]。2018 年，Firefly Lifi 在寬帶世界論壇（Broadband World Forum, BBWF）上展示了首個用於 5G LTE小型蜂窩基站的長距離 LiFi 網橋，符合國際電信聯盟 ITU G.VLC 標準，有望加速全球 LiFi 系統的部署[78]。
可見光通信技術的應用主要有以下四個領域：（i）智能家居、辦公室等場合的網絡廣播和室內照明的一體化；（ii）醫院、機場、核電站等對電磁敏感的特殊場合或軍事等保密會議的通信；（iii）智能交通以及室內高精度定位系統；（iv）移動設備、終端之間的交互通信或通信、顯示一體化。其中，室內定位技術成爲近期VLC技術應用的熱點，一些科研機構和企業在一定的理論基礎上研製出了可見光室內定位系統的產品，並己初步實現商用化試用（如華策光通信的Ubeacon系統；ByteLight的LED室內定位服務，並獲得300萬美元A輪融資等）。對於可見光通信而言，目前只有室內定位以及較低速的可見光通信產品有小規模的商業化。
1.2可見光通信前沿研究方向
目前研究學者對可見光通信的研究主要集中於五個方面，分別是材料器件、高速系統、異構組網、水下可見光通信以及機器學習在可見光通信中的應用。其中，材料器件主要包括新型光發射器件與光接收器件；高速系統介紹了可見光通信傳輸速率的發展情況；異構組網圍繞着可見光通信組網展開；水下可見光通信則是目前可見光通信領域發展較爲迅速和熱門的研究方向。
1.2.1新型光發射器件與光接收器件
1.2.1.1發射器件
可見光通信中用到的光發射器件有激光二極管LD(laser diode)、超輻射激光二極管SLD(super luminescent diode)和發光二極管LED。
LED光源
爲了滿足照明和通信的雙重需求，室內可見光通信中通常選擇白光 LED。LED 是由 III-IV 化合物製成的 PN 結器件，在 PN 結上施加正向偏壓時，材料內的電子被激活成不穩定的“激發”狀態。當激發的電子返回到穩定狀態時，它們在該過程中釋放能量，並且這種能量以光子的形式釋放出來，波長則取決於半導體材料的帶隙，而帶隙能量又取決於組成 PN 結的半導體材料。在 LED的工作過程中，電子激發使導帶中的電子自發地返回價帶，伴隨着光子釋放，該過程通常被稱爲輻射覆合，如下圖所示。
圖1.2-1 LED的輻射覆合示意圖
日常用於照明的白光LED主要有兩種類型：一種爲磷（P）激發LED。使用藍光晶片發光，藍光激發晶片上的熒光物質產生黃光，兩者混合在一起產生白光；另一種爲多個不同顏色的LED光按一定比例混合產生白光。兩種產生白光的方式光譜對比圖如下圖所示。
圖1.2-2 熒光粉LED與RGB LED
常見的藍光激發熒光粉型 LED 由於成本低、結構簡單，目前已被廣泛使用。但由於磷光體塗層的弛豫時間較長，導致黃光分量有較長的拖尾現象，從而延長了 LED 的脈衝響應，調製帶寬通常只有幾 MHz。
多晶白光LED有更高的調製帶寬和傳輸速率，成爲了研究熱點。多晶LED由多個獨立的ＬＥＤ發光，合成白光，使用了波分複用技術（WDM），進一步提高了系統的傳輸速率。常用的多晶白光LED有RGBA LED。主要由紅光（red）、綠光（green）、藍光（blue）和琥珀色光（Amber）四種顏色的光合成白光。多晶LED應用在多色可見光通信系統中，使用WDM。發射端通過不同波長的光信號攜帶了各自獨立的發射數據，再將這些光信號在空間中疊加合成白光，接着在自由空間光信道中傳輸。接收端通過濾光片把各個不同波長的光進行分離，在通過各自的APD轉化爲電信號，電信號再經過基帶處理，還原出各自發射的數據，從而實現了多色可見光通信系統。
能否很好地通過濾光片分離出各種顏色光，決定了多色可見光通信系統接收機的性能。理想的濾光片應具有如下三個特點：中心波長與發射端ＬＥＤ各色光的中心波長對應、對本身對應波長的色光有較高的透過率和對相鄰的其它色光應該有較好的隔離度。這種情況下，各種顏色的光由於波長不同，接收端能準確分離各種不同顏色的光，所以在光域上不存在干擾，各自獨立傳輸數據。然而在實際中，爲了節約硬件成本，我們通常選擇成本較低的濾光片，所以濾光片的性能不可能完全理想。此外，四種顏色的光之間的相互干擾難以避免，所以在充分考慮多色光之前相互串擾的情況下，接收機通常採用數字信號處理的方式來消除各色光之間的干擾，還原出原來的信號，從而提高系統的傳輸速率。
圖1.2-3 室內多色可見光系統結構示意圖
InGaN/GaN LED是較爲常用的固態光源。然而，基於LED的可見光通信系統需要複雜的調製來實現Gbps級別的無線通信。相反，激光二極管（LD）和超發光二極管（SLD）由於採用受激輻射（operation under stimulated emission）而提供相對較高的調製帶寬，由於它們具備較短的載流子符合壽命（carrier recombination lifetime），相比於自發輻射（spontaneous emission）。載流子複合壽命與激光腔內的光子壽命相似，LD與SLD中更快的載流子複合率使得有更高的3dB調製帶寬。
硅基LED(Si-LED)
硅基LED 芯片抗靜電能力強，使用壽命長、生產效率高。南昌大學與復旦大學合作研製了一款基於GaN 的共陽極硅襯底LED 芯片，圖1.2-4展示了硅襯底LED 的結構。芯片採用單面發光具有垂直結構的硅襯底LED、具有垂直結構的電機和特殊的量子阱結構，有效提高了LED 的調製帶寬。基於此芯片的五色RGBYC LED 在實驗中首次實現了15.17 Gbps 的水下VLC 高速通信，這是目前基於LED 的水下最高通信速率
圖1.2-4 硅襯底LED 垂直結構示意圖和表面紋理圖
微結構LED(micro-LED)
Micro-LED 也稱μLEDs。具有壽命長、頻率響應快等優點，是實現照明即服務(lighting as a service, LaaS) 和物聯網的一種潛在光源。Micro-LED 因有較小的有源區域，可實現電流高密度注入，從而將調製帶寬驅動至數百兆赫茲。對於Micro LED，典型的尺寸是14 ~84μm，3dB帶寬可達450MHz，提供速率約1.5Gb/s[24-27]。文獻[1]的實驗結果表明，該Micro-LED帶寬可達655 MHz，在低於前向糾錯(FEC)閾值(7%)的情況下，實現了7.91 Gbps 的傳輸速率。文獻[4] 採用450-nm的u LED實現1.4Gb/s的VLC通信速率，其系統如下圖1.2-5所示.
