CN114615114A - 一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，包括光信号发射源、终端、基站以及中央控制器；所述光信号发射源用于发射光信号；所述终端通过上行链路反馈位置信息和姿态信息到所述基站；所述基站把接收到的位置信息和姿态信息汇总到所述中央控制器；所述中央控制器根据接收到的终端位置信息、终端姿态信息以及存储的光信号发射源位置信息计算对应链路的信道信息。

Description

一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种用于室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法。

背景技术

在无线通信***中，为了在下行数据传输中实现资源的最优分配和信号高可靠传输，发射端需要获知其与建立数据传输通道的终端之间的信道信息。在同构网络中，上下行链路使用同一种传输载波，所以，通常采用终端估计信道信息并反馈给发射端的方法来使发射端获取信道信息。在这种方法中，需要终端先估计出其与能接收到有用信号的每个信号发射源之间传输链路的信道信息，然后通过上行链路把信道信息反馈到发射端。

室内可见光通信是利用照明LED作为光信号发射源，光波作为载波的短距离无线传输***。与射频无线通信***一样，室内可见光通信***的发射端也需要信道信息辅助完成资源分配、用户调度以及发射端预处理等提升传输性能的操作。目前，室内可见光通信***也采用终端估计信道信息并反馈给发射端的方式来使发射端获取信道信息。然而室内可见光通信***有很多不同于射频无线通信***的特性：首先，受LED光照覆盖范围以及接收端光电二极管视场角的限制，每一个光信号发射源的信号覆盖区域要远小于无线射频通信***信号源的覆盖区域，因此室内可见光通信***采用多个光信号发射源协助通信，完成无缝覆盖，不同信号发射源的覆盖区域难免存在重叠；其次，室内可见光通信***用于传输信号的载波是可见光光波，其信道特性与射频无线通信差异巨大，当光信号发射源位置确定，如果忽略占比5％左右的反射径，只考虑直射径，信道主要特性由发射信号的光源位置、终端位置和终端姿态等信息共同确定；最后，受终端能力限制，相比下行可见光链路传输，上行可见光链路的实现存在很大瓶颈，因此，可见光通信通常与现有的射频无线通信网络异构组网，完成室内下行热点补盲。

这些不同于射频无线通信***的特性，使得传统的通过终端估计信道信息并反馈到发射端来使发射端获取信道信息的方法在可见光通信***的应用中存在如下局限：首先，上下行链路信号传输的载波频段不同，可见光通信***要想完成下行信道估计需要作为光信号发射源的LED周期性发送参考信号，参考信号的发送需要占用资源；其次，受资源限制，并非有业务需求终端的所有可建立连接的光信号发射源都会被分配给该终端，而终端无法提前获知与其建立信息传输光信号发射源，就要估计其与所有能接收到参考信号的光信号发射源之间链路的信道信息，增加终端计算量；最后，终端需要把估计的信道信息通过上行链路反馈至中央控制器，增加上行数据传输开销。上述这些局限性，增加了终端负担，也浪费了***资源，所以亟需结合可见光通信自身特性，提供一种新的发射端获取信道信息的方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的问题，提供一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，避免现有终端直接反馈信道信息到发射端的发射端获取信道信息方法存在的计算量过大和反馈开销过高的问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

本申请实施例提供了一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，包括光信号发射源、终端、基站以及中央控制器；所述光信号发射源用于发射光信号；所述终端通过上行链路反馈位置信息和姿态信息到所述基站；所述基站把接收到的位置信息和姿态信息汇总到所述中央控制器；所述中央控制器根据接收到的终端位置信息、终端姿态信息以及存储的光信号发射源位置信息计算对应链路的信道信息。

可选地，所述终端接收或发射无线射频信号，所述终端还包括用于接收光信号的光电二极管，所述终端估算自身位置信息；所述终端还包括用于测量自身姿态的传感器设备，所述传感器设备通过上行传输链路周期性向所述基站上报所述终端的位置信息与姿态信息。

