CN117356048A - 用于高速光学无线通信的扇区化技术 - Google Patents

Abstract

一种供在光学无线通信系统中使用的装置(100)包括：宽光束光源(L5)；两个或更多个窄光束光源(L1‑L4)，其被配置成在不同方向上发射，其中窄光束光源(L1‑L4)的组合视场FoV被宽光束光源(L5)的FoV覆盖；多个开关(S1‑S5)，其被配置成单独打开或关闭光源(L1‑L5)中对应的一个；接收机(RX)，其被配置成从远程设备(200)接收一个或多个反馈信号；以及控制器(CTR)，其被配置成经由控制信号控制多个开关(S1‑S5)；基于由接收机(RX)接收的一个或多个反馈信号来更新控制信号；通过经由宽光束光源(L5)和一个或多个窄光束光源(L1‑L4)向远程设备(200)发送测试信号执行光束选择过程，以使得能够从窄光束光源(L1‑L4)中选择一个用于与远程设备(200)建立数据通信。

Description

用于高速光学无线通信的扇区化技术

技术领域

本发明涉及光学无线通信网络(诸如Li-Fi网络)领域。更特别地，本文公开了与支持高速光学无线通信的扇区化发射机相关的各种方法、装置、系统和计算机可读介质。

背景技术

为了使得越来越多的电子设备(如膝上型电脑、平板电脑和智能手机)能够无线连接到互联网，无线通信面临着前所未有的对数据速率和链路质量的要求，并且考虑到与物联网(IoT)相关的新兴数字革命，这些要求保持逐年增长。射频技术(如Wi-Fi)具有有限的频谱容量，无法迎接这场革命。与此同时，光保真(Li-Fi)凭借其内在的安全性增强和在可见光、紫外(UV)和红外(IR)光谱的可用带宽上支持更高数据速率的能力，正吸引越来越多的关注。此外，如与Wi-Fi相比，Li-Fi有方向性，并且由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽，在用户密集的区域中部署更多数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使Li-Fi成为一种有前途的安全解决方案，以缓解IoT应用和室内无线接入对拥挤的无线电频谱的压力。Li-Fi的其他可能益处可以包括为某个用户保证带宽，以及在区域中安全运行而不易受电磁干扰的能力。因此，Li-Fi是一种实现下一代沉浸式连接的非常有前途的技术。

在基于照明的通信领域中存在几个相关的术语。可见光通信(VLC)通过强度调制光源(诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD))传送数据，其速度比人眼的暂留(persistence)更快。VLC经常用于将信号嵌入由照明源发射的光中，所述照明源诸如是日常照明器，例如室内照明或室外照明，从而允许使用来自照明器的照明作为信息的载体。因此，该光可以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，并且不感知被调制到该照明中的数据的效果。

对于处于高速的无线光学通信，经常使用红外(IR)而不是可见光通信。虽然紫外和红外辐射对于人眼是不可见的，但是利用这些光谱区域的技术是相同的，尽管由于波长依赖性可能发生变化，诸如在折射率的情况下。在许多实例中，使用紫外和/或红外是有利的，因为这些频率范围对于人眼是不可见的，并且可以在系统中引入更多的灵活性。当然，与红外和/或可见光的能级相比，紫外量子具有更高的能级，这反而可能致使在某些状况下不期望使用紫外光。

提供相对大的覆盖范围(诸如具有30-60度的光束角)是确定光学无线通信性能的关键方面。然而，由于高路径损耗、对输出功率的约束(诸如出于眼睛安全的目的)以及功耗限制(特别是对于移动设备)，覆盖范围要求可能导致在远程设备侧接收的光学功率显著降低。因此，要在广角链路上实现的吞吐量也相应减少。克服该问题的一种方法是利用扇区化发射机，该扇区化发射机具有指向不同取向的多于一个的光源。并且然后，选择导致与某个远程设备最佳对准的单个光源，并使用该单个光源进行数据通信，这在覆盖范围和功耗之间提供了良好的平衡。然而，为了使得能够选择最合适的发射扇区，扇区化发射机通常还需要扇区化光传感器，诸如多个光电二极管(PD)。单独的PD用于从远程设备接收与属于同一扇区的相应光源相关的反馈。这种解决方案的缺点是它可能增加设备的尺寸和成本。

US2019082520Al涉及光无线通信设备，其包括多个窄束宽发光二极管以提供广角发射器。发射器可用于无线光通信系统中，并设计成选择指向接收机的发光二极管中的一个，以实现更可靠的信息交换或数据传输。

