本發(fā)明涉及光學(xué)無線通信(諸如li-fi通信)的領(lǐng)域。更特別地，本文公開了與安全的光學(xué)無線通信系統(tǒng)相關(guān)的各種裝置、系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、為了使得越來越多的電子設(shè)備(如筆記本電腦、平板電腦和智能手機)能夠無線連接到互聯(lián)網(wǎng)，無線通信面臨著前所未有的對數(shù)據(jù)速率以及鏈路質(zhì)量的要求，并且考慮到與物聯(lián)網(wǎng)(iot)相關(guān)的新興數(shù)字革命，這些要求保持逐年增長。射頻技術(shù)(如wi-fi)具有有限的頻譜容量，無法迎接這場革命。與此同時，光保真(li-fi)憑借其內(nèi)在的安全性增強和在可見光、紫外(uv)和紅外(ir)光譜的可用帶寬上支持更高數(shù)據(jù)速率的能力，吸引了越來越多的關(guān)注。此外，與wi-fi相比，li-fi具有方向性，并由擋光材料屏蔽，這使其有可能通過在空間上重用相同的帶寬在用戶密集的區(qū)域中部署更大數(shù)量的接入點。與無線射頻通信相比，這些關(guān)鍵優(yōu)勢使li-fi成為緩解iot應(yīng)用以及室內(nèi)無線接入擁擠的無線電頻譜壓力的有前途的安全解決方案。li-fi的其他可能益處可以包括保證特定用戶的帶寬，以及以其他方式在易受電磁干擾的區(qū)域安全運行的能力。因此，li-fi是一種非常有前途的技術(shù)，用于實現(xiàn)下一代沉浸式連接。

2、在點對點owc系統(tǒng)中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐量和/或長距離、同時保持廣角覆蓋是一個挑戰(zhàn)。這不僅是因為對發(fā)射機的功率要求增加，而且因為由于眼睛安全的要求，將光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸功率增加到一定水平以上不總是可能的。

3、為了解決該問題，已知通過使用一組小角波束來實現(xiàn)整體覆蓋，在該組小角波束中只有一個小角波束將能夠用于實際的數(shù)據(jù)通信，因此降低了功耗。由于波束的一些重疊(這對于實現(xiàn)波束之間的無縫切換是必要的)，接收設(shè)備將同時檢測若干波束，并且將選擇最佳的波束用于通信。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了協(xié)助這種波束選擇過程，可以使用唯一的代碼來標(biāo)識每個發(fā)射的波束。當(dāng)將波束放置在矩陣中以覆蓋某個區(qū)域時，所需代碼的數(shù)量快速增長，例如，對于正方形矩陣是平方增長。為了在遠(yuǎn)程接收機設(shè)備處選擇正確的波束，接收的信號需要與發(fā)射機可能使用的每一個可能的cdma代碼進(jìn)行互相關(guān)，從而生成相關(guān)峰值，其幅度對應(yīng)于每個波束的接收信號強度。由于互相關(guān)是計算量很大的操作，隨著波束數(shù)量的增加，縮放變得困難，尤其是當(dāng)使用具有有限cpu和內(nèi)存能力的低功率處理器(例如，微控制器)來解碼信號時。

2、通過用代表其在發(fā)射器矩陣中的坐標(biāo)的一對代碼對每個光束進(jìn)行編碼，所需代碼的二次增長回到線性增長。通過使用行屬性和列屬性，波束陣列中的每個發(fā)射器可以由這兩個參數(shù)唯一地標(biāo)識或?qū)ぶ贰Ｗ鳛槭纠?，在n×n波束陣列中的發(fā)射器可以由2n個代碼、而不是n2個代碼來尋址。以這種方式，減少了用于標(biāo)識波束的發(fā)射代碼的數(shù)量，這節(jié)省了發(fā)射機的內(nèi)存使用和傳輸功率。因此，用于在接收機側(cè)檢測波束的復(fù)雜度也降低了，例如，互相關(guān)的計算被簡化了。

3、鑒于以上所述，本公開針對用于在光學(xué)無線通信系統(tǒng)中提供有效的2d波束選擇過程的方法、裝置和系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明的目的是通過如權(quán)利要求1所要求保護(hù)的光學(xué)無線通信設(shè)備、如權(quán)利要求10所要求保護(hù)的光學(xué)無線通信系統(tǒng)、如權(quán)利要求13所要求保護(hù)的光學(xué)無線通信設(shè)備的波束選擇方法以及如權(quán)利要求14所要求保護(hù)的用于協(xié)助波束選擇的遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的方法來實現(xiàn)的。

