CN116235428A - 用于光学无线通信网络中的切换控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在由多个接入点(201，202)AP组成的光学无线通信网络(例如，LiFi网络)中，提供了一种用于在两个重叠的相邻AP之间进行无缝切换的机制，其中，扇区化端点(209)被配置成利用信道周转的知识来以高效的方式检测(多个)相邻AP的存在，并选择相关段(PD1，PD2，PD3，PD4)进行切换。

Description

用于光学无线通信网络中的切换控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学无线网络(例如但不限于LiFi网络)中通信的领域，供在家庭、办公室、零售、酒店和工业的各种不同应用中使用。

背景技术

诸如光保真(LiFi)网络(命名为如WiFi网络)的光学无线网络使得移动/固定用户设备(在下文中称为端点(EP))——例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等——能够无线连接到互联网。WiFi使用无线电频率实现这一点，但LiFi使用可见和不可见光谱(包括紫外(UV)光和红外(IR)光)实现这一点，这可以实现前所未有的数据传输速度和带宽。此外，它可以用于易受电磁干扰的区域。此外，它可以用于易受电磁干扰的区域中。更具体地，LiFi指的是以嵌入在由光源发射的光(包括例如可见光或红外光)中的信号的形式传递信息的技术。取决于例如所使用的特定波长，这种技术也可以被称为编码光、光学无线通信(OWC)、可见光通信(VLC)、或自由空间光通信(FSO)。

基于调制，可以使用任何合适的光传感器或光电探测器来检测编码光中的信息。这可以是专用光电池(点检测器)，可能带有透镜、反射器、漫射器、或磷光体转换器的光电池阵列，或者包括光电池(像素)阵列和用于在阵列上形成图像的透镜的相机。例如，光电探测器可以是包括在插入端点的加密狗中的专用光电池、集成在端点中的专用光传感器、端点的通用(可见光或红外光)相机、或最初设计用于例如具有双重用途的3D人脸识别的红外检测器。无论哪种方式，这都可以使在端点上运行的应用能够经由光接收数据。

可以将通信信号嵌入由接入设备的照明源发射的调制光信号中，所述照明源诸如是日常灯具，例如室内照明或室外照明，从而允许使用来自灯具的照明作为信息的载体。因此，调制光既包括用于照亮诸如房间的目标环境(通常是光的主要目的)的可见照明成分，又包括用于向环境提供信息(通常被认为是光的次要功能)的嵌入信号。在这种情况下，调制通常可以在足够高的频率下执行，以超出人类的感知，或者至少使得任何可见的临时光伪影(例如闪烁和/或频闪伪影)足够弱，并且在足够高的频率下不被人类注意到或者至少是人类可容忍的。因此，嵌入的信号不影响主要照明功能，即，因此用户仅感知整个照明，并且不是被调制到该照明中的数据的效果。替代地，调制光信号可以由具有主要通信功能并且可能没有第二功能的专用接入点发射。如上面已经提到的，这种通信信号也可以利用可见光谱之外的调制光信号。在可见光谱之外，特别是IR或UV范围是令人感兴趣的候选者，因为它们是不可见的，并且因此不造成可见的伪影；这可能与源自手持设备的传输特别相关。

由Minh H.L.等人在2012年7月24日出版的《IET通信》第6卷第11期上发表的“Bidirectional gigabit ethernet optical wireless communication system forhome access networks”公开了一种视线光学无线通信系统，该系统利用了能够进行离散波束控制的角度分集收发机。每个收发机使用三个发射元件和接收元件。系统中的基站打开所有发射机，并且这些发射机传输相同的数据，以便为多个用户提供覆盖。依次连续监控接收机元件的接收信号强度指示是否大于预定义的阈值，并且接收机被配置为在“选择足够好”的基础上使用接收机元件，即使用信号强度超过阈值的第一个接收机元件。

在本公开中，术语“接入点”(AP)用于表示可以连接到一个或多个物理接入设备(例如收发机)的逻辑接入设备。逻辑接入设备可以包括MAC(媒体接入控制)协议和调制器/解调器(调制解调器)功能。这意味着物理接入设备可以被视为“光学天线”，或者具有相关联电子设备的光电转换器。这种物理接入设备通常可以位于灯具处，并且逻辑接入点可以连接到一个或多个物理接入设备，每个物理接入设备位于一个或多个灯具处。

正在开发用于光学无线网络的通信设备，以便以高速度和低成本对室内环境进行大面积覆盖。为了覆盖诸如开放空间办公室的大面积区域，需要使用多个AP。这些AP在它们之间会有重叠的区域，从而产生干扰。EP——例如支持LiFi的计算机或移动设备——需要能够在两个不同的AP域之间无缝转换。

发明内容

本发明的一个目的是以有效的方式(例如通过保持低数量的硬件元件)帮助解决光学无线网络的两个相邻AP之间的切换和/或干扰问题。

这个目的是通过如权利要求1所述的端点EP设备、如权利要求12所述的光学无线通信OWC系统、以及如权利要求13所述的方法来实现的。

根据第一方面，提供了一种用于控制光学无线收发机的装置，该光学无线收发机包括多个光电探测器，这些光电探测器具有用于接收调制光信号的不同的相应视场，

其中所述装置被配置成：

检测传输中断时间；

在传输中断时间期间发起多个光电探测器的测试，以确定多个光电探测器中的一个是否正在接收信号强度高于阈值信号强度的调制光信号；和

如果确定被测光电探测器已经接收到信号强度高于阈值信号强度的调制光信号，则将接收切换到被测光电探测器。

根据第二方面，提供了一种用于控制光学无线收发机的方法，该光学无线收发机包括多个光电探测器，这些光电探测器具有用于接收调制光信号的不同的相应视场，

其中该方法包括：

检测传输中断时间；

在传输中断时间期间测试多个光电探测器，以确定多个光电探测器中的一个是否正在接收信号强度高于阈值信号强度的调制光信号；知

如果确定被测光电探测器已经接收到信号强度高于阈值信号强度的调制光信号，则将接收切换到被测光电探测器。

因此，在时分复用系统中使用的传输和接收之间的传输中断时间(例如，帧间间隙)被用于检测使用扇区化接收机的其他网络节点(例如，相邻AP)，特别是当其他网络节点与感测设备不同步时。基于这种检测或感测，有可能帮助选择切换的候选，而不需要牺牲信道时间(例如，不丢失传输帧)并且不需要实质的硬件修改。优选地，传输中断时间对应于OWC网络小区中AP和与该AP相关联的EP不进行传输的时间间隔。

