CN117882318A - 用于高速光学无线通信的灵活骨干网络 - Google Patents

Abstract

一种供在光学无线通信系统中使用的骨干网络(100)包括一个或多个本地交换机(200)和一个或多个光学接入点(300)AP，其中本地交换机(200)被配置为向光学AP(300)提供到外部网络的连接。每个本地交换机(200)包括：第一类型光学前端(210)OFE，其具有可旋转的取向和不大于60度的光束角；以及第二类型OFE(230)，其在第一类型OFE的旋转平面上具有360度的光束角。每个光学AP包括OFE(310)，该OFE(310)具有可旋转的取向和不大于60度的光束角。本地交换机的第一类型OFE和光学AP的OFE之间的配对和光束对准是经由本地交换机的第二类型OFE的帮助来实现的。

Description

用于高速光学无线通信的灵活骨干网络

技术领域

本发明涉及光学无线通信网络的领域，例如Li-Fi网络。更特别地，本文公开了与支持高速光学无线通信的灵活骨干基础设施相关的各种方法、装置、系统和计算机可读介质。

背景技术

最近，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，Li-Fi具有方向性，并由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽部署更大数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使Li-Fi成为缓解IoT应用以及室内无线接入拥挤的无线电频谱压力的有前途的安全解决方案。对于工业应用，Li-Fi的另外的益处可以包括保证特定用户的带宽，以及另外在易受电磁干扰的区域鲁棒地运行的能力。因此，Li-Fi是一种非常有前途的技术，用于实现下一代沉浸式连接。

高速光学无线通信为接入点(AP)与最终用户之间的通信提供了解决方案。然而，另一个要解决的问题是部署灵活的骨干基础设施，以实现AP和外部网络(诸如以太网)之间的连接。结构化骨干网络可以包括多个AP和多个本地交换节点，其中每个AP都具有到本地交换节点的连接。多个本地交换节点可以以网状拓扑彼此连接，或者以集中方式连接到中央交换节点。因此，不同的拓扑是可能的，诸如网状拓扑、树形拓扑或星形拓扑。

US2007297808A1涉及一种用于在自由空间光学通信网络中的光学收发机节点之间建立和维护光学链路的系统和方法。

发明内容

考虑到在工业环境中AP可能经常被重新定位，有必要建立灵活的基础设施，使得AP和交换节点之间的连接基于高速光学无线通信，并且AP和交换节点之间的配对可以动态调整。鉴于要支持的能量效率和通信距离，高速光学无线链路通常具有小于60度或甚至低于20度的窄的光束角。当AP被重新定位时，这样的窄的光束角可能导致高开销和长延时来对准AP和新的本地交换节点。因此，系统的灵活性可能降低。

鉴于以上所述，本公开针对用于提供AP和本地交换节点之间的快速对准的解决方案的方法、装置和系统，从而实现了灵活的骨干网络。更特别地，本发明的目的是通过如权利要求1所述的骨干网络、通过如权利要求8所述的本地交换机、通过如权利要求13所述的本地交换机的方法、以及通过如权利要求14所述的计算机程序来实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种本地交换机。一种供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络的本地交换机，该本地交换机被配置为向远程光学接入点AP提供到外部网络的连接。本地交换机包括：至少一个第一类型光学前端OFE，其被配置为以不大于60度的光束角进行发射和/或接收，第一类型OFE具有通过围绕本地交换机的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中机械轴和第一类型OFE的光束轴之间的角度大于0度但小于180度；以及第二类型OFE，其被配置为在第一类型OFE的旋转平面上以360度光束角进行发射和/或接收；其中第一类型OFE支持比第二类型OFE更高的数据速率通信，并且第一类型OFE的光束角被第二类型OFE的光束角完全覆盖；其中每个本地交换机被配置为：用第二类型OFE发送第一信号；用第二类型OFE检测来自远程光学AP的对第一信号的响应；当第二类型OFE检测到响应时，旋转第一类型OFE，用于用第一类型OFE检测响应；在第一类型OFE检测到响应时，固定第一类型OFE的取向，并用第一类型OFE向远程光学AP发送确认信号。

作为一个示例，骨干网络可以具有树形拓扑，使得本地交换机具有到外部网络的有线连接(例如，光纤连接)，以及还有到一个或多个AP的高速光学无线连接。也可以可能的是多个本地交换机连接到中央交换机以接入外部网络。中央交换机和多个本地交换机通常处于具有有线连接的固定位置。为了允许光学无线网络(诸如Li-Fi网络)的灵活和可重新配置的部署，可以改变多个AP的位置以满足特定应用场景。因此，为多个AP仅配备有无线接口是有利的(诸如与本地交换机的光学无线连接用于骨干连接，以及与一个或多个终端设备的光学无线连接用于数据通信)。

AP和本地交换机之间的骨干连接通常支持几百Mbps或甚至更高的数据速率，考虑到功率效率，相对窄的光束角对于这种连接是合期望的。然而，当AP被重新定位时，AP和新的本地交换机之间的光束对准也变得更加有挑战性。为了解决AP和本地交换机之间的快速配对和对准问题，本发明公开了一种本地交换机包括两种类型的用于不同目的的光学前端(OFE)。第一类型OFE的光束角相对窄，但取向可调，其主要用于在本地交换机和AP之间建立数据链路。第二类型OFE具有360度的光束角，其覆盖了第一类型OFE的所有潜在视场(FoV)。第二类型的OFE主要用于本地交换机和AP之间的采集和可能的粗略对准。

