DE102016111980A1

DE102016111980A1 - Verfahren und System zur optischen Datenübertragung

Info

Publication number: DE102016111980A1
Application number: DE102016111980.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Lange; Dirk Kosiankowski
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: DE102016111980B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur leitungslosen optischen Datenübertragung von Nutzdaten, gemäß welcher ein optischer Sender (3) eines Sendemoduls (1) und ein optischer Empfänger (4) eines Empfangsmoduls (2) in einem automatisierten Ablauf horizontal und/oder vertikal zueinander ausgerichtet werden. In einem Justiervorgang wird von dem optischen Sender (3) wiederholt ein optisches Prüfsignal an den optischen Empfänger (4) ausgesendet, wobei vor dessen jeweiliger erneuter Aussendung die horizontale oder die vertikale Ausrichtung des optischen Senders (3) innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs α, β um einen vorgegebenen Schrittwinkel verändert wird. Mit dem Prüfsignal werden Ausrichtungsdaten zur jeweiligen augenblicklichen Ausrichtung des optischen Senders (3) ausgesendet. Bei dem Empfangsmodul (2) werden die vom optischen Empfänger (4) mit maximaler Signalstärke empfangenen Ausrichtungsdaten gespeichert und diese Ausrichtungsdaten am Ende des Justiervorgangs mittels eines Steuerdatensenders (7) des Empfangsmoduls (2) als Steuerdaten an einen Steuerdatenempfänger (5) des Sendemoduls (1) übertragen, dessen optischer Sender (3) schließlich entsprechend diesen Ausrichtungsdaten ausgerichtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lösung zur optischen Datenübertragung. Sie bezieht sich auf die leitungslose Übertragung von Nutzdaten, welche Informationen, Steuerdaten oder sonstige Anwendungsdaten enthalten, mittels eines optischen Trägersignals zwischen einem optischen Sender und einem optischen Empfänger. In diesem Zusammenhang werden ein Verfahren und ein System vorgestellt, durch welche die Möglichkeiten der leitungslosen optischen Datenübertragung verbessert werden.
Um das ständig steigende Volumen beispielsweise im Rahmen der Telekommunikation oder bei der Nutzung des Internets übertragener digitaler Daten bewältigen zu können, werden ständig neue Möglichkeiten der Datenübertragung entwickelt und getestet. Immer neue Übertragungstechniken halten dabei Einzug in bestehende Datenübertragungsnetze oder ergänzen diese. Auf dem Gebiet der leitungslosen Datenübertragung wird in diesem Zusammenhang bereits seit einiger Zeit die Möglichkeit einer optischen Datenübertragung mittels Trägersignalen in Form von Licht im sichtbaren Bereich (Wellenlänge ca. 380 nm bis 780 nm) oder in den angrenzenden Bereichen der ultravioletten (Wellenlänge ca. 10 nm bis 380 nm) oder infraroten (Wellenlänge ca. 780 nm bis 1 mm) Strahlung untersucht.
Es wird erwartet, dass diese Technik im Zuge ihrer Reifung kurz- beziehungsweise mittelfristig Einzug in kommerzielle Telekommunikationsnetze hält. Dabei spielt insbesondere auch die Nutzung der sogenannten VLC-Technik (VLC = Visible Light Communication) über kurze Entfernungen von wenigen Metern eine größere Rolle in den zu diesem Thema laufenden Entwicklungsprojekten. Der Einsatz der VLC-Technik wird insbesondere für den Indoor-Bereich in Betracht gezogen. Für die optische Freiraumübertragung außerhalb von Gebäuden kommt hingegen vorzugsweise der Einsatz nicht sichtbaren Lichts in Betracht, wobei eine Datenübertragung über Entfernungen von bis zu einigen 100 Metern, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Einsatz im Backhaul, also bei der Datenübertragung zwischen einem zentralen Netzknoten und einem diesem gegenüber untergeordneten Netzknoten, denkbar erscheint.
Im Rahmen der bisher dazu laufenden Entwicklungsarbeiten wird im Wesentlichen auf eine Verwendung von optischen Sendern und Empfängern abgestellt, welche weitgehend stationär und dabei zueinander relativ ortsfest angeordnet sind. In jedem Falle ist für eine stabile hochbitratige Übertragung, also für hohe Datenübertragungsraten, eine gute Ausrichtung von Sender und Empfänger zueinander einschließlich gegebenenfalls zugehöriger optischer Komponenten, wie Linsen, unerlässlich.
Die Datenübertragung über größere Entfernungen ist insbesondere durch den Einsatz gerichteter und stark fokussierter Laserstrahlen möglich. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften ermöglichen Laserstrahlen dabei eine Datenübertragung nicht nur über größere Entfernungen, sondern auch mit einer hohen Datenübertragungsrate. Vergleichbare Datenübertragungsraten werden mit herkömmlichem Licht, also mit gegenüber Laserstrahlen stark divergenter optischer Strahlung, nur über kurze Distanzen erreicht.
Einerseits ermöglicht die Verwendung stark gerichteter, konvergenter Strahlung gegebenenfalls sogar eine manuelle Ausrichtung von Sender und Empfänger zueinander, gleichzeitig werden hierbei aber erhöhte Anforderungen an eine exakte Ausrichtung gestellt als dies bei herkömmlicher und somit divergenter Lichtstrahlung der Fall ist. Hingegen kann bei der Verwendung divergenter Strahlung mit einem außerdem in der Regel relativ großen Abstrahlwinkel, so beispielsweise bei der Nutzung herkömmlicher LEDs im Rahmen der VLC, unter Umständen sogar auf eine explizite (über eine Grobausrichtung hinausgehende) Ausrichtung von Sender und Empfänger verzichtet werden. Jedoch geht letzteres wiederum zu Lasten der erzielbaren Bitrate beziehungsweise Datenübertragungsrate.