还可能存在与未连接到相关EP的相邻AP相关联的其他EP。相关EP检测到的可以是从相邻AP到其他相关联EP的信标或常规下行链路数据帧。两种类型的信号都可以用于测量传输中断时间期间的信号强度。

可选地，从接收机的角度来看，传输中断时间可以对应于由网络协议定义的在空中接口上最后接收的帧的最后符号和传输的响应帧的第一符号之间的时间间隔。在许多网络中，无线节点的无线接口的操作需要(多个)传输中断时间。传输中断时间可以用于例如提供允许接收机处理最后一条消息的余量，以及在确认的协议的情况下准备确认。

在ITU G.vlc网络中，帧间间隙时间代表传输中断时间的一个示例。传输中断时间可以是由物理层(PHY)和/或媒体接入控制(MAC)层规定的时间。替代地，在IEEE 802.11网络中，传输确认之前的短帧间间隔、清除发送(CTS)帧、作为对块ack请求帧或聚合MAC协议数据单元(A-MPDU)的立即响应的块ack帧、片段突发的第二或后续MPDU、由点协调功能响应于任何轮询并在点协调功能的无竞争时段期间的站。在802.11中引入了短帧间间隔(SIFS)以适应(OWC)接收机中的延迟、物理层会聚协议(PLCP)延迟和实际实施方式中的MAC处理延迟。

因此，提供传输中断时间是为了允许接收机有足够的时间来解释帧、切换到传输器模式(如果需要的话)并开始传输响应。当时间间隔由网络协议定义时，其最小持续时间是先验已知的，并且对于最后传输的设备来说，可以在该时段期间开始感测，并且在实践中，可以可能的是感测甚至更长，例如当没有流量时。

根据第一或第二方面的第一选项，接收可以被切换到被测光电探测器，从而发起从第一接入点到第二接入点的切换。因此，通过在传输中断时间期间将接收切换到具有更好信号强度或质量的另一个视场，可以以有效、简单和快速的方式实现切换。

根据第一或第二方面的第二选项，其可以与第一选项相结合，传输中断间隔期间的信号质量参数的测量可以用于确定多个光电探测器之一是否正在接收信号强度高于阈值信号强度的调制光信号。因此，基于共同的信号质量参数，可以容易地实现用于选择具有不同视场的另一个光电探测器的标准。

根据第一或第二方面的第三选项，其可以与第一或第二选项相结合，接收可以被切换到被测光电探测器，而多个光电探测器中的其他光电探测器被关闭。由此，可以防止多个光电探测器中的不同光电探测器之间的干扰。

根据第一或第二方面的第四选项，其可以与第一至第三选项中的任何一个相结合，可以以预定或随机的顺序发起多个光电探测器的测试。因此，通过根据预定或随机序列选择性地将相位检测器的输出连接到信号检测器，可以将单个信号检测器用于所需的测量。

根据第一或第二方面的第五选项，其可以与第一至第四选项中的任何一个相结合，当发射电路正在发射时，可以基于用于向收发机的前端级发信号的控制输出来检测传输中断时间。因此，收发机处可用的控制输出可以用于控制间歇测试过程，从而保持低的硬件要求。

根据第一或第二方面的第六选项，其可以与第一至第五选项中的任何一个相结合，可以响应于来自运动传感器的输入来发起多个光电探测器的测试。因此，间歇测试过程可以限于由于检测到移动通信终端(例如，端点)的运动而导致扇区化接收机和潜在切换候选之间的位置关系已经改变的情况。

根据第一或第二方面的第七选项，传输中断时间可以通过由光学无线收发机使用的联网协议来确定。

根据第三方面，提供了一种光学无线通信网络的网络设备，该网络设备包括根据第一方面或第一至第五选项中的任何一个的装置。该网络设备可以是端点。

根据第三方面的第一选项，其可以与第一或第二方面或者第一或第二方面的第一至第五选项中的任何一个相结合，网络设备可以进一步包括信号检测器，该信号检测器被配置为经由多个开关选择性地接收来自多个光电探测器的输出信号，用于基于接收到的输出信号执行信号强度和/或质量测量。因此，可以降低硬件要求，因为只有一个信号检测器可以用于测量过程。

根据第三方面的第二选项，其可以与第一选项或第一或第二方面或第一或第二方面的第一至第五选项中的任何一个相结合，多个开关可以被配置为选择性地可控，以将接收切换到被测光电探测器。因此，可以通过提供用于选择另一个视场的简单开关布置来实现切换控制，该另一个视场提供了更好的光学连接。

根据第四方面，提供了一种系统，其包括至少一个根据第三方面的网络设备。

根据第五方面，提供了一种计算机程序产品，其包括用于当在控制器设备上运行时产生第二方面的上述方法的步骤的代码装置。

注意，上述装置可以基于具有分立硬件组件的分立硬件电路、集成芯片、或芯片模块的布置来实现，或者基于由存储在存储器中、写在计算机可读介质上、或从网络(诸如互联网)下载的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片来实现。