在一个示例中，本地交换机可以包括多于一个第一类型OFE，用于同时与多于一个光学AP建立窄光束高速连接。多于一个光学AP的光束对准过程可以并行或顺序执行。

OFE至少包括光源和光传感器，它们实现电信号和光学信号之间的转换。在发射机链中，OFE用于经由光源将电发射信号转换成输出光学信号。在接收机链中，OFE用于经由光传感器将接收到的光学信号转换为输出电信号，以进行另外的信号处理。光源可以是发光二极管(LED)，激光二极管(LD)，垂直腔面发射激光器(VCSEL)，或者LED、LD或VESEL的阵列。光传感器可以是光电二极管、雪崩二极管、或其他类型的光传感器。有时光传感器也被称为光电探测器、光探测器或光电传感器。第一类型OFE和第二类型OFE可以包括用于发送数据的不同类型的光源和/或用于接收数据的不同类型的光传感器。还可以选择的是，第一类型OFE和第二类型OFE采用相同类型的光源和/或光传感器，而不同之处在于光源和光传感器的光束角。优选地，属于同一OFE的光源和光传感器支持相同的光束角，这有利于对称的双向光学链路。

光束角或光束宽度是从那里辐射大部分功率的孔径角。例如，半功率光束宽度是辐射图案主瓣的半功率点(-3dB)之间的角度。对于水平面，光束角或光束宽度通常以度表示。

第一类型OFE具有不大于60度、优选不大于30度的光束角。由于第一类型OFE旨在建立窄的点对点链路，因此第一类型OFE的光束角优选为1度、5度、10度、20度或30度。光束角的选择可能取决于所需的数据速率和通信距离。数据速率越高或通信距离越大，光束角就将越窄。为了允许光束对准的灵活性，第一类型OFE具有通过围绕本地交换机的机械轴旋转来进行发射和接收的可调取向，机械轴和第一类型OFE的光束轴之间的角度大于0度但小于180度。在一个示例中，该角度为90度，使得本地交换机的机械轴垂直于第一类型OFE的旋转角所在的平面。第二类型OFE在第一类型OFE的旋转平面上具有360度的光束角，这旨在为向潜在的AP发射数据和从潜在的AP捕获数据两者提供完全覆盖。第一类型OFE和第二类型OFE以这样的方式放置，使得在第一类型OFE的每个可能取向的情况下，第一类型OFE的光束角完全被第二类型OFE的光束角覆盖。

注意，第二类型OFE的360度光束角不需要在所有三个维度上都是全向的，而是在第一类型OFE的旋转平面上是全向的，使得当被定向到不同方向时覆盖第一类型OFE的所有可能的FOV。其目的是创建水平骨干，其中AP和本地交换机主要位于同一平面上(与地面的高度大致相同)。AP和本地交换机的位置可以可能的是与该平面具有一些偏差，这可以通过垂直于该平面的方向上的光束宽度来克服。因此，光束角应该这样理解，使得当OFE放置在圆柱体中，其机械轴与圆柱体的轴对准时，光束的投影是圆柱体内部上的一个小带。由第一类型OFE产生的具有不同取向的带应当被由第二类型OFE产生的另一带完全覆盖。

为了建立与潜在AP的新链路，本地交换机经由第二类型OFE发送第一信号。第一信号可以是信标信号或广告信号，其用于通告本地交换机的存在并邀请新AP被连接。第一信号可以在某个时间窗口内重复发送、周期性地发送、或根据预定义时间表发送。并且然后，第二类型OFE被配置为检测或接收对第一信号的响应。该响应可以因为该响应中包含的预定义分组结构或信息而被标识。在检测到响应时，本地交换机知道周围存在新的光学AP，并且然后可以激活第一类型OFE进行光束对准以建立高速链路。第一类型OFE被旋转到不同的取向，以检测与由第二类型OFE检测到的对第一信号的相同的响应。当第一类型OFE也检测到相同的响应时，它指示第一类型OFE与光学AP对准。并且然后第一类型OFE的取向将被固定。第一类型OFE还被配置为向光学AP发送确认信号，该确认信号用于结束光束对准过程。并且然后，第一类型OFE可以在该固定取向上开始与光学AP的高速数据通信。

优选地，第一信号包括本地交换机的标识符。

标识符用于唯一标识特定本地交换机。当在区域中部署多个本地交换机时，它还可以帮助新的光学AP将多个第一信号彼此区分。有益的是，对第一信号的响应也可以包括对应的第一信号中包含的相同标识符。

在一种设置中，第二类型OFE包括多个子OFE，每个子OFE具有带有单独光束角的不同的取向，并且组合的单独光束角构成第二类型OFE的360度光束角。

作为具有360度光束角的单个OFE的替代方案，第二类型OFE包括多个子OFE，其中每个子OFE覆盖360度光束角的一部分。多个子OFE可以被配置为以同步方式操作，使得它们被配置为同时发送第一信号。它们也可以被配置为同时接收。

多个子OFE的单独光束角可以相同或不同。也可以可能的是两个相邻的子OFE具有一定的视场重叠。子OFE的单独光束角也代表一种用于检测来自光学AP的对第一信号的响应的角分辨率。通常，只有子OFE的子集可以检测来自光学AP的响应，这有助于减少用于检测响应的第一类型OFE的搜索。例如，第一类型OFE的旋转可以被锁定到由已经检测到响应的子OFE的子集所覆盖的视场。

有利地，本地交换机被配置为：当第二类型OFE的多于一个子OFE检测到来自远程光学AP的对第一信号的响应时，选择检测到具有比其他子OFE更好的信号质量的响应的子OFE；并且旋转第一类型OFE以检测第二类型OFE的所选子OFE的光束角内的响应。

当两个设备更好地对准时，接收设备将检测到更高的信号强度。因此，当多于一个子OFE检测到相同的响应时，接收到具有更好的信号质量的响应的子OFE也指示该子OFE比其他子OFE更好地与远程光学AP对准。因此，仅在所选子OFE的光束角内改变第一类型OFE的取向以进行精确对准是有益的。