4、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光學(xué)無線通信設(shè)備。一種光學(xué)無線通信設(shè)備，包括：二維發(fā)射器陣列，每個發(fā)射器被布置成發(fā)射光學(xué)信號和具有單獨覆蓋區(qū)域；其中二維發(fā)射器陣列被布置成創(chuàng)建比單獨覆蓋區(qū)域更大的組合覆蓋區(qū)域，其中每個單獨覆蓋區(qū)域均勻分布在組合覆蓋區(qū)域內(nèi)；接收機，其被配置成接收來自組合覆蓋區(qū)域中的遠(yuǎn)程設(shè)備的反饋；以及控制器，其被配置為向二維發(fā)射器陣列之中的每個發(fā)射器分配地址，每個地址包括一對代碼，該對代碼根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系分別表示x軸和y軸上的坐標(biāo)，以在笛卡爾坐標(biāo)系中唯一地標(biāo)識每個發(fā)射器；其中二維發(fā)射器陣列之中的每個發(fā)射器被配置成發(fā)送包括其地址的信標(biāo)信號，用于協(xié)助遠(yuǎn)程設(shè)備提供反饋，其中多個發(fā)射器被配置成根據(jù)碼分多址發(fā)送信標(biāo)信號；并且控制器被配置為根據(jù)從遠(yuǎn)程設(shè)備接收到的反饋，從二維發(fā)射器陣列之中選擇發(fā)射器，用于與遠(yuǎn)程設(shè)備建立光學(xué)無線數(shù)據(jù)鏈路。

5、光學(xué)無線通信可以在可見光、紫外(uv)和紅外(ir)光譜中執(zhí)行。因此，光學(xué)無線通信也可以被稱為li-fi通信或可見光通信(vlc)。每個發(fā)射器包括至少一個用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠础９庠纯梢允前l(fā)光二極管(led)、激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)或邊緣發(fā)射激光二極管(eeld)中的一種。優(yōu)選地，光源包括led和vcsel中的至少一種。

6、已知的是，為了支持高數(shù)據(jù)速率光學(xué)無線通信，使用窄波束發(fā)射器是有效的。然而，對于單個窄波束發(fā)射器，覆蓋區(qū)域可能非常有限。因此，在實際系統(tǒng)中，可以通過在發(fā)射機側(cè)部署小角發(fā)射器陣列來完成整體覆蓋，并且只有與遠(yuǎn)程接收機最佳對準(zhǔn)的發(fā)射器將能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在這個意義上，發(fā)射機以相對低的功耗實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和大覆蓋。

7、唯一的代碼序列可以用于標(biāo)識發(fā)射器陣列的每個發(fā)射器。然而，隨著矩陣大小的增加，所需的唯一代碼序列的數(shù)量迅速增長。代碼序列數(shù)量的減少可以是通過一對代碼來尋址每個發(fā)射器，以根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系分別標(biāo)識x軸和y軸上的坐標(biāo)。以這種方式，通過代碼組合來標(biāo)識發(fā)射器。例如，n×n的波束矩陣將通常需要n2個不同的代碼序列，而發(fā)射其行和列索引的組合將只需要2n個不同的代碼序列。清楚的是，減少因子隨著矩陣大小的增加而增長。

8、由于這對代碼唯一地標(biāo)識陣列之中的發(fā)射器，因此當(dāng)每個發(fā)射器被配置成發(fā)送包括其地址的信標(biāo)信號、并且多個發(fā)射器被配置成根據(jù)碼分多址同時發(fā)送信標(biāo)信號時，遠(yuǎn)程設(shè)備將能夠彼此區(qū)分信標(biāo)信號，并且向光學(xué)無線通信設(shè)備提供反饋。然后，光學(xué)無線通信設(shè)備將使用該反饋選擇陣列之中的發(fā)射器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

9、有益的是，在笛卡爾坐標(biāo)系中用于尋址發(fā)射器的代碼彼此正交。

10、在笛卡爾坐標(biāo)系中用作坐標(biāo)的任何兩個代碼之間的代碼距離越大，遠(yuǎn)程設(shè)備就越容易將地址與從光學(xué)無線通信設(shè)備接收的信標(biāo)信號區(qū)分開。因此，優(yōu)選的是，所有的代碼彼此正交。

