CN112165356B - 一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法，包括箱体，箱体的内部设有基座，基座的内部设有用于发射光束的发光器，基座的侧壁上呈圆周阵列的形式固定连接有多个安装板，多个安装板的内侧壁上分别固定连接有用于将光束分束的分束组件，安装板上设有用于调节每束光束焦距的调焦结构，调焦结构包括设置在安装板上且位于每束光束前侧的透镜组，本发明根据用户量和位置能够自动适应的改变焦距范围，并能够分成多束光进行分别照射通信，避免光照面积太大，损耗增加，并且避免数据被截获提高指向性的安全度。

Description

一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体为一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法。

背景技术

可见光通信技术是基于照明光源的无线光通信技术，在机场、医院等严格限制电磁干扰的场合可替代射频通信，应用前景广阔。目前可见光通信技术中使用激光器具有传输距离长的特点，但是覆盖面积极小，而LED具有覆盖面积广的特点，但是距离受到极大的限制。无论用户数量的多少，光信号均为覆盖式扩散广播，这样会导致信号变得衰弱，信号不稳定，传输效率低，若将信号变强，需提高发光器的发射功率，这样虽然会保证光信号变强，但是会直接增加发光器的工作负荷，尤其是在用户量较少的情况下进行扩散式广播，极大的浪费通讯资源。因此，提出了一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法，本发明通过自动调整焦距，实现覆盖面积和距离之前的自动平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光通信的基站自适应波束成型系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，包括箱体，所述箱体的内部设有基座，所述基座通过第一电机驱动旋转，所述基座的内部设有用于发射光束的发光器，所述基座的侧壁上呈圆周阵列的形式固定连接有多个安装板，多个安装板的内侧壁上分别固定连接有用于将光束分束的分束组件，每个分束组件分的光束分束数量不同，所述安装板上设有用于调节每束光束焦距的调焦结构，所述调焦结构包括设置在安装板上且位于每束光束前侧的透镜组，所述透镜组通过第二电机驱动滑动，所述安装板上设有用于调节光束发射角度的调向结构。

优选的，所述调向结构包括设置在安装板上第二反射镜，所述第二反射镜通过第三电机驱动旋转。

优选的，所述箱体通过转动机构驱动旋转，所述转动机构包括固定板，所述固定板的侧壁上转动连接有转盘，所述转盘通过第四电机驱动旋转，所述转盘的中心位置设有球头件，所述球头件与箱体的侧壁连接，所述转盘远离中心的侧壁上固定连接有电动推杆，所述电动推杆的输出轴端部与箱体的侧壁连接。

优选的，所述调向结构包括垂直电机、垂直反射镜、水平电机以及水平反射镜，所述垂直电机与水平电机以垂直的形式固定连接在安装板上，所述垂直反射镜与水平反射镜分别固定在垂直电机与水平电机的输出轴上，且所述垂直反射镜与水平反射镜分别绕着垂直电机与水平电机输出轴的轴线旋转。

优选的，所述调向结构包括移动框、调向透镜、两个滑杆以及驱动两个滑杆滑动的第五电机，所述调向透镜固定在移动框上，所述第五电机驱动两个滑杆在相互垂直的方向上进行滑动，且两个滑杆分别套接在移动框的两个垂直侧边上实现驱动移动框在一平面内移动。

一种基于光通信的基站自适应波束成型系统的方法，所述方法包括以下步骤，

S1、基站初始化后，以广播形式发送初始化信息，

S2、客户端获取初始化信息，并反馈报文数据信息给基站，

S3、基站获取客户端的报文数据，根据报文数据整合，计算获得通信参数，

S4、基站根据通信基础参数，计算并调整通信发光器的姿态参数，

S5、基站发生携带数据的光波信号给客户端，

S6、基站端初始化。

优选的，所述通信参数包括活跃的客户端数量、活跃的客户端所在位置、客户端所需数据负载量。

优选的，所述通信发光器的姿态参数包括分成几束通信光、通信光扩散范围以及通信光发射角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据用户量选择广播方式，当用户量较多并且位置分散至整个光信号广播范围区域时，该装置选择扩散广播，当用户量较少且用户的位置集中一个区域时，根据用户位置信息，通过调焦机构将光束缩小，并且通过调向机构将光束偏转，实现集中光信号广播，这样可降低发光器的发射功率，减少发光器的工作负荷，尤其是在用户量较少的情况下降低负荷，信号较强、较为稳定，提高了光传播的传输效率，并且通过转动基座，使光束贯穿不同的分束组件进行广播，可实现光束的分束，产生多个集中光信号传播的区域，继而实现多个区域集中光信号广播。