在优选示例中，在第一类型OFE检测到响应时并且在固定第一类型OFE的取向之前，本地交换机还被配置为：

a)存储检测到的响应的信号质量参数和第一类型OFE的对应当前取向；

b)继续将第一类型OFE旋转到新的取向以再次检测响应；

c)重复步骤a)和b)预定义次数，或者直到在另一个新的取向没有检测到响应，并且比较存储的信号质量参数以选择具有最佳信号质量的对应取向作为要固定的取向。

取决于第一类型OFE在旋转其取向时的调谐步长，第一类型OFE可以在第一次检测到响应之后执行另外的精确对准过程。并且然后，围绕其第一次检测到响应的取向，第一类型OFE可以进一步被配置为旋转以再次检测第一响应，并比较与不同取向相关的检测的信号质量参数。因此，可以固定与最佳信号质量相关的取向，以用于数据通信。

还可以可能的是，第一类型OFE最初在全范围内改变其取向时采用大的调谐步长来第一次检测响应，如在粗略调谐或采集过程中。在一个示例中，大的调谐步长可以与第一类型OFE的光束角相当。在检测到响应时，第一类型OFE可以使用较小的调谐步长在有限的范围内改变其取向以进行精确对准。较小的调谐步长可以是大调谐步长的四分之一，或者甚至更小。并且然后，可以以减少的延时实现第一类型OFE和远程光学AP之间的正确对准。

根据本发明的第二方面，提供了一种供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络的光学接入点，该光学AP包括：光学前端OFE，其被配置为以不大于60度的光束角进行发射和/或接收，该OFE具有通过围绕该光学AP的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中该机械轴和OFE的光束轴之间的角度大于0度但小于180度；其中光学AP被配置为：通过围绕机械轴旋转OFE的取向来扫描来自远程本地交换机的第一信号；在检测到第一信号时，固定OFE的取向，并利用OFE向远程本地交换机发送响应；以及在固定OFE的取向之后检测来自远程本地交换机的确认信号。

光学AP用于在OWC系统中的骨干网络和一个或多个终端设备之间连接。为了适应灵活的应用场景，其中光学AP的位置可能非常频繁地改变，诸如在工业环境中，光学AP包括可旋转的OFE，使得可以调整OFE的取向以与周围环境中不同的本地交换机对准。

OFE至少包括光源和光传感器，它们实现电信号和光学信号之间的转换。在发射机链中，OFE用于经由光源将电发射信号转换成输出光学信号。在接收机链中，OFE用于经由光传感器将接收到的光学信号转换为输出电信号，以进行另外的信号处理。光源可以是发光二极管(LED)，激光二极管(LD)，垂直腔面发射激光器(VCSEL)，或者LED、LD或VESEL的阵列。光传感器可以是光电二极管、雪崩二极管、或其他类型的光传感器。有时光传感器也被称为光电探测器、光探测器或光电传感器。

为了实现光学AP和本地交换机之间的高速连接，OFE的光束角不大于60度，优选地不大于30度。由于在光学AP和本地交换机之间打算用窄的点对点链路进行数据通信，因此第一类型OFE的光束角优选是1度、5度、10度、20度或30度。光束角的选择可能取决于所需的数据速率和通信距离。数据速率越高或通信距离越大，光束角就将越窄。在优选示例中，光学AP的OFE具有与本地交换机的第一类型OFE相同的光束角。有利的是，AP的OFE与本地交换机的第一类型OFE是同一类型的。

OFE被配置为围绕机械轴旋转，并且机械轴和OFE的光束轴之间的角度大于0度但小于180度。在一个示例中，该角度为90度，使得机械轴垂直于OFE的光束轴。因此，OFE可以围绕机械轴扫描与本地交换机的潜在连接。每当光学AP的位置改变或者与本地交换机的连接丢失时，都可以触发这样的过程。

在光束对准过程期间，光学AP被配置为首先通过围绕机械轴旋转OFE的取向来扫描来自远程本地交换机的第一信号。在该扫描阶段中，用于调整OFE的取向的调谐步长可以基于几个因素来确定，诸如OFE光束角的大小、对光束对准的延时要求以及对光束对准的精度要求。检测到具有特定取向的第一信号指示光学AP和本地交换机对准到特定水平。然后，光学AP将固定OFE的取向，并向远程本地交换机发送响应。并且然后，OFE还被配置为在固定的取向上检测来自远程本地交换机的确认信号。确认的接收用于指示完成了成功对准。

优选地，该响应包括光学AP的标识符。

在本地交换机的直接通信范围内可能存在多于一个光学AP。因此，在响应信号中指示光学AP的标识符是有益的，这也有助于本地交换机区分来自多于一个光学AP的不同响应信号。

有益的是，该响应包括在第一信号中接收的远程本地交换机的标识符。

当第一信号携带远程本地交换机的标识信息时，光学AP也可以将该信息包括在响应中，以做出寻址到特定本地交换机的响应。这允许光学AP在它从多于一个候选本地交换机接收第一信号时进行本地选择。通过指示该响应被寻址到第一候选本地交换机，它还避免了触发其他候选本地交换机错误地对该响应进行操作。

在一个示例中，该响应包括检测到的第一信号的信号质量参数。

使用该响应向本地交换机提供关于检测到的第一信号的信号质量的反馈可能是有益的。不同的参数可以用于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)。

有益的是，该响应包括OFE的当前取向。

为了帮助光学AP和远程本地交换机之间的精确对准，当光学AP检测到第一信号时，它还可以提供关于OFE的取向的信息。如果这种信息是根据公共基准定义的，诸如用包含在光学AP中的罗盘测量的，则这种信息可能甚至更加有益。