Unabhängig davon, ob Laserstrahlen oder herkömmliches Licht, das heißt Licht mit divergenter Strahlung, für die Datenübertragung genutzt wird, gestaltet sich der Einsatz einer drahtlosen optischen Datenübertragungstechnik in jedem Falle schwieriger, sofern Sender und Empfänger nicht stationär angeordnet, also zumindest in gewissen Grenzen beweglich sind. Hierbei ist dann eine adaptive Ausrichtung der optischen Komponenten zueinander erforderlich.
Ein insoweit denkbares Anwendungsszenario stellt die optische Datenübertragung in der Downstreamrichtung zwischen einem Access Point (zum Beispiel Zugangseinrichtung zum Internet) und einem mobilen Endgerät innerhalb eines Büros dar. Ein optischer Sender des Access Points wird hierbei an exponierter Stelle innerhalb des Büros, vorzugsweise stationär, angeordnet sein, wobei es dem Nutzer ermöglicht ist, sich mit seinem, einen optischen Empfänger enthaltenden oder mit einem solchen gekoppelten mobilen Endgerät innerhalb des Büros zu bewegen, so dass der optische Empfänger bezüglich seiner Position zu dem Access Point beziehungsweise dem optischen Sender des Access Points veränderlich ist. Vergleichbare Anwendungsfälle beziehungsweise Szenarien sind aber auch im Außenbereich denkbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung bereitzustellen, welche es in effizienter Weise ermöglicht, zum Zweck einer Datenübertragung mit hoher Datenübertragungsrate einen optischen Sender und einen optischen Empfänger im Hinblick auf ein möglichst günstiges Signal-Rausch-Verhältnis zueinander auszurichten. Die dafür bereitzustellende Lösung soll es dabei insbesondere ermöglichen, das ausgesendete optische Trägersignal auch im Falle von Bewegungen des optischen Senders und/oder des optischen Empfängers dem Empfänger nachzuführen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein die Aufgabe lösendes, zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System wird durch den ersten Sachanspruch charakterisiert. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
Das vorgestellte Verfahren bezieht sich, wie bereits ausgeführt, auf die optische Datenübertragung, bei der Nutzdaten, welche Informationen (also nicht die Ausrichtung des optischen Senders oder Empfängers betreffende), Steuerdaten oder sonstige Anwendungsdaten enthalten, mittels eines optischen Trägersignals leitungslos zwischen einem optischen Sender und einem optischen Empfänger übertragen werden. Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf die Übertragung von Nutzdaten unter Verwendung von Strahlung mit den bereits eingangs genannten Wellenlängen für die optische Datenübertragung, nämlich von Licht im sichtbaren Bereich oder von ultravioletter oder infraroter Strahlung. Der optische Sender und der optische Empfänger stehen hierbei selbstverständlich zueinander in einer Sichtverbindung.
In den nachfolgenden Darstellungen und in den Patentansprüchen sollen mit den Begriffen "optischer Sender" und "optischer Empfänger" nicht ausschließlich die jeweiligen aktiven Elemente zur elektro-optischen (Sender) beziehungsweise opto-elektrischen (Empfänger) Signalwandlung – also im Falle des Senders beispielsweise eine LED oder im Falle des Empfängers beispielsweise eine Fotodiode – bezeichnet werden. Diese Begriffe sollen, sprachlich vereinfachend, vielmehr auch gegebenenfalls vorhandene, unmittelbar mit diesen aktiven Elementen optisch gekoppelte passive optische Komponenten, wie Linsen, Spiegel oder Filter, mit umfassen. Insoweit ist von der Erfindung und von den durch die Patentansprüche gegebenen Schutzgegenständen auch die Möglichkeit umfasst, dass im Zuge einer Ausrichtung des optischen Senders oder des optischen Empfängers die Lage des jeweiligen aktiven Elements unverändert bleibt und nur die Lage mit ihm gekoppelter beziehungsweise gemäß diesem Verständnis als Bestandteil des optischen Senders oder Empfängers angeordneter passiver optischer Komponenten verändert wird.
Zur Erreichung eines günstigen Signal-Rausch-Verhältnisses werden der optische Sender und der optische Empfänger gemäß der Erfindung in einem automatisierten Ablauf horizontal und/oder vertikal zueinander ausgerichtet. Die und/oder-Verknüpfung von horizontaler Ausrichtung beziehungsweise vertikaler Ausrichtung begründet sich dadurch, dass diesbezüglich je nach Einsatzfall und damit je nach Anordnung des optischen Senders einerseits und des optischen Empfängers anderseits unterschiedliche Erfordernisse bestehen können. So ist es beispielsweise denkbar, dass hinsichtlich der Anordnung der vorgenannten optischen Elemente eine Situation gegeben ist, bei welcher diese ihre Lage zueinander entweder nur bezogen auf die horizontale oder nur bezogen auf die vertikale Richtung verändern. Denkbar ist aber selbstverständlich auch eine mögliche Lageänderung in horizontaler und vertikaler Richtung. Darüber hinaus können nur eines der beiden optischen Elemente oder aber auch beide an einem sich bewegenden Objekt angeordnet sein. Auch hieraus können unterschiedliche Erfordernisse für die Ausrichtung von optischem Sender und optischem Empfänger zueinander resultieren.
