CN1883139A - 利用光子密度波时空编码的扩散ir连网 - Google Patents

Abstract

提供一种网络及操作该网络的方法，以及具有用于IR通信以减少由于多路径信号引起的衰退缺陷的附加物理层概念的网络部件。在一个方面，使用原始IR信号上的光子密度波(PDW)。在第二个方面，使用以阵列形式具有独立可寻址部件的IR源和检测器。在第三个方面，使用时空编PDW部件码利用多路径增加数据通信率。在第四个方面，通过设计PDW部件的光谱组成来优化时空编码以适应给定的室内环境。在第五个方面，提供一组工具对任何给定的环境优化室内信道应用。这些工具利用从IR频率向PDW频率移动调制的中央频率。在第六个方面，利用时空编码实现PDW激发的IR阵列。

Description

利用光子密度波时空编码的扩散IR连网

技术领域

本发明涉及无线远程通信(telecommunication)系统和操作该无线远程通信系统的方法，特别是涉及无线室内远程通信网络，并且更特别的是涉及专供室内使用的红外远程通信网络。本发明特别涉及共享资源网络例如局域网(LAN)及用于这种网络的网络部件。本发明还涉及对准扩散多点无线室内连网的红外通信信道的优化以及网络元件和装置。

背景技术

近来，对无线远程通信方面的兴趣在不断增长，例如无线电或光通信方法(J.M.Kahn，J.R.Barry，“Wireless InfraredCommunications”)，IEEE学报，第85卷第2期，第265页(1997)，M.Saffman，D.Z.Anderson，“Mode multiplexing and holographicdemultiplexing communication channels on a multimode fiber”，Optics Letters，第16卷第300页(1991))。特别是，红外(IR)光无线通信已受到关注。与IR应用有关的一般信息可以在J.R.Barry，Kluwer Academic的“Wireless Infrared Communications”中找到。IR无线构成许多应用的实践基础，并且为其中有线链路或射频(RF)无线不能提供最佳实现方案的环境提供解决方案。对于较宽的适用性，无线链路应当紧凑，消耗较少的能量，并且便于校准(或者没有校准的需要)，对于背景噪声和来自其他用户的干扰有较强的健壮性。作为室内无限通信的传输介质，红外相对于无线电具有几个优点，例如对于高比特率大的无节制带宽，以及在工作在被墙或不透明隔离物分开的房间中的线路之间不存在干扰。此外红外部件可能比较便宜，小巧并且可能消耗较少的能量。

一种对基于红外(IR)的无线LAN(WLAN)技术分类的方式是考虑它们在通信信道中的传播属性。存在至少三种现有技术中描述的基本红外(IR)WLAN方法的类别。这些类别是a)瞄准线(LOS)，b)扩散(D)c)多点(MS)或准扩散多点(QDMS)配置。

LOS-IR-WLAN提供最佳的信道带宽(BW)和信噪比(SNR)。因此，其具有最高的数据率。但是，这会出现以精细校准和聚焦为代价。此外，其对由于障碍物引起的路径损耗具有最高的敏感性。在室内环境中，家具的移动或临时墙的安装可能需要重新发射光束，这因此导致网络停机时间和费用。由于后面的问题，该方法并不适于低成本安装和具有拥挤的信道通信量的环境，例如室内应用。同时，眼睛安全也可能是安全问题。

近来由于使用来自室内物体的反射的扩散通信的可能性，IR技术的吸引力增加。在此方式下，不需要如前面的情况的瞄准线(LOS)通信。这避免了许多校准问题，但是可能仅支持较低的数据率。利用扩散红外线，检测器在从源多路径室内传播之后接收通过IR信号调制的数据符号。如果多路径在数据符号时间帧内引起检测器的破坏性干扰，则将不接收所述数据或者将存在许多错误。为了消除这一问题，可以使用成像接收器。这对于大量应用来说是复杂而昂贵的。D-IR-WLAN由于来自周围物体的多个反射的信道的多路径性质而提供最差的BW。由于偏离辐射，长的路径长度和反射丢失。因此，其具有最低的数据率。然而，其不具有任何安装困难，并且其链路对于来自运动物体的障碍极其稳定。因此，使用这种方法用于以10s Mbps的低数据率室内应用来说是有吸引力的。