US9473229B2涉及包括同步模块和信道估计器的通信系统中的接收机。同步模块被配置成通过监视接收信号中的检测度量阈值，使用斜率检测来识别接收信号中的循环前缀的结尾。信道估计器被配置成使用保护频带子载波来估计复杂的噪声方差。

发明内容

为了克服传统扇区化发射机的缺点，发明人提出了一种不同的解决方案：通过将扇区化技术仅应用于发射前端而不应用于接收前端，使得所公开的发射机包括多于一个光源，但最多一个光传感器。为了协调基于反馈的光束选择过程，采用宽光束光源来实现发射机和远程设备之间的信令链路。在光束选择过程期间，测试与单独的分段光源和远程设备相关的连接。并且然后，选择有助于朝向远程设备的最佳对准的光源来建立数据通信。以这种方式，可以以适中的成本和相对小的形状因子来实现扇区化发射机。

鉴于以上所述，本公开涉及用于提供扇区化装置的方法、装置和系统，从而以低成本和低功耗实现高速光学通信。更特别地，本发明的目的是通过如权利要求1所述的装置、如权利要求12和13所述的OWC系统、如权利要求14所述的装置的方法、以及如权利要求15所述的计算机程序来实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种装置。一种供在光学无线通信OWC系统中使用的装置，该装置包括：宽光束光源；两个或更多个窄光束光源，其各自被配置成在不同方向上发射，其中窄光束光源的组合视场FoV被宽光束光源的FoV覆盖；多个开关，每个开关被配置成单独打开或关闭宽光束光源和两个或更多个窄光束光源中对应的一个；接收机，其被配置成从远程设备接收一个或多个反馈信号；以及控制器，被配置成：

经由控制信号控制多个开关；基于由接收机接收的一个或多个反馈信号来更新控制信号；通过经由宽光束光源和一个或多个窄光束光源向远程设备发送测试信号来执行光束选择过程，以使得能够从窄光束光源中选择一个用于与远程设备建立数据通信。

为了在光学无线通信系统中执行扇区化技术，传统的方法是在单个设备中相应地部署多个窄光束扇区化光源和多个窄FoV光传感器。与传统方法不同，本发明中公开的装置不包括多个窄FoV光传感器，而是代替地除了多个窄光束扇区化光源之外，它还包括宽光束光源。宽光束光源被配置成通过保持宽光束光源的FoV覆盖多个窄光束扇区化光源的组合FoV，在装置和远程设备之间建立信令链路，以执行光束选择过程。每次在与新的远程设备建立新的OWC链路之前，可以执行光束选择过程。在当当前数据链路由于装置或远程设备的移动或所选光源和远程设备之间的信道上的另一变化而退化时，也可以触发光束选择过程。并且然后，可以选择另一个段来适应该变化。

多个窄光束扇区化光源的FoV根据扇区化部署指向不同的取向。在相邻扇区之间存在重叠以提供更好的覆盖范围也可以是一个选项。然而，优选的是，重叠相对小，以提高装置的能量效率。宽光束光源的FoV等于或大于窄光束光源的组合FoV。优选地，宽光束光源还被配置成提供与远程设备的低速宽覆盖数据传输，当没有窄光束光源与远程设备对准时，这可以用作备用解决方案。

在远程设备侧测量由宽光束光源和一个或多个窄光束光源发送的测试信号，以单独评估不同的扇区。来自远程设备的反馈信号用于辅助该装置确定建立数据通信的最佳扇区。由于信息是在反馈信号的内容中携带的，而不是在反馈信号的入射角中携带的，因此反馈信号可以经由不同的形态发送。

在一种设置中，接收机是OWC接收机，并且OWC接收机还被配置成从远程设备接收数据分组用于数据通信。

根据这种设置，反馈信号经由OWC链路发送。有益的是，OWC接收机既用于在光束选择过程期间接收反馈信号，又用于在选择某个光源之后的数据通信。并且然后，该装置和远程设备可以启用双向OWC链路。

优选地，OWC接收机是具有单个光电二极管的宽光束接收机。因此，该装置是OWC收发机，其扇区化技术仅经由两个或更多个窄光束光源应用于发射装置。

在另一种设置中，接收机是无线电接收机，并且一个或多个反馈信号由无线电接收机经由射频信道接收。

来自远程设备的反馈信号也可以经由另一无线链路发送，诸如射频信道，而不是OWC链路。另一无线链路可以根据短程无线通信协议，诸如Wi-Fi、Zigbee或BLE。考虑到这种RF信号的传播模式，无线电接收机的覆盖区域通常足以可靠地接收来自远程设备的反馈信号。