Die Ausrichtung zwischen dem optischen Sender und dem optischen Empfänger erfolgt erfindungsgemäß in einem Justiervorgang, welcher (alle) nachfolgend genannten Schritte umfasst, wobei diese Schritte gegebenenfalls zeitlich ineinandergreifen und somit die Reihenfolge ihrer Aufzählung keine zwingende zeitliche Abfolge darstellt. Demgemäß gestaltet sich der Justiervorgang wie folgt:

a) Von dem optischen Sender wird wiederholt ein optisches Prüfsignal an den optischen Empfänger ausgesendet. Dabei wird vor jeder erneuten Aussendung dieses Prüfsignals mittels einer zu dem optischen Sender gehörenden Stelleinrichtung dessen horizontale oder vertikale Ausrichtung innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs um einen vorgegebenen Schrittwinkel verändert. Bezüglich der Veränderung der Ausrichtung des optischen Senders resultiert die Oder-Verknüpfung zwischen horizontal und vertikal dabei daraus, dass, wie bereits angesprochen, der optische Sender beziehungsweise das von ihm ausgestrahlte, mit den Nutzdaten modulierte optische Trägersignal je nach Einsatzfall entweder nur in einer der beiden Richtungen oder in beiden nachzuführen ist. Zudem ist es so, dass auch im Falle des Erfordernisses einer Nachführung in beiden Richtungen (horizontal und vertikal) gemäß dem vorgesehenen Verfahren vor jeder Aussendung des Prüfsignals eine Veränderung der Ausrichtung des optischen Senders jeweils nur in einer der beiden Richtungen erfolgen wird. Im Falle des Nachführens in horizontaler und vertikaler Richtung wird demnach bezüglich der jeweiligen Ausrichtung des optischen Senders bei der Aussendung des Prüfsignals gewissermaßen eine Art Matrix zeilen- und spaltenweise durchlaufen, indem beispielsweise zunächst innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs schrittweise die Ausrichtung in horizontaler Richtung verändert wird und nach einer Änderung der Ausrichtung in vertikaler Richtung, bei welcher die Ausrichtung in der vertikalen Richtung um einen vorgegebenen Schrittwinkel verändert wird, erneut eine schrittweise Veränderung der Ausrichtung in horizontaler Richtung erfolgt. Dieses setzt sich fort, bis schließlich auch der vorgegebene vertikale Winkelbereich für die Ausrichtung des optischen Senders vollständig durchlaufen ist.

Was den mehrfach angesprochenen Winkelbereich anbelangt, innerhalb welchem die horizontale und/oder vertikale Ausrichtung des Senders bei wiederholter Aussendung des optischen Prüfsignals verändert wird, so ist dieser Winkelbereich beziehungsweise dessen Größe wiederum abhängig vom jeweiligen Einsatzfall und den sich daraus für die Nachführung des optischen Senders ergebenden Erfordernissen. Nur selten wird es dabei erforderlich sein, den optischen Sender hinsichtlich seiner Ausrichtung zum Empfänger in einer der beiden oder gar in beiden Richtungen (horizontal und vertikal) in einem Winkelbereich von 360° nachzuführen. Auch das Schrittmaß, also der Schrittwinkel, mit welchem eine solche Nachführung innerhalb des jeweiligen Winkelbereichs erfolgt, ist selbstverständlich wiederum vom Einsatzfall und letztlich auch von der Entfernung zwischen optischem Sender und optischem Empfänger abhängig. Demnach kann die Nachführung des Senders beispielsweise in einem verhältnismäßig groben Raster von 5°-Schritten in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, aber gegebenenfalls auch mit einem Schrittwinkel von 1° und weniger erfolgen.

b) Mit dem von dem optischen Sender in jedem der bei dem Justiervorgang durchlaufenen Ausrichtungszustände ausgesendeten optischen Prüfsignal werden durch den optischen Sender gleichzeitig Ausrichtungsdaten, nämlich Daten zu seiner jeweiligen augenblicklichen horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung ausgesendet. Bei diesen Daten handelt es sich vorzugsweise um Daten, welche die jeweilige horizontale und vertikale Ausrichtung des optischen Senders innerhalb eines Bezugskoordinatensystems codieren. Die Codierung kann beispielsweise binär erfolgen, wobei die Winkel eines Vollkreises bei geradweiser Winkelveränderung (Schrittwinkel = 1°) für eine der beiden Ausrichtungen beispielsweise mit einer Codewortlänge von 9 bit (2⁹ = 512) codiert werden könnten.
c) An dem optischen Empfänger wird bei jedem Eingang eines Prüfsignals dessen Signalstärke bestimmt. Die mit maximaler Signalstärke zusammen mit dem Prüfsignal empfangenen Ausrichtungsdaten des optischen Senders werden durch eine zum optischen Empfänger gehörende Steuer- und Verarbeitungseinheit mit zugehörigem Speicher gespeichert. Dies kann in der Weise geschehen, dass zunächst die Ausrichtungsdaten gespeichert werden, welche zusammen mit dem erstmalig empfangenen Prüfsignal übertragen wurden. Zusammen mit diesen Ausrichtungsdaten wird außerdem die bei ihrem Empfang festgestellte Signalstärke des Prüfsignals – also beispielsweise die Strahlungsleistung des eingehenden Signals – gespeichert. Im weiteren Verlauf des Justiervorgangs erfolgt schließlich eine Speicherung der Signalstärke und der Ausrichtungsdaten (als mit der betreffenden Signalstärke assoziierte Daten) immer nur dann, wenn die Signalstärke größer ist als die augenblicklich gespeicherte. Auf diese Art und Weise enthält der zu dem optischen Empfänger gehörende Speicher schließlich nach dem Durchlaufen aller Ausrichtungszustände des optischen Senders, bei denen ein Prüfsignal ausgestrahlt wird, die Ausrichtungsdaten (beispielsweise XY-Koordinaten beziehungsweise horizontale und vertikale Koordinaten), bei denen für das am optischen Empfänger eingehende Prüfsignal die größte Signalstärke ermittelt wurde.
