CN116636159A - 用于无线电-光通信的分布式系统 - Google Patents

Abstract

一种用于与用户装备通信的无线接入点WAP，该WAP包括多个无线通信单元、通信地耦合至该多个无线通信单元并被配置成管理该多个无线通信单元的接入层控制单元ALCU，其中多个无线通信单元中的第一无线通信单元通过射频RF频谱通信，并且多个无线通信单元中的第二无线通信单元通过可见或红外光频谱通信。

Description

用于无线电-光通信的分布式系统

发明的背景技术

联网的个人设备的日益普及已经造成对改进这种网络的能力的需要。为了满足这些需要，无线通信协议已经演进，诸如Wi-Fi、5G LTE、蓝牙等。然而，这些无线技术使用相邻或交叠的无线电频带，这可导致更高的干扰。

该干扰趋于随着通过相同RF频带进行通信的设备的空间密度类似地增加，从而导致瓶颈或降低的性能。如此，位于室内环境(诸如，火车或飞机)中的网络(其中大量用户被限制在室内环境中并且同时试图访问网络)遭受干扰增加，该干扰可严重降低那些网络的性能。这通过增加基站的数量以增加容量并且提供更多信道供这些设备在其上通信来部分地解决。

然而，由于所需的设备的数量增加，此类办法通常难以部署和管理。此外，由RF频谱中的传输产生的干扰可以影响其他电子设备用于例如对飞行器进行导航的性能。

因此，需要一种能够提供降低的干扰和改进的性能同时便于网络管理和部署的联网系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于与用户装备通信的无线接入点WAP，该WAP包括多个无线通信单元、通信地耦合至该多个无线通信单元并被配置成管理该多个无线通信单元的接入层控制单元ALCU，其中该多个无线通信单元中的第一无线通信单元通过射频RF频谱通信，并且该多个无线通信单元中的第二无线通信单元通过可见或红外光频谱通信。

有利地，根据本发明的第一方面的无线接入点通过在单个无线接入点中集成必要的装备以通过使用可见光和RF频谱电磁波两者或任一者进行通信来促成异构网络的部署。因此，减少了对于使用RF频谱的单独接入点和用于可见光通信的单独专用接入点的需要。在同一设备中具有采用RF频谱和可见光频谱的无线通信单元两者，促成了将网络话务从一个无线链路卸载到另一无线链路，例如在由于用户装备的移动而缺少与WAP的视线的情况下。

WAP的ALCU可被配置成至少部分基于与相应用户装备相关联且通过相应多个无线通信单元收集的第一网络测量来管理其WAP的多个无线通信单元。ALCU使用第一网络测量来改进WAP与相应用户装备的通信链路。

管理WAP的多个无线通信单元可包括：改进WAP与用户装备之间的通信链路的误码率BER、WAP与用户装备之间的通信链路的频谱效率、WAP与用户装备之间的通信链路的信号带宽、WAP与用户装备之间的通信链路的信噪比SNR、WAP与用户装备之间的通信链路的信号与干扰加噪声比SINR，平衡第一和第二无线通信单元上的通信负载，扩展WAP的覆盖区域，向用户装备递送单用户和/或多用户MIMO能力，或其组合。

第一无线通信单元可以通信地耦合至一个或多个RF端点，其中每个RF端点可包括用于RF通信的至少一个天线。

第二无线通信单元可以通信地耦合至一个或多个基于光的端点，其中每个基于光的端点可包括用于通过可见或红外光频谱通信的至少一个可见或红外光发射器。

一个或多个RF端点和/或一个或多个基于光的端点可以在WAP外部。

根据本发明的第二方面，提供了一种联网系统，该联网系统包括网络，该网络包含多个无线接入点WAP以及通信地耦合至该网络中的每一WAP的ALCU且被配置成管理该多个WAP的认知控制单元CCU。