QDMS，或者有时称为多点扩散配置(MSDC)，是使用发射几乎准直射束的多光束发射器以及检测器阵列的准扩散配置，每个检测器具有较窄的视场(FOV)-参见S.Jivkova和M.Kavehrad，“ReceiverDesigns and Channel Characterization for Multi-Spot High-Bit-Rate Wireless Infrared Communications”，IEEE Transactions onCommunication，第49卷第12期，第2145页(2001)。在某些情况下，检测器阵列被构成成像接收器-参见J.M.Kahn，R.You，”ImagingDiversity Receivers for High-Speed Infrared WirelessCommunication”，IEEE Communications Magazine，第88页(1998)。

QDMS-IR-WLAN以某些有关多光束及其校准的困难为代价提供数据率和稳定性方面的增益。安装越复杂，通信链路性能方面的增益越多。由于其安装困难，该方法对于诸如室内通信的低成本市场来说并不理想。

未来室内连网技术将需要高速数据传送。这对于视频内容发射来说尤其需要。红外(IR)物理链路还具有以下优点：(1)与RF链路相比关于光谱应用没有校准(regulation)，以及(2)由于IR辐射更高的中心频率，因此基本上较高的频率数据调制是可行的。

附图1a示意性地示出了对于一个示意房间的IR信道的几何形状。在该附图中，提供了一对发射器(T)和检测器(D)，并且它们的IR射束主要通过天花板耦合，因为这是在大多数房间中可用的最佳反射表面。该发射器和检测器的光束和视场(FOV)可以具有广义的Lambertian图案或其近似值。该图案可以由[(n+1)cosⁿ(a)]/2π定义，其中“a”为发射器/检测器的方向向量角，“n”是用于设置射束/FOV的窄度(narrowness)的整数。至于所涉及的数据率优化，更理想的光束/FOV形式和反射功能不改变定性的结果。

附图1中的源和检测器的配置导致定义在一对发射器/接收器(分别为Tx/Rx)或如附图1b中的表示为A和B的收发器之间的IR信道。该附图示出了这些发射器和接收器/检测器在4×5米房间的水平地板中的位置。所有的通信和信道响应都定义在装置A和B的TxRx对之间。附图2示出了当装置A被用作两种不同情况的发射器时，由用作接收器的装置B检测的天花板上的IR照明图案。首先对附图2a，任意的选择发射器和接收器的方向图案，然后对附图2b的图案进行优化。

附图2a中的图案仅仅是所检测的IR照明的强度。在该图案中每个点具有与光从其源向该检测器传播相关的时间延迟。附图2a中IR信道例子的脉冲响应在附图3a中示出。可以看出该脉冲响应示出了由于任意选择源/检测器方向角导致的多路径情况。采用附图3a的脉冲响应的傅立叶变换给我们提供了频率响应和信道带宽，如附图3b所示。附图3b中的+指示3dB带宽的点，对此情况其仅为大约10MHz。

通过使前一个例子的光束/FOV图案变窄，同时通过改变所述方向角，如附图2b所示，IR信道的脉冲响应可以优化。该优化的结果在附图4中示出。优化IR信道例子的脉冲响应在附图4a中示出。可以看出，该脉冲响应示出了由于源/检测器方向角及宽度的特殊选择导致的单个峰值。该频率响应和信道带宽在附图4b中示出。此情况下3dB带宽大约为80MHz。

附图3和4中的信道数据率可以通过仅考虑其3dB点来比较。如这些附图中所示的，对于任意配置的情况(附图3)来说3dB带宽大约为10MHz，在优化配置下(附图4)大约为80MHz。因此，这些特殊例子的红外通信带宽可以提高8倍。此外，与附图3相比，可以获得附图4中来自较高峰值信号能量的另一个接近2倍的增益。然后实际的数据率将取决于信噪比及调制类型。由于利用适当的调制和信噪(SNR)比，光谱应用的效率可以达到几比特/sec/Hz，准扩散多点IR通信信道可以期望达到朝着Gbps级的较好部分的数据率。

然而，这种已知的系统的问题在于需要获取源和检测器的高数据率精细校准。已知网络的某些问题涉及到在来自多路径环境的数据信号电平的破坏性的干扰。

发明内容

本发明旨在提供一种光无线网络及操作该网络的方法，其具有高数据率，而不需要发射器或接收器精确的校准。

本发明提供一种光通信装置，包括：产生光子密度波信号的光子密度波(PDW)源，用于反射该光子密度波信号的反射器，以及用于接收反射的光子密度波信号的接收器。该装置还可以提供数字信号源，用于利用该数字信号调制光子密度波源的输出以产生光子密度波信号的装置，以及适于从中提取所述数字信号的接收器。

