JP2004221747A - Illuminating light communication system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光を用いて通信を行う照明光通信技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光源に発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)やレーザダイオード(LD:Laser Diode)などの発光素子を用いた照明は,白熱電球や蛍光灯などの従来の照明光源と比較し、長寿命、小型、低消費電力といった優れた特徴があり、照明光源として実用化が期待されている。現在、足元を照らす照明灯などの小さな光源はLEDに代わり始めており、今後、LEDの更なる高効率化、低価格化により、省エネルギーで環境にやさしい照明用光源として実用化が期待されている。
【0003】
また,LEDやLDなどの発光素子は余熱時間が不要なため、応答速度が非常に速いといった特性を持つ。この速い応答速度、及び電気的に制御できることに着目し、LEDやLDなどを用いた照明光に信号を重畳し、信号伝送機能を持たせる研究が現在行われている。例えば非特許文献1などに記載されているところである。
【0004】
このLED等の照明による通信(以下、照明光通信と呼ぶ)は、通信媒体として可視光(照明光)を用いるものである。この照明光通信では、光を通信のためのみに用いるのではなく、逆に通常は照明用として用いられている光を信号伝送用として用いるものである。より具体的には、送信側では照明に用いているLEDを送信信号に応じて駆動し、光の強度を変化させ、あるいは点滅させる。受信側では、照明光を受光してその光の強弱により信号を判別する。これによって信号伝送を実現するものである。上述のようにLED等は高速な応答特性を有しているため、高速に光量を変化させあるいは点滅させても、人間がこれを感知することはない。従って、人間にとっては照明として機能し、さらに信号伝送機能も実現できるものである。
【0005】
また、電波を利用した無線通信技術、あるいは赤外線を用いた光無線通信技術と比較して、非常に大きな電力を通信に用いることができるため、特性の優れた、広帯域な信号伝送が可能になる。さらに照明は、例えば屋内であれば、部屋全体を明るくし、影を生じることの無いように多数設置されている場合が多く、部屋の中で移動するような受信者も信号が途切れることなく受信できるなどの特徴を持つ。
【0006】
こうした大電力でありかつ多数の光源の配置は、例えば無線データ伝送などでは許されない場合が多い。また、電波を利用しにくい環境、例えば、病院や列車内、航空機、宇宙船、ペースメーカーの利用者が居る環境などでも利用可能であり、免許なども不要である。
【0007】
このように照明光通信は、照明装置から移動端末への信号伝送(以下、ダウンリンクと呼ぶ)において、膨大な電力を通信に利用できるため、優れた特性を持っている。しかし、従来の照明光通信はダウンリンクの一方向のみであり、移動端末から照明装置への信号伝送(以下、アップリンクと呼ぶ)については検討されていない。上述の非特許文献1でも、ダウンリンクについては考えられているものの、アップリンクについては考えられていなかった。放送を除く一般的な通信を行なう場合、ACKやNACKなどのハンドシェイクを行うための制御信号のやりとりをはじめとする種々のデータのやりとりを通信機器間で行う必要がある。そのために、アップリンクは非常に重要である。
【0008】
【非特許文献1】
小峯 敏彦,田中 裕一,中川 正雄,「白色LED照明信号伝送と電力線信号伝送の融合システム」,電子情報通信学会技術研究報告,社団法人電子情報通信学会,2002年3月12日,Vol.101,No.726,pp.99−104
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、照明光を利用した通信において、照明光を用いてダウンリンクを行うとともに、アップリンクについても光(赤外光などを含む)によって通信を行い、光による双方向通信を実現した照明光通信装置を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダウンリンクの送信側であり、またアップリンクの受信側となる照明光通信装置において、発光して照明を行う照明手段と、データに応じて前記照明手段の明滅あるいは光量を制御して照明光を変調する変調手段と、外部から送られてくる変調光を受光する受光手段を有し、前記照明手段が発する照明光によってデータを送信し、前記受光手段によりデータを受信することを特徴とするものである。このような構成によって、照明光を用いたダウンリンクとともに、受光手段によってアップリンクも光によって行うことができ、光による双方向通信を実現することができる。
【0011】
なお、照明手段としては1ないし複数のLEDにより構成することができ、LEDの特性を活かした照明光によるダウンリンクを行うことができる。また、受光手段は変調光として赤外光あるいは可視光を受光することができる。さらに、受光手段として2次元センサで構成することができる。これによって、変調光を受光している部分とその他の部分の信号を利用することで外乱光などのノイズ成分を効率よく除去することができる。また、レンズなどの光学系を用いることによって、複数の位置からの変調光を分離して受光し、複数の発光源からのアップリンクを受信することができる。
【0012】
また本発明は、ダウンリンクの受信側であり、またアップリンクの送信側となる照明光通信装置において、データにより変調された照明光を受光して前記データを取得する受光手段と、送信すべきデータに従って変調された光を発光する発光手段を有することを特徴とするものである。このような構成によって、照明光によるダウンリンクを受光手段で受け、発光手段によって光によるアップリンクを実現することができる。これによって、光による双方向通信を実現することができる。例えば移動端末などにおいても双方向の通信が可能である。
【0013】
発光手段が発する光は、赤外光や可視光とすることができる。また発光手段は、発光光を外部の受光手段に向けるトラッキング手段を有する構成とすることによって、より確実なアップリンクを実現することができる。
【0014】
さらに本発明は、ダウンリンクの受信側であり、またアップリンクの送信側となる別の照明光通信装置であって、データにより変調された照明光を受光して前記データを取得する受光手段と、前記照明光を反射するとともに送信すべきデータに従って変調された反射光を送出する反射変調手段を有することを特徴とするものである。このような構成でも、照明光によるダウンリンクを行うとともに、その照明光の反射光を用いてアップリンクを行い、双方向とも光による通信を実現することができる。さらに、上述のように照明光は非常に大電力であり、これをアップリンクに用いることによって、通信をより確実に行うことができる。また、新たな発光手段などが不要であるため、消費電力を変調に要する電力程度に抑えることができ、省電力化にも大きく寄与することができる。