可选地，所述基站受所述中央控制器控制；所述基站用于发射和接收信号；所述基站从接收信号中解析出用户位置信息和姿态信息并发送至所述中央控制器。

可选地，所述中央控制器，用于网络资源分配，用户调度，可见光信号的发送处理，以及利用存储的所述光信号发射源位置信息、终端的位置信息以及终端反馈的姿态信息获取下行可见光传输通道的信道信息。

可选地，所述光信号发射源受中央控制器控制；所述光信号发射源在可见光通信***中作为天线使用。

可选地，所述位置信息要求选用同一坐标系表示，并不局限于大地坐标系；

可选地，所述光信号发射源位置固定，其位置在网络规划时写入中央控制器。

可选地，所述位置信息用同一坐标系标识。

可选地，还包括如下步骤：

步骤一：终端利用传感器测量数据获取自身姿态信息，终端利用定位算法估算自身的位置信息，并将姿态信息和位置信息通过上行链路反馈至基站，基站解析后发送给中央控制器；

步骤二：中央控制器利用光信号接入点和终端的位置信息以及终端姿态信息筛选出可建立光信号传输的链路；

步骤三：中央控制器根据终端业务需求和光信号发射源的状态确定传输链路，并计算各个链路的信道信息。

可选地，所述中央控制器利用光信号接入点和终端的位置信息以及终端姿态信息，并根据距离和角度筛选出可建立光信号传输的链路。

可选地，所述中央控制器根据终端业务需求和光信号发射源的状态确定传输链路，并计算各个链路的信道信息。

本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的一种适用于室内可见光通信***的发射端获取信道信息方法，其特征在于，终端通过上行链路反馈位置信息和姿态信息到基站，基站把接收到的位置信息和姿态信息汇总到中央控制器，由中央控制器根据接收到的终端位置信息、终端姿态信息和存储的光信号发射源位置信息计算对应链路的信道信息，如此可以克服现有技术必须对每一条连接链路单独估计信道并反馈信道信息到发射端而带来的终端计算量过大和反馈开销过大问题，降低发射端获取信道信息所需的计算量和反馈开销。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***模型示意图；

图2a为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***点对点链路直射径传输链路示意图；

图2b为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***点对点链路直射径传输链路中终端姿态标识示意图；

图3为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***发射端获取下行信道信息过程的结构框图；

图4为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***的发射端获取信道信息方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***模型示意图，在如图1所示的室内可见光通信***10包括中央控制器101以及信号发射源102。在图1所示的实施例中室内照明LED充当信号发生源102，在照明的同时发射携带有用信息的光信号，接近朗伯发光体的LED光辐射满足朗伯辐射模型。如图1所示，充当信号发射源102的室内照明LED可以有多个协同工作，而且这些充当信号发射源的室内照明LED受中央控制器101的控制。在图1所示的实施例中受视场角的限制，终端安装的用于接收光信号的光电二极管只能接收一定角度范围内到达的光信号，为了满足无缝覆盖，室内可见光通信***通常采用多个光信号发射源协助通信。

图2a为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***点对点链路直射径传输链路示意图，在图2所示的实施例中室内可见光通信***点对点链路直射径传输链路示意图20包括光信号发射源201以及终端接收器202，其中光信号发射源201的位置坐标为(x,y,z)、终端接收器202的位置坐标为(x_u,y_u,z_u)，光信号发射源到终端接收器之间直射光线的出射角为φ，光信号发射源到终端接收器之间直射光线的入射角为

给定终端光信号接收器的视场角为ψ，接收面面积为A，则遵从朗波辐射模型的光信号发射源与终端之间的直射径对应的信道增益也由式子

确定，其中d为光信号发射源与终端之间的直线距离，可根据两者的位置坐标，由式子

计算，rect(x)为矩形函数，其定义为：rect(x)＝1,x≤1；rect(x)＝0,x＞1。

图2b为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***点对点链路直射径传输链路中终端姿态标识示意图，其中终端的姿态用终端所安装光电转换器接收面法线与选定坐标系z轴正方向的夹角θ以及其在xoy平面投影与x轴正方向的夹角ω来定义，记作(θ,ω)，根据光信号接入点的位置、终端位置和终端姿态信息可以由式子