11、在一個示例中，笛卡爾坐標(biāo)系的軸與二維陣列的行和列水平和垂直地對齊。

12、二維發(fā)射器陣列通常被部署為具有統(tǒng)一布局的矩陣，使得同一行或同一列中的任何兩個發(fā)射器之間的間隔距離是相同的，例如d。笛卡爾坐標(biāo)系的軸被用作用于尋址陣列中的發(fā)射器的參考。這些軸可以與二維陣列的行和列對齊，或者與陣列的行和列相比具有不同的取向。

13、當(dāng)軸與二維陣列的行和列對齊時，共享同一x軸或y軸坐標(biāo)的任何兩個發(fā)射器之間的間隔距離與同一行或同一列中的任何兩個發(fā)射器之間的物理間隔距離相同，例如d。

14、在另一個示例中，如與二維陣列的行和列相比，笛卡爾坐標(biāo)系的軸旋轉(zhuǎn)通過一個角度，以增加二維陣列之中共享相同的x軸或y軸坐標(biāo)的任何兩個發(fā)射器之間的最小間隔距離。

15、為了增加共享同一x軸或y軸坐標(biāo)的任何兩個發(fā)射器之間的間隔距離，如與二維陣列的行和列相比，將笛卡爾坐標(biāo)系的軸旋轉(zhuǎn)一個角度是有益的。并且然后共享同一x軸或y軸坐標(biāo)的兩個發(fā)射器的最小間隔距離將大于d。

16、有益的是，如與二維陣列的行和列相比，笛卡爾坐標(biāo)系的軸旋轉(zhuǎn)了反正切arctangent(0.5)度。

17、對于n×n大小的陣列，這可以最大化共享相同的x軸或y軸坐標(biāo)的兩個發(fā)射器的最小間隔距離。對于不同大小的矩陣，另一個旋轉(zhuǎn)角度可能甚至更有益。

18、在一個選項中，接收機是rf接收機。

19、可以根據(jù)諸如wi-fi、ble或zigbee標(biāo)準(zhǔn)的短程無線通信協(xié)議在射頻信道中提供反饋。

20、在另一個選項中，接收機是光學(xué)接收機。

21、也可以在光譜中提供反饋，該光譜或者與光學(xué)無線數(shù)據(jù)通信相同或者是另一個頻帶。

22、有益的是，光學(xué)接收機還被配置成在雙向光學(xué)無線數(shù)據(jù)鏈路中接收光學(xué)數(shù)據(jù)信號。

23、有利的是，二維發(fā)射器陣列沿兩個正交方向布置在矩陣中，或者沿兩個方向布置在六邊形結(jié)構(gòu)中。

24、盡管光學(xué)發(fā)射機可以布置在正交陣列/矩陣中，但是使用六邊形結(jié)構(gòu)代替正方形或矩形結(jié)構(gòu)可能是有益的。六邊形結(jié)構(gòu)允許減少相鄰發(fā)射器的覆蓋區(qū)域的重疊。

25、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種光學(xué)無線通信系統(tǒng)。一種光學(xué)無線通信系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)無線通信設(shè)備；包括至少一個光電二極管的遠(yuǎn)程光學(xué)接收機，其被配置為檢測由光學(xué)無線通信設(shè)備發(fā)送的多個信標(biāo)信號；控制器，其被配置為解碼被包括在多個信標(biāo)信號之中具有最高接收信號強度的信標(biāo)信號中的第一地址；其中遠(yuǎn)程光學(xué)接收機被配置為向光學(xué)無線通信設(shè)備提供關(guān)于第一地址的反饋，并且光學(xué)無線通信設(shè)備被配置為根據(jù)反饋中指示的第一地址選擇對應(yīng)的發(fā)射器，以建立與遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的光學(xué)無線通信鏈路。

26、在檢測由光學(xué)無線通信設(shè)備發(fā)送的多個信標(biāo)信號時，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機需要標(biāo)識具有最強接收信號強度的信標(biāo)信號。發(fā)送具有最強接收信號強度的信標(biāo)信號的發(fā)射器是與遠(yuǎn)程光學(xué)接收機最佳對準(zhǔn)的發(fā)射器。由于地址信息被嵌入在信標(biāo)信號中，因此通過區(qū)分信標(biāo)信號，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機也可以解碼該發(fā)射器的地址，并在該解碼的地址上向光學(xué)無線通信設(shè)備提供反饋。

27、遠(yuǎn)程光學(xué)接收機包括至少一個光電二極管。光電二極管也可以被稱為光檢測器、光電檢測器或光電傳感器，其可以是pin二極管、雪崩光電二極管(apd)或光電倍增器。遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的視野可以僅覆蓋光學(xué)無線通信設(shè)備的多個發(fā)射器的子集。并且然后，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機可以僅檢測由光學(xué)無線通信設(shè)備發(fā)射的信標(biāo)信號的子集，并且從由遠(yuǎn)程光學(xué)接收機接收的信標(biāo)信號的子集中選擇第一地址。