【0015】
このような反射変調手段としては、1ないし複数のコーナーキューブリフレクタ(以下、CCRと略す)を含んだ構成とすることができる。CCRは、光の入射方向に光を反射する性質を有しており、ダウンリンクに用いる照明光の光源に向けて反射光を送出することができる。この反射光を利用してアップリンクを実現する。このような構成では、アップリンクに用いる光を受光手段に向けるためのトラッキング機構は不要である。また、複数の光源から入射する光をそれぞれの光源に向けて反射できるため、複数の光源からの照明光によりダウンリンクを受けている場合にはそれぞれの光源に対してアップリンクのための反射光を返すことができ、通信エラーなどを軽減して通信品質を向上させることができる。
【0016】
なお、変調を行うための手段としては、光シャッタを用いて反射光の透過及び遮断をデータにより制御し、変調を行うことができる。あるいはCCRの反射面を変化させ、CCRの反射特性を変化させることによって変調を行うことができる。
【0017】
また反射変調手段は、複数のCCRが配列されたコーナーキューブ変調アレイと、前記コーナーキューブ変調アレイに結像するように配置されたレンズと、前記コーナーキューブ変調アレイ中の1ないし複数のCCRごとに反射光の変調を制御する変調手段を有する構成とすることができる。上述のようにCCRは、光の入射方向に光を反射する性質を持っているので、照明光の光源が結像したCCRはその光源に向けて反射光を返す。複数の光源が存在すれば、それぞれの光源が結像したCCRが対応する光源に対して反射光を返すことになる。これを利用し、それぞれの光源に対応する1ないし複数のCCRごとに反射光の変調を行うことによって、並列伝送が可能となる。
【0018】
なおこの場合も、1ないし複数のCCRごとに反射光の変調を行う手段として、光シャッタを用いたり、あるいは、CCRの反射面を変化させることによって変調を行うように構成することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す概略構成図である。図中、1は照明側通信装置、2は端末側通信装置、11は変調部、12は照明用光源、13は受光部、14はフィルタ、21は受光部、22は発光部、23は処理部である。照明側通信装置1は、照明器具として周囲の照明に用いられるものであり、発光して照明を行う照明用光源12を有している。ここでは光源をLEDとするが、もちろんこれに限らず、LDやその他の応答速度が速い発光素子を用いてもよい。
【0020】
さらに照明側通信装置1には、照明光通信を行うための構成として変調部11及び受光部13を有している。変調部11は、ダウンリンクを実現するために設けられており、照明用光源12を駆動するための電力を、送信すべきデータに基づいて制御する。これによって、照明用光源12の光量あるいは点滅を制御し、データに基づいて変調された光を放出させる。この変調された照明光を後述する端末側通信装置2において受光することによって、照明側通信装置1から端末側通信装置2へのデータ伝送(ダウンリンク)を行うことができる。
【0021】
変調方式は、OOK(ON−OFF Keying)やBPSKなど、任意の変調方式を利用することができる。また、光量あるいは点滅を制御するLEDは、照明を行うために配置されている照明用光源12の全部でもよいし、あるいは一部のみを用いてもよい。なお、上述のようにLEDは高速な応答特性を有しているため、光量の変化や点滅は人間の目には感知されず、連続して発光しているように感じる。従ってデータ伝送を行ってもなお、照明用光源12は照明の役割を担うことができる。
【0022】
受光部13は、端末側通信装置2から発光される変調光(赤外線あるいは可視光、紫外光等)を受光するために設けられたものであり、例えばフォトダイオードなどの受光素子を含んで構成されている。また、端末側通信装置2から発光される変調光を選択的に受光するため、この例ではフィルタ14を設けている。例えば赤外線を受光する場合には、赤外線を透過させるフィルタ14を設ければよい。もちろんフィルタ14を設けずに構成することも可能である。受光した光を電気信号に変換し、端末側通信装置2からデータを復調して出力する。
【0023】
なお、照明光によって送信するデータは、外部から受け取ったデータあるいは照明側通信装置1内において保持あるいは生成したデータであってよい。また、受光部13によって受信したデータについても、外部に出力するほか、照明側通信装置1内で処理する構成であってもよい。
【0024】
端末側通信装置2は任意の端末装置でよく、照明光通信を行うための構成として受光部21、発光部22、及び端末装置における各種の処理を行う処理部23などを含んでいる。受光部21は、照明側通信装置1から放出される変調された発光光を受光し、復調して処理部23に伝える。これによって照明側通信装置1から照明光により送られてきたデータを受信することができ、ダウンリンクが可能となる。
【0025】
発光部22は、例えばLEDやLDなどの光源及び光源を駆動制御する制御回路などを含んでおり、処理部23からの送信すべきデータを受け取り、データに基づいて光源の光量あるいは点滅を制御して変調された光を放出する。変調方式は任意である。また発光光は赤外線あるいは可視光、紫外光等を利用することができる。この変調光が上述の照明側通信装置1の受光部13によって受光されることによってアップリンクが実現する。
【0026】
以上のように、照明側通信装置1においては、照明用光源12により周囲を照明するとともに、その照明光をデータに基づいて変調することによって、照明光によりデータを送信する。この照明光を端末側通信装置2の受光部21により受光することによって、照明側通信装置1から送信されたデータを受信することができる。このようにしてダウンリンクが行われる。また、端末側通信装置2では、データに基づいて発光部22から変調光を発光し、データを送信する。この変調光を照明側通信装置1の受光部13が受光することによって、端末側通信装置2から送信されたデータが照明側通信装置1において受信されることになる。このようにしてアップリンクが行われる。このように、ダウンリンク、アップリンクとも光によって通信を行うことができ、光による双方向通信を実現することができる。
【0027】
例えば端末側通信装置2は移動可能な端末装置、例えばノートパソコンやPDA、携帯電話など、携帯可能な端末装置であってよく、ケーブルなどを接続する必要がない。特にカメラ付きのPDAや携帯電話などでは、そのカメラを受光部21として利用することが可能である。また、電波による通信が制限される利用環境、例えば、病院や列車内、航空機、宇宙船、ペースメーカーの利用者が居る環境などでも利用可能であり、免許なども不要である。もちろん、一般のオフィスや店舗、家庭、公共施設など、様々な環境での利用が可能である。また、屋内に限らず、例えばネオンサインや広告照明に用いたり、交通システムにおいて車と車との間の通信や路上の施設と車との間の通信に用いるなど、様々な用途での利用も可能である。
【0028】