在优选示例中，在检测到第一信号时并且在固定OFE的取向之前，光学AP还被配置为：

a)存储检测到的第一信号的信号质量参数和OFE的对应当前取向；

b)继续将OFE旋转到新的取向以再次检测第一信号；

c)重复步骤a)和b)预定义次数或者直到在另一新的取向没有检测到第一信号，并比较存储的信号质量参数以选择具有最佳信号质量的对应取向作为要固定的取向。

取决于OFE在旋转其取向时的调谐步长，OFE可以在第一次检测到第一信号之后执行另外的精确对准过程。并且然后，围绕其第一次检测第一信号的取向，OFE可以进一步被配置为以较小的调谐步长旋转以再次检测第一信号，并比较与不同取向相关的检测的信号质量参数。因此，可以固定与最佳信号质量相关的取向来发送响应。

还可以可能的是，OFE最初在全范围内改变其取向时采用大的调谐步长来检测第一信号，如在粗略调谐或采集过程中。在一个示例中，大的调谐步长可以与OFE的光束角相当。在检测到第一信号时，OFE可以使用较小的调谐步长在有限的范围内改变其取向以进行精确对准。较小的调谐步长可以是大的调谐步长的四分之一，或者甚至更小。并且然后，光学AP可以相对于远程本地交换机获得更好的对准取向。

根据本发明的第三方面，提供了一种骨干网络。一种供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络包括：一个或多个根据本发明的本地交换机和一个或多个根据本发明的光学接入点。

还可以可能的是，一个或多个本地交换机的子集进一步被配置为执行光学AP的功能，以直接向一个或多个终端设备提供光学无线通信链路。因此，除了第一类型的OFE和第二类型的OFE用于与骨干网络的水平面中的一个或多个光学AP建立高速连接之外，本地交换机子集中的每一个还可以包括指向要被覆盖的单个光学单元的OFE。

有益的是，骨干网络还包括：通信耦合到一个或多个本地交换机的网络控制器；其中每个本地交换机还被配置为将经由第一类型OFE和/或第二类型OFE获得的关于一个或多个检测到的光学AP的信息转发给网络控制器；并且网络控制器被配置为：根据所收集的信息为一个或多个光学AP中的每一个分配相应的本地交换机；分别向一个或多个本地交换机发送关于分配的对应的一个或多个指令。

通过在该区域中部署多个本地交换机和光学AP，可以在网络控制器的帮助下从系统层面优化本地交换机和光学AP之间的配对。网络控制器经由有线连接或无线连接通信地耦合到一个或多个本地交换机。由于网络控制器和本地交换机之间的通信主要用于交换控制信息，因此对通信的数据速率要求不是关键的。每个本地交换机可以在来自光学AP的响应信号中将经由第一类型OFE和/或第二类型OFE获得的信息转发给网络控制器。该信息可以包括以下中的一项或多项：光学AP的标识符、第一信号和/或响应的信号质量、光学AP的取向。因此，网络控制器可以良好地概览在本地交换机和光学AP之间潜在配对的性能。当在光学AP的直接通信范围内存在多于一个本地交换机时，网络控制器也可以将导致更好连接的本地交换机分配给光学AP，并相应地向该本地交换机发送指令。本地AP在其接收到来自网络控制器的指令之后，可以经由第一类型OFE向光学AP发送确认。并且然后在本地交换机和光学AP之间的配对也在网络控制器侧注册。

根据本发明的另外的方面，提供了一种本地交换机的方法。一种由供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络的本地交换机执行的方法，用于向远程光学接入点AP提供到外部网络的连接，其中本地交换机包括用于以不大于60度的光束角进行发射和/或接收的第一类型光学前端OFE和用于以360度的光束角进行发射和/或接收的第二类型OFE，该方法包括本地交换机：用第二类型OFE发送第一信号；用第二类型OFE检测来自远程光学AP的对第一信号的响应；在第二类型OFE检测到响应时，旋转第一类型OFE的取向，用于用第一类型OFE检测响应；在第一类型OFE检测到响应时，固定第一类型OFE的取向，并用第一类型OFE向远程光学AP发送确认信号；其中第一类型OFE支持比第二类型OFE更高的数据速率通信，并且第一类型OFE具有通过围绕本地交换机的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中第一类型OFE的光束轴垂直于机械轴，并且第一类型OFE的光束角被第二类型OFE的光束角完全覆盖。

根据本发明的另外的方面，提供了一种光学接入点的方法。一种由供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络的光学接入点AP执行的方法，其中该光学AP包括光学前端OFE，用于以不大于60度的光束角进行发射和/或接收；该方法包括光学AP：通过围绕机械轴旋转OFE的取向来扫描来自远程本地交换机的第一信号；在检测到第一信号时，固定OFE的取向，并利用OFE向远程本地交换机发送响应；以及在固定OFE的取向之后检测来自远程本地交换机的确认信号。

本发明还可以体现在包括代码装置的计算程序中，当程序由包括处理装置的本地交换机执行时，该代码装置使处得理装置执行如本发明中公开的本地交换机的方法。

本发明还可以体现在包括代码装置的计算程序中，当程序由包括处理装置的光学接入点执行时，该代码装置使得处理装置执行如本发明中公开的光学接入点的方法。

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展示了工业环境中用于OWC的骨干网络的部署；

图2示出了用于OWC的骨干网络的树形拓扑的一个示例；

图3示出了骨干网络的一种可能的系统架构；

图4示出了骨干网络的一种可能的系统架构；

图5示出了本地交换机的基本框图；

图6展示了本地交换机的第一类型OFE和第二类型OFE的视场；

图7示出了光学AP的基本框图；

图8展示了光学AP的OFE的视场；

图9示出了本地交换机的方法的流程图；以及

图10示出了光学AP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践这些实施例的信息。在根据所附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，并且将认识到本文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内。