应当理解，权利要求1的装置、权利要求9的网络设备、权利要求12的系统、权利要求13的方法和权利要求15的计算机程序产品可以具有类似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或上述实施例与相应独立权利要求的任何组合。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是清楚的并得到阐述。

附图说明

在下列附图中：

图1示意性地示出了其中可以实现各种实施例的LiFi网络的框图；

图2示意性地示出了EP和两个不同AP之间的切换情况；

图3示出了根据各种实施例的切换控制过程的流程图；

图4示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的网络设备的框图；

图5示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的扇区化接收机的第一示例的框图；

图6示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的扇区化接收机的第二示例的框图；以及

图7示意性地示出了在扇区化EP和两个非同步AP之间的通信期间的信号波形示例的四个时序图。

具体实施方式

现在基于光学多小区照明和通信(LiFi)系统来描述本发明的各种实施例。

在下文中，作为AP的灯具应被理解为任何类型的照明单元或照明器材，其包括用于照明和/或通信目的的一个或多个光源(包括可见或不可见(红外(IR)或紫外(UV))光源)以及可选的其它内部和/或外部部件，这些部件对于照明的正确操作——例如，分配光、定位和保护光源和镇流器(在适用的情况下)，以及将灯具连接到电源——是必要的。灯具可以具有传统类型，例如嵌入式或表面安装的白炽灯、荧光灯或其他放电灯具。灯具也可以具有非传统类型，例如基于光纤光学器件的类型，其中光源在光纤芯或“光导管”中耦入光并在另一端耦出光。

虽然用于光学无线通信的接入点可以与灯具集成，但是它们也可以是“独立的”OWC接入点设备，并且可以可选地与基于无线电(RF)的(例如WiFi)接入点共位，或者是可以用于无线电(例如WiFi)和LiFi两者的组合设备，从而提供高速视线接入以及更方便的全向大范围接入。

OWC设备的网络可以以全双工模式操作，由此OWCAP可以同时在上行链路和下行链路上通信。然而，当前的OWC AP中的大多数以半双工模式操作，由此AP或者正在传输(下行链路)、接收(上行链路)或者空闲。本发明特别针对后一种类型的OWC系统。

图1示意性地示出了其中可以实现各种实施例的LiFi网络的框图。

注意——遍及本公开——除非涉及额外的特定功能，否则不再描述之前已经描述过的具有相同附图标记的块的结构和/或功能。此外，仅示出了那些有助于理解实施例的结构元件和功能。为了简洁起见，省略了其他结构元件和功能。

LiFi网络包括多个AP(AP1，AP2，...APm)12，例如照明系统的灯具，其例如经由交换机(例如以太网交换机，未示出)连接到骨干网络(例如以太网等)14，由此每个AP12控制一个或多个收发机(未示出)(即组合的发射机(光学发射机)和接收机(光传感器))用于朝向EP(EP1，EP2，...EPn)10(例如移动用户设备)的光学通信。每个EP 10被注册到一个AP12。在图1中，由AP 12的收发机生成并限定EP 10的(多个)平面上的覆盖区域的各个下行链路光束由阴影梯形表示。类似地，在图1中，由EP 10的收发机生成的并且在AP 12的(多个)平面上限定覆盖区域的各个光束由未填充的虚线梯形表示。

在它们的覆盖区域重叠的场合(例如，在图1中的EP2或者在AP1和AP2)，需要AP12和EP10之间的通信协调来处理干扰和/或提供切换控制。

例如在LiFi控制器中提供的中央全局控制器实体或功能(GC)15连接到骨干网络14，并被配置为管理LiFi网络(其包括干扰处理协调)。干扰处理可以通过提供时分多址(TDMA)来实现，其中AP12的媒体接入控制(MAC)周期被对齐并被分成时隙。

全局控制器实体15可以经由骨干网14的交换机(未示出)连接到AP12。它可以是如图1所示的集中式实体，但是也可以共同位于/集成在单个AP12中，或者其功能可以被划分和分布在至少一些AP12上。此外，如果使用下述实施例的控制机制，则全局控制器实体15或其功能的至少一部分可能是多余的。TDMA方案本身可以向单个AP提供多个EP时分复用接入。

在LiFi网络中，调制光用于将数据作为一系列的一个或多个数据分组从源设备(例如AP或EP)传输到目的地设备(例如EP或AP)。每个数据分组包括提供不同功能的多个字段。特别地，每个数据分组至少具有前同步码和数据部分。数据部分——有时称为帧体——保存分组的实际有效载荷数据。前同步码在数据部分之前，并且可以例如用于同步接收数据分组的设备。

根据各种实施例，扇区化接收机用于提供切换控制功能。接收机的分区(或分段)可以通过最少两个光电探测器(例如光电二极管)来实现，这两个光电探测器提供来自不同FoV(FoV)的选择性接收。因此，AP的两个相邻发射机之间的切换和/或干扰问题可以分别在EP的接收端以成本有效的方式解决。其思想是，在光学无线通信网络中使用的时分复用通信方案内，可能使用传输和接收之间的帧间间隙来检测使用扇区化接收机的其他AP，特别是当其他AP与感测设备不同步时。基于这种检测或感测，有可能帮助选择切换候选，而不需要牺牲信道时间。

在一个实施例中，所提出的具有切换和/或干扰控制功能的EP可以通过提供具有两个或更多个具有不同FoV光学器件的扇区的扇区化接收机、至少一个跨阻放大器(TIA)、信号强度检测器、每个光电探测器的开关、也可以以相同方式被扇区化的发射机、低功率控制器(例如微控制器)、以及与所使用的通信协议(例如ITU-T G.hn或G.vlc、IEEE 802.11bb等)兼容的基带电路来实现。如果提供了使用与扇区化接收机相同的决策逻辑的扇区化发射机，则可以减少EP处的功耗以及对EP当前未连接到的相邻AP的干扰。