在该光通信装置中，所述光子密度波信号可以是红外信号。特别的，该光子密度波信号的频率可以在从大约1GHz到10GHz的范围内，最好是1GHz到2.5GHz。

在该光通信装置中，所述光子密度波源可以是源阵列。这提供了可以使用先进的信号处理技术来提高数据容量和/或接收的信号质量的优点。同时，在该光通信装置中，所述接收器可以包括检测器阵列。多个检测器提供多个接收的信号。这些组合导致一个合适的组合器可以提高数据容量和/或接收的信号质量。例如，光子密度波信号可以是时空编码的。

反射器可以包括多个反射器，从而提供多个路径。

所述装置可以是共享资源网络例如局域网，特别是室内LAN的一部分。

本发明还为光通信网络提供收发器，该收发器包括：光子密度波源，以产生光子密度波信号，以及用于接收反射的光子密度波信号的接收器。该收发器还可以包括用于提供数字信号的装置，以及用于利用数字信号调制光子密度波源的输出以产生光子密度波信号的装置，该接收器适于从中提取数字信号。

本发明还可以提供一种操作光通信网络的方法，该方法包括：产生光子密度波并输出光子密度波信号，反射该光子密度波信号，并接收反射的光子密度波信号。该方法还可以包括产生数字信号，利用该数字信号调制光子密度波以产生光子密度波信号，并从反射的光子密度波信号中提取数字信号。该方法还可以包括优化PDW频率的步骤，以便提高数据容量。所述优化可以通过缩小“r”值来实现。此外，该方法还可以包括使用不止一个PDW频率。

本发明提供一种网络和操作该网络的方法以及具有用于IR通信的附加物理层概念的网络部件以减少由于多路径信号引起的衰退的缺陷。在一个方面，对原始IR信号使用光子密度波。在第二个方面，使用以具有独立可寻址部件的阵列形式的IR源和检测器。在第三个方面，使用时空编码通过利用多路径来增加数据通信率。在第四个方面，通过设计PDW分量的光谱组成优化时空编码以适于给定的室内环境。在第五个方面，提供一组工具来优化对任意给定的环境的室内信道应用。这些工具利用从IR频率向PDW频率移动调制的中央频率。在第六个方面，利用时空编码实现PDW激发的IR阵列。

根据本发明的第一个方面，利用光子密度波。检测器在多路径室内传播之后接收通过PDW调制的IR信号调制的数据符号。选择PDW的频率和符号率以消除由检测器中多路径引起的破坏性的干扰。为了达到高数据率，在IR信号上使用更多的PDW分量。

根据本发明的第二和第三个方面，与源检测器阵列和光谱时空编码一起使用光子密度波。

附图说明

附图1：(a)给出了具有IR通信系统的房间的横截面图。发射器(T)和检测器(D)仅通过来自天花板的反射交互。附图(b)指示了在4×5米房间的地板上的两个特定的发射器/接收器对装置(A和B)的位置(轴以dm为单位)。

附图2示出了进一步的IR通信系统。在附图2b中，该系统在发射器/接收器对装置A和B之间定义。附图(a)和(b)指示当装置A在对应于任意的和优化的光束/FOV角和宽度的两种情况下发射时，由装置B检测的显示在例如天花板的表面上的IR光图案。

附图3：(a)示出了对应于附图2a中照明图案的信道的脉冲响应，对应于源/检测器方向角的任意配置。(b)示出了用于附图3a的脉冲响应的频率响应。附图3b中的+表示信道响应的3dB点。强度是以相对单位(relative units)表示。

附图4：(a)示出了在优化源/检测器方向角和宽度之后信道的脉冲响应。(b)示出了频率响应并指示信道带宽的3dB点(+号)。

附图5示出了根据本发明的一个实施例的室内布置。

附图6示出了根据本发明的又一个实施例的室内布置。

附图7示出了可以利用本发明的室内布置。

附图8示意性地示出了如何使PDW信号散射。

附图9示出了根据本发明的一个实施例的室内接收器和发射器配置。

附图10示出了根据本发明的又一个实施例的室内接收器和发射器配置。

附图11示意性地示出了根据本发明的一个实施例的多路径、多源多检测器配置以及仅为比较目的的无线RF阵列。

附图12示出了可以使用本发明的PDW源。

具体实施方式

下面将针对特定的实施例和特定的附图对本发明进行说明，但是本发明并不局限于此，而是仅由权利要求书限定。所描述的附图仅仅是示意性的，并不是限制性的。在附图中，为了示意性的目的，某些元件的大小可能夸张，并不是按比例绘制的。其中在本说明书及权利要求书中使用术语“包括”，但是其并不排除其他元件或步骤。