在工业环境中，假设接入点(AP)可能频繁地重新定位，则非常期望以高灵活性部署骨干网络。因此，AP 300优选主要或完全配备有无线空中接口。一方面，AP无线连接到骨干，并且另一方面，AP提供到一个或多个终端/用户设备或装备的无线连接。AP和一个或多个终端/用户设备或装备之间的连接可以基于5G蜂窝、Wi-Fi或LiFi技术。然而，考虑到工业环境中的金属周围环境，OWC或LiFi优选于基于射频的无线通信，诸如5G蜂窝和Wi-Fi。图1展示了工业环境中用于OWC的骨干网络100的部署。多个AP连接到到骨干的一个或多个本地交换机(LS)。

由于骨干网络连接多个AP，因此骨干网络可以在不同的拓扑(诸如网状拓扑、树形拓扑或星形拓扑)中部署。在网状拓扑中，多个AP以分布式方式连接。在星形拓扑中，多个AP连接到中央交换(CS)节点。在树形拓扑中，多个AP分别连接到一个或多个本地交换(LS)节点，并且一个或多个本地交换节点连接到中央交换(CS)节点。中央交换机和多个本地交换机通常位于固定位置上，并利用有线连接进行连接。图2示出了具有树形拓扑的OWC骨干网络的系统架构，其中各个OWC AP的覆盖区域由阴影三角形示出。考虑到OWC的视线属性，终端设备只有在它处于AP的覆盖区域内时才能够与该AP通信。

图3和图4示出了部署骨干网络100的两种可能的选项。在图3中，在骨干网络100中部署有一个或多个本地交换机200，其中每个本地交换机200提供到一个或多个光学AP 300的连接。当存在多于一个本地交换机200时，多于一个本地交换机200之间的连接基于网状拓扑。这种系统可以以灵活的方式部署。当两个相邻本地交换机之间的距离相对短时，两个本地交换机之间的链路可以是光学无线链路，并且视线连接在许多情形下在相邻本地交换机之间将是可能的。可以可能的是实现用无线光学链路连接所有本地交换机的网状网络。图4示出了一种替代的系统架构，其中骨干网络100是根据树形拓扑来组织的。多于一个本地交换机200不是在对等的基础上连接的，而是以集中的方式连接到中央交换机150。可以取决于系统的可用基础设施在两种潜在架构之间进行选择。在这种架构中，中央交换机和本地交换机之间的连接通常基于有线连接。中央交换机可以被定位成使得不是所有的本地交换机都可以与中央交换机具有视线连接。

注意，如本发明中公开的本地交换机和光学AP可以分别理解为第一类型的节点和第二类型的节点。因此，还可以可能的是一个或多个本地交换机200的子集或第一类型的节点进一步被配置为执行光学AP的功能，以直接向一个或多个终端设备提供光学无线通信链路。因此，除了第一类型的OFE和第二类型的OFE用于在骨干网络的水平面中与一个或多个光学AP建立高速连接之外，第一类型的节点还可以包括指向要被覆盖的单个光学单元的OFE。

图5示出了本地交换机200的基本框图。在该示例性设置中，本地交换机200包括第一类型OFE 210和第二类型OFE 230。第一类型OFE 210具有相对窄的光束角但取向可调，其主要用于在本地交换机200和AP之间建立数据链路。第二类型OFE 230在第一类型OFE 210的旋转平面上具有360度的光束角，其覆盖了第一类型OFE 210的所有潜在视场(FOV)。第二类型的OFE 230主要用于本地交换机200和AP之间的采集和可能的粗略对准。

由于可能期望本地交换机200可以同时向多于一个光学AP 300提供高速链路，因此本地交换机200可以优选地包括多于一个第一类型OFE 210。根据本发明，在检测到分别来自多于一个光学AP 300的对第一信号的响应时，可以单独控制多于一个第一类型OFE210中的每一个。因此，多于一个第一类型OFE 210可以被固定到不同的取向以分别与不同的光学AP 300通信。也可以可能的是，取决于周围环境中的光学AP 300的数量，同时激活多于一个第一类型OFE 210的子集。

注意，这里的光束角或FoV被理解为三维空间中源自光源的立体角，在三维空间中可以感知来自光源的光。立体角的形状可以使用另外的光学部件来成形，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。

本地交换机200可以进一步包括机械操纵部件或致动器，其用于激励第一类型OFE210的旋转。

图6提供了本地交换机200的第一类型OFE 210和第二类型OFE 230的FoV的图示。第一类型OFE 210具有不大于60度、优选小于30度的光束角220。为了允许光束对准的灵活性，第一类型OFE具有通过围绕本地交换机200的机械轴250旋转来进行发射和接收的可调取向，机械轴和第一类型OFE的光束轴之间的角度大于0度但小于180度。在一个示例中，角度/>为90度，使得本地交换机的机械轴垂直于其中第一类型OFE的旋转角所在的平面。

第二类型OFE 230在第一类型OFE 210的旋转平面上具有360度的光束角240，这旨在为向潜在AP发射数据和从潜在AP捕获数据两者提供完全覆盖。第一类型OFE 210和第二类型OFE 230以这样的方式放置，使得在第一类型OFE的每个可能取向的情况下，第一类型OFE 210的光束角220被第二类型OFE 230的光束角240完全覆盖。

注意，也可以可能的是第二类型OFE 230不是单个OFE，而是包括多个子OFE，其中每个子OFE覆盖360度光束角的一部分。也可以可能的是两个相邻的子OFE具有一定的视场重叠。多个子OFE被配置为以同步方式操作，使得它们被配置为同时发送第一信号。

