可见光通信与室内定位技术详解

　　一、可见光通信

　　1、可见光通信概述

　　可见光通信技术 （Visible Light communication），其原理是将需要传输的信息编码成一段特殊信号，用某种调制方法将这个信号附加到LED灯具的驱动电流上，使LED灯具以极高的频率闪烁。虽然人眼看不到这种闪烁，但是通过光敏设备可以检测到这种高频闪烁并将其还原为要传输的信息，从而通过灯具完成信息传输的目的。白光通信具有保密性强，不占用无线信道资源，由于照明灯具的大量存在，这种技术可以集成到广大灯具中。

　　2、可见光通信发展现状

　　早在2000年，日本庆应大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama就提出了利用LED灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。经过近些年的发展，国内外相关科研机构及商业公司提出了一系列解决方案及实际系统。同时可见光的商用步伐也在不断向前，国内有华策光通信的室内可见光定位导航系统，国际上美国的Bytelight公司也有一套类似的室内可见光定位导航系统；在14年的国际消费电子展（CES）期间，法国Oledcomm公司演示了可以实现光通信技术的手机设备，技术人员将智能手机的前置摄像头改装成光线感应器，让观众亲眼见证LiFi光通信技术，传输速率约为10Mpbs。目前该公司网站上已有相关可见光通信套件出售。

　　

　　3、可见光通信应用领域

　　虽然可见光通信这一名词我们是耳熟能详了，但具体到它的应用领域，却未必都知晓。其主要四大应用领域有：

　　1）照明与通信，信息可以在室内环境下进行广播，并同时满足照明的需求，这是最直观的应用场景；

　　2）视觉信号与数据传输，信号灯主要通过颜色的变化来给人们提供信号，而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全可靠性，也大大扩展了信号灯的功能；

　　3）显示与数据通信，LED显示屏通常用于显示信息，如果将相应的信息和数据直接传输给用户手持终端，将会提供很大便利，在火车站、机场等场所有着巨大的应用前景，这是一种直接使用屏幕的数据传输与交互方式；

　　4）室内定位，可见光通信可以将用户的位置信息通过照明设施来进行传递，较传统卫星定位更为精准，而这个方案较现有的其他室内定位方案的最大优势是不用投入大量定位基础设施，节省了定位系统的成本。

　　二、室内定位技术

　　1、室内定位概述

　　在室内环境无法使用卫星定位时，使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位，解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。

　　室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。

　　2、室内定位技术

　　1、Wi-Fi技术

　　通过无线接入点（包括无线路由器）组成的无线局域网络（WLAN），可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点（无线接入点）的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位，最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差（例如：定位楼层错误）。

　　另外，Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高。

　　2、蓝牙技术

　　蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。

　　蓝牙定位主要应用于小范围定位，例如：单层大厅或仓库。对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。

　　不过，对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。

　　3、红外线技术

　　红外线技术室内定位是通过安装在室内的光学传感器，接收各移动设备（红外线IR标识）发射调制的红外射线进行定位，具有相对较高的室内定位精度。

　　但是，由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播，容易受其他灯光干扰，并且红外线的传输距离较短，使其室内定位的效果很差。当移动设备放置在口袋里或者被墙壁遮挡时，就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，导致总体造价较高。

　　

　　4、超宽带技术

　　超宽带技术与传统通信技术的定位方法有较大差异，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，可用于室内精确定位，例如：战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

　　超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能够提高精确定位精度等优点，通常用于室内移动物体的定位跟踪或导航。

　　5、RFID技术

　　RFID定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据，实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围大、成本较低；不过，由于以下问题未能解决，以RFID定位技术的适用范围受到局限。

　　6、ZigBee技术

　　ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它介于RFID和蓝牙之间，可以通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。

　　7、超声波技术

　　超声波定位主要采用反射式测距（发射超声波并接收由被测物产生的回波后，根据回波与发射波的时间差计算出两者之间的距离），并通过三角定位等算法确定物体的位置。

　　超声波定位整体定位精度较高、系统结构简单，但容易受多径效应和非视距传播的影响，降低定位精度；同时，它还需要大量的底层硬件设施投资，总体成本较高。

　　

　　3、室内定位的应用领域

　　1、基于2维定位或3维定位的VR主题游戏乐园

　　目前国内已经落地的有北京的身临其境公司，其定位技术提供商是北京的清研讯科团队。其团队提供的UWB技术的定位精度在10CM左右。非常棒的一家公司。另外就是HTC VIVE所使用的光学室内定位。游戏这个东西对体验的要求很高，如果定位技术提供的精度不够高，玩家在使用中会产生强烈的晕眩感，这就让这种方式的游戏根本无法得到消费级市场的认同。而之前传统的定位技术比如WIFI定位，蓝牙定位，因为其技术每单位成本的所提供的精度有局限性，因此根本无法满足室内游戏定位的需求。这也是室内定位技术最近才开始用于游戏定位的原因之一。