此外，在本说明书和权利要求书中任何术语例如第一、第二、第三等等的使用是为了在类似的元件之间进行区分，并不一定按连续或年代先后顺序描述。将会理解到所使用的术语在适当的情况下是可以替换的，并且这里所描述的本发明的实施例可以以除了在此所描述和表示的顺序以外的其他顺序操作。

此外在本说明书和权利要求书中任何术语诸如上、下、在......下、通过、天花板、地板等等的使用是为了说明性的目的，并不一定是描述相对位置。将会理解到，所使用的术语在适当的环境下是可以替换的，并且这里所描述的本发明的实施例可以以除了在此所描述和表示的方向以外的其他方向操作。

本发明的一个方面是使用共享资源网络(SRN)，尽管单个收发器对也包含在本发明的范围内。在SRN中，共享硬件资源。根据本发明的SRN差不多与LAN或WAN同步，但是术语SRN被用于指示本发明并不局限于已知的LAN的特定方面，例如争用方法或是否是以太网、令牌网(token ring)还是无线LAN。同时LAN或WAN的拓扑结构并不被认为是对本发明的限制，例如总线物理结构、星形物理结构、分布式星型、环形物理结构、总线逻辑、环形逻辑都可以适当地使用。

本发明涉及光通信网络及其部件以及操作这些部件的方法。通过“光学的”是指可以用于通信目的的光的适当波长，例如可见的、红外的或紫外线的。通常，可以使用红外光，期望对波长没有任何限制，即接近或远离红外波长都是合适的。波长的选择可以主要通过网络部件的工业效用来确定。波长可以选择为从600nm到1500nm范围内，但是由于便宜的电子部件的可用性更适宜在大约800nm到1300nm。

本发明可以利用源及检测器阵列(SA和DA)和/或时空(ST)编码。SA/DA以及特别是ST技术依靠这样的事实，即辐射从所述环境中的多种物体散射而得到，并且在SA或DA的元件之间提供附加的信道。然而，如果这些散射相互关联，则通信信道也相互关联，并且很明显不会产生任何实际的附加信道。为了散射，所述波长应当与SA周围物体的大小和距离可比。这导致近似共振散射，并且其提供丰富的特征标(signatures)组作为角度和大小的函数。这有助于使到达DA的信道去相关，因此有助于以增加的信号处理为代价获取较高的数据率。公式2中的“r”参数可以用作(去)相关的量度，其值在0与1之间。其是定义房间中的一个散射事件相对于另一个散射事件有多独立。对于r值的适当范围是0.0到0.4。最好不要选择接近1的值。

在本发明的一个方面，利用SA/DA和/或ST方法来修改D-IR-WLAN。直接利用D-IR-WLAN的问题在于载波频率现在是在波长为大约1微米(micrometer)的范围内的光谱范围内。实际上，包括用于IR辐射的源和检测器大小的距离和物体尺寸都比微米大的多。因此，在此光学范围内，任何微米大小的散射在源和检测器阵列中都没有效果。在这种情况下，多路径信道特征高度相关。

本发明提供一种特别适于室内使用的无线光学网络，其具有较高的数据率，并且不需要大量的精细的调节位置和/或校准发射器、接收器、反射器或扩散器。在一个方面，本发明通过在IR信号中产生大量相对不相关的信号克服了由室内环境中的反射引起的多路径干扰，所述不相关信号可以根据公知的多输入多输出(MIMO)技术原理进行处理。实际上，本发明利用由来自室内物体的多散射引起的多路径，以便增加信道容量。在本发明的另一个方面，提供一种特别适于室内使用的网络，其提供从在室内环境，特别是室内办公室或商业环境中发现的大量传统项目的任何项目散射的IR信号。这可以通过将IR信号作为光子密度波发射来实现。进一步的改进可以通过使用多个接收器和发射器以及时空编码来获得。为了实现所述改进，发射器由多个空间排列的可独立驱动的IR源，特别是光子密度波IR源构成。为了提供多个散射信号，来自发射器的IR信号可以被例如位于房间的天花板上的多点准扩散装置反射。