有利地，当与仅采用RF频谱链路或仅采用可见光频谱链路的已知网络相比时，CCU可以适配WAP，使得服务质量可基于可见光EM频谱和RF频谱的不同传播属性来被维持或甚至改进。而且，CCU可以基于应用场景的干扰特性来选择待采用的频谱，例如通过确保对RF频率敏感的仪器附近的用户装备仅使用可见光频谱进行通信。

CCU可被配置成至少部分基于与每一WAP相关联且通过每一WAP的ALCU传送至CCU的第二网络测量来管理多个WAP，以改进多个WAP的网络的性能。

管理多个WAP可包括：在多个WAP中的WAP之间平衡网络负载；配置WAP以，例如当存在链路故障的增加的可能性时提供冗余通信链路；配置WAP以遵循对服务质量保证的要求；优化WAP、应用配置之间的带宽分配；配置RF和光通信链路；为RF或可见或红外光频谱分配预定义的通道；确定活跃RF和光发射/接收元件的数量；迫使WAP仅通过RF或可见光频谱与特定用户装备进行通信；或其组合。

CCU可被集成在形成系统的多个WAP中的一者中。

CCU可通过基于从每一WAP的ALCU收集的网络测量训练神经网络来管理多个WAP。

多个WAP可以星形拓扑通信地耦合，且由包括CCU的中央节点集中地协调。

每一WAP的至少一个第二无线通信单元可被配置成通过IEEE802.15.7或IEEE802.11bb协议进行通信。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于飞行器的飞行中娱乐和连通性IFEC系统，该飞行器包括根据本发明的第一方面的联网系统。

附图的简要说明

参考以下所附附图，现在将仅通过非限定性示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是已知飞行中娱乐和连通性平台的系统架构的示意图。

图2是基于根据本发明的第一方面的联网系统的飞行中娱乐和连通性平台的示意图。

图3是根据本发明的第一方面的无线动作点的示意图。

本发明的实施例的详细描述

本发明涉及一种联网系统，其采用通过RF和可见光频谱的通信链路以减轻已知网络在存在高密度的潜在连接设备时所经历的问题。

作为部署的示例性情况，考虑用于飞行器的飞行中娱乐和连通性(IFEC)系统，但这不应该被解释为对本发明的限制。本发明可被用于其他室内或室外环境。

图1示意性地解说了已知飞行中娱乐和连通性平台10的典型系统架构。在图1中，虚线表示采用RF频谱的无线无线电链路，而实线双线表示有线链路，例如1千兆以太网链路。机组人员面板12通过有线连接来连接至主媒体服务器14a和备份媒体服务器14b。飞行器连通性回路(16a、…、16n)可连接不同的机舱系统，例如，诸如乘客座椅上的用于媒体消费的集成屏幕之类的系统内客户端设备。多个连通性回路提供抵抗故障的弹性，但可进而使部署和修复更困难。通过菊花链连接中的有线装置耦合的接入点18a-18c使用不同的RF通信协议之一(例如蓝牙或不同的WiFi标准)无线地连接至个人设备19a-19c。主媒体服务器14a和备份媒体服务器14b通过有线连接耦合至其他飞行器系统(未示出)。

当人口密集空间中的多个个人设备试图连接至接入点18a-18c时，图1的系统可经受增加的干扰。此外，为了增加网络容量以容纳更多个人设备，必须增加接入点的数量，这进而增加了总体干扰，同时由于所需的大量有线连接而阻碍管理和安装。

图2示意性地解说了根据本发明的实施例的用于改进的IFEC平台的新颖的联网系统28。在联网系统28中，无线接入点WAP 20a-20c彼此耦合以创建网络。每一WAP连接至认知控制单元CCU 24。CCU 24包括集中式认知引擎，其通过用于计算机系统的任何合适的骨干网络和通信标准从WAP 20a-20c接收信息。在图2的实施例中，WAP 20a-20c经由无线通信链路通信地耦合至CCU。然而，在其他实施例中，WAP中的一些或全部可通过有线耦合通信地耦合至CCU。

在一些实施例中，WAP可以以星形拓扑连接，其中中央节点包括CCU。有利地，当WAP以星形拓扑连接时，CCU可以响应于检测到WAP的故障而提供另一WAP以代替发生故障的WAP，由此确保服务的连续性。