有利的是，每个窄光束光源比宽光束光源支持更大的信号带宽。

在窄光束光源的带宽较大的情况下，可以支持更高的数据速率。窄光束光源比宽光束光源提供更高的性能。通常，窄光束光源可能消耗更多的功率。然而，为了传输相同量的数据，考虑到更高的吞吐量速度，与宽光束光源相比，窄光束光源需要更少的时间，发送一定量的数据所消耗的能量可能与窄光束光源相当或者甚至更少。此外，通过支持更高的数据速率，窄光束光源可以支持更多的应用，诸如高分辨率视频流。同时，在给定要发送的有限信息的情况下，用于光束选择过程的信令链路不需要高数据速率，并且因此，优选的是使宽光束光源支持低数据速率到中等数据速率的通信，以降低光束选择过程期间的功耗。

因此，通过在装置中部署指向不同扇区的多个窄光束光源，可以实现具有高速度和大覆盖范围两者的光学数据传输，同时降低功耗，因为只有单个窄光束光源被选择用于数据传输。

优选地，在光束选择过程期间，控制器被配置成将控制信号设置为：打开宽光束光源；并且同时打开至多一个窄光束光源；并且其中宽光束光源和接收机被配置成保持与远程设备的低速双向信令链路，以辅助光束选择过程。

在光束选择过程期间，两个或更多个窄光束光源被单独打开，以评估与每个单独的扇区或段相关的性能，用于数据通信。宽光束光源和接收机用于使装置能够与远程设备建立双向信令链路，以协调光束选择过程。在信令链路上交换的信息可以包括光束选择过程的开始和/或结束的指示符以及一个或多个反馈信号。

由于测试信号和反馈信号通常是短分组，因此发送和接收它们可能消耗有限的时间和功率，并且更重要的是，消耗更多功率的窄光束光源只是偶尔打开。因此可以降低光束选择过程的功率要求。

有益的是，一个或多个反馈信号与由远程设备接收的测试信号的信号质量相关，并且信号质量与接收信号强度、信噪比、功率谱密度和误码率中的至少一个相关。

为了评估每个单独的分段窄光束光源，远程设备提供相应的反馈信号，该反馈信号与从单独的窄光束光源接收的测试信号的信号质量相关。可以使用不同的参数来表示接收到的测试信号的信号质量，诸如接收信号强度指示符(RSSI)、信噪比(SNR)、功率谱密度(PSD)和误码率(BER)。

在一个示例中，控制器被配置成设置控制信号，以在光束选择过程期间顺序打开窄光束光源中的每一个。

取决于光束选择过程的配置，可以通过在光束选择过程期间顺序地打开窄光束光源中的每一个来执行穷举搜索。

有利的是，控制器被配置成基于包含在对应于单独的窄光束光源打开的时间段顺序接收的反馈信号中的信号质量的比较来选择一个窄光束光源。

为了简化信令交换，测试信号和/或反馈信号中可以不包括标识符或序列号。代替地，窄光束光源可以被控制为根据特定的时间顺序依次打开。相应地，在某个时间段或时间窗口期间接收的反馈信号也与当前发射的光源相关。以这种方式，该装置可以一个接一个地收集与不同扇区相关的链路质量。通过遍历所有扇区，可以选择在远程设备侧对最佳链路质量有贡献的扇区来建立数据通信。

在另一个示例中，控制器被配置成当包括在反馈信号中的信号质量大于预定义阈值时选择一个窄光束光源，并且反馈信号在相应的窄光束光源打开的时间段内被接收。

代替遍历所有扇区，每当扇区满足某个链路质量要求时，光束选择过程可以与前面的示例相比更早地停止也可以是一个选项。该选项可以减少光束选择过程的迟延，当装置要发送的数据量不大时，这可以是非常有益的。在这个意义上，选择的不是一个最优的扇区，而是一个足够好的扇区。可选地，在这种情况下，搜索可以在最后使用的窄光束光源和/或与其相邻的窄光束光源开始，并且从其各自的尚未测试的相邻窄光束光源继续。

有益的是，控制器被配置成控制多个开关，以在光束选择过程之后，仅打开用于数据通信的选定窄光束光源，和关闭所有其他光源。

当在光束选择过程期间选择窄光束光源时，在数据通信期间只有该窄光束光源将是激活的。替代地，如果没有窄光束光源满足某一要求或比宽光束光源表现更好，则使用宽光束光源进行数据通信也可以是一个选项。并且然后，在光束选择过程之后，可以关闭所有窄光束光源，而仅打开宽光束光源。