d) Nach der Aussendung eines Prüfsignals bei jedem gemäß a) möglichen Ausrichtungszustand des optischen Senders werden die mit maximaler Signalstärke empfangenen Ausrichtungsdaten beziehungsweise Koordinaten als Steuerdaten von einem dem optischen Empfänger zugeordneten Steuerdatensender an einen dem optischen Sender zugeordneten Steuerdatenempfänger übertragen.
e) Der optische Sender wird dann schließlich gemäß den von seinem Steuerdatenempfänger empfangenen Ausrichtungsdaten mittels der schon erwähnten Stelleinrichtung, also beispielsweise eines Stellmotors, horizontal und/oder vertikal ausgerichtet.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Senders zumindest in einer der Übertragung von Nutzdaten vorausgehenden Initialisierungsphase erfolgt. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist darüber hinaus vorzugsweise eine wiederholte Ausführung des Justiervorgangs vorgesehen. Die wiederholte Ausführung des Justiervorgangs, also gewissermaßen die wiederholte Nachjustierung der Ausrichtung des optischen Senders erfolgt dabei, indem die Aussendung der Nutzdaten durch den optischen Sender kurzzeitig unterbrochen und der Justiervorgang in der zuvor beschriebenen Weise erneut ausgeführt wird. Danach wird die Aussendung der Nutzdaten fortgesetzt, kann aber je nach Verfahrensregime gegebenenfalls auch mehrmals erneut zur Nachjustierung des Senders kurzzeitig unterbrochen werden.
Das Verfahren kann hierbei so gestaltet sein, dass eine Unterbrechung der Aussendung von Nutzdaten und eine Nachjustierung der Ausrichtung des Senders zeitperiodisch erfolgt. Vorzugsweise ist es aber vorgesehen, eine automatisierte Nachjustierung der Ausrichtung des optischen Senders dann vorzunehmen, wenn an dem optischen Sender und/oder an dem optischen Empfänger mittels dafür vorgesehener Bewegungssensoren eine Lageänderung detektiert oder an dem optischen Empfänger eine Verringerung der Signalstärke des Signals mit den Nutzdaten festgestellt wird.
Im Hinblick darauf, dass es gemäß Schritt c) der vorstehenden grundsätzlichen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, dass an dem optischen Empfänger bei jedem Eingang eines Prüfsignals dessen Signalstärke bestimmt wird, ist das Verfahren vorzugsweise so ausgebildet, dass dem eigentlichen Justiervorgang eine Grobjustierung vorausgeht. Hierdurch wird sichergestellt, dass Sender und Empfänger zu Beginn des Justiervorgangs zumindest so zueinander ausgerichtet sind, dass überhaupt ein optisches Signal des Senders bei dem optischen Empfänger eingeht. Die Grobjustierung kann hierbei beispielsweise auf der Grundlage von GPS-Daten zur augenblicklichen Position des optischen Senders und/oder Empfängers (und/oder = im Hinblick darauf, dass gegebenenfalls eine dieser beiden Komponenten fest angeordnet sein kann) erfolgen. Innerhalb von Gebäuden mit einem WLAN kann die Positionsbestimmung zur Grobjustierung gegebenenfalls aber auch WLAN-basiert erfolgen. Im Hinblick auf eine WLAN-basierte Positionsbestimmung kommt ferner auch der Einsatz von WLAN-Beacons in Betracht.
In den meisten Fällen erfolgt die Übertragung von Nutzdaten bidirektional. Bezogen auf die dargestellte Lösung heißt dies, dass in einem solchen Falle sowohl der genannte optische Sender als auch der optische Empfänger jeweils Teil einer Kombination aus Sender und Empfänger sind. Im Rahmen einer solchen Konfiguration kann dabei die gemäß Schritt d) des grundsätzlichen Verfahrensablaufs vorgesehene Übertragung der Ausrichtungsdaten, für welche die höchste Signalstärke des bei dem optischen Empfänger eingehenden Prüfsignals festgestellt wurde, von dem optischen Empfänger zum optischen Sender grundsätzlich über den auch für die Übertragung der Nutzdaten vorgesehenen optischen Kanal erfolgen. Bei dem in Zusammenhang damit angesprochenen Steuerdatensender handelt es sich in diesem Falle um einen Teil der Kombination aus optischem Empfänger und optischem Sender für die bidirektionale Übertragung von Nutzdaten. Entsprechend dient für den Empfang der durch den Steuerdatensender des optischen Empfängers ausgesendeten Ausrichtungsdaten, also der Steuerdaten zur Ausrichtung des optischen Senders in dem zuvor beschriebenen Fall, ein mit dem optischen Sender kombinierter optischer Empfänger.