图2示意性地示出了具有扇区化接收机100的EP 209(例如，智能手机或平板设备)和两个不同的AP 201、202(即，AP1和AP2)之间的切换情况，每个AP 201、202都具有相关联的收发机203、204(即，TRX1和TRX2)。

EP 209的扇区化接收机100包括多个光电探测器(例如光电二极管)PD1至PD4，用于接收作为调制光信号的数据分组。光电探测器PD1至PD4中的每一个从不同的相应接收FoV接收信号。在一个光电探测器的接收FoV和一个或多个其它光电探测器的接收FoV之间可能有一些重叠。

当EP 209正从连接到图2右侧上的AP2202的覆盖区域208向连接到图2左侧上的AP1201的覆盖区域207移动时，由EP 209的扇区化接收机100的第二FoV 206接收的信号将减少，并且由EP 209的扇区化接收机100的第一FoV 205接收的信号将增加。

EP 209的扇区化接收机100被配置为被控制以便触发到AP 1201的切换，从而发起从AP2202到AP 1201的切换。可以基于由扇区化接收机100提供的所有FOV(例如，图2中的FoV 205和206)接收的信号强度和/或其他信号质量参数(例如，误码率、信噪比(SNR)、服务质量(QoS)等)的测量来控制该切换过程。例如，当特定FoV上的信号强度/质量高于阈值时，扇区化接收机100可以被控制并被切换到相应的光电探测器，同时关闭其他光电探测器。

替代地，代替关闭其他光电探测器，对来自包括来自先前AP的信号的光电探测器的信号和来自新AP的信号检测器的信号两者进行加权可以是可能的。以这种方式，可能基于时序提供更逐渐的渐变或更突然的切换。当EP在切换中的MAC层上起作用时，更逐渐的渐变可能特别有用，因为它可以实现先接后断切换。

在图2中的环境内，FoV 205、206被示为圆锥体，但是要领会，rFoV 210通常可以具有任何形状或体积。每个光电探测器的FoV 205、206之间可能有重叠，或者可能没有重叠。

所提出的切换控制过程提供了域间切换和干扰处理的可能性。为了能够在不丢失传输帧的情况下选择正确的光电探测器，利用了时间复用(例如，时分多址(TDMA))调度的特性。

光学无线通信(例如LiFi通信)可以使用G.vlc(ITU G 9991)来实现，G.vlc(ITU G9991)是G.hn标准族的一部分。G.hn标准传统上用于电力线通信(PLC)、同轴电缆和电话线通信。取决于所使用的配置文件(PLC、同轴电缆、电话线)而有所不同。例如，PLC配置文件要求发送每个数据分组的两份副本。目前，同轴电缆实施方式通常用于LiFi。例如，LiFi数据分组可以根据针对物理层的ITU-T Rec.G.9960建议来实现。在这种实施方式中，前同步码包括一系列重复的正交频分复用(OFDM)符号，这些符号被预置(prepend)到物理协议层(PHY)的帧，用于检测和同步接收机，并帮助它开始解码该帧。例如，数据分组可以包括前同步码部分和数据部分。数据分组可以包括一个或多个附加部分，例如报头部分。可以实现所提出的切换控制过程的其他TDMA网络是IEEE 802.11网络(例如IEEE 802.11bb)等。

在这样的TDMA网络中，当EP注册到AP时，为通信预留时隙。对于每个传输的分组，总是有一个接收的分组，在它们之间有一个帧间间隙(例如30-40us的间隙)。在图2中，如果EP连接到AP2，则在预定义的帧间间隙期间不能传输或接收任何信号。因此，这些帧间间隙允许例如以循环方式接通其他光电探测器，并在传输中断时间期间测量这些其他光电探测器的信号强度，而不干扰与AP2的通信。

由于独立AP不同步，因此如果具有不同FoV的光电探测器开始从相邻AP(图2的情况下为AP1)接收信标，则很有可能在帧间间隙时间期间测量到帧的一部分。

图3示出了根据各种实施例的切换控制过程的流程图，其可以被实现为软件例程(例如，用于控制下面参考图4至图6描述的控制器105)。

在步骤S301中，在为与AP通信而预留的传输帧的预留时隙期间，在EP和AP之间传输分组。然后，在步骤S302，检查帧间间隙时间是否已经开始。如果否，则该过程重复步骤S302中的检查，直到已经检测到传输中断时间的开始。如果在步骤S302中已经检测到传输中断时间的开始，则过程继续到步骤S303，并且信号检测器被顺序地或连续地切换到扇区化接收机的剩余的其他光电探测器进行测试，例如，顺序地或连续地测量由其他光电探测器从它们相应的FOV接收的信号强度/质量。

此后，该过程继续到步骤S304，在该步骤S304中，将测量结果与选择标准(例如，可以基于或对应于有源光电探测器的信号强度/质量的阈值)进行比较，以确定是否有更期望的(更好的)AP可用于切换。

在下一个步骤S305中，检查是否已经找到了这种用于切换的更期望的AP。如果否，则该过程跳回到步骤S301，在步骤S301中，传输下一个分组。如果已经确定了用于切换的AP，则过程分支到步骤S306，在该步骤S306中，已经从具有更好信号强度/质量的更期望的AP接收到信号的光电探测器被切换为用于通信。

注意，图3的过程涉及物理协议层上的处理。一旦已经在EP中选择了到新AP的光学路径，则由下一个协议层从AP接收信标并建立连接(这可能包括安全密钥等)来完成切换过程。因此，在传输中断时间期间，切换光电探测器是立即的动作，但是建立到新AP的连接是在之后建立的。此外，在传输中断时间期间，EP和旧/新AP之间可能没有消息交换。EP或者注册到一个AP，或者注册到另一个AP。