有利的是，宽光束光源和两个或更多个窄光束光源中的每一个包括发光二极管(LED)、激光器、和垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的至少一种。

存在不同类型的光源，诸如LED、激光器、VCSEL、VCSEL阵列、激光二极管、或LEP(发光等离子体)，它们之间的差异可能在于功耗、覆盖范围、最大输出功率、响应时间或信号带宽。基于LED的光学无线通信系统的典型特征在于相对长的通信距离和大的FoV/覆盖区域，而低数据速率到中等数据速率；而基于VCSEL的光学无线通信系统的典型特征在于高数据速率，而具有窄FoV的相对小的角度覆盖范围。

宽光束光源和窄光束光源可以是不同类型的。作为一个示例，宽光束光源可以是LED，并且窄光束光源可以是VCSEL。宽光束光源和窄光束光源也可以是相同类型的，但是光束角度有差异。类似地，两个或更多个窄光束光源可以是相同类型的或不同类型的。

根据本发明的第二方面，提供了一种系统，其中光学无线通信OWC系统包括：根据本发明的装置；并且远程OWC收发机包括至少一个光传感器，所述至少一个光传感器被配置成接收由该装置发送的测试信号中的至少一个；

至少一个光源，其被配置成在由所述至少一个光传感器从所述装置接收到测试信号中的至少一个时，向所述装置发送一个或多个反馈信号。

根据另一种设置，OWC系统包括根据本发明的装置；并且远程OWC接收机包括至少一个光传感器，该至少一个光传感器被配置成接收由该装置发送的测试信号中的至少一个；至少一个无线电发射机，其被配置成在由所述至少一个光传感器从所述装置接收到测试信号中的至少一个时，经由射频信道向所述装置发送一个或多个反馈信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种方法。一种供在光学无线通信OWC系统中使用的装置的方法，该方法包括该装置：通过多个开关单独打开或关闭宽光束光源和两个或更多个窄光束光源中对应的一个；由两个或更多个窄光束光源中的每一个在不同方向上发射，其中窄光束光源的组合视场FoV被宽光束光源的FoV覆盖；从远程设备接收一个或多个反馈信号；经由控制信号控制多个开关；基于由接收机接收的一个或多个反馈信号来更新控制信号；通过经由宽光束光源和一个或多个窄光束光源向远程设备发送测试信号来执行光束选择过程，以从窄光束光源中选择一个来与远程设备建立数据通信。

本发明还可以体现在包括代码部件的计算程序中，当该程序由包括处理部件的装置执行时，该代码部件使处理部件执行如本发明中公开的装置的方法。

附图说明

在附图中，类似的附图标记遍及不同的图一般指代相同的部分。此外，附图不一定是按比例的，取而代之一般将重点放在说明本发明的原理上。

图1示出了光学无线通信系统的基本设置；

图2示出了该装置的基本框图；

图3展示了发射机扇区化的一个示例；

图4示出了一种可能的系统架构；

图5示出了远程设备的基本框图；

图6示出了远程设备的基本框图；

图7示出了示例性光束选择过程的流程图；

图8示出了示例性光束选择过程的流程图；以及

图9示出了该装置的方法的流程图。

具体实施方式

以下阐述的实施例代表了使本领域技术人员能够实施这些实施例的信息，并示出了实施这些实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的构思，并且将认识到在本文中没有特别提出的这些构思的应用。应当理解，这些构思和应用落入本公开的范围。

为了允许用户具有无缝移动性而不丢失连接，期望光学通信小区具有相对大的覆盖范围。由于接入点(AP)通常安装在天花板上，因此它们可以采用多个大功率光源，用于通过利用天花板上可用的干线电力以大角度发散进行传输。然而，对于移动终端设备或加密狗设备(例如，Li-Fi接入密钥(LAK))，考虑到USB供电接口(对于USB-LAK)或来自移动设备的直接供电(对于集成OWC装置)，用于传输的可用功率预算非常有限。

优化功耗和覆盖范围之间的折衷的一种方式是利用扇区化技术。已经提出通过采用多个光源、多个光电二极管(PD)或多扇区PD、多个TIA、多个RMS检测器来实现扇区化OWC通信。来自每个PD或每个PD扇区的水平检测触发对应于相同扇区的光源之一。然而，这种解决方案成本高且尺寸庞大。

