CN112689209A - 一种基于lcos控制的多用户接入跟踪系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统及方法，涉及光通信应用领域，系统包括：探测光照射模块，水平设置于天花板，用于发射探测光信号覆盖用户所在区域；探测光接收模块，紧靠所述探测光照射模块水平设置，用于接收用户反射的探测光信号；定位模块，用于根据所述反射的探测光成像并确定用户位置；灰度图生成模块，用于根据所述用户位置生成灰度图；LCOS模块，用于接收信号光并反射，LCOS模块输出多个光束分别指向多个用户位置。本发明可以用单一器件将光信号分束照射到多点，实现多用户的跟踪接入。

Description

一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统及方法
技术领域
本发明涉及光通信应用领域，具体来讲涉及一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统及方法。
背景技术
由于宽带移动设备、物联网设备和新兴多媒体应用(如虚拟现实和增强现实)所产生的无线通信流量迅速增长，对于高容量无线通信尤其是室内光接入的需求正在呈指数增长。流量的增长使现有的无线网络拥塞，并将耗尽可用的无线电频谱。光无线通信(OWC)可以利用大量未经许可的光域无线通信资源，日渐成为一种有吸引力的解决方案。
与现有的射频无线技术相比，OWC光波导采用直接从光纤网络耦合的光束，通过控制红外光束提供更大容量的无线接入。目前，通过无源光网络(PON)技术实现的光纤到户/建筑(FTTH/B)网络可以为终端用户提供THz级的大带宽，光纤通信行业中有多种成熟的光学元件可供选择。另一方面，超过1400nm的红外光束并不可见，对人体照射的安全标准也更宽。这两方面优势使得OWC在无线局域网、个人网络和体域网(WLAN、WPAN和WBANs)以及板对板和数据中心内部互连等应用领域具有潜力。
尽管如此，仍有大量的执行挑战有待解决。光无线的缺点是典型的光束覆盖范围窄，这意味着连接两端的无线光路径需要光束控制，目前主要的技术途径包括：通过使用无源衍射光栅，微机电系统(MEMS)或硅基液晶(LCOS)器件等，然而这些解决方案均难以实现点对多点的光广播。由于单模光纤元件的视场(FOV)非常窄，因此需要在基于光纤的发射器和接收器处进行光束控制，提供较宽的视场，而且要能够实现跟踪和定位功能。为了有效地支持OWC系统中的大量用户终端，需要从点到点链路进一步扩展广域光广播(点对多点)。
目前已有的OWC点到多点广播接入方案中，主要集中在通过增加FOV扩大覆盖范围，通过衍射光栅或是LCOS提供多个照射点进行覆盖。但单纯扩大FOV会降低接收功率，通过衍射光栅或是LCOS提供的多个照射点更多规则分布，仍然难以照射到处于任意位置的多个用户。因此，如何照射到多个任意位置是基于OWC的多用户接入的重要难题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统及方法，用单一器件将光信号分束照射到多点，实现多用户的跟踪接入。
为达到以上目的，一方面，采取一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，包括：
探测光照射模块，水平设置于天花板，用于发射探测光信号覆盖用户所在区域；
探测光接收模块，紧靠所述探测光照射模块水平设置，用于接收用户反射的探测光信号；
定位模块，用于根据所述反射的探测光成像并确定用户位置；
灰度图生成模块，用于根据所述用户位置生成灰度图；
LCOS模块，用于接收信号光并反射，LCOS模块输出多个光束分别指向多个用户位置。
优选的，所述用户自带反射标签，所述反射标签将探测光照射模块发出的探测光信号反射至探测光接收模块。
优选的，所述探测光接收模块包括水平设置的CMOS图像传感器，用于探测用户反射的探测光信号。
优选的，所述CMOS图像传感器镜头焦距为f，用户距离CMOS图像传感器高度为h，用户在CMOS图像传感器上的投影离CMOS图像传感器中心距离为x，用户在水平地面上离CMOS图像传感器对应的铅垂点的距离为
Figure BDA0002844133360000031
优选的，所述探测光照射模块发出的探测光的波长不与信号光的波长相同，且不干扰信号光。