根据本发明的一个方面，通过使用光子密度波(PDW)技术来消除在物体和波长大小范围内巨大差异的问题。PDW是强度调制传播光波，通常具有RF范围内的调制频率。这可以使得覆盖从100s MHz到10s GHz的频率，可以自由产生可与所述环境特别是室内的物体的任何大小分布相比的PDW波长。在本发明的一个方面，在相同的系统中例如作为一个选项可以使用PDW的几个频率。由于PDW散射可与典型的室内物体的大小兼容，因此例如通过改变PDW的调制频率，可以使多路径IR信道不相关。在本发明的其他方面，IR-WLAN数据率可以通过在任何给定的特定环境中改变PDW的波长进行优化。本发明的实施例包括PDW辅助的D-IR-WLAN及其使用SA/DA和ST方法的网络部件。由于PDW可以被设计成根据从SA/DA/ST方法获得最佳利益的需要使信道之间的关联最小化，与简单的D-IR-WLAN相比，可以提高数据率，同时仍然保持线路的稳定性和可靠性。也就是说，在本发明的实施例中，为D-IR-WLAN提供光源阵列(SA)以及光检测器阵列(DA)。其余系统部件可以大部分保持相同。例如，这可能包括RF前端和基带信号处理。根据本发明的一个方面，PDW光源/检测器被使用包括耦合至SA的光纤尖端阵列以及DA的硅光电二极管技术。

如附图5示意说明的，在本发明的实施例中，检测器D接收在源S调制的以及在多路径室内传播之后通过PDW调制的IR信号发射的数据符号。选择PDW的频率和符号率来消除由检测器的多路径引起的破坏性的干扰。在附图5的网络中，IR光的波长小于室内环境中的平均散射长度，在实际情况中比散射长度短很多。然而，根据本发明的一个方面，PDW的波长可以由与散射长度相同级别的幅值构成。PDW的优选频率范围为从大约1GHz到10GHz，但是最好在大约1GHz或2.4GHz，因为在后者的频率下存在RF电子设备。该结果是房间内正常物体通常将散射IR信号，并且产生基本上不相关的信号将导致在接收器R的接收得到改进。

如附图6示意说明的，在本发明的又一个实施例中，检测器阵列D接收在源阵列S调制的以及在多路径室内传播之后通过多个PDW调制的IR信号发射的数据符号。该源阵列包括两个或多个光源。选择PDW发射信号的频率和空间位置以及符号率以消除在每个检测器阵列部件处的多路径引起的破坏性的干扰。如同附图5的网络一样，IR光的波长比室内环境中的平均散射长度小很多，并且PDW由与该散射长度相同级别的幅值构成。其结果是房间中普通物体将散射IR信号，并且将导致接收器R的接收改进。PDW波长的优选范围是从大约1GHz到10GHz，但是最好是大约1GHz或2.4GHz，因为在后者的频率下存在RF电子设备。由于来自多路径组合的丰富的“自由度”数量，IR源的空间隔离，以及PDW设计参数，数据率可以比以前已知的技术高。根据本发明的该实施例，可以采用时空编码和PDW IR信道的光谱分量，特别是对给定的室内环境，以获得高数据率。发射器中IR光源之间的间距最好应当选择使得在接收器接收的信号之间的相关性减少到最小。与在RF情况下的技术类似，该间距最好可以选择在PDW波长的一半左右，例如40-70％，最好是PDW波长的50-60％。从理论上考虑，这通常是可以获得的，只要在所述源之间的间距大于PDW波长的一半。在室内环境中，这可以容易地通过使它们分离而获得。

对室内环境例如附图5或6中的环境评估的光谱时空编码多模式远程通信信道的数据承载容量可以由本领域技术人员确定。例如，这种系统的信道容量理论上已被Sergey Loyka在“Channel capacity ofn-Antenna BLAST Architecture”，Electronic Letters，第36卷第7期，第660页中研究，同时参见A.Alonso，S.B.Colak，Proc.LEOSBenelux，第129页(2001)，两者结合在此作为参考。本领域技术人员将会理解到本发明对该论文中天线的引用是指辐射元件，并且本发明中是IR源或检测器。因此，所接收的信号向量，从发射的信号向量x通过以下公式获得：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]$ 公式1

其中H为标准化的室内环境通信信道矩阵。然后多信道的容量C[(比特/秒)/赫兹]由以下公式给出：

$C={\log }_2\det (I+\frac{\mathrm{SH}\left(w\right)H{\left(w\right)}^{*}}{\mathrm{Nn}})\≈{\log }_{2}1(1+\frac{S}{N}+[1-r^2\left(w\right)]\×{\left(\frac{S}{N}\right)}^2)\frac{\mathrm{bit}/s}{\mathrm{Hz}}$ 公式2