如上所述，帧间间隙(IFG)可以是“静默期”，例如保护时间，也称为短帧间，这是OWC网络协议的一部分。该帧间间隙被保留以允许无线接口处理接收到的帧并准备响应帧。

为了最小化开销，这种传输中断时间优选地被定义为以便最小化开销，并且将成本保持在合理的水平，并且因而相对紧凑。根据实施例，这是正在放弃信道的OWC节点处的信道周转时间。放弃信道的OWC节点确切地知道信道何时应该静默，并且因此可以利用该时间间隔来感测到来的信号。

在半双工OWC网络中，在传输时隙期间感测可以是可能的，因为即使信号没有被解调，光电探测器也可以同时接收来自相邻AP的入射光。

图4示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的网络设备(例如EP)的框图。

再次注意，图4中仅示出了那些有助于理解本发明的块和/或功能。出于简洁的原因，已经省略了其他块和/或功能。

网络设备包括收发机(TRX)41(即，组合的光学发射机和接收机)，用于经由AP-EP组合的光学链路进行光学通信。收发机41包括接收机电路和发射机电路。

此外，网络设备包括信号检测器(DET)104，可以控制该信号检测器104基于从被配置为扇区化接收机的接收机电路的连接的光电探测器接收的信号来执行信号强度和/或质量测量。信号检测器104将测量结果提供给控制器(CTRL)105，例如软件控制的处理单元，以使得能够基于信号检测器104的测量结果选择扇区化接收机的可用光电探测器和基带电路106之间的连接。此外，控制器105可以例如基于基带电路(BB)106的控制输出来确定用于执行测量的帧间间隙时间，并且可以在传输中断时间期间连续选择扇区化接收机的可用光电探测器和信号检测器104之间的连接用于测量目的。控制器105的操作可以使用存储器(未示出)，该存储器中存储了用于切换控制的程序例程和参数(例如测量结果、邻居设备和/或其他查找表)，以提供切换控制过程，例如上面结合图3所解释的。

可选地，控制器105也可以可操作地耦合到发射机电路。

控制器105可以被实现为例如可编程微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。

在一个示例中，信号检测器的测量功能可以集成在控制器105中，例如作为附加的软件例程，使得可以省去信号检测器104的测量功能。

通常，具有切换控制功能的EP的扇区化接收机100可以由通过使用相应数量的信号检测器测量其具有不同FOV的每个光电探测器的信号强度或质量来实现(每个光电探测器一个信号检测器)，并且例如利用控制器105取决于EP相对于AP的位置来决定相应数量的开关中的哪一个被激活以将来自具有最佳信号强度或质量的所选光电探测器的信号引导到基带电路，或者反之亦然。

图5示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的EP的更具成本效益变体的扇区化接收机100的第一示例的框图。

在第一示例中，扇区化接收机100包括具有不同FOV的四个光电探测器103a至103d。然而，要领会，可以有更多或更少的光电探测器。通常，扇区化接收机包括至少两个光电探测器。

控制器(CTRL)105连接到设置在光电探测器103a至103d和TIA 102之间的多个开关101a至101d，以便取决于EP相对于AP的位置，选择性地激活开关101a至101d之一，以将来自相应光电探测器的信号引导到基带电路(BB)106。控制器105基于从检测器(DET)104接收的信号强度/质量测量结果执行选择，该检测器104连接到TIA 102的输出。基带电路106可以用于将光学LiFi信号(例如，DC偏置的正交频分复用(OFDM)信号)转换成以太网分组(例如，用于图1的主干网络14中)一一并且反之亦然一一以便传输。此外，基带电路106可以执行导频辅助信道估计和/或频域均衡，以重构接收到的符号星座图(constellation)。

为了帮助控制器105决定传输过程何时被中断(例如，在传输帧的时隙的帧间间隙期间)，在基带电路106和控制器105之间提供连接线来传送相应的控制输出。该控制输出通常出现在基带电路106中，以在设备正发射时向发射机的前端级发信号。紧接在传输分组之后，该控制输出立即改变其二进制状态(例如变低)，以向控制器105发信号通知其具有最小可用时间段(例如30us)，在该时间段内，其可以切换到其他光电探测器并从其他光电探测器读取测量结果，而不中断当前注册的AP的传输帧。

光电探测器103a至103d响应于入射在光电探测器上的光产生电流。以这种方式，光电探测器103a至103d中的每一个可以用于接收调制光形式的光学无线通信信号(例如，LiFi信号)。

光电探测器103a至103d中的每一个从不同的相应接收FoV接收光。例如，光电探测器103a至103d中的每一个可以接收来自特定扇区(在立体角上)的光，并且可以朝向不同的方向。替代地或附加地，光电探测器103a至103d中的一个或多个可以在其上接收光的立体角可以被收发机的主体或外壳的一部分限制，从而形成所发射光束的方向/光束形状。

这里，术语“信号强度”指的是AC信号强度。例如，信号强度检测可以以2MHz开始。这是有利的，因为它允许忽略DC源(如阳光)。在一些示例中，可以在光电探测器103a至103d处设置滤光器，以便基本上去除除了用于通信的光波长之外的光波长(例如，光电探测器可以是设置有用于基本上阻挡可见光的波长滤光器的IR光电探测器)。在一些示例中，光电探测器103a至103d可以是差分的，其更不受没有调制(DC)的可见光的影响。换句话说，信噪比(SNR)或接收信号强度指示符(RSSI)是基于滤波后的信号，其中在一些示例中，过滤掉DC贡献以去除例如阳光，并且替代地或附加地，可以使用(频率)带通滤波器来过滤掉在前同步码的频率范围之外的噪声成分。

在图5所示的示例中，扇区化接收机100包括开关布置，该开关布置包括多个开关101a至101d。在该示例中，开关101a至101d的数量与光电探测器103a至103d的数量相同，使得每个光电探测器都有相应的开关。