来计算信道增益表达式中的

的值。

图3为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***发射端获取下行信道信息过程的结构框图。如图3所示包括中央控制器301，基站302，光信号发射源303以及终端304。其中中央控制301可以筛选可传输链路，确定传输信号链路，以及计算链路信道信息。图3中基站302受中央控制器301的控制，其中基站302可以是多个独立的基站，也可以是一个基站的多个天线，在图3中仅仅示意出了是个天线的实施例，并不限制在另外的实施例中为多个独立基站的应用。基站302用于发射和接收无线信号，并从接收信号中解析出用户位置信息和姿态信息，然后通过有线信道送至中央控制器301。图3中光信号发射源303为室内照明用LED，受中央控制器301管理且位置固定，在可见光通信***充当信号发射天线；其中光信号发射源303与中央控制器301通过有线信道通信。

当室内可见光通信作为下行补盲，与射频无线通信***一起异构组网时，下行传输链路在两种通信模式之间切换，终端304具备接收光信号功能也具备接收射频信号功能，并且两种通信模式是由同一个中央控制器301统一管理，室内可见光通信***和射频无线通信***有共同需求的信息可以共享。图3中终端304既能接收或发射无线射频信号，也能接收或发射可见光信号，通过定位算法估算自身位置信息，通过传感器设备测量自身姿态信息，并通过上行传输链路周期性向基站上报位置信息和姿态信息。

如图3所示中央控制器301负责包括上下行在内的整个通信网络的资源分配和用户调度，中央控制器301利用存储的光信号发射源303的位置信息和终端304的位置信息以及终端反馈的姿态信息获取下行可见光传输通道的信道信息，根据信道信息和用户需求进行可见光通信***的用户调度，并利用信道信息对调用户的信息做信道预编码后通过有线信道发送给相应的LED(光信号发射源)；图3中光信号发射源为室内照明用LED，受中央控制器管理且位置固定，且其位置信息在组网之初已经存储到中央控制器，在可见光通信***充当信号发射天线，把通过有线信道接收到的用户信息通过可见光无线信道发送出去。

图4为本发明实施例提供的一种室内可见光通信***的发射端获取信道信息方法的流程图，该实施例的具体实施步骤如下：

S401：终端利用自身传感器测量数据获取姿态信息，利用定位算法获取位置信息；

S402：终端通过上行链路把姿态信息和位置信息发送到基站；

S403：基站检测终端姿态信息合位置信息并上报给中央控制器；

S404：中央控制器匹配存储的终端位置和接收到的终端姿态信息；

S405：中央控制器利用存储的N个光信号发射源位置信息和终端位置信息以及接收到的M个终端姿态信息，首先遍历i＝1:N,j＝1:M，先筛选出直线距离低于阈值的所有光信号发射源-终端对，再从中筛选出光信号发射源到终端的入射角小于光电二极管的视场角的光信号发射源-终端对即为满足可见光传输条件的光信号发射源-终端对。具体过程：

第一次筛选：中央控制器利用存储的N个光信号发射源位置信息和接收到姿态反馈信息的M个终端的位置位置信息，计算第i(i<＝N)个光信号发射源和第j(j<＝M)个终端之间的距离d_ij，具体过程如下：假设第i个光信号发射源位置坐标为(x_i,y_i,z_i)，第j个终端的位置坐标为(x_uj,y_uj,z_uj)，两者的距离

对比d_ij与给定的阈值d的大小，若d_ij≤d，则该组光信号发射源-终端对进入第二次筛选，若d_ij＞d则结束本次筛选，进入下一个循环。遍历i＝1:N,j＝1:M，保证所有满足条件的光信号发射源-终端对进入二次筛选。