さらに、光の波長は短いため、電波以上の非常に高速な通信を行うことができる。さらにまた、一般に照明器具は広く設置されており、また端末装置を利用する環境においては当然のように照明されている。この照明器具を利用して照明側通信装置1を設置し、通信を行うことができるため、設置コストも非常に低減することが可能である。
【0029】
なお、オフィスなどのように複数の照明器具が配置されているような環境では、それぞれの照明器具を照明側通信装置1とし、複数の照明側通信装置1を配置することが可能である。この場合、1台の端末側通信装置2からの発光光を複数の照明側通信装置1において受光することが可能である。このように複数の照明側通信装置1において受光することによって、通信品質を向上させることができる。また、例えば人が通るなどによってシャドウイングが発生し、1台の照明側通信装置1で受光できなくなった場合でも、他の照明側通信装置1において受光することによってシャドウイングの問題も解決することができる。
【0030】
次に、この第1の実施の形態におけるいくつかの主な変形例について説明する。図2は、照明側通信装置1の受光部13における変形例の説明図である。図中、31は2次元センサ、32はレンズである。照明側通信装置1の受光部13として、2次元センサ31を用い、レンズ32によって受光面に略結像させるように構成することができる。このような構成では、例えば端末側通信装置2からの発光光は2次元センサ31の受光面において結像され、2次元センサ31に設けられている多数の受光セルのうちの一部の受光セルによって端末側通信装置2からの発光光を受光することになる。このとき、他の受光セルは環境光を受光しているので、これを用いることによってバックグラウンドノイズなどを除去することができ、高品質の通信が可能となる。
【0031】
また、例えば受光エリア内に複数の端末側通信装置2、2’が存在している場合、図2に示すように2次元センサ31においては、それぞれの端末側通信装置2、2’からの発光光は異なる位置に結像する。そのため、それぞれの端末側通信装置2、2’からのデータを並列的に受信することが可能となる。もちろん、3台以上の端末側通信装置が存在する場合についても同様である。
【0032】
さらに、複数台の照明側通信装置1が設置されている環境では、それぞれの照明側通信装置1に設けられた2次元センサ31によってそれぞれの端末側通信装置2,2’からの発光光を受光することができる。この場合、2次元センサ31上の受光位置と照明側通信装置1の設置位置などから、それぞれの2次元センサ31における受光点の同定を行って通信品質を向上させることが可能である。
【0033】
図3は、端末側通信装置2の発光部22における変形例の説明図である。図中、41はトラッキング部、42はLED光源、43は鏡面、44はレンズである。図1に示した基本構成において、端末側通信装置2の発光部22の光源としてLED光源42を用いた場合、発光光は発散してしまい、照明側通信装置1において受光できる光量は少なくなってしまう。図3に示す例では、このような発光光の発散を防止し、光ビームを絞るため、鏡面43及びレンズ44を設けた例を示している。このような光学系を設けることによって、LED光源42の発光光を効率よく照明側通信装置1に向けることができ、良好な通信が可能となる。もちろん、指向性の鋭いLDなどを光源として用いる場合には、鏡面43やレンズ44などは不要である。
【0034】
また、このように光ビームを絞ったり、あるいは光源としてLDを用いた場合、発光光が正確に照明側通信装置1の受光部13に照射されないと通信品質が低下し、あるいは通信できないといった事態が発生する。そのため図3に示す例では、光ビームを照明側通信装置1の受光部13に向けるためのトラッキング部41を設けている。トラッキング部41は、手動で光ビームの方向を変更可能な可動機構を設けた構成のほか、照明光などを利用して自動的にあるいは端末装置本体からの制御によって動作する構成としたり、ダウンリンクを利用して照明側通信装置1から制御する構成など、種々の構成とすることができる。
【0035】
以上、照明側通信装置1の受光部13における変形例と端末側通信装置2の発光部22における変形例について1つずつ説明した。本発明はこれらの例に限られるものではない。例えば図2に示した構成は、端末側通信装置2の受光部についても適用することができる。これによって、複数の照明側通信装置から異なるデータを照明光により並列的に送信し、これらを端末側通信装置2において分離して受信することができる。
【0036】
また、照明側通信装置1から送信するデータ及び受信したデータは、専用のデータ線を使用して伝送するほか、照明のための電力を供給する電力線を利用し、電力波形にデータを重畳させて伝送することも可能である。もちろん、これらのほか、種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【0037】
図4は、本発明の第2の実施の形態を示す概略構成図である。図中、図1と同様の部分には同じ符号を付して重複する説明を省略する。24は反射変調部である。上述の第1の実施の形態では、アップリンクのために端末側通信装置2に発光部22を設け、端末側通信装置2において発光する例を示した。これに対し、この第2の実施の形態では、ダウンリンクで用いている照明光をそのまま用い、反射光をアップリンクで用いる構成を示している。上述のように照明光は非常に大電力であり、これをアップリンクに用いることによって、通信をより確実に行うことができる。また、端末側通信装置2に発光部22を設ける必要が無くなるため、端末側通信装置2の消費電力を大きく抑えることができ、省電力化にも大きく寄与することができる。なお、照明側通信装置1の構成は、上述の第1の実施の形態及びその変形例と同様でよいので、ここでは説明を省略するとともに、変調部11の図示も省略している。また、端末側通信装置2の受光部21についても上述の第1の実施の形態及びその変形例などと同様である。
【0038】
アップリンクに照明光を用いるための構成として、端末側通信装置2には反射変調部24が設けられている。反射変調部24は、照明光を反射するとともに、アップリンクによって送信するデータにより変調された反射光を送出する。
【0039】
図5は、反射変調部24として鏡を利用した一構成例の説明図である。図中、51は鏡、52は光シャッタ、53は遮蔽壁、54はトラッキング部である。照明光を反射する手段としては、単純には鏡51を用い、図3に示した変形例におけるトラッキング部41と同様のトラッキング部54を設けて反射方向を制御すればよい。また、変調方法としては、ここでは光シャッタ52を用い、鏡51への入射光及び鏡51からの反射光を透過/遮断することによって行うことができる。光シャッタ52としては、例えば液晶シャッタを用い、データに基づいて液晶の配向を制御することによって反射光のオンオフ制御を行い、変調することができる。もちろん他の変調方法でもよく、例えばデータに基づいて鏡面の反射方向を変化させるだけでも変調を行うことができる。すなわち、鏡面の反射方向が変わることによって、照明側通信装置1の受光部13に入射する光量が変化するため、この変化を検出すればデータを取り出すことができる。この場合、例えばトラッキング部54を変調手段として兼用することも可能である。