控制器105可操作地耦合到光电探测器开关101a至101d中的每一个，以独立地控制开关101a至101d的打开和闭合。开关101a至101d中的每一个可操作地耦合到光电探测器103a至103d之一。光电探测器103a至103d各自可操作地耦合到TIA 102。信号检测器104可操作地耦合到TIA 102。

由光电探测器103a至103d中的特定光电探测器产生的电流是否到达TIA 102取决于开关101a至101d中的相应开关的状态，即，当给定光电探测器的相应开关闭合时(不传递电流)，由该光电探测器产生的任何电流不传递到TIA 102，并且当给定光电探测器的相应开关打开时(传递电流)，由该光电探测器产生的电流传递到TIA 102。

在操作中，控制器105被配置成控制开关101a至101d，使得光电探测器103a至103d可以在接收光学信号(例如，来自未连接到EP的(多个)其他AP的信标)期间被选择性地测试，以便确定光电探测器103a至103d中的至少一个是否正在接收信号强度大于阈值信号强度的光学信号。为了实现这一点，控制器105被配置成操作开关101a至101d，以便一次选择性地将光电探测器101a至101d中的单个光电探测器连接到TIA 102。

当光入射在光电探测器103a至103d中的一个上时，当该光电探测器连接到TIA102时，TIA 102从该光电探测器接收电流，并将接收的电流转换成放大的电压。例如，可以使用一个或多个运算放大器来实现TIA 102。

信号检测器104从TIA 102接收放大的电压，并从中提取LiFi信号。信号检测器104可以被实现为例如具有RSSI模块的射频(RF)检测器，其接收LiFi信号并确定LiFi信号的信号强度。信号检测器104被布置成向控制器105提供所确定的信号强度。信号检测器104的RSSI模块可以被实现为例如比较器，该比较器被布置为将接收的LiFi信号的信号强度与阈值信号强度进行比较，并向控制器105输出LiFi信号强度是高于阈值信号强度还是低于阈值信号强度的指示。

在另一个示例中，控制器105中的模数(AD)转换器可以被用作比较器，以代替信号检测器104的RSSI模块来确定和比较LiFi信号的信号强度和阈值信号强度。

要领会，当接收数据分组时，基带电路106用于通过分析分组的开始来检测和同步分组。因此，如本文使用的术语“信号强度”可以指为期望的分组部分(例如前同步码)存在的频带的一部分建立的接收信号强度(RSSI)。

因此，在第一示例中，可以使用单个TIA 102和单个信号检测器104(而不是每个相位检测器使用一个)。

可选地，可以可能的是实现两条并行的信号路径，即，一条用于根据所提出的切换控制机制来配置收发机，并且一条对来自所有光电探测器103a至103d的所有贡献进行求和，具有单独的TIA(图5中未示出)，其用于系统的同步。虽然这种解决方案以另外的TIA为代价，并且通过求和，可能在同步期间遭受更高的噪声基底，但是它确实使得收发机能够使用整个前同步码并行于收发机的配置来执行同步。

图6示意性地示出了根据各种实施例的具有切换控制功能的扇区化接收机100的第二示例的框图。

第二示例通过提供四个TIA 102a至102d和单个信号检测器104来提供具有降低的复杂性的替代配置，每个TIA连接到光电探测器103a至103d中的相应光电探测器，单个信号检测器104具有连接在TIA 102a至102d的相应输出端和信号检测器104的输入端之间的四个附加开关107，并且由控制器105控制以连续测量所有相位检测器103a至103d中的输入信号，而不干扰经由闭合的开关101a到101d被引导到基带电路106的信号。

图7示意性地示出了在图2的系统中的扇区化EP 209和两个非同步AP(AP 1201和AP2202)之间的通信期间的信号波形的示例的四个时序图。

最上面的图指示AP 1的接收时间(RX)和传输时间(TX)，而第二个图指示AP2的接收时间(RX)和传输时间(TX)。第三个图指示EP 209的传输时间(TX)和EP209经由其具有第二FoV206的第二相位检测器(PD2)的接收时间(RX)。最后，最下面的图指示EP 209经由其具有第一FoV 205的第一相位检测器(PDl)的接收时间(RX)。

如从图7中可以看出，所有传输时间和接收时间被传输中断时间(例如，大约30-40us的帧间间隙)分开。

在图7的示例中，EP 209经由具有扇区化接收机100的第二FoV206的第二相位检测器(PD2)连接到AP2202。这可以从以下事实中导出：EP 209的接收时间(RX)基本上对应于AP2202的传输时间(TX)，并且反之亦然。

当EP 209开始更远离AP2202并且更靠近AP 1101时，在EP 209的传输中断时间301(例如，大约30-40us的帧间间隙)期间测量的并且在第一FoV 205(见最下面的图中的灰色区域)中接收的信号强度将超过其对应的相位检测器(即，在这种情况下的第一相位检测器(PD 1))的阈值，并且控制器可以切断到具有FoV 206的第二相位检测器(PD2)的连接，并且接通到具有第一FoV 205的第一相位检测器(PD1)的连接，直到EP 209向AP1注册。

由于光学无线通信(例如ITU-T g.hn或g.vlc或IEEE 802.11网络)上的帧大小是可变的，因此即使两个相邻AP偶然开始同步，当EP注册到它们中的一个时，AP也将在几个帧之后最终变得不同步，并且未连接的AP的信标的传输间隔的一部分将落入EP的帧间间隙中并且可以被EP的信号检测器测量到。

在实施例中，EP的收发机的发射机电路可以包括用于输出调制光信号的多个光源。光源可以被实现为例如发光二极管LED，例如可见光LED或红外LED。每个光源可以处于激活状态(打开)或不激活状态(关闭)。在激活状态下，光源被布置成输出光，用于传输光学无线通信信号的目的。在非激活状态下，光源被布置成不输出光。