圖1.2-5基於Micro-LED的1.4Gb/s可見光通信系統
Islim等[28]提出一種violet micro-LED（如下圖1.2-6所示），將調製帶寬提高到655MHz，實現了10Gb/s的OFDM-VLC傳輸速率。斯特拉斯克萊德大學[29]進一步將調製帶寬提高到800MHz。
圖1.2-6 violet micro-LED結構
表面等離子體LED(SP-LED)
SP-LED 能夠提高LED 發光的內量子效率和外量子效率。中國科學院團隊[114]研製了一款基於GaN 的SP-LED，其中Ag納米顆粒橫向沉積在多量子阱(MQWs)區域附近，這樣的結構可以研究量子阱-表面等離子體(QW-SP)耦合效應。實驗結果表明Ag 納米顆粒的SP 共振波長接近QW 發射波長時，QW-SP 耦合效應顯著提高，當使用較短波長的光源時會進一步提高自發射速率，這對於高速VLC 系統的發展具有重要意義。
激光二極管（LD）
激光二極管（LD）。具有空間相干性、窄譜線寬度、體積小、高調製帶寬等特性。LD 屬於受激輻射，它發出的激光在頻率、相位、偏振狀態等方面完全一樣，相干性(coherence)高是其最大特點。LD 不存在效率跌落效應(droop effect)，具有大於1 GHz 的3dB 調製帶寬，能夠適應點對點的長距離VLC 高速傳輸。然而由於激光對人眼潛在的危險性以及相干產生的散斑效應，在一定程度上限制了LD 的發展。由於其他III-V族化合物的通信特性已經得到了證明，GaN 激光二極管越來越受到歡迎。研究人員採用商業的LDs實現了1.4GHZ以及2.6GHZ的調製帶寬並通過OOK傳輸實現了速率2.5Gbit/s以及4Gbit/s [10,11]。即是沒有其他的優化通信手段，LD也比μLED以及SLDs具有更高的調製帶寬。Changmin Lee [9]提出了一種Semipolar （半極化） GaN-based 激光二極管結構，其固有最大帶寬爲6.8GHZ，並通過OOK調製實現了1.5Gbit/s的數據傳輸速率。其系統框圖如下圖所示。Safwan Hafeedh Younus[89]等通過RYGB(red, yellow, green and blue)激光二極管，實現了10Gb/s的通信速率.然而，雖然市面上也有激光照明光源。但是一般都是探照燈、遠光燈等等。不適用於室內照明使用。
圖1.2-7 基於半極化GaN-based 激光二極管的可見光通信系統
Superluminescent Diode（SLD，超發光二極管）
Superluminescent Diode（SLD，超發光二極管）是一種介於LD 和LED 之間的半導體光源，具有寬光譜、弱時間相干性、低強度噪聲、高效率的特點。它不存在反射形成的光學反饋，因此不會產生激光，對人眼安全。新型研製的基於InGaN 的高功率藍光SLD 實現了800 MHz 左右的調製帶寬，而且不受散斑效應的影響。隨着未來製作工藝的日益完善，SLD將會是一種很有前景的光發射器件。
圖1.2-8 (a) a 3D schematic of the InGaN/GaN SLD with linear tapered waveguide design and GSG RF pads. (b) SEM image of a non-tapered etched facet. (c) Top view optical microscope image of the SLD under GSG RF probe. (d) shows the geometry of the SLD waveguide.
1.2.1.2接收器件
對於可見光通信的接收器件，可以分爲PD-based與camera-based。基於camera的可見光通信又稱爲可見光成像通信（將在2.4.1節介紹其原理）。可見光成像通信一般僅用於低速通信、IOT、室內定位。而高速可見光通信接收部分使用的光電探測器一般爲PIN 和APD。PIN 成本低但靈敏度不高，APD 靈敏度較高但成本高於PIN，且偏置電路需要高壓，還會引入額外的噪聲。
光電探測器是一種平方律光電傳感器，它產生的電信號與撞擊其表面的瞬時光場的平方成正比。因此，光電探測器產生的信號總是與接收到的瞬時光功率成正比。由於經過自由空間信道後接收到的光信號通常很弱，因此光電探測器必須滿足嚴格的性能要求，例如在其波長的工作範圍內具有高響應度、低噪聲和足夠大的帶寬以適應所需的傳輸速率，同時要求溫度波動對光電探測器響應度的影響最小。探測器對光的響應波長取決於探測器的材料成分，PIN 光電二極管（Positive-intrinsic-negative, PIN）和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode, APD）是無線光通信中最常用的光電探測器。PIN 接收器由於具有低成本、響應速度快以及低偏壓電源的特點而被廣泛使用；相比 PIN 接收機，APD 接收機具有更快的響應速度、更大的增益及更高的靈敏度，但 APD 接收器價格昂貴且需要高偏置電壓。
此外，特殊的光電探測器如單光子探測器(single-photon avalanche diode, SPAD)價格昂貴，但由於其具有的超低噪聲以及超高探測靈敏度特性，也被研究學者們嘗試應用於長距離可見光通信系統中。
1.2.2高速可見光通信系統
與其它通信方式相比，可見光通信在理論上具有超大的通信容量。因此，可見光通信的最大優勢是實現數據高速傳輸。爲了進一步提高可見光通信的傳輸速率，研究學者們從先進調製技術、數據預均衡和後均衡等方面進行了大量的研究，並取得了一系列突破性進展。下表列出近年來高速VLC系統的統計。主要統計數據爲發射器、接收器、數據速率以及傳輸距離。
近年來高速VLC系統的統計
|
發射器 |
接收器 |
調製方式 |
數據速率 |
距離 |
參考文獻 |
|
|
2017 |
Blue LD |
超快光電二極管（UPD） |
UFMC additive 16-QAM OFDM |
17.6 Gb/s |
16m |
86 |
|
2017 |
RYGB LDs |
成像分集接收機 |
OOK |
10 Gb/s |
|
[89] |
|
2017 |
NUV LD+ RGB phosphors |
APD |
OOK-NRZ |
1.25 Gb/s |
15 cm |
90 |
|
2017 |
μLEDs |
PIN |
OFDM |
7.91 Gb/s |
|
[28] |
|
2017 |
μLEDs |
APD |
PAM(spatial) |
7 Gb/s |
0.5 m |
[91] |
|
2017 |
RGB LED |
PIN |
OFDM(adaptive bit loading) |
6.36 Gb/s |
1 m |
[88] |
|
2017 |
Red LED |
silicon PN |
OOK |
600 Mb/s |
6 m |
[92] |
|
2016 |
LD |
|
OOK |
1 Gb/s |
|
[93] |
|
2016 |
Red RC-LED and blue and greenμLEDs |
PIN |
OFDM(WDM) |
10 Gb/s |
1.5 m |
[94] |
|
2016 |
μLEDs |
|
DCO-OFDM |
5 Gb/s |
|
[29] |
|
2016 |
μLEDs |
|
PAM |
3.5 Gb/s |
|
[29] |
|
2016 |
μLEDs |
APD |
PAM |
2 Gb/s |
0.6 m |
[95] |
|
2016 |
RGB-LED |
APD |
QAM-OFDM |
1 Gb/s |
100 m |
[96] |
|
2016 |
ps-LED |
PIN |
OFDM |
2.08 Gb/s |
1 m |
[109] |
|
2016 |
ps-LED |
PIN |
OFDM (bit-loading) |
1 Gb/s |
0.6 m |
[87] |
|
2015 |
RGB LDs |
PIN |
OFDM(WDM) |
14 Gb/s |
2.8 m |
[97] |
|
2015 |
RGB LDs |
APD |
OFDM(WDM) |
4.4 Gb/s |
0.2 m |
[98] |
|
2015 |
Blue LDs |
APD |
OFDM |
9 Gb/s |