【0040】
また図5に示す例では、鏡51の周囲に遮蔽壁53を配置している。これは、通信を行う照明側通信装置1以外の光源からの光が鏡51によって反射され、ユーザの目に入ってまぶしくなるのを防止するために設けている。照明側通信装置1の照明用光源12及び受光部13が近接して配置されている場合、照明用光源12からの光を受光部13に戻すように反射すればよいだけであるため、その他の光の反射は不要である。このような不要な反射を防ぐために遮蔽壁53を設けている。この遮蔽壁53の内面も鏡面とすることによって反射光量を増加させることもできる。もちろん、遮蔽壁53を設けずに構成してもよい。
【0041】
なお、このような図5に示したユニットを単体で用いるほか、複数配置して構成することもできる。
【0042】
反射変調部24において照明光を反射する手段として、CCR(CornerCube Reflector)を利用することができる。図6は、CCRの概要の説明図である。CCRは、3面の反射面を内向きに互いに直交させた形状を有している。例えば図6に示すように、立方体あるいは直方体の1頂点を形成する互いに直交する3つの内面を反射面とすることによって得られる。
【0043】
このCCRの特徴として、光の入射方向に光を反射する特性を有している。従って、照明光が入射すれば、その照明光の光源に向けて照明光が反射されることになる。本発明では照明光をダウンリンクに用いているが、そのダウンリンクに用いた照明光を反射することによって、そのままアップリンクにも利用しようとするものである。特に照明光源に向けて反射されるため、照明側通信装置1の照明光源に近接して受光部13を設けておけば、反射光を受光することができる。また、指向性の良い、強い反射光が照明側通信装置1の受光部13に入射するため、周辺光による影響を受けにくいという利点もある。なお、照明側通信装置1は任意の位置に設置されていればよく、逆に端末側通信装置2が任意の位置に存在していても、反射光は照明側通信装置1に向けて反射される。
【0044】
図7は、CCRを用いた場合の変調方法の一例の説明図である。図中、61はCCR、62は光シャッタ、63は誘電体、64はアクチュエータである。上述のようにしてCCRにより照明光を照明側通信装置1に向けて反射することができるが、この反射光をデータにより変調したものとするためのいくつかの方法を示す。図7(A)には光シャッタ62をCCRの前面に配置して変調を行う例を示している。光シャッタ62としては、例えば液晶表示装置を用いた液晶シャッタで構成することができる。液晶シャッタは、電圧の印加によって液晶の配向が変化し、光の透過と遮断を切り換えるものである。この液晶シャッタを用い、例えば光を透過するように液晶シャッタを制御すれば、上述のようにCCR61へ照明側通信装置1からの照明光が入射し、照明側通信装置1へ反射光が向かうことになる。逆に光を遮断するように液晶シャッタを制御すると、CCR61への入射光及び反射光とも遮断され、照明側通信装置1の受光部13は反射光を受光できなくなる。このように液晶シャッタの液晶配向を制御することによって反射光のオンオフ制御を行うことができる。このオンオフ制御をデータに従って行うことで、変調された反射光を照明側通信装置1へ送ることができる。もちろん液晶として種々のものが存在し、それら種々の液晶を適宜用いることが可能である。例えば光の透過と反射を切り換えるものであってもかまわない。また、この例では光シャッタ62として液晶シャッタを用いたが、このほかにもCCR61への照明光及び反射光の入出光を制御できるシャッタ機構であれば、どのような構成のものでも利用することができる。
【0045】
図7(B)に示す例では、CCR61を構成する鏡面の一部または全部に誘電体63を近接(λ/3)配置することによって、内面での全反射の量を減衰させるものである。誘電体の位置をデータに応じて変化させることによって、CCR61における反射光量を制御することができ、これによって変調した反射光を照明側通信装置1へ送ることができる。なお、この方式は光のコヒーレント性を利用しており、照明側通信装置1の光源としてLDを利用した場合などに限られる。
【0046】
図7(C)に示す例は、CCR61を構成する鏡面の1面にアクチュエータ64を取り付け、データに応じて鏡面を変化させるものである。例えば鏡面の角度を変えたり、あるいは鏡面を歪ませることによって、CCR61における各鏡面間の光の反射角度を変化させ、入射光の方向に反射光が戻るという関係を崩すことができる。このような制御をデータに従って行うことで変調された反射光を照明側通信装置1に送ることが可能である。アクチュエータ64としては、機械的なマイクロマシンなどによる駆動のほか、ピエゾ素子などによる歪みを利用するなど、種々の構成を適用することができる。
【0047】
図8は、反射変調部24への入射光と変調した反射光の一例の説明図である。上述のように反射変調部24に入射する光は、照明側通信装置1から放出される変調された照明光である。従って、ダウンリンクによって送信されるデータに従って光量あるいは点滅が制御されている。このままCCR61で反射すると、反射光にもダウンリンク時のデータが重畳されたままとなる。しかし、ダウンリンクによるデータ転送速度に比べてアップリンクのデータ転送速度が遅い場合には、ほとんど問題はない。例えば図8(A)に示すように照明光の光量が高速に変化している場合、アップリンクのデータ転送速度が遅ければ1データ転送中に何回も照明光の光量が変化する。例えば図7で説明したようにして変調を行い、CCR61で入射光を反射したときには、1データ転送中に存在する明るくなる部分及び暗くなる部分の平均光量が照明側通信装置1の受光部13で受光されることになる。これに対してCCR61で光源に向けて反射が行われなかった場合には、平均光量すらも照明側通信装置1の受光部13では受光できないことになる。従って、ダウンリンクのデータが残ったままの照明光をアップリンクに用いても、良好にデータを転送することが可能である。
【0048】
逆にダウンリンクによるデータ転送速度がアップリンクのデータ転送速度程度あるいはそれ以下である場合には、照明光が完全に遮断される時間が存在しない場合に、照明光の反射光をアップリンクに用いることができる。図8(B)においては、ダウンリンクとアップリンクのデータ転送速度が同じ場合を示している。この例では、ダウンリンクのデータ変調方式として、サブキャリアBPSKを用いている。この場合、1データの転送時間中、連続して照明光量が0となることがないので、アップリンクのためのオンオフによる変調を行っても、照明側通信装置1の受光部13では受光量の変化によってアップリンクのデータを受信することができる。
【0049】