发明人提出了一种低成本和简单的解决方案来实现用于OWC通信的装置中的扇区化。扇区化仅应用于装置的发射前端，而不是如传统解决方案中那样应用于发射前端和接收前端两者。为了选择适当的扇区，来自远程设备的反馈回路通过采用接收机来实现，该接收机可以以不同的形态实现。所公开的方法可以优选地应用于但不限于终端设备(例如，USB LAK或具有集成OWC通信装置的移动设备)，供在中等覆盖到宽覆盖(例如，至少30度光束角)和高速(例如，至少100Mbps数据速率)OWC系统中使用。

图1中示出了光学无线通信(OWC)系统的基本设置，其包括装置100和远程设备200。装置100具有扇区化发射机，其包括指向不同扇区的多个光源。远程设备200被配置成辅助装置100选择合适的光源来建立从装置100到远程设备200的高速传输链路。

图2示出了装置100的基本框图。装置100包括宽光束光源L5和两个或更多个窄光束光源L1-L4。每个窄光束光源被配置成作为扇区化发射机在不同的方向上发射。窄光束光源L1-L4的组合视场FoV被宽光束光源L5的FoV覆盖。

这里的光束角或FoV被理解为在三维空间中源自光源的立体角，其中来自光源的光可以被感知。立体角的形状可以使用另外的光学装置来成形，诸如但不限于透镜、光栅、光阑和/或准直器。与光源结合使用的另一个术语是覆盖区域，覆盖区域被理解为来自光源的光照射到的三维空间中的区域。

装置100还包括多个开关S1-S5和控制器CTR。每个开关被配置成单独打开或关闭相应的光源。控制器CTR被配置成向多个开关S1-S5提供控制信号。控制信号可以是多比特控制信号或多个单比特控制信号。

该装置还包括接收机RX。RX被配置成从远程设备200接收一个或多个反馈信号。控制器CTR还被配置成基于由接收机接收的一个或多个反馈信号导出控制信号，并且通过经由宽光束光源L5和一个或多个窄光束光源L1-L4向远程设备200发送测试信号来执行光束选择过程，以从窄光束光源L1-L4中选择一个来建立与远程设备200的数据通信。

优选地，窄光束光源包括LED、激光器、和垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的至少一种。两个或更多个窄光束光源L1-L4可以是相同类型或不同类型的，使得两个或更多个窄光束光源L1-L4包括不同的光源。优选地，宽光束光源L5包括LED、激光器、和垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的至少一种。

注意，每个窄光束光源L1-L4比宽光束光源L5支持更大的通信信号带宽。因此，通过选择窄光束光源进行传输，可以建立高速数据链路。然而，如果窄光束光源L1-L4中的每一个和远程设备200之间的链路质量不足以支持高速链路，则经由宽光束光源L5和远程设备200建立低数据速率到中等数据速率的链路也可以是可能的。典型地，高速链路支持至少100Mbps、优选高达几百Mbps、诸如300Mbps或更高的数据速率。

图3展示了发射机扇区化的一个示例。典型地，窄光束光源的数量应该至少为两个。在这个示例中，该装置包括四个窄光束光源L1-L4和一个宽光束光源，它们由五个椭圆表示。每个光源可以是LED、激光器、激光二极管或VCSEL。图中示出了不同光源的FoV，其中宽光束光源L5具有的FoV覆盖了所有窄光束光源L1-L4的组合FoV。在这个示例中，假设四个扇区的均匀分割，这不应该被理解为对本发明范围的限制。多个窄光束光源的FoV可以彼此相同或不同。两个相邻窄光束光源的FoV之间也可能存在重叠。

图4示出了扇区化发射机和远程接收机的一种可能的系统架构。扇区化发射机包括低成本微控制器CTR、多个开关(诸如单刀单掷(SPST)SPST开关S1…S5，以控制多个光源L1-L5)。在这个示例中，L5具有宽光束角或宽发散角θ₅，并且其他光源L1-L4分别具有窄光束角或窄发散角θ₁～θ₄。优选地，L1-L4被配置成通过以指向不同取向的窄光束角进行发射而具有扇区化的覆盖轮廓。L5的发散角θ₅覆盖了L1-L4的组合发散角θ₁～θ₄。因此，扇区化发射机的总光束角由θ₅定义。作为示例，为了实现±50°的总光束角，可以选择将θ₅配置成大约±50°并将θ₁～θ₄中的每一个配置成大约±12.5°指向不同的方向。为了提供窄光束光源的更好覆盖，也可以选择将θ₁～θ₄配置成大于±12.5°，从而允许两个相邻扇区之间的重叠。当然，L1-L4不必是相同的类型和/或具有相同的光束角。窄光束光源也可以采用具有不同光源的混合配置。只要测试信号不是由多于一个的窄光束光源同时发送，所公开的方法仍然可以应用。在该意义上，反馈信号基于由至多单个窄光束光源发送的测试信号的接收信号质量。因此，在光束选择过程期间，窄光束光源之间的FoV重叠将不会引入彼此干扰。

