CN113452441B - 一种多用户接入的空间光无线传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多用户接入的空间光无线传输方法及装置，其特征在于，其包括步骤：将LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户。该方法可解决相关技术中多用户接入时的无线通信延时、中断问题。

Description

一种多用户接入的空间光无线传输方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种多用户接入的空间光无线传输方法和装置。

背景技术

随着短视频、户外视频直播、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等新型互联网应用的广泛普及，无线网络的数据流量呈爆发式增长。把红外光束(1460-1625nm)的准直激光用于无线通信，可以通过光无线通信(Optical Wireless Communication，OWC)技术来实现，从而缓解无线网络的拥堵。

传统的光无线通信系统是点对点的传输方式，即一个发射端和一个接收端匹配。当用户移动时，发射端偏转光束，使得光束随用户的移动而偏转，从而使得接收端接收的光束能量达到最佳。这种点对点的通信方式限制了接收端用户的数目。

然而随着用户数目的增多，发射端的数目也要相应增加，这将大大增加组网的器件数和运营成本。相关技术中采用一点对多点的光无线通信，即一个发射端同时与多个接收端实现通信，能够在不扩展原有设备配置的情况下，实时增加接入用户数目，在通信容量扩大的同时，不需大量增加器件和成本。但仍然存在多用户接入时的通信延时、中断问题，特别是无法灵活调整接入用户数目，从而使得多个光束跟随用户移动而偏转时出现通信中断的现象。

发明内容

本发明实施例提供一种多用户接入的空间光无线传输方法和装置，以解决相关技术中多用户接入时的无线通信延时、中断问题。

一方面提供一种多用户接入的空间光无线传输方法，其包括步骤：

将LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户。

在一些实施例中，所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束，包括步骤：根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

在一些实施例中，根据接入用户数变化情况，确定分光数目以及是否需要启动分束算法，包括步骤：当接入用户数不变或接入用户数减小且减小的幅度不超过阈值时，确定为不需要启动分束算法。

在一些实施例中，根据接入用户数变化情况，确定分光数目以及是否需要启动分束算法，包括步骤：当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

在一些实施例中，所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户，包括步骤：将所述扫描区域划分成与所述子光束相同数量的子区域；使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

在一些实施例中，所述扫描区域接收所述子光束之前，还包括：用反射镜接收多个所述子光束后将所述子光束反射至所述扫描区域内。

另一方面，提供一种多用户接入的空间光无线传输装置，其特征在于，其包括：发射端，其内设有LCOS显示器和发射准直器，且所述LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；所述发射准直器用于将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；所述分光区域用于接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；所述扫描区域用于接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户。

在一些实施例中，还包括：接入用户数确定模块，其用于根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；所述分光区域还用于在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

在一些实施例中，所述接入用户数确定模块还用于：当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

在一些实施例中，所述扫描区域分为与所述子光束相同数量的子区域；所述扫描区域还用于：使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

本实施例提出的一种多用户接入的空间光无线传输方法，将分束算法与扫描算法两种方式相结合，在LCOS显示器划分出扫描区域后，可在扫描区域采用扫描算法实现对接入用户进行跟踪。扫描算法是一种使得光束发生偏转的算法，通常情况下扫描算法不需要进行迭代，只需生成相应的周期相位就能使得光束偏转，它的计算时间一般约为3.5ms，可有效提高跟踪多个接入用户的效率，在降低计算成本的基础上减少通信延时和中断现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多用户接入的空间光无线传输方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多用户接入的空间光无线传输装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多用户接入的空间光无线传输装置中LCOS显示器的分光区域与扫描区域的工作示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多用户接入的空间光无线传输装置中LCOS显示器的分光区域与扫描区域的各子区域采用算法示意图、LCOS显示器的灰度图的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多用户接入的空间光无线传输方法，其包括步骤：

S100:将LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；

S200:将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；

S300:所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；

S400:所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户。

需要说明的是，所述的LCOS显示器是一种硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon)，可以是涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。所述的空间光束可由通信系统的光信号通过发射准直器而产生。将LCOS显示器分为分光区域和扫描区域，是为了将后续根据接入用户数进行分光(分束)以及对接入用户进行跟踪时，可在各自的区域内完成独立的算法操作。

具体而言，可采用GS算法实现对空间光束的分束，GS(Gerchberg–Saxton)算法是一种迭代算法，如果一组光线在各自光学平面上的强度已知，就能够通过计算得到相应传播函数的相位分布。当一束光线经过空间光调制器调制，空间光调制器下载相应的GS算法计算所得的相位分布，则在出射端生成强度相等的若干个光束，是一种对光进行分束的方式。但由于分束算法是一种迭代算法，它的计算时间一般约为60ms，因此单纯地只运用分束算法来跟踪每个用户的运动轨迹，并且与之建立通信，将耗费大量的计算时间，使得网络的延时加大。