另一方面，还提供一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，包括步骤：
探测光照射模块发射探测光信号覆盖用户所在区域；区域内用户反射探测光给探测光接收模块；定位模块根据所述反射探测光成像并计算用户位置；灰度图生成模块根据所述用户位置生成灰度图；灰度图被设置到LCOS模块，LCOS模块接收信号光并反射，输出多束信号光分别照射多个用户位置。
优选的，灰度图生成模块根据所述用户位置生成灰度图，具体包括：
根据用户位置计算生成灰度图，使信号光分布到N个光斑，其中光斑个数N为偶数，且大于灰度图内用户个数；
N个光斑从同一点O呈伞状发散，N个光斑与O点的N条连线之间的夹角为
Figure BDA0002844133360000032
通过确定O点坐标、N条连线的整体偏转角、N个光斑到O点的不同距离，使部分光斑分别覆盖所述用户。
优选的，所述N条连线整体的偏转角为：X轴和最接近一条连线之间的夹角。
优选的，每个所述光斑到O点的距离不同。
优选的，所述LCOS模块的光束变换的速度，取决于LCOS模块被设置的灰度图和更新的速度。
上述技术方案具有如下有益效果：
通过实时定位用户位置，计算生成灰度图，根据灰度图不断更新LCOS模块，使多个反射光束分别对准覆盖区域内任意用户位置，相对于已有方法，本发明使用单一器件(即LCOS模块)可使光信号分束照射到多个用户，实现多用户的跟踪接入，对于低成本实现无线光接入具有非常重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统示意图；
图2为本发明实施例通过CMOS图像传感器实现用户位置定位的示意图；
图3为本发明实施例根据用户位置确定光斑参数的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，提供基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的实施例，该系统设置于发送端，包括探测光照射模块、探测光接收模块、定位模块、灰度图生成模块和LCOS模块。探测光照射模块水平设置于室内天花板，探测光接收模块紧靠探测光照射模块设置，同样被水平设置在室内天花板上。
探测光照射模块，用于发射探测光信号覆盖用户所在区域，用户有多个，至少部分用户上携带反射标签，可以反射探测光信号。优选的，探测光照射模块发出的探测光的波长，不同于信号光的波长，例如信号光波长为1550，则探测光波长选择850/940nm，保证探测光既不干扰信号光，也不易被其他光线干扰。
探测光接收模块，用于探测并接收用户反射的探测光信号。
定位模块，用于根据被反射的探测光信号成像，并通过计算确定用户位置。
灰度图生成模块，用于根据所述用户位置生成灰度图。
LCOS模块，设置有上述灰度图，LCOS模块用于接收信号光并进行反射，输出多个光束分别指向多个用户位置。
如图2所示，上述探测光接收模块包括水平设置的CMOS图像传感器，用于探测用户反射的探测光信号。图2中通过椭圆形表示CMOS图像传感器的镜头，镜头焦距为f，用户距离CMOS图像传感器高度为h，用户在CMOS图像传感器上的投影离CMOS图像传感器中心距离为x，用户在水平地面上离CMOS图像传感器对应的铅垂点的距离为
Figure BDA0002844133360000051
根据这些距离参数，可以确定用户位置的坐标。
基于上述多用户接入跟踪系统，提供一个基于LCOS控制的跟踪方法的实施例，包括如下步骤：
探测光照射模块发射探测光信号覆盖用户所在区域；区域内用户反射探测光给探测光接收模块；定位模块根据所述反射探测光成像并计算用户位置；灰度图生成模块根据用户位置生成灰度图；灰度图被设置到LCOS模块，LCOS模块接收信号光并进行反射，输出的多个光束分别照射到多个用户位置。
其中，灰度图生成单元根据覆盖区域内用户的位置，计算生成灰度图，使信号光经LCOS模块反射后能生成特定的分布的光斑。如图3所示，假定有M个接入用户，根据用户个数确定N个光斑，其中光斑的个数N为偶数，且N大于M，本实施例中M＝3。N个光斑从同一点O呈伞状发散，N个光斑与O点的N条连线之间的夹角为
Figure BDA0002844133360000061
Figure BDA0002844133360000062