微控制器CTR可以控制开关S1-S5，用于经由宽光束光源L5和窄光束光源L1-L4向远程接收机发送测试信号。然后当从远程设备接收到的一个或多个反馈时，微控制器CTR可以选择一个窄光束光源来建立扇区化发射机和远程接收机之间的高速传输链路。一个或多个反馈与由远程接收机接收的一个或多个测试信号的信号质量相关。信号质量可以由以下之一表示：接收信号强度、信噪比(SNR)、功率谱密度(PSD)和误码率(BER)。如图4中示例性示出的，该系统可以包括用于从远程接收机提取接收的信息的专用基带模块BB。专用基带模块BB可以用于解调用于光学无线通信或RF通信或两者的前端的信号。也可以可能的是，微控制器CTR能够解调从远程接收机接收的反馈。然后专用基带模块BB用于数据通信，但不用于光束选择过程期间的信令控制。取决于系统设置，微控制器CTR可以连接到基带模块BB，如图4中所示。也可以可能的是，微控制器CTR直接连接到模拟前端AFE。

在一个示例中，包括在装置中的接收机是OWC接收机，并且OWC接收机被配置成不仅从远程设备接收一个或多个反馈信号，而且从远程设备接收OWC数据以进行双向数据通信。优选地，OWC接收机是宽FoV接收机，使得OWC接收机的FoV与装置100的宽光束光源L5的FoV相当。

在另一个示例中(图4中未示出)，包含在装置中的接收机是无线电接收机。因此，反馈信号由远程设备通过射频信道发送。

图5示出了远程设备200的基本框图。作为一种设置，远程设备200是OWC收发机，其包括至少一个光传感器210和一个光源220。相应地，该装置也是OWC收发机。装置100和远程设备200之间的信令交换，诸如由装置100发送测试信号和由远程设备200发送反馈信号，是经由OWC信道执行的。远程设备200可以被配置成类似于该装置，使得它包括多于一个光源220和单个光传感器210。反馈信号优选由宽光束光源发送。也可以可能的是，远程设备200由干线电力供电。并且然后远程设备可以具有带有多于一个光源的扇区化OWC发射前端和带有多于一个光传感器的扇区化OWC接收前端。

图6示出了远程设备200的基本框图的另一个示例。在该选项中，远程设备包括至少一个光传感器210，用于检测由装置200和无线电发射机230发送的测试信号。无线电发射机230被配置成在从装置接收到测试信号中的至少一个时，经由射频信道向装置100发送一个或多个反馈信号。远程设备200可以仅仅是OWC接收机，以支持从装置100到远程设备200的单向OWC链路。远程设备200还可以包括OWC发射机，以执行光学数据通信，在该选项中，RF反馈链路用于辅助光束对准过程，以建立双向OWC链路。

图7示出了示例性光束选择过程的流程图。在该选项中，通过测试多个窄光束光源之中的每一个和远程设备之间的连接，根据穷举搜索来执行光束选择过程。通过记录每个连接(诸如LQ(1)-LQ(4))的链路质量，选择质量最好的链路来建立数据通信。在这个示例中，宽光束光源L5用于首先建立与远程设备的链路。如上所述，由于与窄光束光源相比，L5支持较低的数据速率通信，因此在光束对准过程期间，在L5和远程设备之间建立的第一链路被用作信令链路。在L5打开的情况下，窄光束光源L1-L4中的每一个被顺序打开，以向远程设备发送测试信号。在从远程设备接收到与由单独的窄光束光源发送的测试信号对应的反馈信号时，当前发射的窄光束光源被关闭，并且下一个窄光束光源被打开。以这种方式，通过收集与所有可能的段相关的信号质量，选择贡献最佳信号质量的窄光束光源用于建立与远程设备的数据通信。注意，由于L5总是打开的，因此从远程设备接收的反馈信号基于与来自宽光束光源L5和单独的窄光束光源L1-L4的测试信号混合的接收信号。优选地，当宽光束光源L5最初打开时，第一反馈信号也由远程设备提供，其专用于L5的贡献。并且然后，在光束选择过程期间，如果与单独的窄光束光源和宽光束光源的组合贡献相关的其他反馈信号没有指示与第一反馈信号中指示的信号质量相比显著改善的信号质量，则选择宽光束光源用于数据通信也可以是一个选项。