每一WAP 20a-20c能够通过使用RF或可见光频谱的电磁波与用户装备无线通信。各种用户装备21a、22a、21c、22c可以连接至网络的相应WAP。在所解说的实施例中，用户装备21a可以是个人设备，例如，通过在RF频谱中通信来无线连接至WAP 20a的膝上型或平板设备。用户装备22a可以是例如集成在乘客座位中的使用可见光频谱来无线连接至WAP 20a的屏幕。用户装备21c和22c可以是使用可见光频谱或RF谱来耦合至WAP 20c的类似设备。在一些实施例中，用户装备可以通过RF和可见光频谱同时通信来连接至WAP。虽然在所解说的实施例中，所有用户装备无线连接至其相应WAP，但在其他实施例中，可存在通过有线连接来连接至WAP的用户装备。

每一WAP 20a-20c包括接入层控制单元ALCU(图2中未解说)。ALCU可通过诸如以太网或光纤之类的不同有线介质通信地耦合至CCU 24。替换地，ALCU可以无线地通信耦合至CCU 24。ALCU可以向CCU 24发送包含与每一WAP 20a-20c和通信地耦合至每一相应WAP的每一用户装备之间的通信链路相关的信息的网络测量。在图2的解说实施例中，WAP 20a的ALCU收集与WAP 20a和用户装备21a之间的通信链路相关的信息，诸如通信链路的误码率BER；通信链路的频谱效率；通信链路的信号带宽；通信链路的信噪比SNR；通信链路的信号与干扰加噪声比SINR和/或通信链路的接收信号强度。WAP 20a的ALCU还收集与WAP 20a和用户装备22a之间的通信链路相关的信息。ALCU可收集此信息，而不管通信链路是在RF还是可见光频谱中建立的。类似地，WAP 20c的ALCU收集用于与用户装备21c、22c的通信链路的信息。

CCU 24从每一WAP的ALCU收集网络测量以建立网络的模型。该模型可以包括任何以上叙述的信息，该信息可被用于量化每一单独的通信链路的性能，并且整体地量化联网系统28的性能。该信息被用于训练人工智能(AI)网络或实体。在其他实施例中，该信息可被用于训练机器学习(ML)网络。AI/ML网络可生成传送给WAP以改进网络的性能的配置信息。CCU从多个ALCU接收网络信息，从而执行整个网络基础设施的周期性监测。网络信息是周期性地接收的，其中周期是毫秒的量级。在其他实施例中，信息可在较长时段内接收，例如具有持续几秒或者甚至几小时的时段。增加网络信息从ALCUS到CCU的后续发射之间的时间可减少监测过程中消耗的资源量，且增加WAP的电池寿命。CCU将不同控制回路或反馈算法应用于可用测量以确定用于网络配置的全局优化，其中该优化可以包括网络吞吐量最大化、资源分配的公平性、话务优先化、活跃RF/光发射和接收元件的数量等中的任一者。网络测量的示例包括每一WAP的客户端数量和技术(RF/光)、客户端的能力、正在被使用的应用、总吞吐量、物理WAP故障率等。

改进多个WAP的网络的性能可包括在多个WAP之间平衡网络负载。测量WAP上的网络负载可以依赖于不同度量，诸如每个接口的吞吐量(包括基于每个客户端的接收和传送的数据包和字节/秒和/或相应的话务类别信息)、连接至接口的客户端的数量(RF或可见/红外光)、(RF和/或可视/红外光频谱中的)接收信号强度、能耗、发生故障的通信链路的数量等。在一些实施例中，改进网络的性能可包括配置WAP以在存在链路故障的增加的可能性时提供冗余通信链路，例如当存在基于通信链路的SNR的、视线将很快失去的指示且因此通信应依赖于RF频谱时。在一些实施例中，改进性能可以包括：调整WAP中的活跃无线电和可见/红外光发射/接收元件的数量；确定在超过预定义的相应容差阈值的RF和可见/红外光覆盖区域两者中没有过度干扰的情况下可被激活的活跃数据流的数量(即，使MIMO架构的益处最大化)、确定在无线电和可见/红外光频谱两者中的活跃逻辑网络的数量等。在一些实施例中，改进性能可以包括强制WAP仅通过可见光频谱与特定用户装备通信以减少对RF频谱的干扰。一些实施例可以包括以上改进的组合。