28、有益的是，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的控制器被配置成計算檢測到的多個信標(biāo)信號之間的互相關(guān)結(jié)果，其中每個代碼被用作光學(xué)無線通信設(shè)備的笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并且對表示笛卡爾坐標(biāo)系的x軸和y軸上的坐標(biāo)的每對代碼的互相關(guān)結(jié)果求和，以導(dǎo)出每個信標(biāo)信號的相對信號強度，并且根據(jù)相對信號強度選擇具有最高接收信號強度的信標(biāo)信號。

29、光學(xué)無線通信設(shè)備的發(fā)射器根據(jù)碼分多址同時發(fā)送多個信標(biāo)信號。信標(biāo)信號的檢測是基于代碼序列的本地副本和接收到的重疊信標(biāo)信號之間的互相關(guān)。因為光學(xué)無線通信設(shè)備的單獨發(fā)射器的地址包括一對代碼，所以對代表x軸或y軸的每個單獨代碼執(zhí)行互相關(guān)。代表單獨發(fā)射器地址的每對代碼的互相關(guān)結(jié)果之和被用來估計每個信標(biāo)信號的相對信號強度。由于發(fā)射器都以相同的輸出功率發(fā)射，因此由遠(yuǎn)程光學(xué)接收機接收的相對信號強度越高，在發(fā)射器和遠(yuǎn)程光學(xué)接收機之間的對準(zhǔn)越好。

30、在一個示例中，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機還包括rf發(fā)射機或光學(xué)發(fā)射機，以將第一地址上的反饋發(fā)送到光學(xué)無線通信設(shè)備。

31、對光學(xué)無線通信設(shè)備的反饋可以在射頻頻帶或光學(xué)頻帶中提供。

32、在優(yōu)選的設(shè)置中，遠(yuǎn)程光學(xué)接收機包括光學(xué)發(fā)射機，并且然后可以建立雙向光學(xué)數(shù)據(jù)鏈路。

33、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種波束選擇方法。一種波束選擇方法包括光學(xué)無線通信設(shè)備的以下步驟：由光學(xué)無線通信設(shè)備的二維發(fā)射器陣列之中的每個發(fā)射器發(fā)射光學(xué)信號和具有單獨覆蓋區(qū)域；由二維發(fā)射器陣列創(chuàng)建組合覆蓋區(qū)域，其中該組合覆蓋區(qū)域大于二維發(fā)射器陣列之中的發(fā)射器的單獨覆蓋區(qū)域，并且每個單獨覆蓋區(qū)域均勻分布在組合覆蓋區(qū)域內(nèi)；給二維發(fā)射器陣列之中的每個發(fā)射器分配一個地址，每個地址包括一對代碼，該對代碼根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系分別表示x軸和y軸上的坐標(biāo)，以在笛卡爾坐標(biāo)系中唯一地標(biāo)識每個發(fā)射器；由每個發(fā)射器發(fā)送信標(biāo)信號，該信標(biāo)信號包括其分配的地址，用于協(xié)助遠(yuǎn)程設(shè)備提供反饋；由多個發(fā)射器根據(jù)碼分多址發(fā)送信標(biāo)信號；從組合覆蓋區(qū)域中的遠(yuǎn)程設(shè)備接收反饋；以及根據(jù)從遠(yuǎn)程設(shè)備接收到的反饋，從二維發(fā)射器陣列之中選擇發(fā)射器，用于建立光學(xué)無線數(shù)據(jù)鏈路。

34、根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，提供了一種遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的方法。該方法包括遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的以下步驟：檢測由光學(xué)無線通信設(shè)備發(fā)送的多個信標(biāo)信號；解碼被包括在多個信標(biāo)信號之中具有最高接收信號強度的信標(biāo)信號中的第一地址；以及向光學(xué)無線通信設(shè)備提供關(guān)于第一地址的反饋。

35、有益的是，該遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的方法還包括以下步驟：計算檢測到的多個信標(biāo)信號之間的互相關(guān)結(jié)果，其中每個代碼用作光學(xué)無線通信設(shè)備的笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；對表示笛卡爾坐標(biāo)系的x軸和y軸上的坐標(biāo)的每對代碼的互相關(guān)結(jié)果求和，以導(dǎo)出每個信標(biāo)信號的相對信號強度；以及根據(jù)相對信號強度選擇具有最高接收信號強度的信標(biāo)信號。