其中I为单位矩阵，S/N是信噪比(dB)，n是发射器/接收器的数量。所述容量由信道矩阵的秩，H确定。精确增益(exact gain)也是矩阵分量的函数，其依次取决于所述媒介的不同信道之间的相关性r(w)。输入向量根据不同的波长在时空域上在光谱域中具有附加自由度。这通过增加矩阵的秩有利于容量。根据本发明的一个实施例，通过选择IR信号中使相邻信道之间的相关性最小的频谱分量来剪裁信号。这两个编码分量提供设计参数来优化室内通信防止信道相互关联和信道内分散。

附图7中示意性的表示了QDMS或MSDC IR-LAN。其包括一个或多个例如位于地板附近的发射器，位于或分布在天花板上的多个扩散点，以及一个或多个位于某些位置的接收器R，例如桌子上。在QDMS或MSDC-IR LAN中，一个或多个发射器T利用多个窄的光束照射房间表面。这些光束的反射被成像到一个或多个接收器R中。发射器T中的IR光源可以以Lambertian的形式发射IR光束。扩散点的反射器例如也可以以Lambertian的形式反射这些光束。接收器R的检测器例如可以被选择来感测以陡锥形(sharp-cone)或Lambertian形式给定的视场。其最好将源/检测器对任意放置。根据本发明的一个实施例，使用用于实现高数据率的具有时空编码的多输入多输出(MIMO)技术。该MIMO-ST实施例引入电子/算法解决方案，其比为QDMS单独所需的机械校准优化更实用更便宜。对于MIMO-ST，在信道区域中提供了大量独立的散射器。如果使用来自房间中物体的散射，则散射的尺寸通常是不合适的。在这种情况下，有利的是可以插入附加的散射物体到房间中，如附图9和附图10所示。时空编码利用信号的空间多样性。该空间多样性允许在面临多路失真的IR通信系统的容量极大的增加。发射器T可以由阵列或红外源构成，每一个都是可独立寻址的。每个源是编码的。例如，除了较简单的例如索罗门(Solomon)编码方法外的卷积编码技术。典型的特定例子是维特比(Viterbi)编码(解码)，其可以在通信链路任一端实现。此外，接收器R可以使用最大似然度(ML)解码器。

为了应用MIMO操作和ST编码到IR无线LAN通信中，本发明的一个实施例利用光子密度波(PDW)。使用天花板作为反射器导致以米为尺寸，因此在反射器表面PDW的散射尺寸是米的一小部分。这意味着房间中任何以数十(tens)厘米(cm)的数量级为大小的物体都将提供可用于IR无线LAN的ST编码的散射。因此，如上指出的，在本发明的此方面，PDW的波长被选择使得房间中的普通物体将引起散射。

光子密度波可以通过两个波长激光或通过对单个激光的光调制方法产生，或者可以在当来自光源的光子穿透具有超过大约光子的平均自由行路径10倍厚度的混浊介质时获得，并且在那里被多重散射。在分散的光子密度波中通过所述介质传播的光子被散射和吸收，从而所述光子的独立波长中的任何相干性都被丢失。然而，光子密度波(即通过表示光子密度的介质传播的波)通过该具有相干波阵面(wavefront)的介质移动。在该扩散波中可用的信息量可以通过使用成像IR辐射的源的强度(即幅值)调制和相位调制来增加。IR辐射可以通过激光或任何其他适合IR辐射的形式产生。强度调制的光子密度波的波长和衰减是调制-频率和吸收的复杂函数。在给定的调制频率，光子密度波在均匀的材料中以恒定相位速度传播，这表示其相位波前(phase front)保持相干性。扩散光子密度波的波长随吸收的增加而增加，因为长的光子路径可能变得很小。扩散光子密度波的衰减随着其通过混浊介质的传播指数变化。当其在具有类似于其波长的大小的物体周围衍射时PDW被散射(参见附图8的示意表示)。