Aber unabhängig davon, ob die erfindungsgemäße Lösung im Zusammenhang mit einer bidirektionalen oder einer unidirektionalen Übertragung von Nutzdaten zum Einsatz kommt, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass für die Übertragung der zur Ausrichtung des optischen Empfängers dienenden Steuerdaten ein gegenüber dem Übertragungskanal für die Nutzdaten unabhängiger beziehungsweise separater Steuerdatenkanal verwendet wird. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die schon angesprochene Grobausrichtung des optischen Senders beziehungswese zwischen optischem Sender und optischem Empfänger in einer Initialisierungsphase vorteilhaft, da es hierbei sein kann, dass der optische Empfänger aufgrund einer noch gar nicht gegebenen oder völlig falschen Ausrichtung zunächst noch keine optischen Signale von dem optischen Sender empfängt, so dass ein Nutzdatenkanal beziehungsweise ein optischer Kanal zwischen optischem Sender und optischen Empfänger vor deren Grobausrichtung noch nicht besteht. Besonderes bevorzugt für den separaten Steuerdatenkanal ist die Verwendung eines Funkkanals.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch weitergebildet sein, dass im Anschluss an die Ausrichtung des optischen Senders analog zu dem beschriebenen Justiervorgang eine Ausrichtung des optischen Empfängers erfolgt. Hierdurch ist unter Umständen eine noch exaktere Ausrichtung zwischen optischem Sender und optischem Empfänger erreichbar. In diesem Falle würde das Prüfsignal nach der Ausrichtung des optischen Senders weiterhin wiederholt ausgesendet und hierbei der optische Empfänger analog zur Justierung des optischen Senders in unterschiedliche horizontale und/oder vertikale Ausrichtungszustände gebracht werden. Für diese unterschiedlichen Ausrichtungszustände des optischen Empfängers würde wieder jeweils die Signalstärke des von diesem empfangenen Prüfsignals bestimmt und der optische Empfänger nach Durchlaufen aller Ausrichtungszustände entsprechend den Koordinaten eingestellt werden, bei welchen die höchste Signalstärke ermittelt wurde. Eine Übertragung entsprechender Steuerdaten zum optischen Sender und dem ihm zugeordneten Steuerdatenempfänger ist hierbei selbstverständlich nicht erforderlich, da ja der optische Empfänger selbst eingestellt wird.
Das zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagene System, welches zur Durchführung einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, besteht zunächst grundsätzlich aus einem Sendemodul mit einem optischen Sender und aus einem Empfangsmodul mit einem optischen Empfänger, zwischen welchen Nutzdaten mittels eines mit diesen modulierten optischen Trägersignals leitungslos ausgetauscht werden. Der optische Sender und der optische Empfänger stehen hierbei zueinander in Sichtverbindung. Bei ihnen handelt es sich beispielsweise um eine LED (optischer Sender) und um eine Fotodiode (optischer Empfänger) mit, wie bereits ausgeführt, gegebenenfalls zugehörigen passiven optischen Komponenten, wie Linsen, Spiegeln, Filtern und dergleichen.
Erfindungsgemäß ist zumindest das Sendemodul mit einer Stelleinrichtung zur horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung des optischen Senders, vorzugsweise mit wenigstens einem Schrittmotor, ausgestattet. Ferner sind sowohl das Sendemodul als auch das Empfangsmodul jeweils mit einer Steuer- und Verarbeitungseinheit mit zugehörigem Speicher ausgestattet. Erfindungsgemäß ist zudem in dem Sendemodul ein Steuerdatenempfänger in Form eines Funkmoduls vorgesehen und das Empfangsmodul ist mit einem Steuerdatensender, nämlich einem Funksender, ausgestattet. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Sendemoduls ist in einer Wirkverbindung mit der Stelleinrichtung des optischen Senders und mit dem Funkempfänger für den Empfang der Steuerdaten. Sie dient insbesondere zur Veränderung der Ausrichtung des optischen Senders bei der wiederholten Aussendung des optischen Prüfsignals und der Ausrichtung des optischen Senders auf der Grundlage der an dem zugehörigen Funkempfänger eingehenden Ausrichtungsdaten beziehungsweise Steuerdaten.
Durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls erfolgt die Auswertung der jeweils für das bei dem optischen Empfänger eingehende Prüfsignal ermittelten Signalstärke und deren Speicherung zusammen mit den mit dem Prüfsignal übermittelten Ausrichtungsdaten des optischen Senders in der Weise, dass zum Ende des Konfigurationsvorgangs die Ausrichtungsdaten in dem der Steuer- und Verarbeitungseinheit zugeordneten Speicher abgelegt sind, bei deren Einstellung am optischen Sender die höchste Signalstärke für das an dem optischen Empfänger eingehende Prüfsignal ermittelt wurde. Veranlasst durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls werden diese Daten schließlich als Steuerdaten durch den zugehörigen Funksender an den Steuerdatenempfänger (Funkempfänger) des Sendemoduls übertragen.
Entsprechend den für das Verfahren angegebenen Weiterbildungen der Erfindung können das Sendemodul beziehungsweise dessen optischer Sender und/oder das Empfangsmodul beziehungsweise dessen optischer Empfänger zusätzlich mit Bewegungssensoren und mit einem GPS-Empfänger ausgestattet sein. Ferner kann es vorgesehen sein, dass auch der optische Empfänger mit Stellmitteln (einer Stelleinrichtung) ausgestattet ist, mit Hilfe welcher er, gesteuert durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls, zur Erreichung eines möglichst guten Signal-Rausch-Verhältnisses justiert wird.
Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele für die Erfindung gegeben und diese sowie Einzelheiten der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
1: eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems,
2: einen groben Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle einer Umsetzung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1,
3: einen grundsätzlichen Ablauf der optischen Datenübertragung unter Einbeziehung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4: eine weitere mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems.
Die 1 zeigt eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems in der Art eines stark vereinfachten Blockschaltbildes. Demgemäß sind Grundbestandteile des Systems ein Sendemodul 1 und ein Empfangsmodul 2, welche jeweils als Bestandteil eines Telekommunikationsgerätes ausgebildet oder zur Verbindung mit einem solchen Telekommunikationsgerät vorgesehen sind. Die entsprechenden Telekommunikationsgeräte selbst sollen jedoch an dieser Stelle nicht näher betrachtet werden und sind daher weder in der 1 noch in der 4 gezeigt. Sie sind insoweit auch nicht Bestandteil der Erfindung, als diese sich in ihrem Kern darauf bezieht, den optischen Sender 3 und den optischen Empfänger 4 als Bestandteile einer optischen Übertragungsstrecke, über welche die Telekommunikationsgeräte miteinander kommunizieren, so zueinander auszurichten, dass ein zuverlässiger Empfang der mit hoher Datenübertragungsrate zwischen dem optischen Sender 3 und dem optischen Empfänger 4 übertragenen Nutzdaten gewährleistet ist.