因此本实施例提出将分束算法与扫描算法相结合的方式，在LCOS显示器划分出扫描区域后，可在扫描区域采用扫描算法实现对接入用户进行跟踪。扫描算法是一种使得光束发生偏转的算法，通常情况下扫描算法不需要进行迭代，只需生成相应的周期相位就能使得光束偏转，它的计算时间一般约为3.5ms，可有效提高跟踪多个接入用户的效率，在降低计算成本的基础上减少通信延时和中断现象。

在一些实施例中，步骤S300还包括步骤：

S310：根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；

S320：在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

需要说明的是，启动的分束算法可以是GS(Gerchberg–Saxton)算法。

可以理解的是，本实施例提供了一种根据接入用户数变化情况来调整对空间光束分光的方案，即当接入用户数情况发生变化时，可以具体调整分光的光束数量以及是否启用分束算法进行分束，只在需要启动分束算法时才启动，否则不启动分束算法，只保持现有的(已分束)子光束即可，以降低算法的复杂度和系统时延，进一步提高系统的处理效率。

在一些实施例中，步骤S310还包括步骤：

S311：当接入用户数不变或接入用户数减小且减小的幅度不超过阈值时，确定为不需要启动分束算法。

需要说明的是，接入用户数不变是指接入用户数量保持原有数量固定不变，且通常情况下，在通信系统中的大部分时间里接入的用户数量是固定不变的。在用户数减小且减小的幅度不超过阈值，可设定该阈值为5或50％，则认为用户数的减小属于比较小的变化区间，该数量的变化还不值得启动分束算法来进行重新分束。可选择将多余的光束闲置的方式，继续保持原有的分束数量，以此进一步大幅度的节约计算成本，提高系统处理效率。

在一些实施例中，步骤S310还包括步骤：

S312：当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；

S313：以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

本实施例的方案中，只在用户数增加或大幅减小(可设定一个阈值，超出阈值即为大幅减小)时才启动分束算法重新对空间光束进行分束。由于通常情况下，通信系统只在极短的时间内发生接入用户数的变化，因此，本实施例提供的方案不仅考虑到灵活应对接入用户数的变化，针对变化重新启动分束算法进行光束分束，同时还在不需要启动分束算法的时候不启动分束算法，节省系统算力。

在一些实施例中，步骤S400还包括步骤：

S410将所述扫描区域划分成与所述子光束相同数量的子区域；

S420使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；

S430当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

需要说明的是，所述的子区域与子光束的数量相同，且一一对应。即每一个子光束对应地投射到一个子区域。子区域接收到子光束后再将该子光束投射至一个对应的接入用户接收端，所述接收端可以是接收准直器。

根据本实施例提供的方案，当每个用户在室内移动时，该用户对应的子光束根据扫描算法发生偏转，具体是由对应的子区域内的LCOS显示器上的像素根据扫描算法改变灰度值，从而驱动对应的子光束跟随用户的移动而发生偏转，最终实现对用户的跟踪与通信。由于每个子光束都是在对应的独立的子区域内被扫描算法驱动，因此每个子光束都可以独立被扫描算法驱动以跟随相应的用户，进一步提高了扫描算法的使用效率，减少了系统延时、通信终端的问题。

一些实施例中，步骤S400之前，还包括步骤：用反射镜接收多个所述子光束后将所述子光束反射至所述扫描区域内。

在一个具体的实施例中，首先确定接入用户数目为N，LCOS显示器被分为分光区域(用A区域表示)和扫描区域(用B区域表示)；在LCOS显示器的A区域运用GS算法将空间光束分为N等分形成N各子光束；LCOS显示器的B区域被划分为N个相等子区域，运用反射镜将A区域发出的N各子光束一一反射到B区域中对应的子区域里。当每个用户在室内移动时，该用户对应的子光束根据扫描算法发生偏转，具体是由对应的子区域内的LCOS显示器上的像素根据扫描算法改变灰度值，从而驱动对应的子光束跟随用户的移动而发生偏转，最终实现对用户的跟踪与通信。当用户数目N增加至N’(N’>N)时，A区域会运用分束算法来重新对空间光束进行分束得到N’个子光束，B区域也根据用户数目N的增加重新划为分N’个子区域以对应接收每一个子光束。当用户数目维持N不变时，A区域不启动分束算法重新进行分束，其灰度图不发生变化，而B区域也不重新进行分区，保持现有的N个子区域不变。当用户数目维持N减小至N”时，若N”大于阈值M，则A区域会启动分束算法来重新对空间光束进行分束得到N”个子光束，B区域也根据用户数目N的减少重新划为分N”个子区域以对应接收每一个子光束。若N”小于或等于阈值M，则A区域不启动分束算法重新进行分束，其灰度图不发生变化，而B区域也不重新进行分区，保持现有的N个子区域不变，同时由于光束相对于接入用户而言有多余，可闲置处理多余的光束。根据用户数的变化情况，可独立调整分束算法和扫描算法，从而极大程度地减小系统重构时间，降低了通信的时延。