尽管在图2中解说的实施例中，CCU 24采用神经网络来生成WAP配置信息，但是其他实施例可以不包括神经网络。替换地或附加地，在一些实施例中，CCU 24可以基于异常检测算法、增强学习算法、干扰降低算法或游戏理论算法来生成WAP配置信息，这取决于期望改进的网络性能的方面。

WAP 20a-20c从CCU 24接收配置信息并相应地调整它们的功能以便以所需的方式改进网络的性能。

在图2的实施例中，CCU 24也耦合至终端26。终端26可以是类似于图1中的乘务员面板12的乘务员面板，其使得用户能够与IFEC平台交互。在一些实施例中，终端26可以是与CCU 24无线通信的个人设备。然而在其他实施例中，例如在飞行器环境中，终端26可以是固定至飞行器的面板。

在图2的实施例中，CCU 24是耦合至WAP 20a-20c的服务器单元的一部分。然而，在其他实施例中，CCU 24可以以软件或硬件来集成在WAP之一中。

图3示意性地解说了形成联网系统28的一部分的WAP 30，诸如WAP 20a-20c。可在室内环境(诸如，飞行器内部)中部署一个或多个WAP以使得客户端设备能够具有用于数据通信的无线连通性且接入联网系统28。WAP 30无线地通信耦合至用户装备31a、31b和31c。

WAP 30包括ALCU 32。ALCU 32包括用于执行机器可读指令和计算机程序的微控制器32a、用于存储数据和可执行计算机程序的存储器32b、用于控制连接至WAP 30的外围设备的I/O组件32c、以及可任选地用于控制负责通过可见光频谱通信的硬件的光控制器32d。

WAP 30还包括能够将ALCU 32耦合至CCU 24的认知控制单元接口CCUI 34。CCUI34提供软件转换层以使得能够与标准化开放接口(诸如RESTFull)交互，该标准化开放接口使得能够借助于合适的管理接口(其可以是图形用户界面或命令行接口)向系统管理员和/或经训练人员报告信息。尽管在图3的实施例中，CCUI被解说成是与ALCU不同的组件，然而在一些实施例中，CCUI可以是ALCU的一部分，例如以在微控制器32a上运行的软件实现。

WAP 30还包括无线通信单元36a，其被配置成通过RF频谱与用户装备31a-31b通信。无线通信单元36a可包括形成RF收发器的一部分的必要模块中的一些或全部，例如调制器、功率放大器、阻抗匹配电路等。无线通信单元36a耦合至ALCU 32和RF端点38a。尽管在图3中解说的实施例中，无线通信单元36a仅连接至一个RF端点，但是在其他实施例中，被布置成通过RF频谱进行通信的无线通信单元可以耦合至多个RF端点。

RF端点38a包括用于无线电通信的多个天线。RF端点38a还可以包括控制器(未示出)，其被布置成向多个天线提供信号以启用与用户装备31a和/或用户装备31b的单用户或多用户MIMO通信链路。在一些实施例中，RF端点38a可包括用于物理层信号处理和/或实现用于接入无线电信道的底层MAC协议的电路。

在图3中解说的实施例中，RF端点38a位于WAP 30的外部，并通过有线手段，例如以太网或光纤，连接至WAP 30。然而，在其他实施例中，RF端点38a可集成在WAP 30中。