Die Kommunikation, das heißt der Austausch von Nutzdaten zwischen den nicht näher betrachteten Telekommunikationsgeräten, erfolgt unter Nutzung eines optischen Trägersignals, welches mit den Nutzdaten moduliert ist. Vereinfachend wurde in diesem Zusammenhang in der Zeichnung auf die Darstellung einer Modulationseinheit zur Aufprägung der Nutzdaten auf das optische Trägersignal und einer Demodulationseinheit zur Trennung der eigentlichen Nutzdaten vom Trägersignal verzichtet. Diese Einheiten sind jedoch selbstverständlich auch in den Patentansprüchen als Bestandteile des optischen Senders 3 und des optischen Empfängers 4 (beziehungsweise diesen zugeordnet) mitzulesen. Die Darstellung bezieht sich zudem auf die Betrachtung lediglich einer Übertragungsrichtung, ungeachtet dessen, dass Daten in der Praxis häufig beziehungsweise zumeist bidirektional ausgetauscht werden. Vor dem Hintergrund dieser Sichtweise wird demgemäß zwischen dem schon angesprochenen Sendemodul 1 und dem Empfangsmodul 2 unterschieden.
Bestandteil des Sendemoduls 1 ist ein optischer Sender 3 zur Aussendung eines mit Nutzdaten modulierten optischen Trägersignals. Zum Empfang des mit den Nutzdaten modulierten optischen Trägersignals ist korrespondierend in dem Empfangsmodul 2 ein optischer Empfänger 4 vorgesehen. Beide Module, also sowohl das Sendemodul 1 als auch das Empfangsmodul 2, verfügen jeweils über eine aus Vereinfachungsgründen ebenfalls nicht gezeigte Steuer- und Verarbeitungseinheit. In dem Sendemodul 1 wird durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit eine mit ihr in einer Wirkverbindung stehende Stelleinrichtung 6 gesteuert, mittels welcher der optische Sender 3 jeweils innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs α, β in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung ausgerichtet wird.
In dem schon beschriebenen Justiervorgang, welcher in einer Initialisierungsphase des Systems und vorzugsweise wiederholt zur Nachjustierung unter vorübergehender Unterbrechung der Übertragung der Nutzdaten durchlaufen wird, wird der optische Sender 3 des Sendemoduls 1 mittels der durch dessen Steuerund Verarbeitungseinheit angesteuerten Stelleinrichtung 6 schrittweise, das heißt jeweils mit einem festgelegten Schrittwinkel, in der horizontalen und/oder vertikalen Richtung in seiner Ausrichtung verändert. Nach jeder Änderung der Ausrichtung wird, ebenfalls veranlasst durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Sendemoduls 1, durch den optischen Sender 3 ein Prüfsignal ausgesendet. Zusammen mit diesem Prüfsignal werden jeweils Ausrichtungsdaten, nämlich Daten zu der jeweiligen augenblicklichen horizontalen oder vertikalen Ausrichtung des optischen Senders 3 (wenn eine Justierung des optischen Senders 3 nur in Bezug auf eine der beiden Orientierungsrichtungen horizontal oder vertikal erfolgt) oder Daten zu der jeweiligen augenblicklichen horizontalen und vertikalen Ausrichtung des optischen Senders 3 (wenn der optische Sender hinsichtlich seiner horizontalen und vertikalen Ausrichtung justiert wird), ausgesendet.
Seitens des Empfangsmoduls 2 wird jeweils die Signalstärke des durch dessen optischen Empfänger 4 empfangenen Prüfsignals bestimmt. Durch die (nicht gezeigte) Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls 2 werden schließlich die maximale Signalstärke des empfangenen Prüfsignals und die in diesem Moment mit dem Prüfsignal zusammen ausgesendeten Ausrichtungsdaten betreffend den optischen Sender 3 des Sendemoduls 1 (als mit der Signalstärke assoziierte Daten) in einem (ebenfalls nicht gezeigten) Speicher abgelegt. Diese Daten werden, nachdem alle vorgesehenen Ausrichtungszustände unter jeweiliger Aussendung des Prüfsignals durch den optischen Sender 3 des Sendemoduls 1 durchlaufen wurden, durch das Empfangsmodul 2 an das Sendemodul 1 übertragen. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Sendemoduls 1 richtet schließlich den optischen Sender 3 entsprechend diesen, mit der maximalen an dem optischen Empfänger 4 des Empfangsmoduls 2 aufgetretenen Signalstärke des Prüfsignals korrespondierenden Ausrichtungsdaten bezüglich seiner horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung aus.
Zum Zweck der jeweils am Ende eines Justiervorgangs erfolgenden Übertragung der Ausrichtungsdaten, also der zur Ausrichtung des optischen Senders 3 in dem Sendemodul 1 dienenden Steuerdaten, ist zwischen dem Empfangsmodul 2 und dem Sendemodul 1 ein gegenüber dem der Übertragung der Nutzdaten dienenden optischen Übertragungskanal 8 separater Übertragungskanal 9 ausgebildet. Bei diesem handelt es sich in dem gezeigten Beispiel um einen Funkkanal. Das Empfangsmodul 2 ist daher mit einem Steuerdatensender 7, nämlich einem Funksender, ausgestattet, wohingegen das Sendemodul 1 einen Steuerdatenempfänger 5, nämlich einen Funkempfänger, aufweist.