附图说明

图1为本发明基站的整体结构示意图；

图2为本发明的光通信示意图Ⅰ；

图3为本发明的光通信示意图Ⅱ；

图4为本发明的光通信示意图Ⅲ；

图5为本发明的光通信示意图Ⅳ；

图6为本发明的转动机构与箱体处的爆炸图；

图7为本发明的箱体、基座与安装板处的剖视图；

图8为本发明的图7的A处放大图；

图9为本发明的发光器、分束组件、透镜组与第二反射镜处的剖视图Ⅰ；

图10为本发明的发光器、分束组件、透镜组与第二反射镜处的剖视图Ⅱ；

图11为本发明的发光器、分束组件处的结构示意图Ⅰ；

图12为本发明的发光器、分束组件处的结构示意图Ⅱ；

图13为本发明的发光器、分束组件处的结构示意图Ⅲ；

图14为本发明的垂直、水平、第二反射镜与发光器处的剖视图Ⅰ；

图15为本发明的垂直、水平、第二反射镜与发光器处的剖视图Ⅱ；

图16为本发明的安装板、调向透镜与第五电机处的结构示意图；

图17为本发明的图16的B处放大图；

图18为本发明的发光器、第二反射镜、分束组件与调向透镜处的剖视图。

图中：1、箱体，2、基座，3、第一电机，4、发光器，5、安装板，6、分束组件，601、分束镜，602、第一反射镜，7、调焦结构，701、透镜组，702、第二电机，8、调向结构，9、第二反射镜，10、第三电机，11、转动机构，1101、固定板，1102、转盘，1103、第四电机，1104、球头件，1105、电动推杆，12、垂直电机，13、垂直反射镜，14、水平电机，15、水平反射镜，16、移动框，17、调向透镜，18、滑杆，19、第五电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供一种技术方案：一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，包括箱体1，箱体1是基站的安装载体其内部为基站的发光调制系统，并且箱体1上设有光电接收板(图上未画出)用于接收外部客户端(图上未画出客户端样式)发来的反馈光信号，所述箱体1的内部设有基座2，所述基座2通过第一电机3驱动旋转，如图7所示，第一电机3固定连接在箱体1的内部，并且第一电机3的输出轴与基座2通过齿牙啮合连接，且基座2的上端转动连接在箱体1的侧壁上，当第一电机3启动时，第一电机3的输出轴旋转并带着基座2进行旋转，所述基座2的内部设有用于发射光束的发光器4，如图9所示，箱体1的内部固定有固定架，发光器4通过支撑架固定在箱体1的内部，即当基座2旋转时发光器4不动，以此可以让多个安装板5根据需要转动到发光器4的前方来，所述基座2的侧壁上呈圆周阵列的形式固定连接有多个安装板5，多个安装板5的内侧壁上分别固定连接有用于将光束分束的分束组件6，每个分束组件6分的光束分束数量不同，如图11所示，当需要一束光束进行光通信时，分束组件6可视为让光束穿透的平面透镜，如图12-13所示，当需要多束光束进行光通信时，分束组件6的内部设有分束镜601(45度摆放)，发光器4发射出的一束光束照射到一个分束镜601上时，通过分束镜601的反射和折射，光束就被分为两束，如图13所示，分束组件6的内部包含有多层分束镜601时，光束可分为多条，并且通过第一反射镜602反射后，每束光束均朝着前方发射，当包含不同分束镜601的分束组件6随着基座2转动至发光器4的正前方时，实现分束组件6将发光器4发射出的光束分成不同数量的光束，分束镜601将光束反射和折射成两束广谱成分相同的技术为现有公开技术，故不做赘述，所述安装板5上设有用于调节每束光束焦距的调焦结构7，所述调焦结构7包括设置在安装板5上且位于每束光束前侧的透镜组701，透镜组701中可以包含多个透镜(如凸透镜、凹透镜等)，所述透镜组701通过第二电机702驱动滑动可以控制每组透镜组701之间的距离从而控制焦距实现每束光线扩散的范围不同，如图9-10所示，第二电机702固定在安装板5上，第二电机702的输出轴上设有螺杆，螺杆与透镜组701的侧壁啮合连接，当第二电机702启动时，第二电机702的输出轴带着螺杆旋转，促使螺杆带着透镜组701滑动，(当然第二电机702的数量可以是多个分别控制每组透镜组701中的每个透镜移动，图上未视出)，这样根据用户位置信息，实现第二电机702驱动透镜组701滑动，继而实现调剂焦距扩散的作用，如图2-5所示，S为该装置光通信的最大通信范围，S1、S2、S3为该装置光通信的实际光通信范围示例，针对图2所示，若很多个用户位置均布在S内时，启动第二电机702驱使滑动透镜组701，使透镜组701将光束调节扩散至S的范围，针对图3所示，若多个用户位置分布在S1内时，启动第二电机702驱使滑动透镜组701，使透镜组701将光束收缩至S1的范围，另外多个用户分组分布在如图4-5中所示的S1、S2、S3多个区域集中时，可以通过转到合适的安装板5上，选择对应数量的分束组件6进行分别区域传输，从而减少无用户区域的光照浪费。所述安装板5上设有用于调节光束发射角度的调向结构8。并且本申请能够减少无用户区域的光照射提供能源利用，并且避免数据被截获也提高指向性的安全度。