このように、照明光が変調されていても、その変調された照明光を反射し、アップリンクのデータに従って変調することによって、端末側通信装置2から照明側通信装置1へのアップリンクを実現することができる。照明光は大電力であり、その反射光についても大きな電力を有している。従ってアップリンクについても高品質の通信を行うことができる。また、CCR61を用いる構成では、反射光は入射光の光源に戻るので、トラッキングを行う必要は全くなく、簡易な構成でアップリンクを実現することができる。さらに、ダウンリンクと同期を取る必要がないという利点がある。さらにまた、CCR61を用いた場合、乱反射などによる光がユーザの目に入ることは稀であり、まぶしさを感じることはほとんど無いというメリットもある。
【0050】
図9は、CCRを反射変調部24として搭載した照明光通信装置の利用形態の一例の説明図、図10は、同じく複数の照明側通信装置における受信信号の合成方法の一例の説明図である。図中、71は受光素子、72は遅延補正部、73は合成部、74は復調部である。上述のようにCCRは反射光を光源に向けて返す特性があり、このような特性は複数の方向から光が入射する場合でも同様である。例えば図9に示すように複数の照明側通信装置1,1’,1”がそれぞれ照明光を発し、端末側通信装置2に入射している時、端末側通信装置2に設けられているCCRによって、照明側通信装置1からの照明光は照明側通信装置1に向けて反射され、同様に照明側通信装置1’からの照明光は照明側通信装置1’に向けて反射され、照明側通信装置1”からの照明光は照明側通信装置1”に向けて反射される。これによって、端末側通信装置2からのアップリンクのデータは、複数の照明側通信装置1,1’,1”において受信されることになる。
【0051】
複数の照明側通信装置1,1’,1”では、それぞれが受光して得られた電気信号を合成することで、データを確実に受信することができる。このときの回路構成の一例を図10に示している。それぞれの照明側通信装置1,1’,1”の受光部13に設けられている受光素子71は、受光した光を電気信号に変換する。この受光素子71からの電気信号を、それぞれの照明側通信装置1,1’,1”ごとに設定される遅延量を遅延補正部72で補正した後、合成部73で合成する。合成は、例えば単純に加算するほか、平均電力を得たり、あるいは重み付けを行って合成することができる。重みは、信号強度が強いほど大きな重みとすればよい。合成後の電気信号を復調部で復調することによって、端末側通信装置2から送られてきたデータを取得することができる。
【0052】
このように、複数の照明側通信装置に対してアップリンクのデータを送信できるため、例えば人が通るなどによって1つの照明側通信装置へ光が届かなくなるシャドウイングが発生しても、他の照明側通信装置において受光されるため、問題なく通信を行うことができる。このとき、CCRをトラッキングする機構などは不要であり、簡単な構成で光通信の障害であるシャドウイングを解決することができる。なお、図9には照明側通信装置を3台示しているが、これに限らず、2あるいは4台以上においても同様である。
【0053】
上述の説明では1つのCCRについて説明したが、複数のCCRを配置して構成した場合も同様であり、例えば2次元状に配置して構成することができる。複数のCCRを配置した場合、図7に示したような変調のための構成は、それぞれのCCR61に設け、すべて同様に制御すればCCRが1つの場合と同様に動作させることができる。例えば図7(A)に示す光シャッタ62により変調を行う構成の場合には、複数のCCRに共通の光シャッタ62を設けるように構成することもできる。
【0054】
このように複数のCCRを配置する場合、1ないし複数個のCCRごとに変調制御を行うことも可能である。このような構成を利用すると、端末側通信装置2からの並列的なデータ送信を行うことが可能となる。図11は、端末側通信装置2の反射変調部24における並列送信可能な構成例の説明図である。図中、81はCCRアレイ、82はレンズである。CCRアレイ81は、複数のCCRが配列されたものであり、1ないし複数個のCCR毎に変調制御が可能に構成されている。CCRアレイ81中の個々のCCRについて、例えば図7(A)に示す光シャッタ62を用いた変調制御を行うのであれば、1ないし複数のCCR毎に制御可能な光シャッタ62を配置すればよい。また、例えば図7(C)に示すようにCCRの鏡面を変化させる構成であれば、それぞれのCCRに対して同様の構成を設け、その制御は1ないし複数のCCR毎に行うことができる。
【0055】
CCRアレイ81の入射(出射)側にレンズ82が設けられており、CCRの鏡面あるいはその付近に照明側通信装置1,1’からの照明光が略結像するように調整されている。このような構成では、例えば照明側通信装置1,1’からの発光光はCCRアレイ81のうち、それぞれ一部のCCRにしか入射しない。そして、CCRの特性から、照明側通信装置1からの照明光が入射された一部のCCRは、照明側通信装置1に対して反射光を返し、照明側通信装置1’からの照明光が入射された一部のCCRは、照明側通信装置1’に対して反射光を返すことになる。このとき、それぞれの照明光が入射したCCRについて、同様に変調制御を行えば上述の図9で説明したように同じデータを複数の照明側通信装置1,1’へ送信することができる。
【0056】
ここで、それぞれの照明光が入射したCCRについて、それぞれ異なるデータに基づいて変調制御を行うことも可能である。すなわち、照明側通信装置1からの照明光が入射され、照明側通信装置1に対して反射光を返すCCRについて第1のデータに基づいて変調制御を行い、照明側通信装置1’からの照明光が入射され、照明側通信装置1’に対して反射光を返すCCRについては第1のデータとは異なる第2のデータに基づいて変調制御を行うように制御することができる。これによって、照明側通信装置1に対しては第1のデータを送信し、照明側通信装置1’に対しては第2のデータを送信することができる。これらのデータは並行して送信することが可能であり、並列伝送を行うことができる。
【0057】
なお、照明光が入射するCCRの特定については、予め決めておくほか、CCRとともに簡単な受光素子を配置したり、CCRの鏡面に受光素子を組み合わせたり、あるいは、端末側通信装置2の受光部21として2次元センサ及びレンズ系などで構成し、照明側通信装置の位置を特定するように構成することができる。もちろん、他の方法であってもかまわない。
【0058】
以上、第2の実施の形態として照明光を反射してアップリンクに用いる例を示した。この第2の実施の形態においても、上述の第1の実施の形態と同様、照明側通信装置1は一般的に利用されている照明器具と同様に設置することができるし、端末側通信装置2についてもノートパソコンやPDA、携帯電話など、携帯可能な端末装置でよい。また、用途についても、一般のオフィスや店舗、家庭、公共施設、さらには電波による通信が制限される利用環境、例えば、病院や列車内、航空機、宇宙船、ペースメーカーの利用者が居る環境などでも利用可能であり、さらには屋内に限らず、例えばネオンサインや広告照明に用いたり、交通システムにおいて車車間通信や路車間通信に用いるなど、様々な用途での利用も可能である。
【0059】