5 m |
[99] |
|
2015 |
Blue LD + phosphor |
|
OFDM |
6.52 Gb/s |
0.35 m |
[100] |
|
2015 |
Blue LD + phosphor |
APD |
OFDM |
5.2 Gb/s |
0.6 m |
101 |
|
2015 |
Blue LD + phosphor |
APD |
OFDM |
4 Gb/s |
0.5 m |
102 |
|
2015 |
Blue LD + phosphor |
APD |
OOK |
4 Gb/s |
|
103 |
|
2015 |
μLEDs + polymer color converter |
APD |
DCO-OFDM (WDM) |
2.3 Gb/s |
|
104 |
|
2015 |
RYGB LED |
PIN |
CAP(WDM) |
8 Gb/s |
1 m |
110 |
|
2015 |
RYGB LED |
APD |
OFDM(WDM) |
5.6 Gb/s |
4 m |
[105] |
|
2015 |
RGB LED |
PIN |
CAP |
4.5 Gb/s |
2 m |
111 |
|
2015 |
RGB LED |
APD |
QAM-OFDM |
750 Mb/s |
|
111 |
|
2015 |
LED |
PIN |
OFDM(Spatial) |
1.4 Gb/s |
2.5 m |
106] |
|
2015 |
ps-LED |
APD |
OFDM(adaptive bit and power loading) |
2 Gb/s |
1.5 m |
[112] |
|
2015 |
ps-LED |
PIN |
OFDM |
1.6 Gb/s |
1 m |
113 |
|
2015 |
ps-LED |
APD |
QAM-OFDM |
1.4 Gb/s |
0.8 m |
[107] |
|
2015 |
ps-LED |
APD |
OFDM(Spatial) |
1.3 Gb/s |
0.4 m |
[108] |
|
2015 |
ps-LED |
PIN |
PAM |
1.1 Gb/s |
|
[85] |
|
2015 |
ps-LED |
PIN |
QAM-OFDM |
682 Mb/s |
1 m |
[80] |
|
2014 |
μLEDs |
PD |
OFDM(adaptive bit and power loading) |
3 Gb/s |
5 cm |
[81] |
|
2014 |
μLEDs + polymer color converter |
APD |
OFDM |
1.68 Gb/s |
3 cm |
[82] |
|
2014 |
RGB LED |
APD |
QAM (Wavelength) |
4.22 Gb/s |
|
[83] |
|
2014 |
RGB LED |
APD |
CAP(WDM) |
1.35 Gb/s |
0.3 m |
[49] |
|
2014 |
RGB LED |
APD |
16-QAM (Polarisation) |
1 Gb/s |
|
[84] |
先進調製技術
通過先進的調製技術，調製帶寬和傳輸數據速率的限制都是希望克服的。一般來說，VLC中的，先進調製技術包括無載波幅度相位調製(carrierless amplitude and phase, CAP)、正交頻分複用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)和離散多音(discrete multitone, DMT)，色移鍵控（Color Shift Keying，CSK）以及奈奎斯特單載波（Nyquist Single Carrier，N-SC）等。除了調製技術外，均衡方法也是近年來的研究熱點。數據預均衡[19-20]和後均衡[21-22]是爲了補償接收發射器件、傳輸信道、噪聲等對信號帶來的失真，從而提高系統性能。下面作簡單的介紹。
CAP
CAP 調製通過有效設計的正交基函數脈衝，實現多維度高階調製，在有限帶寬的情況下實現高頻譜效率的傳輸。然而，LED 頻率響應存在嚴重的高頻衰落，會影響單載波CAP 信號接收頻譜的平坦度並帶來嚴重的碼間串擾。
圖1.2-9 CAP調製的框架
OFDM
OFDM 調製利用相互正交的子載波（通過與高階調製技術如QAM等結合），將發射端的串行數據轉換成多路並行數據，可有效抵抗可見光系統的頻率衰落，最大化利用系統的頻譜資源，提升系統的頻譜效率。但是LED 無法直接調製和發射複數信號，OFDM 調製需將生成的複數信號轉換成實數表示，增加了系統成本。西北工業大學以及弗吉尼亞大學[5]提出極性OOFDM（polarity-header optical OFDM，PHO-OFDM）。
圖1.2-10 DCO-OFDM（Direct Current Optical OFDM）調製框架
離散多音調製(discrete-multiple-tone, DMT)
在DMT 調製中，頻域信號經過共軛鏡像對稱，產生時域實數信號，從而避免時域產生複數信號，減少了發射端、接收端之間頻偏的影響，但會損失了一半的頻譜資源。Nan Chi等[6]採用443-nm的SLD以及DMT調製，實現了3.8Gbit/s的傳輸速率。系統框架如下圖所示。
圖1.2-11
三種調製方式優缺點對比
1.2.3可見光通信組網
可見光通信與其它通信方式的異構組網是未來實際應用中必須要解決的問題。研究如何將可見光通信接入到現有通信網絡中，研究如何將多個可見光接入點(VLC access point, VAP)組成的可見光系統組網，以及在異構組網中採用何種調製方式和接入協議、發揮可見光通信的優勢並支持大規模高速通信，是可見光通信實用化的關鍵。
復旦大學在2014 年研製了第一套PON(passive optical network)和VLC 無縫組網的系統。該系統基於奈奎斯特單載波頻域均衡(N-SC-FDE)調製的方法，經過40 km 的光纖傳輸和30 cm 的可見光傳輸，實現了可供三個有線用戶接入的10 Gbps PON 和可供一個無線用戶接入的500 Mbps VLC，實驗證實了可見光組網的可行性。
圖1.2-12 Block diagram and experimental setup of the proposed integrated PON and VLC system based on N-SC-FDE modulation [7]
次年，復旦大學[2]驗證了多個可見光接入點接入骨幹網的可行性，如下圖所示，實驗採用光纖鏈路作爲可見光接入網絡的主幹路， 利用32QAM-OFDM 調製方式並經過25 km 的光纖傳輸（直接鏈接到LED上）和65cm 的可見光傳輸（OFDM），實現了8 Gbps 的吞吐量，（通過TDM與FDM）可支持8 個可見光接入點（每個帶寬100MHZ）的高速無線接入。
圖1.2-13 可見光多用戶接入網示意圖
圖1.2-14 系統框架
圖1.2-15 實驗場合
VLC-WiFi 集成系統[3]。在第一種VLC-WiFi 集成系統中，VLC用於下行鏈路的數據傳輸，WiFi 則用於上行鏈路的數據傳輸。實驗結果表明，這種VLC-WiFi 集成系統比傳統WiFi 系統可以實現更高的傳輸速率(500Mbps)。爲了進一步利用VLC 具有的高帶寬特性以及WIFI 具有的高可用性，第二種VLC-WiFi 集成系統使用綁定技術將VLC與WiFi 信道結合一起，並在實驗中展示了強魯棒性和大吞吐量的優勢。
Hammouda 等[21]提出了一種VLC-RF系統旨在支持多種用戶需求的服務質量(quality-of-service, QoS) 。Alresheedi 等[22]提出了一種快速自適應波束引導紅外(FABS-IR)系統來增強接收的光功率信號，並減輕在高傳輸速率時的信道時延現象。在此係統中，IR 用於上行鏈路傳輸，VLC 用於下行鏈路傳輸，成像接收機用於提高系統性能。實驗結果表明，FABS-IR 系統可以在室內移動場景中達到2.5 Gbps 的傳輸速率，爲VLC-IR 在某些如飛機上通信、點對點通信等特定場景的應用提供了可能。
重慶大學[23]提出一種混合電力線載波與VLC系統，通過電力線載波給VLC發射機提供數據。然後通過仿真來驗證了系統的可行性.