实施例2：

在实施例一的基础上，根据用户位置信息，为了实现调节该装置发射的光束角度，以便光束的发射角度调节后，致使光通信覆盖用户，具体而言，所述调向结构8包括设置在安装板5上第二反射镜9，所述第二反射镜9通过第三电机10驱动旋转，如图7-10所示，第三电机10固定在安装板5的侧壁上，且第三电机10的输出轴与第二反射镜9的中部固定连接，当第三电机10启动时，第三电机10的输出轴带着第二反射镜9旋转，继而改变第二反射镜9的角度，这样便可实现改变光束的发射角度(如图9所示)。

为了进一步对光束角度进行调节，具体而言，所述箱体1通过转动机构11驱动旋转，所述转动机构11包括固定板1101，所述固定板1101的侧壁上转动连接有转盘1102，所述转盘1102通过第四电机1103驱动旋转，如图1、6所示，第四电机1103固定在固定板1101的侧壁上，第四电机1103的输出轴通过齿牙与转盘1102的侧壁啮合连接，当第四电机1103启动时，第四电机1103的输出轴旋转并驱动转盘1102在固定板1101上旋转，所述转盘1102的中心位置设有球头件1104，所述球头件1104与箱体1的侧壁连接，如图6所示，球头件1104可使箱体1在转盘1102上偏转，这样箱体1的角度发生偏转，继而促使光束的角度发生改变，所述转盘1102远离中心的侧壁上固定连接有电动推杆1105，所述电动推杆1105的输出轴端部与箱体1的侧壁连接，电动推杆1105启动后，电动推杆1105的输出轴可进行收缩，这样电动推杆1105的输出轴顶着或拉着箱体1的一侧，从而驱动箱体1通过球头件1104在转盘1102上旋转，继而使箱体1的角度发生偏转，继而促使光束的角度发生改变，致使光通信的光束照射范围S1(S2、S3)可在S范围内移动实现覆盖用户的目的。

实施例3：

请参阅图14-15，在实施例一的基础上，根据用户位置信息，为了实现调节该装置发射的光束角度，以便光束的发射角度调节后，致使光通信覆盖用户，具体而言，所述调向结构8包括垂直电机12、垂直反射镜13、水平电机14以及水平反射镜15，所述垂直电机12与水平电机14以垂直的形式固定连接在安装板5上，所述垂直反射镜13与水平反射镜15分别固定在垂直电机12与水平电机14的输出轴上，且所述垂直反射镜13与水平反射镜15分别绕着垂直电机12与水平电机14输出轴的轴线旋转，垂直电机12与水平电机14可独立启动，实现垂直反射镜13与水平反射镜15独立旋转运动，且垂直反射镜13与水平反射镜15旋转的轴线相互垂直，这样当发光器4发射的光束照射到水平反射镜15上，再由水平反射镜15反射至垂直反射镜13，且光束再次通过垂直反射镜13反射出去，通过垂直反射镜13与水平反射镜15的旋转，实现调节最终发射的光束的角度，致使光通信的光束照射范围S1(S2、S3)可在S范围内移动实现覆盖用户的目的，此种形式多个通讯区域之间范围可以更加随机排布，调节的区域更加灵活。

实施例4：

请参阅图16-18，在实施例一的基础上，根据用户位置信息，为了实现调节该装置发射的光束角度，以便光束的发射角度调节后，致使光通信覆盖用户，具体而言，所述调向结构8包括移动框16、调向透镜17(可以根据实际选择多种透镜或棱镜，以下以凸透镜为例)、两个滑杆18以及驱动两个滑杆18滑动的第五电机19，所述调向透镜17固定在移动框16上，所述第五电机19驱动两个滑杆18在相互垂直的方向上进行滑动，如图16所示，第五电机19的数量为两个，两个第五电机19固定在安装板5上，且第五电机19的输出轴上固定连接有螺杆，且两个滑杆18的一端分别与两个螺杆啮合连接，继而当第五电机19启动时，两个螺杆旋转，促使两个滑杆18进行滑动，且两个滑杆18分别套接在移动框16的两个垂直侧边上实现驱动移动框16在一平面内移动，如图17所示，当两个滑杆18滑动时，滑杆18会带着移动框16(调向透镜17)在一平面内移动，这样光束会照射到调向透镜17的任一位置上，当光束照射到调向透镜17的中心位置(重合焦点)时，光束会竖直向前发射(如图18所示)，当光束照射到调向透镜17远离中心位置(焦点)时，调向透镜17会对光束产生折射(向焦点方向偏转)，这样便会实现对光束角度的调节，致使光通信的光束照射范围S1(S2、S3)可在S范围内移动实现覆盖用户的目的。