また、この第2の実施の形態においても上述の第1の実施の形態と同様の各種の変形が可能である。図2に示した照明側通信装置1における受光部13の構成や、図3に示した端末側通信装置2における発光部22の構成を適用することもできるし、照明側通信装置1から送信するデータ及び受信したデータについて電力線通信を利用することも可能である。もちろん、これらのほか、種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【0060】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、従来の照明光通信ではダウンリンクのみが光であったが、本発明によれば、アップリンクも光によって行うことができ、光による双方向通信が可能となる。
【0061】
また、照明光を反射してアップリンクに用いることもでき、その場合には大電力の照明光を利用して高品質の通信を行うことができる。さらにCCRを用いることによって、トラッキングを不要として簡単な構成で光によるアップリンクを実現することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す概略構成図である。
【図2】照明側通信装置1の受光部13における変形例の説明図である。
【図3】端末側通信装置2の発光部22における変形例の説明図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す概略構成図である。
【図5】反射変調部24として鏡を利用した一構成例の説明図である。
【図6】CCRの概要の説明図である。
【図7】CCRを用いた場合の変調方法の一例の説明図である。
【図8】反射変調部24への入射光と変調した反射光の一例の説明図である。
【図9】CCRを反射変調部24として搭載した照明光通信装置の利用形態の一例の説明図である。
【図10】CCRを反射変調部24として搭載した照明光通信装置の利用形態の一例において複数の照明側通信装置を設置した場合の受信信号の合成方法の一例の説明図である。
【図11】端末側通信装置2の反射変調部24における並列送信可能な構成例の説明図である。
【符号の説明】
1…照明側通信装置、2…端末側通信装置、11…変調部、12…照明用光源、13…受光部、14…フィルタ、21…受光部、22…発光部、23…処理部、24…反射変調部、31…2次元センサ、32…レンズ、41…トラッキング部、42…LED光源、43…鏡面、44…レンズ、51…鏡、52…光シャッタ、53…遮蔽壁、54…トラッキング部、61…CCR、62…光シャッタ、63…誘電体、64…アクチュエータ、71…受光素子、72…遅延補正部、73…合成部、74…復調部、81…CCRアレイ、82…レンズ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination light communication technique for performing communication using illumination light.
[0002]
[Prior art]
Lighting using a light emitting element such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) as a light source has a longer life, a smaller size, compared to conventional lighting sources such as incandescent lamps and fluorescent lamps. It has excellent features such as low power consumption, and is expected to be practically used as an illumination light source. At present, small light sources such as illumination lamps that illuminate the feet are starting to be replaced by LEDs, and in the future, further improvement in efficiency and price of LEDs are expected to put into practical use as energy-saving and environmentally-friendly lighting light sources.
[0003]
In addition, light emitting elements such as LEDs and LDs have a characteristic that the response speed is extremely fast because no extra heat time is required. Focusing on this fast response speed and the fact that it can be electrically controlled, research is currently being conducted to superimpose a signal on illumination light using an LED or LD to provide a signal transmission function. For example, it is described in Non-Patent
[0004]
This communication by illumination of an LED or the like (hereinafter referred to as illumination light communication) uses visible light (illumination light) as a communication medium. In this illumination light communication, light is not used only for communication, but on the contrary, light normally used for illumination is used for signal transmission. More specifically, on the transmission side, the LED used for illumination is driven in accordance with the transmission signal to change the light intensity or blink. The receiving side receives the illumination light and determines the signal based on the intensity of the light. Thereby, signal transmission is realized. As described above, since the LED and the like have a high-speed response characteristic, even if the light amount is changed or blinked at a high speed, a human does not sense this. Therefore, it functions as illumination for humans, and can also realize a signal transmission function.