WAP 30还包括无线通信单元36b，无线通信单元36b被配置成通过可见光频谱与用户装备31c通信。无线通信单元36b可包括使用可见光频谱形成收发器的一部分的必要模块中的一些或全部，例如ADC或DAC、基带数字信号调制器/解调器、以及具有相应的光驱动器的光发射器(LED和/或红外二极管)。无线通信单元36b耦合至ALCU 32和基于光的端点38b。尽管在图3中解说的实施例中，无线通信单元36a仅连接至一个基于光的端点，但是在其他实施例中，被布置成通过可见光频谱进行通信的无线通信单元可以耦合至多个基于光的端点。

基于光的端点38b包括用于无线电通信的多个光发射器。光发射器可以是布置成发射可见光(即，波长在大约370nm至800nm范围内的光)的灯或LED。基于光的端点38b还可包括控制器(未示出)，该控制器被布置成向多个光发射器提供信号以启用与用户装备31c的单用户或多用户MIMO通信链路。基于光的端点38b包括光传感器(未示出)，以实现通过可见光频谱的双向传输。然而，在其他实施例中，基于光的端点38b可不包括传感器以减小基于光的端点的大小和复杂性，且因此通过可见光频谱的通信可仅是下行链路，即从WAP30到用户装备31c。在一些实施例中，基于光的端点38b可包括用于物理层信号处理和/或实现用于接入基于光的信道的底层MAC协议的电路。在一些实施例中，基于光的端点38b包括用于光发射器的驱动器，以及使光发射器能够在可见或红外光频谱中辐射的任何其他所需硬件。

在图3中解说的实施例中，基于光的端点38b在WAP 30外部并且通过有线手段(例如，以太网或光纤)耦合至WAP 30。有利地，在WAP外部具有基于光的端点不需要在WAP 30的壳体中容纳光发射器。这进而使得能够减小WAP的尺寸，从而产生更紧凑的WAP。这种紧凑的WAP便于联网系统的部署和安装。

尽管在图3中，RF端点38a和基于光的端点38b被解说成是在WAP外部，但在其他实施例中，它们可集成在WAP中，从而产生单片设备。在这种情况下，所有WAP包括单个外壳，其包含CCUI 34、ALCU 32、无线通信单元36a-36b、RF端点38a和基于光的端点38b。有利地，具有能够在RF频谱和可见光两者中通信的单个WAP 30简化了联网系统的部署和管理。此外，具有能够在RF频谱和可见光两者中通信的单个WAP 30使得CCU 24能够以更高效和优化的方式管理包括多个相同WAP的网络。

虽然WAP 30在图3中解说为仅包括无线通信单元36a和36b，但是在本发明的其他实施例中，WAP 30可以包括多个无线通信单元36c、……、36n。

ALCU 32负责WAP 30所支持的无线通信技术的本地配置和优化。ALCU 32被配置成至少部分地基于与用户设备31a-31c相关联的网络测量来管理无线通信单元36a和36b。网络测量由无线通信单元36a和36b收集。ALCU配置无线通信单元36a、36b以改进WAP 30和任何用户装备31a-31c之间的通信链路。在一些实施例中，ALCU可确定用户设备31c已失去与基于光的端点38b的视线，且可配置无线通信单元38a以建立与用户装备31c的通过RF频谱的通信链路。

在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括改进通信链路的误码率BER。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括改进通信链路的频谱效率。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括改进通信链路的信号带宽。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括改进通信链路的信噪比SNR。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括改进通信链路的信号与干扰加噪声比SINR。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括平衡第一和第二无线通信单元上的通信负载。平衡第一和第二无线通信单元上的通信负载可包括基于与如下各项有关的信息来确定第一或第二无线通信单元上的通信负载：每个接口(RF或可视/红外光)连接的客户端数量、客户端所请求的话务类别(即，应用的QoS参数)、可根据聚合字节/秒测量的每个接口(RF或可见/红外光)的聚合下行话务、连接至接口(RF或可见/红外光)的客户端的信号质量图、RF和可见/红外光频谱两者中的干扰图、话务调度策略、检测到发生故障的发射/接收元件和/或WAP等。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括通过使用具有较大射程的无线通信单元来扩展WAP 30的覆盖区域。在一些实施例中，改进WAP 30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括管理无线通信单元36a、36b以将单用户和/或多用户MIMO能力递送给相应用户装备。在一些实施例中，改进WAP30与用户装备31a到31c中的任一者之间的通信链路可包括上文的任何组合。