　　2、应用领域是安防

　　比如消防人员进入现场救火，为了确保消防人员的人身安全，在其制服上按上定位的纽扣，来使消防人员现场救援的可视化；再比如在公共场所的恐怖袭击或者突发灾难，由于公共场所的后台指挥地需要和现场人员有比较好的前后台配合，用上室内定位技术让后台指挥实时了解现场人员的动向，以此来让现场人员应对更及时有效。

　　3、应用领域应该是工业流水线

　　也就是所谓的工业4.0。具体的用处就是通过室内定位技术让整个生产流程可视化，可追踪化。具体例子可以看看Ubisense的Regensburg宝马工厂的案例Ubisense ：： Ubisense boosts productivity at BMW。

　　4、应用领域和安防有关

　　比如机场。当然不是说机场的室内导航，这种应用非常的边缘化，因为你在机场里找不到路，你找个人问问不就得了，看嘛死命看手机呢？机场的室内定位技术未来应该会大量被运用在可疑物品跟踪上面。比如机场人员发现了个可疑物品，但是一时半会儿并不能确认它是炸弹还是什么，放行又害怕，扣下又怕被投诉。那么这个时候，在箱体上贴上一个软TAG，利用室内定位技术进行跟踪，只要系统发现该物品进入了不该进入的区域，立刻报警，那么这个技术还是有使用价值的。

　　5、应用领域监狱或者医院

　　因为监狱里有许多人可能会自杀，为了防止他们自杀，一般就是需要强迫他们任何一个人不能单独在一个地方不收人监管，但是总会有看管不严的时候。室内定位技术，会在每个犯人手上上一个不可拆卸的手环，只要系统检查到有人单独在一个房间里停留时间过长，系统就会报警，通知狱警了。医院同理，你找不到医生的时候就知道这个东西有多需要了。

　　

　　三、室内定位与可见光通信技术的结合

　　通过上述分析，我们知道可见光通信有很宽广的应用领域，而该技术的研究大体朝着一下几方面进展：

　　1）尽可能提高通信速率，通信速率一直都是某个通信方式研究的核心问题，但该方向对信息的编码及调制技术以及通信器件的研究要求较高，具有一定理论深度与难度；

　　2）提高通信的可靠性，对可见光信道的研究，该方向是可见光通信能够实用化，解决视距传输及抗干扰的重要基础研究，但同样也具有很大的理论深度与难度；

　　3）根据具体应用场景拓展可见光通信的应用领域，使其朝着实用化方向发展，这也是很多商业公司的在该领域的发展方向，比如可见光的室内定位系统；这个方向能够最快的将技术应用于现实，同时实现商业价值。

　　室内定位作为导航的“最后一公里”，一直是科技巨头和研究机构的关注热点，在这方面现有的研究方法与手段有如基于移动通信网络的辅助 GPS（A-GPS）、伪卫星（Pseudolite）、无线局域网（WLAN）、射频标签（RFID）、Zigbee、蓝牙（Bluetooth，BT）、超宽带无线电（UltraWideBand，UWB）、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位等。这些技术有些是以导航定位为专门或主要用途，例如伪卫星；有些则主要用于通信，但同时也能提供定位服务，例如无线局域网。室内定位技术主要有手机基站、RFID、Zigbee、蓝牙、红外、WiFi等技术，因其定位技术各自的局限性，限制了他们大规模的推广应用，特别是必须单独部署一套定位网络，成本高。

　　

　　不同定位技术精度对比如上图，从图上看，能够满足米级定位精度的定位技术，从规模上推广角度来看由易到难，依次为 LED、Wi-Fi、RFID、ZiBee、超声波、蓝牙、计算机视觉、激光、超宽带等。最热门的室内定位技术是基于WiFi，它的优势是WiFi的广泛分布，同时各种智能终端如手机都具有WiFi模块，自然而然，结合WiFi来做定位在上网的同时解决了定位问题，很有现实意义，但WiFi的缺点是其精度不高，在10m级别，可以通过位置指纹库来提高这一精度，但位置指纹库的构建需要地图构建初期采集大量的信息，同时该方法的可移植性也比较差。

　　LED 定位系统通过天花板上的 LED 灯实现，灯光发出高频闪烁信号，接收端一种是通过PD接收，其优点是动态范围大，能够实现很高速率的通信，另一种是通过CMOS摄像头接收，图像处理的方法获取数据，但其缺点是图像处理耗时大，实时性差，但却是目前智能手机实现可见光定位的最佳手段；通过LED的定位，在算法上主要是一种广告牌（路标）算法，也即是当接收机收到该LED的ID信息就近似判定其在该灯的光照范围内，精度取决于LED的排列方式及密度。如果要实现更高的精度就要相应的在信号处理上下更大功夫。