圖1.2-16
1.2.4水下可見光通信
在未來萬物互聯的智能時代，水下物聯網是必不可少的組成部分。如下圖所示，海洋觀測傳感器物聯網的互聯互通及信息回傳、水下運動裝備與水面艦艇及通信浮標等目標的超高速非接觸數據通信、水下航行器集羣及編隊組網通信、海底光纜網與水下無線光通信的無線融合組網等功能的實現，都需要水下通信技術作爲支撐。
水下通信技術主要分爲有線和無線兩大類。水下有線通信主要是在海底鋪設使用光纖作爲介質的電纜進行通信。由於光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、中繼距離長、抗電磁干擾等優點，是目前大部分越洋數據的主要傳輸方式。然而，由於有線通信需要物理媒介傳輸信息，這將嚴重製約水下潛航器、傳感器等動態通信網絡的靈活性。水下無線通信技術則不需要藉助光纖等傳輸介質，目前主要基於聲波和射頻進行水下通信。其中，聲波是應用最廣泛的水下無線通信技術，聲波在海水中衰減小，能夠實現低速率長距離的水下傳輸。但是水聲通信帶寬窄、載波頻率低、時延大且安全性差。射頻傳輸適用於水下短距離高速率的通信。然而電磁波在海水中有趨膚效應，穿透深度有限、數據傳輸速率低、發射功率高。因此，研製新型水下通信技術成爲迫切需求。
圖1.2-17 未來水下無線光網絡示意圖
在研究中發現海水對450 nm～550 nm 波段內藍綠光的衰減比其它光波段的衰減要小很多。這一物理現象的發現爲水下可見光通信(underwater visible light communication, UVLC)的發展奠定了理論基礎。相比 於水聲通信和水下射頻通信，水下可見光通信具有成本低、傳輸速率高、抗干擾能力強、保密性好等優勢，已成爲國際競爭的焦點之一。目前水下可見光通信主要包括基於LD 的通信和基於LED 的通信。下表是各種技術的對比。
水下可見光通信部分研究成果對比
在科研人員不斷地探索中，水下可見光通信實現了更高的傳輸速率和更遠的傳輸距離。然而，由於水下環境惡劣，水中顆粒物對可見光的遮擋、衰減、散射，水溫變化以及水下氣泡、湍流等因素會嚴重干擾可見光通信信道狀態，增加水下可見光通信系統性能的不確定性。
然而本人認爲水下可見光通信離實際的應用還有較遠的距離。首先複雜的海底環境、魚羣遮擋、氣泡遮擋等等會影響視距鏈路。其次，在遠距離下，難以保證點對點的通信。故此該應用僅僅處於實驗研究階段。所報道的工作環境也是比較理想的情況下完成實驗的。且個人認爲，大部分的工作都是從光纖到LiFi再到UWOC重新做了一次而已，大部分的研究都是調製方式或者均衡方法的改進，而較少從水下信道、氣泡、湍流等因素的影響入手。
1.3可見光通信技術瓶頸分析
現階段，可見光通信大多處於實驗階段，雖然整體系統已有實現，但離實用階段還有一定的距離，系統的各項性能有待進一步提高。VLC技術本身的一些特點，如信號的視距傳輸特性、調製帶寬有限，以及接收終端需要額外安裝硬件、反向鏈路的解決方案問題等。極大限制了其產業化。
- 缺乏殺手級光學器件、現有的照明光源難以滿足高帶寬的通信需求。普通的LED燈難以實現G級別的通信速率，目前最高停留在百兆級別。與此同時，高速可見光通信的接收器件的普及性及集成性也是剛需。接收器需要集成在移動設備上。
- LiFi以通照一體化作爲優勢，但同時通照一體化也是其缺陷。因爲首先爲了滿足照明的需求，光源的發光需要柔和且不能太強，這樣限制了信號可傳輸的距離。其次，爲了滿足光強分佈等配光的要求，光源相互間信號的干擾會比較嚴重。這兩者均限制了其信噪比。根據香濃定理，必然限制其傳輸速率。
- 光纖信號的協議與可見光通信信號協議的不兼容。在可見光通信中，每個LED相當於發射的基站，高速光纖信號虛經過轉換纔可以轉換到可見光信號，進而帶來時延、調製轉換模塊的繼承性等問題。
- 缺乏上行鏈路合理的解決方案
- 競爭技術(如WiFi 802.11ad)已經可以實現7Gbps高速通信，而lifi技術仍處於實驗室階段，商用階段難以實現如此高速。所以，LiFi的應用場景應側重於特殊場合（如核電廠、地下礦井等）應用。
- 產業鏈不成熟，缺乏領軍企業；標準化（通信標準、照明標準）、關聯技術的認證
- 可靠性問題、成本問題。
第二章 可見光定位技術洞察
2.1室內定位剛需與應用前景
隨着智能終端設備的普及，人們對於基於位置服務的需求不斷增加，室內定位技術成爲近年來備受關注的一個研究領域。在室內環境中，基於位置服務具有很廣泛的應用前景。例如，可以進行室內導航，通過手持設備提供位置識別，從而引導用戶進入大型博物館或者商場；可以實現大型倉庫內產品的位置檢測，使一些庫存管理流程實現自動化。同時，精確的位置分析還能夠爲零售業提供關於消費者購物模式的信息。
得利於無線定位技術的高速發展，更多基於位置的服務廣泛地應用於人們日常生活的方方面面，如災害搶險、物流管理、個性導航等。其廣泛的應用場景使得實現無縫銜接定位迫在眉睫，特別是在展覽館、倉庫、商場、地下停車場等複雜的室內環境中，這些環境常常需要確定物品或者顧客、工作人員在室內的準確位置信息。如在商場中顧客可以更方便快捷的找到想要去的店鋪或者想要買的商品；在災難發生時可以指引搶險工作者快速找到被困人員進行疏散與搶救。
室內定位具有豐富的應用場景及需求，如大型商超、機場、酒店、博物館、會展中心、醫院、校園、寫字樓等大型室內場景中，緊急救援中，隧道、地下管廊施工作業中，養老院老人監護中，大型停車場中，倉儲配送運輸、物品管理場景中，室內無人機或ＡＲ／ＶＲ設備的應用場景中，基於室內用戶活動軌跡的大數據分析、廣告推送的場景中等都有着衆多應用及衍生服務的需求。除此以外，近些年對人們生活改善非常大的共享的觀念越來越深入人心，而共享這個概念的一個基本要求就是定位，首先用戶需要知道自己在哪，其次用戶要知道共享設備在哪，然後系統還需要知道用戶和自己的設備都在什麼位置纔可以爲用戶提供服務。所以在現如今的生活中，定位服務的好壞在一定程度上決定了人民生活水平的高低。不難發現，僅僅是一個共享的概念就如此依賴定位服務，除了共享以外還有很多其它民生、軍事、工業、農業等領域都極度需要定位服務提供的功能。因此定位服務已然成爲了國民經濟發展、國家工業建設、軍隊戰鬥力提升等方面重要的組成之一。而我國政府在近些年來也看到了定位技術所能帶來的紅利，對定位技術的發展非常重視，曾多次就定位技術的研究與發展舉行會議並下發相關的政策。
在室內定位技術中，使用的前景更加廣闊但也充滿了挑戰。正如前文介紹的，定位技術隨着人們生活質量的改善而變得越來越重要，因爲現如今的人們大部分的時間都花在室內，無論是工作還是娛樂，花在室內的時間遠遠大於處在室外環境的時間，而室外定位系統雖然在室外可以提供很高的定位精度，但是在室內由於複雜的室內環境，牆壁以及電子設備帶來的干擾都對室外定位系統的功能造成影響，不能很好的提供精確的定位服務，所以人們對室內定位的需求愈發急迫。在運輸服務場景中的機場、車站、隧道，工作場景中的礦井、倉庫以及平時生活中隨處可見的地下停車場、大型購物商場等衆多場所都無法很好地使用室外定位系統來進行精準的定位服務。而室內定位技術則需要在這些應用場景中，爲用戶提供最基礎的定位服務，除此以外，還可以提供規劃合理路線的功能以及實時導航的功能。除了上述常見的應用環境外，在很多特殊的工作環境中室內定位技術也有很大的需求，比如在養老院、幼兒園、監獄等特殊的環境下，對其中的老人、孩子或者犯人可以利用定位功能實現實時的照看功能，極大的降低其發生意外的機率。當出現火災、地震等災害的時候，定位功能可以在一定程度幫助救援人員展開救援工作，提高救援效率。因此，在室內如此複雜的環境以及全球定位系統無法穿透牆壁的情況下，室內定位技術的發展至關重要。