[0005]
In addition, compared to wireless communication technology using radio waves or optical wireless communication technology using infrared light, very large power can be used for communication, so that wide-band signal transmission with excellent characteristics can be performed. . Furthermore, in the case of indoors, for example, in the case of indoors, there are many cases where many lights are installed so as to brighten the entire room and do not cause shadows, and even receivers moving in the room can receive signals without interruption. Features such as can.
[0006]
Such high power and many light source arrangements are often not allowed in wireless data transmission, for example. Further, it can be used in an environment where radio waves are difficult to use, for example, in hospitals and trains, in environments where users of aircraft, spacecraft, and pacemakers are present, and no license is required.
[0007]
As described above, illumination light communication has excellent characteristics because a huge amount of power can be used for communication in signal transmission from a lighting device to a mobile terminal (hereinafter, referred to as downlink). However, the conventional illumination light communication is performed only in one direction of a downlink, and a signal transmission from a mobile terminal to an illumination device (hereinafter, referred to as an uplink) is not studied. Even in
[0008]
[Non-patent document 1]
Toshihiko Komine, Yuichi Tanaka, Masao Nakagawa, "A Fusion System of White LED Lighting Signal Transmission and Power Line Signal Transmission", IEICE Technical Report, IEICE, March 12, 2002, Vol. 101, no. 726 pp. 99-104
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and in communication using illumination light, performs downlink using illumination light, and performs communication using light (including infrared light and the like) for uplink. It is an object of the present invention to provide an illumination light communication device that realizes two-way communication by light.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is directed to an illuminating light communication device that is a transmitting side of a downlink and a receiving side of an uplink, and controls an illuminating unit that emits light to illuminate, and a blinking or a light amount of the illuminating unit according to data. Modulating means for modulating the illumination light, and light receiving means for receiving the modulated light sent from the outside, transmitting data by the illumination light emitted by the illumination means, and receiving data by the light receiving means. It is a feature. With such a configuration, the light-receiving means can perform the uplink together with the downlink using the illumination light, and bidirectional communication using light can be realized.