Die 2 zeigt einen groben Ablaufplan für den gegebenenfalls wiederholt, nämlich beispielsweise in einer Initialisierungsphase und nachfolgend bei Unterbrechung der Übertragung der Nutzdaten, ausgeführten Justiervorgang. Welche (in der Darstellung genannten) möglichen Ausrichtungszustände bei einem Justiervorgang durchlaufen werden, hängt davon ab, ob der optische Sender 3 in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzfalls in einem solchen Justiervorgang nur horizontal oder nur vertikal oder aber horizontal und vertikal ausgerichtet wird. Die Zahl dieser Ausrichtungszustände wird zudem durch den für die Ausrichtung in horizontaler Richtung und/oder in vertikaler Richtung jeweils festgelegten Winkelbereich α, β sowie durch den zwischen den Ausrichtungszuständen innerhalb des horizontalen Winkelbereichs α festgelegten Schrittwinkel und/oder durch den zwischen den Ausrichtungszuständen innerhalb des vertikalen Winkelbereichs β festgelegten Schrittwinkel bestimmt. Der oder die Winkelbereiche α, β, innerhalb welches oder welcher die Ausrichtung erfolgt sowie die Schrittwinkel können dabei beispielsweise als Konfigurationsdaten in einem zu der nicht gezeigten Steuer- und Verarbeitungseinheit des Sendemoduls 1 gehörenden Speicher abgelegt sein und sind abhängig vom jeweiligen Einsatzfall.
In der 3 ist dargestellt, wie sich der Justiervorgang beziehungsweise dessen wiederholte Ausführung in den Gesamtablauf der zwischen dem Sendemodul 1 und dem Empfangsmodul 2 erfolgenden optischen Datenübertragung – aufgetragen über einer Zeitachse – einfügt. Wie schon erläutert, erfolgt demnach, gemäß dem oberen Teil der Darstellung der 3, eine Justierung des optischen Senders 3 hinsichtlich seiner Ausrichtung zunächst im Zusammenhang mit der Initialisierung des Systems. Später, während des Betriebs des Systems, wird, wie durch das Zeitdiagramm im unteren Teil der 3 dargestellt, wiederholt die Übertragung von Nutzdaten unterbrochen und der optische Sender 3 des Sendemoduls 1 erforderlichenfalls im Ergebnis eines der Nachjustierung dienenden Justiervorgangs neu ausgerichtet. Eine solche Neuausrichtung kann beispielsweise dadurch veranlasst sein, dass im Zuge einer auch bei der Übertragung von Nutzdaten wiederholt erfolgenden Bestimmung der Signalstärke an dem optischen Empfänger 4 des Empfangsmoduls 2 eintreffender Signale einer Verringerung der Signalstärke oder durch in den 1 und 4 nicht gezeigte Bewegungssensoren eine Lageänderung des Sendemoduls 1 und/oder des Empfangsmoduls 2 festgestellt wird. Ob im Falle einer vorgesehenen Neuausrichtung des optischen Senders (3) aufgrund mittels Bewegungssensoren festgestellter Lageänderung das Sendemodul 1 oder das Empfangsmodul 2 oder beide Module mit entsprechenden Bewegungssensoren ausgestattet ist/sind, hängt davon ab, bei welchem Modul im Hinblick auf den Anwendungsfall und die daraus resultierende Konfiguration des Systems eine Bewegung überhaupt möglich beziehungsweise zu erwarten ist.
Die 4 zeigt eine weitere mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Systems. Diese unterscheidet sich von der ersten, in der 1 gezeigten Ausbildungsform dadurch, dass hier auch in dem Empfangsmodul 2 eine Stelleinrichtung 10 vorgesehen ist, mittels welcher, gesteuert durch die (nicht gezeigte) Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls 2, die horizontale und/oder vertikale Ausrichtung seines optischen Empfängers 4 verändert werden kann. Im Falle einer Verwendung des Systems in dieser Ausbildungsform schließt sich an den Justiervorgang des optischen Senders 3 des Sendemoduls 1 ein Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Empfängers 4 des Empfangsmoduls 2 an, so dass im Ergebnis eine noch exaktere Ausrichtung von Sendemodul 1 und Empfangsmodul 2 zueinander erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Sendemodul
2: Empfangsmodul
3: optischer Sender
4: optischer Empfänger
5: Steuerdatenempfänger
6: Stelleinrichtung (für optischen Sender)
7: Steuerdatensender
8: Übertragungskanal Nutzdaten
9: Übertragungskanal Steuerdaten
10: Stelleinrichtung (für optischen Empfänger)

Claims

Verfahren zur optischen Datenübertragung, gemäß welchem Nutzdaten mittels eines optischen Trägersignals leitungslos zwischen einem optischen Sender (3) und einem optischen Empfänger (4) übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender (3) und der optische Empfänger (4) in einem automatisierten Ablauf horizontal und/oder vertikal zueinander ausgerichtet werden, indem in einem Justiervorgang a.) von dem optischen Sender (3) wiederholt ein optisches Prüfsignal an den optischen Empfänger (4) ausgesendet und vor jeder erneuten Aussendung des Prüfsignals mittels einer Stelleinrichtung (6) des optischen Senders (3) die horizontale oder die vertikale Ausrichtung des optischen Senders (3) innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs α, β um einen vorgegebenen Schrittwinkel verändert wird, b.) mit dem Prüfsignal jeweils Ausrichtungsdaten, nämlich Daten zur jeweiligen augenblicklichen horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung des optischen Senders (3), ausgesendet werden, c.) an dem optischen Empfänger (4) bei jedem Eingang eines Prüfsignals dessen Signalstärke bestimmt wird und die mit maximaler Signalstärke empfangenen Ausrichtungsdaten gespeichert werden, d.) nachdem das Prüfsignal bei jeder gemäß a) möglichen Ausrichtung des optischen Senders (3) ausgesendet wurde, die mit maximaler Signalstärke empfangenen