精準市內定位的應用可覆蓋公共安全、生活社交、購物遊覽等諸多領域。具體應用場景可能會有以下這些：井下定位、核電站導航、商場導購、精準廣告推送、地下停車場導航、機場導航、盲人語音導航、室內展館導覽、遊戲定位、安防等。可以就其中幾個分析解釋：
（1）智慧商超
在佈局比較複雜的大型超市中，用戶能夠查找感興趣商品的所在位置;在大型購物商場，用戶也可以查找想要去的店鋪和娛樂場所，同時商家也可以針對性地進行廣告推送，提供個性化營銷。室內定位可提供消費者超市實時室內導航。消費者只需輸入想找的商品類型，系統便會自動規劃最佳路線和開啓導航功能，節約了消費者的購物時間，提高了購物體驗感與效率。與此同時，還可以基於位置推送特定的購物信息（如新產品、打折優惠等等）。除此以外，在服務消費者的同時，商超運營商也可通過系統後臺觀察超市的人員流動以及商品的搜索率，利用相應數據進行有選擇性進貨，精準營銷。
室內定位可以記錄用戶的活動軌跡，對這些數據進行大數據分析，將用戶的位置與行爲及其背後的興趣偏好聯繫起來。因此，對室內定位數據進行挖掘和分析具有極大的商業價值和應用前景。例如對某商場的消費者活動進行分析，可以分析出消費者對某個店鋪的光顧頻率和停留時間，從而得出消費者的興趣和偏好以及店鋪熱度，爲商業分析提供有力幫助。
圖2.1-1 位置共享（找地、找人、導購）
（2）地下停車場
運用可見光室內定位，在停車場入口處顯示空閒車位位置,並將定位導航到該位置，節省尋找車位的時間。定位反向尋車，隨時記錄停車位置，根據燈尋導航可以快速找到自己的車，逛完商場仍然能夠實時導航並規劃路徑快速找到自己的車。
圖2.1-2 智能停車場
（3）博物館展覽
基於智能手機的博物館電子導覽方式是未來博物館導覽服務的趨勢，其中室內定位是博物館導覽過程中的重要環節。同時還可以基於位置信息來推送特定展品的音頻與視頻信息。能快速瞭解會展與博物館的整體情況，並收聽語音導覽、查看圖文介紹，在給參觀者帶去便捷體驗的同時，增強遊覽樂趣，更全面的瞭解文物歷史，引導去自己感興趣的區域。
圖2.1-3 室內定於大型博物館、展覽等應用
（4）工業應用/機器人
室內定位技術具有精準的位置感知能力，對於人員定位、物資定位管理、機器人、倉儲貨物的精準位置控制在工業物聯網方面有着豐富的應用。真趣科技作爲行業領先的室內外位置服務企業，在工業人員、物資、設備定位管理與安全保障方面擁有強大的技術實力，基於成熟穩定的工業管理平臺，可顯著推進工業物聯網建設進程。可對廠區內的人員、設備、物資、車輛等進行精準定位。依據廠區2D/3D地圖可以隨時查詢員工及物資的位置、移動路線、進出某區域的時間、在某區域的停留時間等數據，實現對於廠區人員物資的高效管理調度。
服務機器人已經廣泛的應用於醫療衛生、教育、安全監控等許多領域。服務機器人通常分爲兩種類型：一類是家庭用的服務機器人，如掃地機器人、監護機器人等；另一類是專業服務機器人，如手術機器人、康復機器人以及軍工類的排爆機器人等。爲了實現更智能的服務，服務機器人的移動定位是不可或缺的。以室內服務型移動機器人爲例，爲了對機器人進行高效可靠的控制，首先需要確定的是機器人自身所在的位置。因此應用各種傳感器對信息進行感知並融合，以完成可靠的定位是自主式移動機器人基本功能。機器人定位技術可分爲相對定位和絕對定位兩類。相對定位是基於航位推算法，即通過測量機器人相對於初始位置的距離和方向來推算當前的位姿，常用的傳感器包括慣性導航系統（加速度計、陀螺儀等）及里程計。航位推算法的優點是機器人無需感知外界信息，其自身位姿可以自我推算，但是漂移誤差的時間累積造成定位不夠精確。而絕對定位則採用視覺或激光傳感器，利用自然景物明顯特徵匹配產生的偏差信息進行定位。這種系統一方面是受自然路標的不確定性影響較大，另一方面特徵提取、匹配及偏差計算比較複雜、實時性較差。相對定位系統的累積誤差無法消除，單獨使用很難實現可靠的定位。
對於機器人，無論是在工業上還是商業的應用，機器人的定位、路徑規劃都是非常重要的。常用的移動機器人定位方式一般是在地板上鋪設磁導軌，或者張貼二維碼標籤。這樣的方式維護困難，且機器人行動的路徑受到限制。
圖2.1-4 室內定位於智慧工廠、機器人等方面的應用
（5）隧道定位/無人駕駛
室內定位技術結合傳統定位技術可提供室內外無縫定位導航服務，與此同時，在隧道等場景下，高精度的定位可以保證無人駕駛技術的安全性。
圖2.1-5 室內定位在隧道中的應用
（6）特殊場合應用（核電站、地下礦井、地鐵、機場、軍事等）
室內定位對應急救援、消防、安全執法等方面具有重要作用。當發生地震、火災等緊急事件時，救援的必要條件是快速確定人員位置。特別是當建築物由於緊急事件佈局發生變化時，憑藉經驗很難快速定位人員位置。室內定位技術可以爲救援提供強有力的技術支持，更好地保障救援人員和受困人員的安全，更快地開展有效救援。
與此同時，對於電磁敏感的場合，或者軍事等保密性強的場合，採用無電磁干擾的可見光定位技術將具有絕對的優勢。
圖2.1-6 室內定位在地下礦井的應用
2.2室內定位技術的概況
2.2.1基於射頻通信的室內定位技術
在定位領域中，最常用的定位技術是全球定位系統（Global Positioning System, GPS），目前GPS室外定位技術已經十分成熟，民用級定位精度可達15米以內，且在手機地圖服務、汽車導航、船舶和飛機等領域具有廣泛的應用。然而在建築物內部、人口密集的城市和地下等環境，由於多徑衰落、電磁屏蔽效應以及其他無線設備的干擾使得GPS等傳統的室外定位技術在室內的信號覆蓋率較差，用於室內定位時會存在較大的定位誤差，甚至可以說無法用於室內定位。因此，室內定位作爲“定位最後一公里”，一直是科研人員的關注熱點。近十多年來，各科技巨頭和研究機構相繼提出了許多基於無線電磁波通信的室內定位技術，如：紅外定位、基於移動通信網絡的輔助GPS（A-GPS）、WLAN（無線局域網/WiFi）、射頻識別（RFID）、藍牙（Bluetooth）、ZigBee、超寬帶無線電（UWB）、超聲波定位、僞衛星（Pseudolite）、地磁測量衛星、紅外定位、激光定位、計算機視覺定位等。大多數的定位系統通過測量來自多個發射端的接收信號強度或傳播時延來估計發射端和接收端之間的距離，然後利用幾何方法確定接收端的位置，其定位精度很大程度上取決於移動設備和室內環境。同時，這些定位技術存在一些缺點，例如，在實現定位時需要添加額外的基礎設施，導致硬件安裝成本高、可擴展性低；信號能夠穿透牆壁，安全性低；並且存在多徑效應、受電磁干擾嚴重。
目前主要的室內定位技術解決方案有紅外定位技術、超聲波定位技術、射頻識別技術、藍牙技術、超寬帶技術、無線局域網技術等。
紅外定位的原理是將定位信息加載到紅外射線上，接收端利用光傳感接收器獲取發送過來的信息進行距離計算。紅外線室內定位系統具有結構簡單、成本低、精度相對較高的優點，缺點是建築物等會阻礙紅外線通過，故此只能在視距範圍內通信。另一方面，由於紅外的輻射作用對人體損害較大，而且容易受環境光的影響，較少將其應用於室內定位系統中。
超聲波定位技術主要採用反射式測距法通過三角測量定位算法來確定物體的位置。超聲波定位的測距誤差小，結構簡單，然而室內牆壁、傢俱等的反射，以及障礙物的阻擋對其影響很大，會大大降低定位的準確性。另一方面，超聲波定位系統需要大量硬件基礎設施投資，成本很高，不利於實際應用。
射頻識別（RFID）技術使用射頻通信進行數據交換從而實現識別和定位。RFID系統由兩部分組成：RFID讀取器和RFID標籤。RFID技術具有數據傳輸速率高、安全、緊湊等優點。這種方法的缺點是需要使用大量的RFID標籤，並且預先記錄其位置信息。此外，RFID標籤的覆蓋範圍比較小，且無法實現實時高精度定位。
