如何进行LED可见光的室内定位算法的研究论文说明

　　本文分析了室内可见光定位的各种算法，包括接收信号强度（RSS）、传输时间差（TDOA）、传输时间（TOA）、接收信号角度（AOA）和混合定位等算法。给出了各种算法的基本定位原理，重点研究了基于LED可见光的RSS和TDOA定位算法。

　　针对RSS定位精度低、普适性不高、定位区域小的问题，提出了利用多个LED发射端实现室内定位的方法和四LED质心加权算法。多LED定位算法法充分考虑了照明LED拓扑结构对定位性能的影响，引入了定位单元选取的基本原则，有效的解决了可见光定位中的遮挡效应。四LED质心加权定位算法从可见光传输距离短定位精度高的特点出发将传输距离信息作为加权因子引入定位算法中，提高了定位精度，扩大了定位区域，有效地提高了系统的应用性。

　　针对目前TDOA定位算法不收敛、误差大及实现复杂的问题，提出了基于LED的非线性优化算法和区域协作的室内定位算法。非线性优化算法利用定位终端到两个LED的传输距离之差，构造距离估计目标函数，采用有约束的非线性规划算法估计定位终端的位置。有效地解决了室内噪声环境中常规TDOA定位算法不收敛或误差偏大的问题。同时，为了进一一步优化定位性能，将距离信息引入加权因子中，提出了质心加权混合定位算法。区域协作的室内定位算法充分考虑了室内光信道中的各种噪声因素的影响，引入多 照明区域联合定位思想，利用LED发出的参考信号估计定位节点到各LED的信号传输时间差，构造协作定位距离估计目标函数，并通过非线性最小二乘法获得定位目标的位置估计，不仅提高了室内定位精度和系统应用的普适性及鲁棒性，而且有效地解决了室内可见光定位存在的遮挡效应。此外，对动态定位追踪也有。一定的效果。

　　本文分析了室内可见光定位的各种算法，包括接收信号强度（RSS）、传输时间差（TDOA）、传输时间（TOA）、接收信号角度（AOA）和混合定位等算法。给出了各种算法的基本定位原理，重点研究了基于LED可见光的RSS和TDOA定位算法。

　　针对RSS定位精度低、普适性不高、定位区域小的问题，提出了利用多个LED发射端实现室内定位的方法和四LED质心加权算法。多LED定位算法法充分考虑了照明LED拓扑结构对定位性能的影响，引入了定位单元选取的基本原则，有效的解决了可见光定位中的遮挡效应。四LED质心加权定位算法从可见光传输距离短定位精度高的特点出发将传输距离信息作为加权因子引入定位算法中，提高了定位精度，扩大了定位区域，有效地提高了系统的应用性。

　　针对目前TDOA定位算法不收敛、误差大及实现复杂的问题，提出了基于LED的非线性优化算法和区域协作的室内定位算法。非线性优化算法利用定位终端到两个LED的传输距离之差，构造距离估计目标函数，采用有约束的非线性规划算法估计定位终端的位置。有效地解决了室内噪声环境中常规TDOA定位算法不收敛或误差偏大的问题。同时，为了进一一步优化定位性能，将距离信息引入加权因子中，提出了质心加权混合定位算法。区域协作的室内定位算法充分考虑了室内光信道中的各种噪声因素的影响，引入多 照明区域联合定位思想，利用LED发出的参考信号估计定位节点到各LED的信号传输时间差，构造协作定位距离估计目标函数，并通过非线性最小二乘法获得定位目标的位置估计，不仅提高了室内定位精度和系统应用的普适性及鲁棒性，而且有效地解决了室内可见光定位存在的遮挡效应。此外，对动态定位追踪也有。一定的效果。

　　本文主要研究了可见光通信在室内定位系统中的应用，分析了室内传播条件下的光信道特性及该信道特性下影响定位精度的一些因素。 另外介绍了室内可见光定位的基本原理和常见的室内定位算法，包括接收信号强度（RSS）、传输时间差（TDOA）、传输时间（TOA）、接收信号角度（AOA）和混合定位等算法。概述了以上各种算法的基本原理并且重点研究了RSS定位算法和TDOA定位算法。在对RSS的研究中，提出了基于多LED的高精度室内定位算法与基于距离加权的室内定位算法，对提出的两种定位算法进行了原理分析和建模仿真，验证了算法的适用性。在针对TDOA的研究中，提出了基于目标函数的非线性优化算法和区域协作的定位思想，详细分析了此两种算法原理，仿真验证了其定位的高精度特性。