每个光源将光发射到不同的相应传输FoV中。例如，每个光源可以将光发射到特定的扇区中(在立体角上)，并且可以朝向与其他光源不同的方向。替代地或附加地，一个或多个光源的光输出可能受到收发机的主体或外壳的一部分的限制。在任一情况下，在每个光源的传输FoV之间可能有或者可能没有重叠。

在示例中，EP的扇区化接收机的光电探测器的每个接收FOV可以与EP的收发机中提供的扇区化发射机的光源(例如，LED或激光二极管)的对应的一个或多个传输FOV相关联。在这点上，如果例如各个FoV相同或相似，则接收FoV可以被视为对应于传输FoV。例如，在相应的FOV是锥形的情况下，如果相应的锥角相同——优选地在比方说10％以内，或者更优选地在1％或2％以内——则可以认为FOV彼此对应。

在一些示例中，光电探测器和光源可以被提供为逻辑对，其分别从相同或基本相同的FoV接收和向相同或基本相同的FoV传输。光源的传输FoV被认为对应于同一逻辑对的光电二极管的接收FoV。此外，如果例如接收FoV完全落在传输FoV内，则可以认为接收FoV对应于传输FoV，或者反之亦然。

此外，在示例中，使用发射机的所有光源来发射信号可能不总是必要或合适的。例如，为了使EP处实现的收发机向AP传输光学无线通信信号，单个光源可能就足够了。例如，当AP仅位于单个光源的传输FoV内时，可能是这种情况。

在实施例中，收发机可以被配置成确定要激活的一个或多个光源，以发射调制光信号。因为不是所有的光源都需要被激活，所以节省了功耗和产热两者。可以在接收数据分组的前同步码期间，并且例如不是在接收数据部分期间，确定要激活哪一个或多个光源。以这种方式，在数据部分的处理期间，到基带电路处的解调器的输入可以保持基本恒定。这确保了接收的OWC数据信号的正确接收和解码。

在实施例中，如果确定被测光电探测器已经接收到信号强度高于预定阈值信号强度的光学信号，则可以激活对应的至少一个光源，该对应的光源具有与被测光电探测器的接收FoV对应的传输FoV。

在实施例中，光电探测器测试阶段可以以各种不同的方式实现。实际上，测试一个光电探测器可能需要大约2.5us。例如，参考图5或图6，信号检测器104可能需要大约1us来测量信号，并且确定信号强度是否高于阈值可能需要另外1.5us。如果帧间间隙具有大约30到40us的长度，则可以测试足够数量的光电探测器，同时在切换后留下足够的时间用于同步。

在一些示例中，控制器可以被配置成在帧间间隙期间依次测试所有光电探测器。可选地，当网络协议允许时，帧间间隙可以被配置为比考虑同步问题所严格要求的更长。一旦已经发现光电探测器的信号强度高于阈值，控制器就可以停止测试光电探测器。该序列例如可以是：预定序列，其中每次以相同的顺序测试光电探测器；或者随机序列，其中每次以随机顺序测试光电探测器。

上面的示例描述了在帧间间隙期间可以测试扇区化接收机的光电探测器的方式。虽然控制器可以被配置成在传输中断阶段期间测试光电探测器(以上述任何方式)，但这可能不是必需的。例如，设备可能没有从一个传输FoV移动到另一个。因此，在示例中，控制器通常可以在控制器不测试光电探测器的模式下操作，但是切换到“测试”模式，在该“测试”模式下，控制器测试一个或多个光电探测器以确定切换选项。换句话说，控制器可以继续使用先前确定的光电探测器来接收LiFi信号，直到它切换到测试模式，以便重新评估使用哪个光电探测器。

在一些示例中，控制器可以被配置成根据预定义的时间尺度(例如每秒一次、每十秒一次、每分钟一次等)切换到测试模式。

替代地或附加地，控制器可以被配置成响应于来自传感器的输入而切换到测试模式。

在一个示例中，传感器可以是指示带有控制器的设备本身已经移动、旋转等的运动传感器(例如，陀螺仪传感器)。

在又一示例中，传感器可以被实现为基础设施占用/运动传感器，例如来自照明基础设施的传感器。这种传感器可以用于跟踪用户在环境内的运动。来自该传感器的输入(指示用户的存在，或者指示用户已经移动)然后可以被用作扇区化接收机的控制器切换到测试模式的触发器。当用户手持EP时，这是有利的，并且因此用户的运动意味着EP的运动。

在一些示例中，扇区化接收机的控制器可以被配置成根据本文描述的任何示例来测试光电探测器，但是首先从光电探测器中先前确定的一个开始。也就是说，当控制器先前已经基于识别接收到最高信号强度的光电探测器而选择了要使用的光电探测器时，它可以被配置成通过在测试其他光电探测器之前测试该光电探测器来开始，作为下一测试阶段的一部分。这是特别有利的，因为如果另一个设备没有移动，那么被测试的第一个光电探测器可以预期在阈值之上，并且因此被更快地选择。

如将理解的，尽管本文呈现的图像是二维的，但是实际的系统将在三维空间中操作。结果是，光电探测器和它们相应的FOV通常在三维空间中将是相邻的。例如，当四个光电探测器以正方形布局放置时(如图2所示)，在旨在提供比各个光电探测器的组合覆盖区域/立体角更大的组合覆盖区域/立体角的配置中，它们相应的FOV将是相邻的，并且可能部分重叠。

总而言之，在由多个AP组成的光学无线通信网络(例如，LiFi网络)中，提供了一种用于在两个重叠的相邻AP之间进行无缝切换的机制，其中，扇区化EP被配置为利用时分复用特性来检测(多个)相邻AP的存在，并选择相关的段进行切换。