藍牙定位技術通過測量信號強度來確定物體的位置。它是一種低功耗的短距離無線傳輸技術。藍牙技術主要用於小區域定位。藍牙室內定位技術具有體積小，易於集成到PDA，PC和手機等優點，易於推廣。理論上，只要藍牙設備打開，用戶的位置便可以通過藍牙定位系統進行跟蹤。使用藍牙定位技術進行短距離定位，不受視距作用的影響，更容易檢測設備和信號傳輸。藍牙定位技術的問題在於設備昂貴，且對於複雜的空間環境，藍牙系統的穩定性差，易受噪聲信號的影響。
無線局域網（WLAN）是最常用的無線技術之一。現如今，WLAN已在各種公共場所廣泛部署。基於WLAN的定位系統在室內環境中可直接使用現有的WLAN基礎設施，並且大多數電子產品都支持WLAN。這意味着WLAN定位技術的基礎設施成本和用戶設備成本非常低。但WLAN信號易受電磁干擾，而且無線信號存在多徑問題，很難找到一個可靠的方法來確定發送端和接收端之間的距離和傳輸方向，因此係統精度不高，且系統功耗較大。
超寬帶（UWB）技術是一種新興通信技術，它與傳統通信技術有很大差異。UWB技術不使用傳統通信手段，而是使用亞納秒級的大帶寬（通常大於500 MHz）無線電脈衝傳輸數據。其傳輸可以視爲其他無線技術的背景噪聲，因此理論上可以使用任何頻譜，而不干擾其他用戶。UWB的傳輸功率小，功耗低。此外，由於具有短距離、高帶寬的特性，UWB不易受多徑效應的影響，能實現較高的定位精度。但是，UWB的硬件成本過高，不利於實現大規模應用。
這些方法提供了幾米到幾十釐米的定位精度。然而，使用這些基於無線通信的定位系統具有以下缺點：（i）需要重新配置較多的信號接入點，從而增加了室內定位系統的成本以及控制的難度；（ii）由於無線信號的空間分佈不均勻，且穩定性不高，在同一點定位位置點上信號強度波動性較強，進而限制了定位的精度；（iii）這些無線定位技術均會產生電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)，一方面會受到其他無線服務的影響進而影響了定位的質量，另一方面對於類似於地下礦井、核電站等電磁敏感的場合並不適用。
與上述的基於無線射頻通信的室內定位技術不同，可見光定位技術（visible light positioning，VLP）是基於室內VLC技術，利用照明用的LED燈具即可實現室內定位。該技術的原理是將需要傳輸的位置信息編譯成一段調製信號，用脈衝寬度調製的方法調製到LED燈具的驅動電流上，通過利用室內無處不在的LED光源作爲發射載體，當定位終端進入燈具照明區域，通過光電二極管（Photodiode, PD）或圖像傳感器等傳感器接收並識別光信號，解析出LED燈具發射的唯一身份識別（Identity recognition, ID）信息。利用所獲取的ID信息在地圖數據庫中確定對應的位置信息，完成定位[10]。通過綜合對比定位的精度和定位實現的難易程度（如下圖所示）。可以發現，VLC定位技術具有較佳的性能，是具備潛力的室內定位技術。
圖2.2-1 不同室內定位技術方案的對比
VLC定位被認爲是極具吸引力的室內定位技術的解決方案。首先，基於VLC的室內定位技術利用已有的照明光源LED在實現照明的同時提供室內定位服務，幾乎不需要額外的電力提供，綠色環保；降低了前端成本，不需要單獨購買、安裝和配置信號接入點（如百度室內定位使用WiFi信號接入點，而蘋果ibeacon使用藍牙信號接入點），降低了室內定位技術實現的成本及複雜度；與此同時，通過室內無處不在的LED光源，可大大提升定位系統的在實際應用場景中的普遍性。其次，由於可見光波的波長比RF等無線電磁波的波長短，使得VLC定位技術具有更好的抗室內多徑效應的能力，與其他無線電波定位技術相比，VLC定位技術從理論上能夠提供更高的定位精度[12]；此外，VLC定位技術不產生任何電磁干擾，綠色環保，可以部署在對電磁輻射嚴格限制的環境中（如核電站、地下礦井等）。
2.2.2可見光定位研究現狀
雖然早在21世紀初時，可見光通信的概念已經誕生，但是基於可見光通信的室內定位技術在近年來纔得到發展。2011年，意大利的Cossu Giulio和Presi Marco等人實現了一個基於OFDM的VLC定位系統，通過採用三角定位算法，以及OFDM調製技術在90cm的傳播距離內實現了300Mbps的數據傳輸速率，並對可見光通信定位的可行性進行了論證。2011年Rahman Mohammad Shaifur和Haque Md. Mejbaul等人通過圖像傳感器實現了0.15米的可見光通信室內定位精度。2012年Lou Penghua和Zhang Hongming等通過模擬仿真分析了可見光定位系統的性能，並利用OOK調製技術，結合ID定位算法實現了1.3米的定位精度。目前，國內外按照接收傳感器，將VLC定位技術分爲基於光電傳感器（PD）接收的非成像定位技術和基於圖像傳感器（Camera）接收的成像定位技術（如圖2.2-2所示）。將在2.3與2.4節中深入分析兩種定位算法。
圖2.2-2 可見光成像定位與非成像對比的框圖
下圖統計了近年來具有代表性的可見光定位的水平。
圖2.2-3 近年來，具代表性的可見光定位精度的統計
按照定位方法的不同，可見光定位大致可以分爲三類：場景分析法、鄰近法、幾何定位法。
（1）場景分析法也稱爲指紋識別法，如下圖所示。該方法無需計算接收端與LED的距離，是通過匹配在線測量數據和預先測量的位置相關數據來估計相對位置的定位技術。由於基站分佈的不規則性，環境中存在障礙物的不確定性，導致在不同位置測量數據的特徵（指紋）會有所不同。例如，由於LED的不均勻分佈，光線被室內的牆壁和器具反射和散射，以及每個LED功率的不同，導致在房間每個地方接收到的功率也不一樣。指紋識別法就是依賴這些不同來估計位置。指紋識別算法有兩個階段：在線階段和離線階段。在離線階段，每個位置的相關數據（如接收信號強度）被測量並記錄下來。在線階段，當前測量到的數據會和離線階段記錄的數據進行配對，從而實現相對位置的估計。模式識別技術，如概率方法、k-最近鄰(k-NN)和相關法可以用來實現當前數據和離線測量數據的匹配。
指紋庫定位法最關鍵的是匹配算法的處理，隨着人工智能與機器學習的不斷研究發展，也有研究人員在原有的常用匹配算法中加入了機器學習算法，例如隨機森林、K 最近鄰（K-Nearest Neighbor, K-NN）法以及 SVM 算法等。指紋庫匹配法相較於其他定位法的優勢主要是不受理論模型的限制，只需要通過實際接收到的信號進行處理匹配即可實現定位。但是該方法需要預先建立指紋數據庫，若待定區域空間較大時，指紋庫的建立將會有比較大的工作量，除此之外，指紋法的可移植性和靈活性較差，若換個室內環境則需重新建立指紋數據庫。
指紋識別技術主要的挑戰之一是接收到的信號強度可能會被不可預測的障礙物所影響。2014年，Georg Kail 等人提出的基於指紋識別的VLC定位技術使用考慮了干擾可能性的貝葉斯模型解決了上述問題。使用該模型後，文章提出的算法對於阻擋LED和移動設備之間視線的障礙物有良好的魯棒性。仿真結果顯示使用這種方法後，在30米×30米的範圍內，定位誤差只有0.81米。
圖2.2-4 情景分析定位法流程圖