N个点到O点的距离可以相同，也可以不同，本实施例中N个点到O点的距离分别为R1、R2、..RN。通过确定O点坐标、N条连线的偏转角Ф、N个光斑到O点的不同距离，最终满足投射的N个光斑中，能有M个光斑覆盖M个用户。其中，N条连线为一个状的整体，整体的偏转角Ф是：X轴和最接近一条连线之间的夹角。
LCOS模块根据生成的灰度图对输入的信号光进行反射，输出多个光束指向不同用户，光束变换的速度，取决于LCOS模块被设置的灰度图和更新的速度。
上述实施例中，基于反射的探测光的用户定位过程可基于其他方式进行，以获得用户的位置为目的。确定目标光斑的中心O、偏转角Ф、M个点到O点半径等参数的过程，可以采用搜索之外的其他已有算法完成。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，其特征在于，包括：
探测光照射模块，水平设置于天花板，用于发射探测光信号覆盖用户所在区域；
探测光接收模块，紧靠所述探测光照射模块水平设置，用于接收用户反射的探测光信号；
定位模块，用于根据所述反射的探测光成像并确定用户位置；
灰度图生成模块，用于根据所述用户位置生成灰度图；
LCOS模块，用于接收信号光并反射，LCOS模块输出多个光束分别指向多个用户位置。
2.如权利要求1所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，其特征在于，所述用户自带反射标签，所述反射标签将探测光照射模块发出的探测光信号反射至探测光接收模块。
3.如权利要求1所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，其特征在于，所述探测光接收模块包括水平设置的CMOS图像传感器，用于探测用户反射的探测光信号。
4.如权利要求3所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，其特征在于，所述CMOS图像传感器镜头焦距为f，用户距离CMOS图像传感器高度为h，用户在CMOS图像传感器上的投影离CMOS图像传感器中心距离为x，用户在水平地面上离CMOS图像传感器对应的铅垂点的距离为
Figure FDA0002844133350000011
5.如权利要求1所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统，其特征在于，所述探测光照射模块发出的探测光的波长不与信号光的波长相同，且不干扰信号光。
6.一种基于权利要求1所述基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，包括步骤：
探测光照射模块发射探测光信号覆盖用户所在区域；区域内用户反射探测光给探测光接收模块；定位模块根据所述反射探测光成像并计算用户位置；灰度图生成模块根据所述用户位置生成灰度图；灰度图被设置到LCOS模块，LCOS模块接收信号光并反射，输出多束信号光分别照射多个用户位置。
7.如权利要求6所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，灰度图生成模块根据所述用户位置生成灰度图，具体包括：
根据用户位置计算生成灰度图，使信号光分布到N个光斑，其中光斑个数N为偶数，且大于灰度图内用户个数；
N个光斑从同一点O呈伞状发散，N个光斑与O点的N条连线之间的夹角为
Figure FDA0002844133350000021
通过确定O点坐标、N条连线的整体偏转角、N个光斑到O点的不同距离，使部分光斑分别覆盖所述用户。
8.如权利要求7所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，所述N条连线整体的偏转角为：X轴和最接近一条连线之间的夹角。
9.如权利要求7所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，每个所述光斑到O点的距离不同。
10.如权利要求6所述的基于LCOS控制的多用户接入跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，所述LCOS模块的光束变换的速度，取决于LCOS模块被设置的灰度图和更新的速度。
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