多个子OFE的单独光束角可以相同或不同。子OFE的单独光束角也表示一种角度分辨率，如从角度分集接收机中已知的，用于检测来自光学AP 300的对第一信号的响应。通常，只有子OFE的子集可以检测来自光学AP的响应，这有助于减少用于检测响应的第一类型OFE的搜索。例如，第一类型OFE的旋转可以被锁定到已经检测到响应的子OFE的子集所覆盖的视场。

在一个示例中，当第二类型OFE 230的多于一个子OFE检测到来自远程光学AP 300的对第一信号的响应时，本地交换机200可以选择检测到具有比其他子OFE更好的信号质量的响应的子OFE，这指示第二类型OFE 230的子OFE和远程光学AP 300之间更好的对准。并且然后，有益的是将第一类型OFE 210旋转到第二类型OFE 230的所选子OFE的光束角内的取向，用于检测来自远程光学AP 300的响应。

取决于第一类型OFE 210的光束角大小和当旋转第一类型OFE 210时的调谐步长，本地交换机200可以使用精确调谐阶段。在第一类型OFE 210检测到响应时，第一类型OFE210的取向不是立即固定的。代替地，本地交换机200可以执行以下步骤来进一步改善第一类型OFE 210和远程光学AP 300之间的对准。代替立即固定第一类型OFE 210的取向，本地交换机200

a)存储检测到的响应的信号质量参数和第一类型OFE 210的对应当前取向；

b)继续将第一类型OFE 210旋转到新的取向，围绕该取向第一类型OFE 210仍然可以检测到响应，以再次检测响应；

c)重复步骤a)和b)预定义次数，或者直到在另一个新的取向没有检测到响应，并且比较存储的信号质量参数以选择具有最佳信号质量的对应取向作为要固定的取向。

因此，与最佳信号质量相关的取向可以被定位和固定用于数据通信。为了减少搜索这种最佳对准的延时，有益的是，第一类型OFE 210最初在全范围内改变其取向时采用大的调谐步长来第一次检测响应，如在粗略调谐或采集过程中。在一个示例中，大的调谐步长可以与第一类型OFE的光束角相当。在检测到响应时，第一类型OFE 210可以使用较小的调谐步长在有限的范围内改变其取向以进行精确对准。较小的调谐步长可以是大的调谐步长的四分之一，或者甚至更小。并且然后，第一类型OFE 210和远程光学AP 300之间的正确对准可以以减少的延时实现。

在第一类型OFE 210和远程光学AP 300在光束对准后建立高速通信链路之后，当本地交换机包括另外的第一类型OFE 210而没有建立高速数据链路时，第二类型OFE 230可以偶尔或周期性地继续发送第一信号。因此，可以为另外的第一类型OFE 210和周围环境中的另一远程光学AP 300触发新的对准过程。注意，也可以可能的是，在由第二类型OFE 230发送第一信号之后，来自多于一个远程光学AP 300的响应被第二类型OFE 230接收。并且然后，本地交换机200的多于一个第一类型OFE 210可以分别与不同的光学AP 300单独旋转对准。

图7示出了光学AP 300的基本框图。光学AP 300至少包括OFE 310，其被配置为与本地交换机建立高速OWC链路。OFE 310具有光束角不大于60度的可旋转取向。光学AP 300还可以包括机械操纵部件或致动器，其用于激励OFE 310在平行于地板空间的水平面内旋转。OFE 310用于建立与本地交换机的高速链路，作为骨干网络的一部分。

光学AP 300还可以包括另一个OFE(图中未示出)，用于与位于光学AP 300的覆盖区域中的终端设备建立双向OWC链路。为了实现光学单元的大覆盖区域，如与OFE 310相比，另一个OFE可以具有更宽的光束角。当AP 300安装在天花板上或从天花板悬挂时，它可以指向定义AP 300覆盖区域的地板空间。

图8展示了光学AP 300的OFE 310的FoV。在光束角320不大于60度的情况下，OFE310具有通过围绕光学AP 300的机械轴350旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中机械轴350和OFE 310的光束轴之间的角度ψ大于0度但小于180度。在一个示例中，角度ψ为90度，使得机械轴350垂直于OFE 310的光束轴。

光束角320的尺寸可以基本上窄于60度，从而将光输出聚焦在较窄的光束角中，在45-15度或30-15度或小于10度的范围内，从而基本上降低了在AP传感器处实现相同光子密度的发射功率要求。当本地交换机和接入点安装在相同或相似的高度时，较窄的光束角可能特别有用。较窄的光束需要更精确的对准，这对于其中AP在重新配置之间静止的可重新配置骨干来说可以是完全可接受的。类似的方法可以用于AP的OFE。在光束对准过程期间，光学AP 300被配置为首先通过围绕机械轴350旋转OFE 310的取向来扫描来自远程本地交换机的第一信号。在该扫描阶段中，用于调整OFE 310的取向的调谐步长可以基于几个因素来确定，诸如OFE光束角的大小、对光束对准的延时要求以及对光束对准的精度要求。典型地，OFE 310的光束角越大，可以用于改变OFE 310的取向的调谐步长就越大。

检测到具有特定取向的第一信号指示光学AP 300和本地交换机200对准到特定水平，或者在本地交换机200的覆盖范围和光学AP 300的FoV之间存在重叠。光学AP 300然后将固定OFE 310的取向，并向远程本地交换机200发送响应。并且然后，OFE 310还被配置为检测来自固定取向上的远程本地交换机200的确认信号。来自远程本地交换机200的确认信号的接收用于指示成功的对准已完成。