（2）鄰近法（鄰近感知法）不需要測距方法的支持，它不需要距離或者角度信息，是最簡單的定位給方法。利用來自單個LED基站的信號確定移動設備的近似位置。每個LED基站對外廣播自己的身份識別ID。每個ID都關聯了一個特定的LED基站，ID與LED基站的映射關係存儲在數據庫中。當移動設備從某個LED基站接收到一個確定的ID後，就可以從數據庫中找到和這個ID關聯的LED基站的位置信息。移動設備的位置就認爲是該LED所能覆蓋的範圍。鄰近法依靠的是密集的網格參考點，每個格點都有一個已知的位置，定位終端根據所獲得的定位參考點的位置座標作爲自身的位置座標。因此定位的精度不會超過網格本身的分辨率。2013年，Campo-Jimenez等人提出一個使用智能手機上的光電二極管接收LED燈所發送ID的低成本室內導航系統。所接收的ID通過事先安裝在手機上的“ID-位置座標”映射錶轉換爲一個位置座標。LED發送的ID使用OOK調製，並通過曼切斯特編碼防止閃爍。此外，該系統通過脈寬調製實現調光。實驗結果顯示在4.5米的範圍內，智能手機的位置都可以被確定。 通常，近似感知算法只能給出移動設備的近似位置，即LED燈光覆蓋的範圍。這對於一些需要高精度的定位應用是無法接受的。但是，藉助附加設備，近似感知算法的定位精確度可以得到極大地提升。
（3）幾何測距定位法，又名三角定位算法，是一種利用三角形的幾何性質來進行位置估計的算法，主要分爲兩個分支：角度法和多邊法。角度法通過角度的測量，即測量接收端相對於若干個定位參考點的AOA，並通過尋找方向線的交點實現定位位置的估算[18]。三角定位算法的第二類——多邊方法，通過測量接收端與不同定位參考點LED光源之間的水平投影距離進而估算出接收端的具體座標值。在VLC定位系統中，定位參考點爲LED點光源。通過各種技術手段來獲取定位終端與LED信源的距離，再通過三角定位法來求取定位終端的位置座標。
2.3可見光非成像定位技術介紹及其誤差分析
基於PD的非成像定位技術通過接收端PD檢測ID信號的同時，檢測接收終端與LED定位參考點間的關係來實現定位。定位的距離檢測一般通過到達時間(time-of-arrival, TOA)、到達時間差(time-difference-of-arrival, TDOA)、到達角（angle of arrival, AOA）或接收信號強度（Received signal strength, RSS）等方式。其中RSS算法通過測量可見光信號在空間傳遞過程中的衰減因子即可檢測定位的距離，並不像TOA或TDOA算法中要求發射端和接收端具有嚴格的同步時鐘週期[23、24]，控制簡單且具有更高的定位精度[25]。另外，三角定位算法通過基於強度調製和直接檢測技術的接收信號強度來估算定位的距離時，至少需要知道三個不同LED參考點的位置座標，而不同LED信源所發出的ID定位信息在時域和頻域上一般是重疊的，且會由於多徑效應的存在而產生碼間干擾，進而大大限制了定位的精度[26]。爲了克服碼間干擾，進一步提高定位的精度，Kim Hyun-Seung等採用載波分配技術[25]，但由於發射端和接收端信號不隨頻率穩定變化，因而需要額外的補償算法。Yang Se-Hoon等分別採用時隙分配技術[27]和波長分配技術[28]來克服碼間干擾的影響，卻需要發射端和接收端有嚴格的同步以及需要光學濾波器或多個接收器分集接收；這些方法都大大增加了系統的複雜程度。爲此，2016年，文獻[29]提出了一種基於碼分多址(CDMA)技術的室內可見光通信高精度定位技術。通過利用CDMA 調製中擴頻碼的正交性,對每個LED燈具所發出的ID定位信息經特定的正交碼進行直接擴頻處理；接收端經自適應濾波器分辨出各LED的ID碼和對應的信號強度，根據ID信息確定定位的位置區域，根據衰減的大小確定定位點與信源的距離，最後再利用三角定位算法即可實現接收機的精確定位。在克服了碼間干擾的同時，增加了信道的容量，且不需要對發射端發射的信息作同步發射處理，進而大大降低了系統控制的複雜程度,提升了定位的精度[12, 30, 29, 31]。
前期對於基於PD的VLC非成像定位技術的研究大多數僅僅侷限於二維定位。然而在實際的應用中，三維空間定位的應用場合更廣。因此，近年來，基於PD的VLC定位技術開始從二維定位逐步過渡到三維定位中。在文獻[32]中，定位算法分爲預測階段及校正階段。在預測階段假定高度，在校正階段採用非線性估計，實現定位終端的高度在0.7米到1.7米之間垂直運動的三維座標估計。該類型的定位算法只能算“準三維定位”，實際上就是先假設一個高度，然後用非線性估計的算法，對高度進行逼近，所謂的“準三維定位”是有一定範圍的，而並非實現真正意義上的三維空間的定位。文獻[33]中，作者通過使用單個LED燈具作爲信源，多個傾斜PD作爲接收，實現了基於增益差分的三維室內定位，實現基於AOA與RSS相結合的三維定位。這類型的定位算法，基本是以AOA與RSS相結合爲主，通過增加測量數據量，來實現三維定位，然而需要兩種測量方式相結合，既增加了測量誤差，也增加了計算的複雜程度。在文獻[32]中，作者使用加速度計以及角度分集發射器來實現上行鏈路的三維定位。在文獻[34]中，在天花板上安裝了兩個帶有多個PD的環形接收器，用於定位帶有發光二極管的終端，定位誤差低於0.2米。然而，上述所提到的這些方法要麼算法複雜；要麼定位精度不高；要麼屬於準三維定位，並非實際意義上的三維定位，只是小範圍內近似。文獻[35]提出了將基於PD的VLC三維定位模型轉換爲優化模型[35]，通過羣智能優化算法[36, 31, 37, 38]來實現5cm以內的高精度三維定位。
2.3.1可見光非成像定位信道模型
2.3.2RSS定位算法
2.3.3TOA與TDOA定位算法
2.3.4 AOA定位算法
2.3.5定位算法的比較
前面分析了常用定位算法的基本原理，下面針對各個定位算法的優缺點進行比較。先，ＲＳＳ算法是ＶＬＣ定位系統中最常用的一種定位技術，具有複雜度低且實現簡單的優點。ＲＳＳ算法使用單個ＰＤ作爲接收端，硬件成本較低。但其遵循信道傳輸模型，信號強度隨着距離的增加而減小，受環境因素影響較大。在實際的應用中，信道傳輸模型很難完全考慮輻射角和入射角的影響。因此，當接收端水平靠近ＬＥＤ時，由於輻射角和入射角都很小，定位精度較高；當接收端水平距離ＬＥＤ較遠時，輻射角和入射角較大，降低了定位精度。
其次，ＴＯＡ算法是絕對定位算法中最簡單的一種定位技術，通過測量收發兩端信號的傳輸時間估計傳輸距離，可利用ＲＳＳ算法的求解方式確定待定位點的位置座標。由於在測量信號的傳輸時間時，要求ＬＥＤ和ＰＤ的時鐘嚴格同步，硬件成本較高；在室內定位時，由於傳輸距離短，光信號的傳播速度快，導致傳輸時間短，並且時間測量的準確性會受ＰＤ的響應以及時鐘的分辨率的影響，只要很小的時間測量誤差都會導致很大的距離估計誤差。ＴＯＡ算法並不適用於實際的定位環境中。
與ＴＯＡ算法不同，ＴＤＯＡ定位算法需要測量不同ＬＥＤ到達ＰＤ的時間差。該方法降低了時間同步的要求，只需要保證ＬＥＤ之間時鐘同步即可，降低了硬件成本。與ＴＯＡ相比，該方法簡單且易於實現，定位精度相對較高。
ＡＯＡ算法與其他算法相比定位精度較高。該算法不需要進行時間同步，只需要兩個參考點就能實現定位，計算相對簡單。但其硬件實現的複雜度最高，通常需要額外的設備測量角度，從而導致硬件成本較高且資源消耗較大。