尽管上述本发明的实施例描述了传送可见光频谱中的电磁波的通信单元，但是本领域技术人员将理解，本发明的其他实施例可以改为在红外光频谱中传送。

Claims (13)

1.一种用于与用户装备通信的无线接入点WAP，所述WAP包括：

多个无线通信单元；

通信地耦合至所述多个无线通信单元并被配置成管理所述多个无线通信单元的接入层控制单元ALCU，其中

所述多个无线通信单元中的第一无线通信单元通过射频RF频谱通信；并且

所述多个无线通信单元中的第二无线通信单元通过可见或红外光频谱通信。

2.如权利要求1所述的WAP，其特征在于，所述ALCU被配置成至少部分基于与通信地耦合至所述WAP的所述用户装备相关联且通过所述多个无线通信单元收集的第一网络测量来管理所述多个无线通信单元。

3.如权利要求2所述的WAP，其特征在于，管理所述多个无线通信单元包括：改进所述WAP与所述用户装备之间的通信链路的误码率BER；所述WAP与所述用户装备之间的通信链路的频谱效率；所述WAP与所述用户装备之间的通信链路的信号带宽；所述WAP与所述用户装备之间的通信链路的信噪比SNR；所述WAP与所述用户装备之间的通信链路的信号与干扰加噪声比SINR；平衡所述第一和第二无线通信单元上的通信负载；扩展所述WAP的覆盖区域；向所述用户装备递送单用户和/或多用户MIMO能力；或其组合。

4.如前述权利要求中的任一项所述的WAP，其特征在于：

所述第一无线通信单元通信地耦合至一个或多个RF端点，其中每个RF端点包括用于RF通信的至少一个天线；以及

所述第二无线通信单元通信地耦合至一个或多个基于光的端点，其中每个基于光的端点包括用于通过所述可见或红外光频谱通信的至少一个可见或红外光发射器。

5.如权利要求4所述的WAP，其特征在于，所述一个或多个RF端点和/或所述一个或多个基于光的端点在所述WAP的外部。

6.一种联网系统，包括：

根据前述权利要求中任一项的多个无线接入点WAP；以及

认知控制单元CCU，所述认知控制单元通信地耦合至每一WAP的ALCU并且被配置成管理所述多个WAP。

7.如权利要求6所述的联网系统，其特征在于，所述CCU被配置成至少部分基于与每一WAP相关联且通过每一WAP的ALCU传送至所述CCU的第二网络测量来管理所述多个WAP。

8.如权利要求7所述的联网系统，其特征在于，管理所述多个WAP包括：在所述多个WAP中的诸WAP之间平衡网络负载；配置WAP以在存在链路故障的增加的可能性时提供冗余通信链路；配置WAP以遵循对服务质量保证的要求；优化WAP之间的带宽分配；配置RF和可见/红外光通信链路；为RF或可见/红外光频谱分配预定义的通道；确定活跃RF和光发射/接收元件的数量；迫使WAP仅通过所述RF或可见光频谱与特定用户装备进行通信；或其组合。

9.如权利要求6到8中任一项所述的联网系统，其特征在于，所述CCU集成在形成所述系统的所述多个WAP之一中。

10.如权利要求6到9中任一项所述的联网系统，其特征在于，所述CCU通过基于从每一WAP的ALCU收集的网络测量训练神经网络来管理所述多个WAP。

11.如权利要求6到10中任一项所述的联网系统，其特征在于，所述多个WAP以星形拓扑通信地耦合，且由包括所述CCU的中央节点集中地协调。

12.如权利要求6到11中任一项所述的联网系统，其特征在于，每一WAP的第二无线通信单元被配置成通过IEEE802.15.7或IEEE802.11bb协议进行通信。

13.一种用于飞行器的飞行中娱乐和连通性IFEC系统，包括权利要求6到12中任一项所述的联网系统。