附图9示出了附图5所示的适宜室内使用的类型，即在具有地板、墙和天花板的准扩散多点网络100的示意结构图。其包括包含数据源2，一个或多个任选的源编码单元4，一个或多个任选的信道编码单元6以及一个或多个用于驱动一个或多个IR源12以产生PDW16的驱动器8的一个或多个发射器10。PDW是由驱动器8利用已通过发射链路产生的数字信号进行调制，所述发射链路可以包括数据源2和任选的源编码单元4以及信道编码单元6。在本发明中，PDW是扩散的，或者至少具有“多散射”特征。源2可以是任何数字信号源，例如桌上电脑，膝上电脑，掌上电脑，个人数字助理(PDA)，打印机，传真机，网卡等等。源编码单元4可以执行传统的数字信号源编码，例如压缩、加密等等。信道编码单元6可以执行传统的信道编码，包括调制、交织、增强编码(turbo coding)，块或格栅编码(trellis coding)，纠错编码等等。多个反射点18按空间阵列方式排列，最好排列在用于反射PDW信号16的房间天花板上。该阵列在附图中被着重强调。其不必必须扩展到超出天花板的自然表面，并且其不需要是规则的阵列。在天花板中某些小的，几乎“自然”的不平整可以在“r”参数中提供足够的去相关。除此之外，如果需要也可以使用房间其他表面的散射物体。提供的一个或多个接收器20包括一个或多个IR检测器14，用于一个或多个IR检测器的一个或多个驱动器22，一个或多个任选的解调器24，一个或多个任选的信道解码器26，一个或多个任选的源解码器28以产生输出的数字信号30。解码器执行编码器的相反功能。可以使用诸如RAKE组合器的组合器。这既可以是硬接线滤波器也可以是通过数字信号处理电子设备实现。一个例子是用于天花板反射器的对角的一对源/检测器。发射器10中的IR光源例如可以以Lambertian形式发射IR光束。扩散点18的反射器例如也可以以Lambertian形式反射这些光束。接收器20的检测器14例如可被选择对于以陡锥形或Lambertian形式给定的视场敏感。

在附图9中，为了清晰而示出独立的发射器和接收器，然而，应当理解到，通常网络部件被提供作为用于双向通信的收发器。此外，该收发器可以是共享资源网络例如LAN的一部分，并且可以操作LAN协议例如以太网或类似协议。特别的，如上所述发射器和接收器的组合可以在诸如LAN的共享资源网络的节点中。

附图10示出了附图6所示适宜室内，即在具有地板、墙和天花板的房间中使用的多点准扩散网络200的示意框图。其包括包含数据源42，一个或多个任选的源编码单元44，一个或多个信道编码单元46以及一个或多个用于驱动一个或多个IR源52的驱动器48的阵列。PDW是由驱动器48利用已通过发射链路产生的数字信号进行调制，所述发射链路可以包括数据源42和任选的源编码单元44以及信道编码单元46。该源52产生PDWs56。所述源42可以是任何数字信号源，例如桌上电脑，膝上电脑，掌上电脑，个人数字助理(PDA)，打印机，传真机，网卡等等。源编码单元44可以执行传统的数字信号源编码，例如压缩、加密等等。信道编码单元46可以执行传统的信道编码，包括调制、交织、增强编码，块或格栅编码，纠错编码等等。特别是，其执行用于传递到IR源52的信号的时空编码的编码。多个反射点58按空间阵列方式排列，最好排列在用于反射PDW信号56的房间天花板上。提供的一个或多个接收器60包括IR检测器63的一个或多个阵列61，一个或多个任选的解调器64，一个或多个包含一个或多个组合器的信道解码器66，一个或多个任选的源解码器68以产生输出的数字信号70。所述解码器执行编码器的相反功能。

发射器40中的IR光源52例如可以以Lambertian形式发射IR光束。扩散点58的反射器例如也可以以Lambertian形式反射这些光束。接收器60的检测器61例如可以被选择对以陡锥形或Labertian形式给定的视场敏感。

在附图10中，为了清晰而示出独立的发射器和接收器，然而，应当理解到，通常网络部件被提供作为用于双向通信的收发器。此外，该收发器可以是共享资源网络例如LAN的一部分，并且可以操作LAN协议例如以太网或类似协议。特别的，如上所述发射器和接收器的组合可以在诸如LAN的共享资源网络的节点中。

参照附图11，发射器侧的SA和接收器侧的DA与RF无线天线阵列一起被表示为“二极管”部件，用于比较。更特别的是，在左侧存在给出PDW的IR源，在右侧存在IR检测器阵列。例如，SA可以是一组通过发射器Tx中的RF电子设备调制的半导体激光二极管。发射器的输出阻抗最好与二极管激光器匹配。根据激光二极管输出与其各个阶段之间的间隔，产生强度调制波，其为PDW。DA可以是一组耦合至与检测器二极管负载匹配的接收器Rx阻抗的RF电子设备的硅IR光电二极管检测器。

对SA阵列例如在1GHz进行调制，从SA阵列得到的PDW波在RF信道中传播。在PDW在该信道中传播后，其将冲击(impinge on)产生DC(连续波)和AC(在1GHz的RF部分)分量的DA阵列。根据每个从一个源到检测器的PDW路径中的散射历史，DC对AC的比率将是不同的。这些差异将在PDW的长度规(length scale)波动，即例如对于1GHz在大约30cm。