第二次筛选：假设第一次筛选出K个光信号发射源-终端对，遍历k＝1:K，根据每一个终端-光信号发射源对中的终端的位置和姿态信息筛选出满足信号传输条件的光信号发射源-终端对：假设第k(k＝1,2,...,K)个终端-光信号发射源对中终端位置坐标为(x_u,y_u,z_u)，姿态信息为(θ,ω)，光信号发射源位置信息为(x,y,z)，计算光信号入射角余弦

对比

与终端接收光信号的光电二极管的视场角ψ的余弦cos(ψ)的大小，若

则该组光信号发射源-终端对作为可传输信号，若

则放弃。

S406：中央控制器根据光信号发射源的负载和终端的业务请求，基于筛选出的满足信号传输条件的光信号发射源-终端对，进行资源分配，为被选中的终端分配合适的光信号发射源；

S407：中央控制器根据调度结果，根据选择的光信号发射源-终端信息计算每条传输链路的信道信息，其中，直射径对应信道增益计算式子为

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：提供了一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，在该方法中，终端只需要测量自身姿态信息并通过上行链路上报给发射端，而不需要直接反馈其所有可连接通道的信道信息，减少了终端信道估计所需计算量，也降低了反馈开销，达到了提高整个通信***传输效率的技术效果。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，包括光信号发射源、终端、基站以及中央控制器；

所述光信号发射源用于发射光信号；

所述终端通过上行链路反馈位置信息和姿态信息到所述基站；

所述基站把接收到的位置信息和姿态信息汇总到所述中央控制器；

所述中央控制器根据接收到的终端位置信息、终端姿态信息以及存储的光信号发射源位置信息计算对应链路的信道信息。

2.如权利要求1所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述终端接收或发射无线射频信号，所述终端包括用于接收光信号的光电二极管，所述终端估算自身位置信息；所述终端还包括用于测量自身姿态的传感器设备，所述传感器设备通过上行传输链路周期性向所述基站上报所述终端的位置信息与姿态信息。

3.如权利要求1所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述基站受所述中央控制器控制；所述基站用于发射和接收信号；所述基站从接收信号中解析出用户位置信息和姿态信息并发送至所述中央控制器。

4.如权利要求1所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述中央控制器，用于网络资源分配，用户调度，可见光信号的发送处理，以及利用存储的所述光信号发射源位置信息、终端的位置信息以及终端反馈的姿态信息获取下行可见光传输通道的信道信息。

5.如权利要求1所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述光信号发射源受中央控制器控制；所述光信号发射源在可见光通信***中作为天线使用。

6.如权利要求1所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述光信号发射源位置固定，其位置在网络规划时写入所述中央控制器。

7.如权利要求1-6任一所述的室内可见光通信***发射端获取信道信息的方法，其特征还在于，所述位置信息用同一坐标系标识。

8.如权利要求1所述的室内可见光通信***的发射端获取信道信息的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤一：终端利用传感器测量数据获取自身姿态信息，终端利用定位算法估算自身的位置信息，并将姿态信息和位置信息通过上行链路反馈至基站，基站解析后发送给中央控制器；

步骤二：中央控制器利用光信号接入点和终端的位置信息以及终端姿态信息筛选出可建立光信号传输的链路；

步骤三：中央控制器根据终端业务需求和光信号发射源的状态确定传输链路，并计算各个链路的信道信息。

9.如权利要求8所述的室内可见光通信***的发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述中央控制器利用光信号接入点和终端的位置信息以及终端姿态信息，并根据距离和角度筛选出可建立光信号传输的链路。

10.如权利要求8所述的室内可见光通信***的发射端获取信道信息的方法，其特征在于，所述中央控制器根据终端业务需求和光信号发射源的状态确定传输链路，并计算各个链路的信道信息。

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