考虑到远程本地交换机200可以被配置为与多于一个光学AP建立高速链路，光学AP 300可以在对远程本地交换机200的响应中指定其自身的标识符。

还可以可能的是，光学AP 300在多于一个远程本地交换机的覆盖范围内，使得光学AP 300从多于一个远程本地交换机接收第一信号。有益的是，光学AP 300可以响应于具有更好接收信号质量的第一信号。并且甚至更有益的是，光学AP 300可以在响应信号中指示远程本地交换机的标识信息，来自该远程本地交换机的第一信号具有更好的接收信号质量。因此，其他一个或多个本地交换机将不被触发来发送另外的确认信号。

为了进一步帮助光束对准过程，光学AP 300可以可选地在发送到本地交换机的响应中提供关于检测到的第一信号的信号质量的反馈。不同的参数可以用于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)。

在另一个选项中，当光学AP 300检测到第一信号时，它还可以提供关于OFE 310的取向的信息，以帮助光学AP 300和远程本地交换机200之间的精确对准。如果这种信息是根据公共基准定义的，诸如用包含在光学AP 300中的罗盘测量的，则这种信息可能甚至更加有益。

图9示出了供在OWC系统中使用的本地交换机200的方法600的流程图，以向远程光学接入点300提供到外部网络的连接。本地交换机200包括用于以不大于60度的光束角220进行发射和/或接收的第一类型光学前端OFE 210和用于在第一类型OFE 210的旋转平面上以360度的光束角进行发射和/或接收的第二类型OFE 230。方法600包括本地交换机200：在步骤S601中，用第二类型OFE 230发送第一信号；然后，在步骤S602中，利用第二类型OFE230检测来自远程光学AP 300的对第一信号的响应；在步骤S603中，在第二类型OFE 230检测到响应时，旋转第一类型OFE 210的取向以用第一类型OFE 210检测响应；以及在步骤S604中，在第一类型OFE 210检测到响应时，固定第一类型OFE 210的取向，并用第一类型OFE 210向远程光学AP 300发送确认信号。第一类型OFE 210支持比第二类型OFE 230更高的数据速率通信，并且第一类型OFE 210具有通过围绕本地交换机200的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中机械轴和第一类型OFE 210的光束轴之间的角度大于0度但小于180度，并且第一类型OFE 210的光束角被第二类型OFE 230的光束角完全覆盖。

图10示出了光学AP 300的方法800的流程图。光学AP 300包括光学前端OFE 310，用于以不大于60度的光束角320进行发射和/或接收。方法800包括光学AP 300：在步骤S801中，通过围绕机械轴350旋转OFE 310的取向来扫描来自远程本地交换机200的第一信号；以及在步骤S802中，在检测到第一信号时，固定OFE 310的取向，并用OFE 310向远程本地交换机200发送响应；以及在步骤S803中，在固定OFE 310的取向之后，检测来自远程本地交换机200的确认信号。

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装置，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)来实施上述实施例的选定方面。

Claims (14)

1.一种供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络(100)，所述骨干网络(100)包括：

-一个或多个本地交换机(200)，其被配置为向一个或多个光学接入点(300)AP提供到外部网络的连接，每个本地交换机(200)包括：

ο第一类型光学前端(210)OFE，其被配置为以不大于60度的光束角(220)进行发射和/或接收，所述第一类型OFE(210)具有通过围绕相应本地交换机(200)的机械轴(250)旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中所述机械轴(250)和所述第一类型OFE(210)的光束轴之间的角度大于0度但小于180度；和

ο第二类型OFE(230)，其被配置为在所述第一类型OFE的旋转平面上以360度光束角(240)进行发射和/或接收；其中所述第一类型OFE(210)支持比所述第二类型OFE(230)更高的数据速率通信，并且所述第一类型OFE(210)的光束角被所述第二类型OFE(230)的光束角完全覆盖；

其中每个本地交换机(200)被配置为：

ο用所述第二类型OFE(230)发送第一信号；

ο用所述第二类型OFE(230)检测来自远程光学AP(300)的对所述第一信号的响应；

ο在所述第二类型OFE(230)检测到响应时，使所述第一类型OFE(210)旋转，用于用所述第一类型OFE(210)检测响应；

ο在所述第一类型OFE(210)检测到响应时，固定所述第一类型OFE(210)的取向，并利用所述第一类型OFE(210)向所述远程光学AP(300)发送确认信号；以及

-一个或多个光学AP(300)，每个光学AP(300)包括：

ο光学前端(310)OFE，其被配置为以不大于60度的光束角(320)进行发射和/或接收，所述OFE(310)具有通过围绕相应光学AP(300)的机械轴(350)旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中所述相应光学AP(300)的机械轴(350)和所述OFE(310)的光束轴之间的角度大于0度但小于180度；

其中每个光学AP(300)被配置为：

ο通过围绕所述机械轴(350)旋转所述OFE(310)的取向来扫描来自远程本地交换机(200)的所述第一信号；

ο在检测到所述第一信号时，固定所述OFE(310)的取向，并利用所述OFE(310)向所述远程本地交换机(200)发送响应；和

ο在固定所述OFE(310)的取向之后，检测来自所述远程本地交换机(200)的确认信号。

2.根据权利要求1所述的骨干网络(100)，所述骨干网络(100)进一步包括：

-通信耦合到所述一个或多个本地交换机(200)的网络控制器(150)；

其中每个本地交换机(200)进一步被配置为将经由所述第一类型OFE(210)和/或所述第二类型OFE(230)获得的关于一个或多个检测到的光学AP(300)的信息转发给所述网络控制器(150)；并且所述网络控制器(150)被配置为：