一种基于光通信的基站自适应波束成型系统的方法，所述方法包括以下步骤，

S1、基站初始化后，以广播形式发送初始化信息，由于是扩散的形式所以覆盖面比较广，收到干扰也较多，同时此初始化信息是用于和客户端建立基础通信，即进行认证过程，如内容可以为“在10min内(假设时间)，需要通信的客户端反馈数据”，所以此内容数据量很小，并且多个客户端之间无差别，可采用OOK等(考虑抗干扰，传输距离远)编码形式进行发送，

S2、客户端获取初始化信息，并反馈报文数据信息给基站，可通过不同频段给基站发送各自的报文数据，至少包含自身ID、通信数据量、自身所在位置等

S3、基站获取客户端的报文数据，根据报文数据整合，计算获得通信参数，包括活跃的客户端数量、活跃的客户端所在位置、客户端所需数据负载量，基站将多个客户端的位置进行分类划分，确定分为一个或几个区域，

S4、基站根据通信基础参数，计算并调整通信发光器的姿态参数，即具体的分成对应的几束通信光，每束的扩散范围，以及发生角度，

S5、基站发生携带数据的光波信号给客户端，如给多个客户端均是相同的数据内容(如航班信息展示、广播等)，能充分利用带宽进行传输，如不同的数据，也可以通过调制不同的频段复合通过发光器5发出，

S6、基站端初始化。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，包括箱体(1)，其特征在于：所述箱体(1)的内部设有基座(2)，所述基座(2)通过第一电机(3)驱动旋转，所述基座(2)的内部设有用于发射光束的发光器(4)，所述基座(2)的侧壁上呈圆周阵列的形式固定连接有多个安装板(5)，多个安装板(5)的内侧壁上分别固定连接有用于将光束分束的分束组件(6)，每个分束组件(6)分的光束分束数量不同，所述安装板(5)上设有用于调节每束光束焦距的调焦结构(7)，所述调焦结构(7)包括设置在安装板(5)上且位于每束光束前侧的透镜组(701)，所述透镜组(701)通过第二电机(702)驱动滑动，所述安装板(5)上设有用于调节光束发射角度的调向结构(8)；

光线由发光器(4)发出，依次经过分束组件(6)、调焦结构(7)、调向结构(8)后进行传播。

2.根据权利要求1所述的一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，其特征在于：所述调向结构(8)包括设置在安装板(5)上第二反射镜(9)，所述第二反射镜(9)通过第三电机(10)驱动旋转。

3.根据权利要求2所述的一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，其特征在于：所述箱体(1)通过转动机构(11)驱动旋转，所述转动机构(11)包括固定板(1101)，所述固定板(1101)的侧壁上转动连接有转盘(1102)，所述转盘(1102)通过第四电机(1103)驱动旋转，所述转盘(1102)的中心位置设有球头件(1104)，所述球头件(1104)与箱体(1)的侧壁连接，所述转盘(1102)远离中心的侧壁上固定连接有电动推杆(1105)，所述电动推杆(1105)的输出轴端部与箱体(1)的侧壁连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于光通信的基站自适应波束成型系统，其特征在于：所述调向结构(8)包括垂直电机(12)、垂直反射镜(13)、水平电机(14)以及水平反射镜(15)，所述垂直电机(12)与水平电机(14)以垂直的形式固定连接在安装板(5)上，所述垂直反射镜(13)与水平反射镜(15)分别固定在垂直电机(12)与水平电机(14)的输出轴上，且所述垂直反射镜(13)与水平反射镜(15)分别绕着垂直电机(12)与水平电机(14)输出轴的轴线旋转。

5.一种基于权利要求1所述的基站自适应波束成型系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

S1、基站初始化后，以广播形式发送初始化信息，

S2、客户端获取初始化信息，并反馈报文数据信息给基站，

S3、基站获取客户端的报文数据，根据报文数据整合，计算获得通信参数，

S4、基站根据通信基础参数，计算并调整通信发光器的姿态参数，

S5、基站发生携带数据的光波信号给客户端，

S6、基站端初始化。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通信参数包括活跃的客户端数量、活跃的客户端所在位置、客户端所需数据负载量。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通信发光器的姿态参数包括分成几束通信光、通信光扩散范围以及通信光发射角度。

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