　　本文的创新性工作为：

　　（1）提出了基于多LED的高精度室内定位算法。该算法充分考虑了室内布设多个照明LED的实际情况，有效地提高了可见光RSS室内定位算法精度，并且解决了传统三边定位法无法处理光传输链路被遮挡导致定位失败的问题。提出了多LED定位时，选择LED定位单元要遵循的两个基本原则，即满秩和强信号锐角三角形结构原则。通过仿真验证了基于该原则实施定位，能够获得良好的性能。此外，还分析讨论了可见光定位发射机布局的拓扑结构对定位性能的影响。

　　（2）提出了基于距离加权的定位算法。将加权思想引入到室内可见光定位应用中，改善了传统三边定位法受限室内LED布局及定位范围小的缺陷。本算法将传输距离信息引入加权因子中，提高了算法的定位精度。此外，分析了距离加权衰减常数对定位性能的影响，给出了指导性建议。

　　（3）提出了基于目标函数的非线性优化定位算法。通过引入带约束的非线性优化思想将位置估计转化为带约束的非线性优化问题，进而采用非线性最小二乘（NLLS）算法实现了室内高精度定位，解决了传统定位坐标求解不收敛性或误差

　　偏大的问题。在此基础上将距离信息引入加权因子中，提出了质心加权混合定位算法，实现了室内高精度定位。

　　（4）提出了照明区域协作定位的思想。在区域协作定位算法中依据室内照明区域相互重叠的实际场景，利用多个照明区域之间的协作定位较好地解决了室内定位遮挡及噪声干扰导致传统定位算法失效或定位精度较差的实际问题。引入了带约束的非线性优化思想，解决了传统算法失效的问题。另外针对复杂的室内可见光信道环境，分析研究了具有反射及漫反射信道下室内可见光定位算法的性能。与现有文献给定的研究条件不同，本文给出的信道传输环境，考虑了反射路径造成的码问串扰的影响，使得仿真实验结果更具-一般性。

　　本论文内容共分为六章，各章节内容安排如下：

　　第1章绪论。本章主要介绍了信息时代室内定位的背景和意义，并且分析了几种常见的室内定位技术。在蓝牙、UWB、超声波等定位技术手段的前提下给出了基于白光LED的室内可见光定位方案，介绍了室内可见光定位的意义以及国内外在该方面的最新研究进展以及应用情况。

　　第2章室内可见光通信的信道特性。本章介绍了室内可见光的照度计算及分布。分析了可见光通信在直射信道（LOS）和反射信道（NLOS）下分别接收到的信号功率。最后介绍了可见光链路中可能存在的噪声干扰，对室内可见光信道进行了建模仿真，给出了白光LED在室内各点的功率分布及信噪比分布。

　　第3章VLC定位原理及常用算法。本章主要介绍了VLC室内定位的基本原理，给出了RSS定位、TOA定位、TDOA定位及AOA定位的基本算法原理，简单介绍了混合定位算法的一些研究成果及趋势。

　　第4章改进的RSS室内定位算法。本章针对RSS定位精度不高的问题提出了改进的RSS定位算法：基于多LED的高精度室内定位算法，基于距离加权的室内定位算法与RSS和AOA混合定位算法，对每一种定位算法进行了原理分析与建模仿真，验证了算法的有效性和适用性。

　　第5章高精度TDOA室内定位算法。本章针对传统TDOA定位算法不收敛或误差偏大问题提出了两种高精度的TDOA定位算法：基于目标函数的非线性优化算法和基于区域协作的室内定位算法。在考虑室内反射、漫反射引起的噪声干扰下进行了建模仿真，验证了算法的有效性和适用性。

　　第6章总结与展望。本章对全文的研究成果进行了总结，提出了下一步的研究方向，对未来工作进行了展望。