将理解，本文所指的控制器实际上可以由一个集成电路或多个集成电路、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等来提供。

尽管本文参考附图描述的实施例的至少一些方面包括在控制器中执行的计算机过程，但是本发明还扩展到计算机程序，特别是载体上或载体中的计算机程序，其适于将本发明付诸实践。该程序可以是非暂时性源代码、目标代码、源代码和目标代码中间的代码的形式，例如部分编译的形式，或者适用于实现根据本发明的过程的任何其他非暂时性形式。载体可以是能够携带程序的任何实体或设备。例如，载体可以包括存储介质，例如：固态驱动器(SSD)或其他基于半导体的RAM；ROM，例如CD ROM或半导体ROM；磁记录介质，例如软盘或硬盘；一般的光学存储器设备；等等。

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，并且不是限制性的。本发明不限于所公开的基于LiFi的实施例，而是可以应用于具有涉及传输中断时间的时间复用传输方案的所有种类的光学无线网络。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。前面的描述详细描述了本发明的某些实施例。然而，将领会的是，无论上文在文本中出现得多么详细，本发明都可以以多种方式实践，并因此不限于所公开的实施例。应该注意的是，当描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应该被理解为暗示该术语在这里被重新定义，以被限制为包括与该术语相关联的本发明的特征或方面的任何具体特性。

单个单元或设备可以实现权利要求中列举的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

类似于图3中所指示的操作的所述操作可以分别实现为计算机程序的程序代码装置和/或接收机设备或收发机设备的专用硬件。计算机程序可以存储和/或分布在合适的介质上，例如光学存储介质或固态介质，与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供；但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或者其他有线或无线电信系统。

Claims (15)

1.一种供在光学无线通信OWC网络中使用的端点EP设备(EP)，所述光学无线通信OWC网络包括接入点AP设备(AP 1)，并且其中EP设备(EP)与AP设备相关联，所述EP设备包括：

-光学无线收发机(41)，其包括多个光电探测器(103)，这些光电探测器具有用于接收调制光信号的不同的相应视场(205，206)，和

-用于控制所述光学无线收发机(41)的装置(105)，

其中所述装置(105)被配置成：

检测传输中断时间(301)，所述传输中断时间(301)是OWC网络中AP设备和与所述AP设备相关联的EP设备不进行传输的时间间隔；

在所述传输中断时间(301)期间测试所述多个光电探测器(103)中的一个或多个，以确定所述多个光电探测器(103)中的一个是否正在接收信号强度高于阈值信号强度的调制光信号；以及

如果确定被测光电探测器已经接收到所述信号强度高于阈值信号强度的调制光信号，则将接收切换到所述被测光电探测器，并且发起从AP设备(202)到另外的AP设备(201)的切换。

2.根据权利要求1所述的EP设备，其中所述传输中断时间(301)通过由所述光学无线收发机(41)使用的网络协议确定。

3.根据权利要求1或2所述的EP设备，其中所述装置(105)被配置为基于传输中断间隔(301)期间的信号质量参数的测量来确定所述多个光电探测器(103)中的一个是否正在接收所述信号强度高于阈值信号强度的调制光信号。

4.根据权利要求1或2所述的EP设备，其中所述装置(105)被配置为将接收切换到所述被测光电探测器，同时关闭所述多个光电探测器(103)中的其他光电探测器。

5.根据权利要求1或2所述的EP设备，其中所述装置(105)被配置为以预定或随机的顺序发起所述多个光电探测器(103)的测试。

6.根据权利要求1或2所述的EP设备，其中所述装置(105)被配置为当发射电路正在发射时，基于用于向收发机(41)的前端级发信号的控制输出来检测所述传输中断时间(301)。

7.根据权利要求1或2所述的EP设备，其中所述装置(105)被配置为响应于来自运动传感器的输入来测试所述多个光电探测器(103)中的一个或多个。

8.根据权利要求1所述的EP设备，其中所述传输中断时间是由物理层(PHY)和/或媒体接入控制(MAC)层规定的时间。

9.根据权利要求8所述的EP设备，其中所述传输中断时间是所述EP设备放弃信道接入之后的信道周转时间。

10.根据权利要求1所述的EP设备，还包括信号检测器(104)，所述信号检测器(104)被配置为经由多个开关(101；107)选择性地接收来自所述多个光电探测器(103)的输出信号，用于基于接收到的输出信号执行信号强度和/或质量测量。

11.根据权利要求1所述的EP设备，其中所述多个开关(101)被配置为选择性地可控，以将接收切换到所述被测光电探测器。

12.一种OWC系统，包括至少一个权利要求1所述的EP设备。

13.一种控制供在光学无线通信OWC网络中使用的端点EP设备的光学无线收发机(41)的方法，所述光学无线通信OWC网络包括接入点AP设备(202)，并且其中EP设备与AP设备(202)相关联，所述光学无线收发机(41)包括多个光电探测器(103)，这些光电探测器具有用于接收调制光信号的不同的相应视场(205，206)，

其中所述方法包括：

检测传输中断时间(301)，所述传输中断时间是OWC网络小区中AP设备和与所述AP设备相关联的EP设备不进行传输的时间间隔；

在所述传输中断时间(301)期间测试(S303，S304)所述多个光电探测器(103)中的一个或多个，以确定所述多个光电探测器(103)中的一个是否正在接收信号强度高于阈值信号强度的调制光信号；以及

如果确定被测光电探测器已经接收到所述信号强度高于阈值信号强度的调制光信号，则将接收切换(S306)到所述被测光电探测器，并且发起从AP设备(202)到另外的AP设备(201)的切换。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述传输中断时间(301)通过由所述光学无线收发机(41)使用的网络协议确定。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述测试包括操作开关布置(101；107)以选择性地将所述多个光电探测器(103)中的每一个连接到信号强度检测器(104)。

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