Ausrichtungsdaten als Steuerdaten von einem dem optischen Empfänger (4) zugeordneten Steuerdatensender (7) an einen dem optischen Sender (3) zugeordneten Steuerdatenempfänger (5) übertragen werden, e.) der optische Sender (3) gemäß den von dem ihm zugeordneten Steuerdatenempfänger (5) empfangenen Ausrichtungsdaten mittels der Stelleinrichtung (6) horizontal und/oder vertikal ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Senders (3) in einer der Übertragung von Nutzdaten vorausgehenden Initialisierungsphase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Senders (3) wiederholt ausgeführt wird, wobei die Aussendung von Nutzdaten durch den optischen Sender (3) während des Justiervorgangs kurzzeitig unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Übertragung von Nutzdaten eine wiederholte Bestimmung der Signalstärke der an dem optischen Empfänger (4) eingehenden optischen Signale erfolgt und die Aussendung von Nutzdaten zum Zweck einer Nachjustierung der Ausrichtung des optischen Senders (3) vorübergehend unterbrochen wird, sofern die Signalstärke der optischen Signale sich um einen vorgegebenen Betrag verringert oder unter einen vorgegebenen Wert fällt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterbrechung der Aussendung von Nutzdaten und eine Nachjustierung der Ausrichtung des optischen Senders (3) erfolgt, sofern an dem optischen Sender (3) und/oder an dem optischen Empfänger (4) mittels dafür vorgesehener Bewegungssensoren eine Lageänderung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Initialisierungsphase zunächst eine Grobausrichtung des optischen Senders (3) durch Auswertung GPS- oder WLAN-basierter Daten zur Lokalisation des optischen Empfängers (4) und/oder des optischen Senders (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Ende des Justiervorgangs als Steuerdaten zur Ausrichtung des optischen Senders (3) zu übertragenden Ausrichtungsdaten über einen bezüglich des zur Übertragung der Nutzdaten und des Prüfsignals verwendeten optischen Übertragungskanals (8) separaten Übertragungskanal (9) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdaten zur Ausrichtung des optischen Senders (3) über einen separaten Funkkanal übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Senders (3) ein Justiervorgang zur Ausrichtung des optischen Empfängers (4) anschließt, indem a.) durch den optischen Sender (3) weiterhin wiederholt ein Prüfsignal ausgesendet wird, b.) nach jedem Eingang eines Prüfsignals bei dem optischen Empfänger (4) mittels einer Stelleinrichtung (10) des optischen Empfängers (4) die horizontale oder die vertikale Ausrichtung des optischen Empfängers (4) innerhalb eines festgelegten Winkelbereichs um einen vorgegebenen Schrittwinkel verändert wird, c.) an dem optischen Empfänger (4) bei jedem Eingang eines Prüfsignals dessen Signalstärke bestimmt wird und Daten zu derjenigen Ausrichtung des Empfängers (4) gespeichert werden, bei welcher die höchste Signalstärke für das empfangene Prüfsignal festgestellt wird, d.) nachdem das Prüfsignal durch den optischen Empfänger (4) bei jeder gemäß a) möglichen Ausrichtung des optischen Empfängers (4) empfangen wurde, der optische Empfänger (4) gemäß den nach c) für seine Ausrichtung bei der höchsten Signalstärke des empfangenen Prüfsignals gespeicherten Daten ausgerichtet wird.
System zur leitungslosen optischen Datenübertragung, bestehend aus einem Sendemodul (1) mit einem optischen Sender (3) zur Aussendung eines mit Nutzdaten modulierten optischen Trägersignals und aus einem Empfangsmodul (2) mit einem optischen Empfänger (4) zum Empfang des durch den optischen Sender (3) ausgesendeten, mit den Nutzdaten modulierten optischen Trägersignals, wobei das Sendemodul (1) eine durch eine Steuer- und Verarbeitungseinheit des Sendemoduls (1) gesteuerte Stelleinrichtung (6) zur horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung des optischen Senders (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmodul (2) Mittel zur Bestimmung der Signalstärke von dem optischen Sender (3) des Sendemoduls (1) ausgesendeter, an dem optischen Empfänger (4) eingehender optischer Signale und eine Steuer- und Verarbeitungseinheit mit einem Speicher zur Speicherung einer maximal festgestellten Signalstärke und mit dieser maximalen Signalstärke assoziierter weiterer Daten aufweist und dass das Empfangsmodul (2) über einen als Funksender ausgebildeten Steuerdatensender (7) zur Übertragung von Steuerdaten an das Sendemodul (1) sowie das Sendemodul über einen als Funkempfänger ausgebildeten Steuerdatenempfänger (5) zum Empfang durch das Empfangsmodul (2) ausgesendeter Steuerdaten verfügen.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendemodul (1) und/oder das Empfangsmodul (2) mit Bewegungssensoren ausgestattet ist oder sind, welche mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit des jeweiligen Moduls in einer Wirkverbindung stehen.
System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendemodul (1) und/oder das Empfangsmodul (2) mit einem GPS-Empfänger ausgestattet ist oder sind, welcher mit der Steuer- und Verarbeitungseinheit des jeweiligen Moduls in einer Wirkverbindung steht.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Empfangsmodul (2) eine Stelleinrichtung (10), nämlich eine durch die Steuer- und Verarbeitungseinheit des Empfangsmoduls (2) gesteuerte Stelleinrichtung (10) zur horizontalen und/oder vertikalen Ausrichtung des optischen Empfängers (4) des Empfangsmoduls (2) aufweist.