图8示出了另一个示例性光束选择过程的流程图。在这个选项中，宽光束光源也用于在开始时建立低速信令链路。并且然后通过检查宽光束光源和单独的窄光束光源的组合贡献的链路质量，可以选择性地执行进一步的步骤。当组合链路质量优于先前获得的链路质量参数时，关闭宽光束光源，而仅打开窄光束光源。然后更准确地测试由每个单独的窄光束光源产生的链路质量。

如流程图中所示，最初打开L5以建立低速信令链路，并且在关于L5的反馈信号中指示的链路质量被记录为LQ(i)。在下一步中，单独的窄光束光源也被打开。作为示例，窄光束光源L1被打开，并且L2-L4保持关闭状态。注意，打开窄光束光源的另一顺序也可以是可能的，使得通过考虑使用不同窄光束光源的偏好。与L1和L5的组合贡献相关的链路质量被记录为LQ(i+1)。当LQ(i+1)优于LQ(i)时，在附加步骤中，L5也被关闭。然后在仅打开L1的情况下，记录与L1和远程设备之间的链路相关的链路质量。搜索继续到下一个窄光束光源L2。在L2和L5打开(L1、L3、L4关闭)的情况下，与L2和L5的组合贡献相关的链路质量被记录为LQ(i+2)。当LQ(i+2)优于LQ(i+1)时，这表明与L1相比，L2可能是更好的选项，并且还执行检查L2的单独贡献的附加步骤。以这种方式，光束选择过程遍历单独的窄光束光源和宽光束光源的组合，并选择性地执行附加步骤以单独标识某个窄光束光源的性能。因此，可以做出更准确的决定。

利用分别在图7和图8中描述的光束选择过程的两个选项，选择单个光源用于数据通信，并且关闭其余的光源。由于在光束选择过程期间最多同时打开两个光源，并且发送测试信号的持续时间可能只花费几毫秒(ms)，因此用于光束选择过程的功耗将不会是对系统的负担。此外，通过选择更好对准的窄光束光源，可以支持更高的数据速率，并且数据传输将更加高效。

图9示出了供在OWC系统中使用的装置100的方法500的流程图。方法500包括装置100：在步骤S501中，通过多个开关S1-S5单独打开或关闭宽光束光源L5和两个或更多个窄光束光源L1-L4中对应的一个；在步骤S502中，由两个或更多个窄光束光源L1-L4中的每一个在不同方向上发射，其中窄光束光源L1-L4的组合视场FoV被宽光束光源L5的FoV覆盖；在步骤S503中，从远程设备200接收一个或多个反馈信号；在步骤S504中，经由控制信号控制多个开关S1-S5；在步骤S505中，基于由接收机接收的一个或多个反馈信号来更新控制信号；在步骤S506中，通过经由宽光束光源L5和一个或多个窄光束光源L1-L4向远程设备200发送测试信号来执行光束选择过程，以从窄光束光源L1-L4中选择一个来与远程设备200建立数据通信。

根据本发明的方法可以作为计算机实施的方法在计算机上实施，或者在专用硬件中实施，或者在两者的组合中实施。

根据本发明的方法的可执行代码可以存储在计算机/机器可读存储装置上。计算机/机器可读存储装置的示例包括非易失性存储器设备、光学存储介质/设备、固态介质、集成电路、服务器等。优选地，计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的非暂时性程序代码部件，用于当所述程序产品在计算机上执行时执行根据本发明的方法。

还可以提供方法、系统和计算机可读介质(暂时性和非暂时性)来实施上面描述的实施例的选定方面。

Claims (14)

1.一种供在光学无线通信OWC系统(300)中使用的装置(100)，所述装置(100)包括：

-宽光束光源(L5)；

-两个或更多个窄光束光源(L1-L4)，其各自被配置成在不同的方向上发射，其中窄光束光源(L1-L4)的组合视场FoV被所述宽光束光源(L5)的FoV覆盖；

-多个开关(S1-S5)，其各自被配置成单独打开或关闭所述宽光束光源(L5)和所述两个或更多个窄光束光源(L1-L4)中对应的一个；

-接收机(RX)，其被配置成从远程设备(200)接收一个或多个反馈信号；和

-控制器(CTR)，其被配置成：

ο经由控制信号控制所述多个开关(S1-S5)；

ο基于由所述接收机(RX)接收的所述一个或多个反馈信号来更新所述控制信号；

ο通过经由所述宽光束光源(L5)和一个或多个窄光束光源(L1-L4)向所述远程设备(200)发送测试信号来执行光束选择过程，以使得能够从所述窄光束光源(L1-L4)中选择一个用于与所述远程设备(200)建立数据通信，