另一方面，如图2所示，本实施例还提供一种多用户接入的空间光无线传输装置，其包括：

发射端，其内设有LCOS显示器和发射准直器，且所述LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；

所述发射准直器用于将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；

所述分光区域用于接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；

所述扫描区域用于接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户。

需要说明的是，所述的LCOS显示器是一种硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon)，可以是涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。在接入用户的接收端设有接收准直器，其用于接收子光束后形成光信号完成无线通信。LCOS显示器分为分光区域和扫描区域，可在后续根据接入用户数进行分光(分束)以及对接入用户进行跟踪时，在各自的区域内完成独立的算法操作。在LCOS显示器划分出扫描区域后，可在扫描区域采用扫描算法实现对接入用户进行跟踪。扫描算法是一种使得光束发生偏转的算法，通常情况下扫描算法不需要进行迭代，只需生成相应的周期相位就能使得光束偏转，它的计算时间一般约为3.5ms，可有效提高跟踪多个接入用户的效率，从而实现在降低计算成本的基础上减少通信延时和中断现象。

如图2、3所示，在一个具体的实施例中，在发射端的一个发射准直器将光纤通信系统中的光信号转化为空间光束，这个准直的光束投射在LCOS显示器(硅基液晶)的扫描区域(A区域)，A区域根据接入用户数目N(图中以N＝3为例)，运用分束算法把该入射光束分为强度相等的N个子光束。这N个子光束经过反射镜反射之后到达LCOS显示器的扫描区域(B区域)，此时B区域被平均分为N个子区域(N＝3)，每个子光束投射到相应子区域上面。每个子区域采用扫描算法，使得对应的一个子光束能够实现在该子区域内的扫描(多角度偏移)。子光束经过室内空间的传输之后到达地面接收端，每个接入用户用相应的接收准直器接收子光束。可优选地，采用角度放大单元来增大每个子光束的扫描角度，从而扩大扫描范围。

如图4(a)所示的LCOS显示器分为分光区域和扫描区域，其中分光区域采用分束算法，扫描区域采用采用扫描算法，其中，扫描区域又被划分为N个子区域(图中以N＝3为例)。如图4(b)所示，为LCOS显示器的总体灰度图。图的右边部分对应为分光区域由分束算法产生的灰度图，左边部分对应为扫描区域由扫描算法产生的灰度图，各子区域的灰度分布均不相同，扫描区域的每个子区域的灰度会随着用户的移动而不断呈现出新的灰度图。

一些实施例中，还包括：接入用户数确定模块，其用于根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；所述分光区域还用于在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

一些实施例中，接入用户数确定模块还用于：当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

一些实施例中，所述扫描区域分为与所述子光束相同数量的子区域；所述扫描区域还用于：使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，其包括步骤：

将LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；

将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；

所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；

所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户；

所述扫描算法是一种使得光束发生偏转的算法。

2.如权利要求1所述的多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，所述分光区域接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束，包括步骤：

根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；

在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

3.如权利要求2所述的多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，根据接入用户数变化情况，确定分光数目以及是否需要启动分束算法，包括步骤：

当接入用户数不变或接入用户数减小且减小的幅度不超过阈值时，确定为不需要启动分束算法。

4.如权利要求2所述的多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，根据接入用户数变化情况，确定分光数目以及是否需要启动分束算法，包括步骤：

当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；

以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

5.如权利要求1所述的多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，所述扫描区域接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户，包括步骤：

将所述扫描区域划分成与所述子光束相同数量的子区域；

使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；

当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

6.如权利要求1所述的多用户接入的空间光无线传输方法，其特征在于，所述扫描区域接收所述子光束之前，还包括：

用反射镜接收多个所述子光束后将所述子光束反射至所述扫描区域内。

7.一种多用户接入的空间光无线传输装置，其特征在于，其包括：

发射端，其内设有LCOS显示器和发射准直器，且所述LCOS显示器分为分光区域和扫描区域；

所述发射准直器用于将光信号转化为空间光束并将所述空间光束投射至所述分光区域；

所述分光区域用于接收所述空间光束后对其进行分光并形成多个子光束；

所述扫描区域用于接收所述子光束，并运用扫描算法驱动所述子光束跟踪接入用户；

所述扫描算法是一种使得光束发生偏转的算法。

8.如权利要求7所述的多用户接入的空间光无线传输装置，其特征在于，还包括：

接入用户数确定模块，其用于根据接入用户数变化情况，确定光束数以及是否需要启动分束算法；

所述分光区域还用于在需要启动分束算法时，启动分束算法将所述空间光束分成与所述光束数相同数量的子光束。

9.如权利要求8所述的多用户接入的空间光无线传输装置，其特征在于，所述接入用户数确定模块还用于：

当接入用户数增加或接入用户数减小的幅度超过阈值时，获取实时接入用户数；

以所述实时接入用户数作为光束数并确定为需要启动分束算法。

10.如权利要求7所述的多用户接入的空间光无线传输装置，其特征在于，

所述扫描区域分为与所述子光束相同数量的子区域；

所述扫描区域还用于：

使每个所述子区域对应接收一个所述子光束，并将该子光束对应投射至一个接入用户接收端；

当一个接入用户接收端移动时，使用扫描算法驱动与所述接入用户接收端对应的子光束在对应子区域内偏移，以使对应的子光束跟随所述接入用户接收端移动。

Images