-根据所收集的信息，为所述一个或多个光学AP(300)中的每一个分配各自的本地交换机(200)；

-分别向一个或多个本地交换机(200)对应地发送关于分配的一个或多个指令。

3.根据权利要求1或2所述的骨干网络(100)，其中来自所述一个或多个光学AP(300)之中的光学AP的响应包括所述光学AP(300)的标识符。

4.根据前述权利要求中任一项所述的骨干网络(100)，其中来自所述一个或多个光学AP(300)之中的光学AP的响应包括在所述第一信号中接收的所述远程本地交换机(200)的标识符。

5.根据前述权利要求中任一项所述的骨干网络(100)，其中来自所述一个或多个光学AP(300)之中的光学AP的响应包括检测到的第一信号的信号质量参数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的骨干网络(100)，其中来自所述一个或多个光学AP(300)之中的光学AP的响应包括所述OFE(310)的当前取向。

7.根据前述权利要求中任一项所述的骨干网络(100)，其中，在检测到所述第一信号时并且在固定所述OFE(310)的取向之前，每个光学AP(300)进一步被配置为：

a)存储检测到的第一信号的信号质量参数和所述OFE(310)的对应当前取向；

b)继续将所述OFE(310)旋转到新的取向以再次检测所述第一信号；

c)重复步骤a)和b)预定义次数或者直到在另一新的取向没有检测到第一信号，并且比较存储的信号质量参数以选择具有最佳信号质量的对应取向作为要固定的取向。

8.一种供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络(100)的本地交换机(200)，所述本地交换机(200)被配置为向远程光学接入点(300)AP提供到外部网络的连接，所述本地交换机(200)包括：

-第一类型光学前端(210)OFE，其被配置为以不大于60度的光束角(220)进行发射和/或接收，所述第一类型OFE(210)具有通过围绕所述本地交换机(200)的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中所述机械轴和所述第一类型OFE(210)的光束轴之间的角度大于0度但小于180度；和

-第二类型OFE(230)，其被配置为在所述第一类型OFE的旋转平面上以360度光束角(240)进行发射和/或接收；其中所述第一类型OFE(210)支持比所述第二类型OFE(230)更高的数据速率通信，并且所述第一类型OFE(210)的光束角被所述第二类型OFE(230)的光束角完全覆盖；

其中每个本地交换机(200)被配置为：

-用所述第二类型OFE(230)发送第一信号；

-用所述第二类型OFE(230)检测来自远程光学AP(300)的对所述第一信号的响应；

-在所述第二类型OFE(230)检测到响应时，旋转所述第一类型OFE(210)，用于用所述第一类型OFE(210)检测响应；和

-在所述第一类型OFE(210)检测到响应时，固定所述第一类型OFE(210)的取向，并利用所述第一类型OFE(210)向所述远程光学AP(300)发送确认信号。

9.根据权利要求8所述的本地交换机(200)，其中所述第一信号包括所述本地交换机(200)的标识符。

10.根据权利要求8或9所述的本地交换机(200)，其中所述第二类型OFE(230)包括多个子OFE，每个子OFE具有带有单独光束角的不同取向，并且组合的单独光束角构成所述第二类型OFE(230)的360度光束角。

11.根据权利要求10所述的本地交换机(200)，其中所述本地交换机(200)被配置为：

-当所述第二类型OFE(230)的多于一个子OFE检测到来自所述远程光学AP(300)的对所述第一信号的响应时，选择检测到具有比其他子OFE更好的信号质量的响应的子OFE；和

-旋转所述第一类型OFE(210)以检测所述第二类型OFE(230)的所选子OFE的光束角内的响应。

12.根据前述权利要求8-11中任一项所述的本地交换机(200)，其中，在所述第一类型OFE(210)检测到响应时并且在固定所述第一类型OFE(210)的取向之前，所述本地交换机(200)进一步被配置为：

a)存储检测到的响应的信号质量参数和所述第一类型OFE(210)的对应当前取向；

b)继续将所述第一类型OFE(210)旋转到新的取向以再次检测响应；

c)重复步骤a)和b)预定义次数或者直到在另一个新的取向没有检测到响应，并且比较存储的信号质量参数以选择具有最佳信号质量的对应取向作为要固定的取向。

13.一种由供在光学无线通信OWC系统中使用的骨干网络(100)的本地交换机(200)执行的方法(600)，用于向远程光学接入点(300)AP提供到外部网络的连接，其中所述本地交换机(200)包括用于以不大于60度的光束角(220)进行发射和/或接收的第一类型光学前端OFE(210)和用于以360度的光束角进行发射和/或接收的第二类型OFE(230)；所述方法(600)包括所述本地交换机(200)：

-用所述第二类型OFE(230)发送(S601)第一信号；

-用所述第二类型OFE(230)检测(S602)来自所述远程光学AP(300)的对所述第一信号的响应；

-在所述第二类型OFE(230)检测到响应时，旋转(S603)所述第一类型OFE(210)的取向，用于用所述第一类型OFE(210)检测响应；

-在所述第一类型OFE(210)检测到响应时，固定(S604)所述第一类型OFE(210)的取向，并利用所述第一类型OFE(210)向所述远程光学AP(300)发送确认信号；

其中所述第一类型OFE(210)支持比所述第二类型OFE(230)更高的数据速率通信，并且所述第一类型OFE(210)具有通过围绕所述本地交换机(200)的机械轴旋转来进行发射和/或接收的可调取向，其中所述机械轴和所述第一类型OFE(210)的光束轴之间的角度大于0度但小于180度，并且所述第一类型OFE(210)的光束角被所述第二类型OFE(230)的光束角完全覆盖。

14.一种包括代码装置的计算程序，当该程序由根据权利要求8-12中任一项所述的本地交换机(200)执行时，所述代码装置使得所述本地交换机(200)执行根据权利要求13所述的方法(600)的步骤。