其中在光束选择过程期间，所述控制器被配置成将所述控制信号设置为：

-打开所述宽光束光源(L5)；并且同时，

-打开所述窄光束光源(L1-L4)中的至多一个：

并且其中所述宽光束光源(L5)和接收机被配置成保持与远程设备(200)的低速双向信令链路，以辅助所述光束选择过程。

2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述接收机(RX)是OWC接收机，并且所述OWC接收机还被配置成从所述远程设备(200)接收数据分组以进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述接收机(RX)是无线电接收机，并且所述一个或多个反馈信号由所述无线电接收机经由射频信道接收。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，每个窄光束光源支持比所述宽光束光源(L5)更大的信号带宽。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述一个或多个反馈信号与由所述远程设备(200)接收的测试信号的信号质量相关，并且所述信号质量与接收信号强度、信噪比、功率态密度和误码率中的至少一个相关。

6.根据权利要求5所述的装置(100)，其中，所述控制器被配置成设置所述控制信号，以在所述光束选择过程期间顺序打开所述窄光束光源(L1-L4)中的每一个。

7.根据权利要求6所述的装置(100)，其中，所述控制器(CTR)被配置成基于对包括在对应于单独的窄光束光源打开的时间段而顺序接收的反馈信号中的信号质量的比较来选择一个窄光束光源。

8.根据权利要求5所述的装置(100)，其中，所述控制器(CTR)被配置成当包括在反馈信号中的信号质量大于预定义阈值时选择一个窄光束光源，并且所述反馈信号是在相应的窄光束光源打开的时间段内接收的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述控制器(CTR)被配置成控制所述多个开关(S1-S5)，以在所述光束选择过程之后，仅打开用于数据通信的选定窄光束光源，和关闭所有其他光源。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述宽光束光源(L5)和所述两个或更多个窄光束光源(L1-L4)中的每一个包括LED、激光器、和垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的至少一种。

11.一种光学无线通信OWC系统(300)，包括：

-根据权利要求2所述的装置(100)；和

-远程OWC收发机(200)，包括：

ο至少一个光传感器(210)，其被配置成接收由所述装置(100)发送的测试信号中的至少一个；

ο至少一个光源(220)，其被配置成在由所述至少一个光传感器从所述装置(100)接收到测试信号中的至少一个时向所述装置(100)发送一个或多个反馈信号。

12.一种光学无线通信OWC系统(300)，包括：

-根据权利要求3所述的装置(100)；和

-远程OWC接收机(200)，包括：

ο至少一个光传感器(210)，其被配置成接收由所述装置(100)发送的测试信号中的至少一个；

ο至少一个无线电发射机(230)，其被配置成在由所述至少一个光传感器从所述装置(100)接收到测试信号中的至少一个时，经由射频信道向所述装置(100)发送一个或多个反馈信号。

13.一种供在光学无线通信OWC系统(300)中使用的装置(100)的方法(500)，所述方法(500)包括所述装置(100)：

-通过多个开关(S1-S5)单独打开或关闭(S501)宽光束光源(L5)和两个或更多个窄光束光源(L1-L4)中对应的一个；

-由所述两个或更多个窄光束光源(L1-L4)中的每一个在不同方向上发射(S502)，其中窄光束光源(L1-L4)的组合视场FoV被宽光束光源(L5)的FoV覆盖；

-从远程设备(200)接收(S503)一个或多个反馈信号；

-经由控制信号控制(S504)所述多个开关(S1-S5)；

-基于由接收机接收的一个或多个反馈信号更新(S505)所述控制信号；

-通过经由宽光束光源(L5)和一个或多个窄光束光源(L1-L4)向所述远程设备(200)发送测试信号来执行(S506)光束选择过程，以从窄光束光源(L1-L4)中选择一个用于建立与所述远程设备(200)的数据通信；

-在光束选择过程中同时打开宽光束光源(L5)和至多一个窄光束光源(L1-L4)；并且其中宽光束光源(L5)和接收机被配置成保持与远程设备(200)的低速双向信令链路，以辅助光束选择过程。

14.一种包括代码部件的计算程序，当该程序由包括处理部件的、根据权利要求1所述的装置(100)执行时，所述代码部件使所述处理部件执行根据权利要求13所述的方法。