由於基於PD的VLC定位系統實現簡單，不需要涉及圖像處理的手段，成本較低，因此，前期大多數VLC定位技術的研究都以PD接收爲主[36]。然而，基於PD的VLC定位研究大多數卻侷限於仿真層面。由於實際環境中，基於PD的非成像定位技術依賴於角度或接收信號強度的測量、環境光強的變化等，會導致定位誤差較大[39]。與此同時，常用的基於PD的VLC定位的信道模型[30]是理想化模型，系統的相關參數的誤差均會引起較大的定位誤差。而基於圖像傳感器的成像定位技術，則是通過可見光成像通信技術來獲得ID信號，同時通過接收到的二維圖像進行相應的圖像處理將二維圖像轉換爲接收終端與LED參考點光源的三維的位置信息，即利用圖像傳感器中所接收的LED圖像距離幾何關係計算出目標位置[39,40]。雖然基於圖像傳感器的VLC定位技術需要相應的圖像處理技術以及會受限於圖像傳感器的視場角，但其受系統及外界影響因素較少，定位精度比基於PD的VLC定位方案要高，且圖像傳感器可以與智能手機等智能移動設備相結合，真正實現了VLC定位技術從實驗室走到商業應用（而基於PD的VLC定位方案，需要外置PD傳感器纔可以實現定位）。除此之外，由於基於PD傳感器的定位本質上是檢測光強，因此容易受到反射光信道的影響，進而在實際應用中會大大影響定位性能，特別是在室外的場合或者有強背景光源干擾的情景。而VLC成像定位技術則可通過圖像傳感器的空間分離特性，既可以將不同的LED信源以及背景光源分離開來，從而有效地避免多徑干擾以及背景干擾，同時也可以接收到來自空間不同位置LED定位節點發射的ID位置信息。進一步地，隨着智能移動終端及可穿戴設備上圖像傳感器的普及，基於圖像傳感器的VLC定位技術比基於PD的VLC定位技術更加具備商業化的潛力。
2.4可見光成像定位技術介紹及其誤差分析
使用圖像傳感器的可見光定位系統有很多優勢，它可以在空間上分離光源信號，可以同時處理多個發射光源的信號，不需要使用複用技術；並且，定位精度不受多徑效應的影響。此外，目前大多數手持設備都配備有圖像傳感器，不需要外加設備。當利用幾何成像來計算位置時，光鏈路視距傳播的特性可以提供更高的精度，很大程度減小環境影響和由於不同類型的成像傳感器和天線方向引起的不確定性。
在基於圖像傳感器的室內定位系統中，可以利用計算機視覺的技術計算相機的姿態。由於相機小孔成像的特點，利用物點座標和像點座標的幾何關係可以計算出圖像傳感器的位置。在定位系統中，光源有多個LED光源，首先由它們傳輸有自己身份碼(ID)的調製信息，在接收端的圖像傳感器拍攝光源圖像；然後，將圖像傳入定位軟件解碼出光源的座標信息；最後，通過ＬＥＤ在成像平面上的二維（２Ｄ）座標和ＬＥＤ在世界座標系中的三維（３Ｄ）座標之間的幾何關係來推斷圖像傳感器的位置座標與方向。
2.4.1圖像傳感器的捲簾快門
圖像傳感器主要分爲CCD（電荷藕合器件）圖像傳感器和CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器。兩者除了在工藝與材料上的區別外，最重要的是成像原理的區別。如下圖所示。
圖2.4-1 CCD和CMOS圖像傳感器的成像原理 (a) CCD的全局快門；(b)CMOS的捲簾快門
CCD採用的是全局快門（global shutter mechanism），即圖像傳感器的每行像素在同一時間段內曝光。對於基於CCD圖像傳感器的VLC系統，每幅圖像一般只能獲得一位的數據。根據奈奎斯特定理（Nyquist sampling），其通信速率必定低於幀速率（圖像傳感器的幀速率在30~60fps之間），因此不足以傳送定位數據。雖然也可以採用特製的高速CCD圖像傳感器以提高通信速率。但是這種特製的傳感器製作成本高，不適用於實際的定位場景。此外，採用LED陣列以實現MIMO調製技術，也可以實現CCD圖像傳感器單幀傳送多位的數據。然而LED的驅動頻率需要配合CCD圖像傳感器的採樣率，可能導致人眼可感知的LED閃爍。因此基於VLC的室內定位系統一般都不採用CCD圖像傳感器。
CMOS採用的是捲簾快門（Rolling Shutter Mechanism）。捲簾效應採用逐行曝光的形式，利用這一特性可以提高可見光成像通信的數據速率。每個時刻，CMOS圖像傳感器只有一行（Row）曝光。當圖像所有行都曝光結束後，再將不同時刻捕獲的所有行曝光的數據合併在一起形成圖像。這種逐行曝光方式導致在拍攝快速閃爍的LED燈具時，圖像出現明暗相隔的條紋（本文將其稱爲光條紋碼）。燈具閃爍越快，條紋數量越多。通過對圖像中明暗相隔的條紋解碼，可以傳遞若干位的信息，進而可實現可見光成像通信。燈具的閃爍頻率必須小於CMOS行掃描的頻率，否則就會導致數據的丟失。因爲當LED燈閃爍頻率大於行掃描的頻率時，CMOS傳感器只能獲得LED所發射的平均光強，而不能獲得LED像素區域的明暗條紋。
CMOS圖像傳感器的曝光時間（Exposure Time）與感光度（ISO）會影響到LED-ID光條紋碼的獲取。曝光時間，即圖像傳感器快門打開讓光子進入到感光元件所用的時間。曝光時間決定像素收集光子的時間。當每個像素的感光元件積累電子到飽和時，電荷會溢出到相鄰像素的感光元件中。因此，如果曝光時間太長，會導致LED-ID光條紋碼中亮條紋的寬度變寬（如下圖所示）。所以，通過把圖像傳感器的曝光時間調低，即可獲取清晰的LED-ID光條紋碼。
圖2.4-2 不同曝光度下的LED-ID光條紋碼的效果 (a)1/4000, (b)1/2000, (c)1/1000 (d)1/200
ISO即圖像傳感器中感光元件的感光速度。ISO值越高，感光元件的感光能力越強，像素達到飽和所需的光子就越少。這意味着在相同曝光時間內飽和像素的概率增加，會導致捕獲圖像中LED-ID光條紋碼的亮條紋的寬度增加，當ISO高於一定值時，將不會產生光條紋碼。要獲取清晰的光條紋碼，需要將ISO的值也調低。如下圖所示。
圖2.4-3 不同IOS值下的LED-ID光條紋碼的效果 (a) 50, (b) 100, (c) 1000 (d) 5000
通過對所捕獲的具有明暗條紋的圖像進行解碼，即可獲得LED的ID信息。然後通過空間幾何原理，即可實現定位。
2.4.2可見光成像定位信道模型
基於圖像傳感器成像法是利用 LED 光源在真實環境中的位置與接收機傳感器所在位置投影之間的幾何關係進行定位。該方法需要多個 LED 燈光源和一個圖像傳感器，首先利用信號光源穿過透鏡時產生不同的幾何特性，以及在可見光對應圖像傳感器上的投影變化，利用該座標系下的光源與接收機座標的相對應比例因子估算出圖像傳感器的座標。
2.4.2.1相機成像中的座標系
爲了將世界座標系中的三維座標與成像平面的二維座標相對應，我們需要建立相機成像模型來分析成像的幾何關係。
圖2.4-5 相機成像座標系示意圖
在相機成像的過程中，有四個座標系會參與運算，它們分別是：世界座標系、相機座標系、圖像座標系和像素座標系。
（1）世界座標系
世界座標系作爲基準參考系，是最終描述待定位物體位置的座標系，也稱客觀座標系。它可以根據運算需求自由放置。
（2）相機座標系
相機座標系是相機以自身爲參考，衡量其它物體的座標系。此時座標系原點的位置在相機中透鏡的光心位置，Ｚ軸與相機平面垂直，與相機的光軸平行，Ｘ軸和Ｙ軸分別平行於圖像座標系的Ｘ軸和Ｙ軸。世界座標系下的座標可以經過剛體變換轉化爲相機座標系。
（3）圖像座標系
圖像座標系是以相機的成像平面爲基準建立的座標系。它的座標系原點在相機光軸與成像平面交點的位置，Ｘ軸和Ｙ軸分別平行於圖像平面的長軸和短軸。用於表徵物體從相機座標系向圖像座標系的投影關係.
（4）像素座標系
像素座標系是爲了表述從相機讀取的參數而建立的座標系，是以像素爲單位的圖像座標系。座標系的原點在成像平面的左上角頂點的位置，u軸平行於圖像座標系的Ｘ軸，ｖ軸平行於Ｙ軸，像點的圖像座標對應的像素座標值用表示。（u, v）是從相機中實際獲取的數據，相機中圖像的存儲形式是ＭｘＮ的數組，像素座標表示的是像素所在的行和列，數組的元素值是每個位置處的色彩值。
2.4.3基於三角定位法的可見光成像定位算法
2.4.4基於兩盞LED燈的可見光成像定位算法
2.4.5可見光成像定位影響因素
2.5可見光室內定位性能指標
後面的由於公式較多，請下載PDF版本查看~