如上所述除激光二极管的直接调制，PDW可以使用单个双波长激光器产生，然后通过一组具有不同长度(提供相位变化)和不同的时间相关的幅值(使用PDW获得数据信号)的光纤馈送其输出。合适的配置在附图12中示出。这包括双波长激光源72，例如，具有219MHz的激光频率间隔，其输出被输送到分裂器74，其中光束被分成两个并且沿着两个不同长度的光纤76，78发射。在这些光纤76的至少一个光纤中，提供光功率控制单元80用于调制一个光束，例如调制器-衰减器以调制光束的幅值。光纤的长度被选择以使得在两个相干激光射束之间相对于调制波存在如180°的相位差。因此，该相位间隔是调制波长的一小部分。

虽然公开了两种产生PDW的方法，本发明并不局限于这两种方法，而是包括任何适合的方法。

对于对所接收的PDW的检测方法，一种适宜且经济的方法是采集在光纤尖端所接收的光信号，并将这些信号传送至光检测器例如单个芯片检测器阵列，例如硅CMOS图像检测器阵列或CCD阵列。每个检测器从一个光纤接收信号并检测PDW的DC和AC部分。然后通过适当的分离装置，例如诸如电容或电容器阵列的高通滤波器对AC部分进行分离。然后，分离的信号被传送至RF电子电路。正如将从以上理解到的，与导致高相关信道矩阵元件的DC照明的情况相比，本发明例如对于2×2源/检测器阵列的情况，通过使用不相关的PDW散射将信道容量至少提高了2倍。利用包含大量源/检测器的阵列可以进行较好的容量改进。由于获得PDW不相关信道的波动性，并且从SA/DA及ST编码技术获得提高信道效率的进一步的益处。所检测的PDW波动定量的等同于多路径效应，除了其由于在物体表面的反射率和吸收的差异而在量上的改变。这些波动用于定义新的SA/DA信道和用于PDW辅助的D-IR-WLAN的ST编码。

应当理解，虽然这里已对根据本发明的设备的优选实施例、特定构造和配置，以及材料进行论述，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以在形式上或细节上进行各种变化或修改。

Claims (22)

1.一种光通信装置(100，200)，包括：

数字信号源(2；42)，

光子密度波源(12；50；52)，

用于利用所述数字信号调制光子密度波源(12；50；52)的输出以产生光子密度波信号(16；56)的装置(8，48)，

反射器(18，58)，用于反射光子密度波信号，以及

接收器(20；60)，用于接收反射的光子密度波信号并用于从中提取数字信号(30，70)。

2.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述光子密度波信号是红外信号。

3.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述光子密度波信号的频率在从大约1GHz到10GHz的范围内，最好是从1GHz到2.5GHz。

4.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述光子密度波源(50，52)为源阵列(52)。

5.根据权利要求4所述的光通信装置，其中所述光子密度波信号是时空编码的。

6.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述接收器(60)包括检测器阵列(61)。

7.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述反射器(18)包括多个反射器。

8.根据权利要求1所述的光通信装置，其中该装置包括部分共享资源网络。

9.根据权利要求1所述的光通信装置，其中所述装置位于室内。

10.一种用于光通信网络的收发器，该收发器包括：

用于提供数字信号的装置(2；42)，

光子密度波源(12；50；52)，

用于利用所述数字信号调制光子密度波源(2；50；52)的输出以产生光子密度波信号(16，56)的装置(8；48)，以及

接收器(20，60)，用于接收反射的光子密度波信号并用于从中提取数字信号。

11.根据权利要求10所述的收发器，其中所述光子密度波信号是红外信号。

12.根据权利要求10所述的收发器，所述光子密度波源(50，52)为源阵列(52)。

13.根据权利要求12所述的收发器，其中所述光子密度波信号是时空编码的。

14.根据权利要求10所述的收发器，其中所述接收器(60)包括检测器阵列(61)。

15.根据权利要求10所述的收发器，其中该收发器是共享资源网络的一个节点。

16.一种操作光通信网络的方法，包括：

产生数字信号，

产生光子密度波，

利用数字信号调制该光子密度波以产生光子密度波信号，

反射光子密度波信号，以及

接收反射的光子密度波信号，并从反射的光子密度波信号中提取数字信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光子密度波信号是红外信号。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述光子密度波信号是从源阵列产生的。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括光子密度波信号的时空编码。

20.根据权利要求16所述的方法，其中接收反射的光子密度波信号包括在检测器阵列接收信号。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括优化光子密度波信号以便增加数据容量的步骤。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括使用不止一个光子密度波信号。

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