[0011]
In addition, the illumination means can be constituted by one or a plurality of LEDs, and can perform downlink by illumination light utilizing the characteristics of the LEDs. Further, the light receiving means can receive infrared light or visible light as modulated light. Further, the light receiving means can be constituted by a two-dimensional sensor. This makes it possible to efficiently remove noise components such as disturbance light by using the signals of the portion receiving the modulated light and the other portions. Also, by using an optical system such as a lens, modulated light from a plurality of positions can be separated and received, and uplinks from a plurality of light sources can be received.
[0012]
Also, the present invention provides a light receiving device for receiving illumination light modulated by data and acquiring the data, in the illumination light communication device serving as a reception side of the downlink and a transmission side of the uplink. It is characterized by having light emitting means for emitting light modulated according to data. With such a configuration, the downlink by the illumination light is received by the light receiving unit, and the uplink by the light can be realized by the light emitting unit. Thereby, bidirectional communication by light can be realized. For example, two-way communication is possible also in a mobile terminal or the like.
[0013]
The light emitted by the light emitting means can be infrared light or visible light. Further, the light emitting means has a tracking means for directing the emitted light to an external light receiving means, so that a more reliable uplink can be realized.
[0014]
Further, the present invention is another illuminating light communication device that is a receiving side of the downlink and also a transmitting side of the uplink, and a light receiving unit that receives the illuminating light modulated by the data and acquires the data. And reflection reflection means for reflecting the illumination light and transmitting reflected light modulated according to data to be transmitted. Even with such a configuration, it is possible to perform downlink using illumination light and perform uplink using reflected light of the illumination light, thereby realizing bidirectional optical communication. Furthermore, as described above, the illumination light has very high power, and by using this for the uplink, communication can be performed more reliably. Further, since no new light emitting means is required, power consumption can be suppressed to about the power required for modulation, which can greatly contribute to power saving.
[0015]
Such a reflection modulation means may be configured to include one or more corner cube reflectors (hereinafter abbreviated as CCR). The CCR has a property of reflecting light in a light incident direction, and can transmit reflected light toward a light source of illumination light used for downlink. Uplink is realized using the reflected light. In such a configuration, a tracking mechanism for directing the light used for the uplink to the light receiving unit is unnecessary. In addition, since light incident from a plurality of light sources can be reflected toward the respective light sources, when light is received by the illuminating light from the plurality of light sources, the reflected light for uplink is transmitted to each light source. Can be returned, and communication quality can be improved by reducing communication errors and the like.
[0016]
As a means for performing the modulation, the transmission and blocking of the reflected light can be controlled by data using an optical shutter to perform the modulation. Alternatively, modulation can be performed by changing the reflection surface of the CCR and changing the reflection characteristics of the CCR.
[0017]
The reflection modulating means includes a corner cube modulation array in which a plurality of CCRs are arranged, a lens arranged so as to form an image on the corner cube modulation array, and one or more CCRs in the corner cube modulation array. A configuration having a modulation means for controlling the modulation of the reflected light can be employed. As described above, since the CCR has the property of reflecting light in the light incident direction, the CCR formed by the light source of the illumination light returns reflected light toward the light source. If there are a plurality of light sources, the CCRs formed by the respective light sources return reflected light to the corresponding light sources. By utilizing this and modulating the reflected light for each of one or more CCRs corresponding to each light source, parallel transmission becomes possible.
[0018]
Also in this case, as a means for modulating the reflected light for each of one or a plurality of CCRs, an optical shutter may be used, or the modulation may be performed by changing the reflection surface of the CCR.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is an illumination-side communication device, 2 is a terminal-side communication device, 11 is a modulation unit, 12 is an illumination light source, 13 is a light receiving unit, 14 is a filter, 21 is a light receiving unit, 22 is a light emitting unit, and 23 is a process. Department. The illumination-
[0020]
Further, the illumination-
[0021]
As a modulation method, an arbitrary modulation method such as OOK (ON-OFF Keying) or BPSK can be used. In addition, the LEDs for controlling the light amount or the blinking may be all or part of the illumination light source 12 arranged for illumination. Note that, as described above, since the LED has a high-speed response characteristic, a change or blinking of the light amount is not sensed by human eyes, and it is felt that the light is continuously emitted. Therefore, even when data transmission is performed, the illumination light source 12 can play the role of illumination.
[0022]
The
[0023]
The data transmitted by the illumination light may be data received from the outside or data held or generated in the illumination-
[0024]
The terminal-
[0025]
The
[0026]
As described above, in the illumination-
[0027]
For example, the terminal-
[0028]
Further, since the wavelength of light is short, extremely high-speed communication over radio waves can be performed. Furthermore, lighting equipment is generally widely installed, and is naturally illuminated in an environment using a terminal device. Since the lighting-
[0029]
In an environment where a plurality of lighting devices are arranged, such as an office, each lighting device can be the
[0030]
Next, some main modified examples of the first embodiment will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram of a modified example of the
[0031]
Further, for example, when a plurality of terminal-
[0032]
Further, in an environment where a plurality of lighting-
[0033]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a modification of the
[0034]
Further, when the light beam is narrowed or the LD is used as the light source, the communication quality may deteriorate or the communication may not be performed unless the light emitted from the
[0035]
In the above, one modification of the
[0036]
The data transmitted from the lighting-
[0037]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. 24 is a reflection modulation unit. In the above-described first embodiment, an example has been described in which the
[0038]
As a configuration for using illumination light for the uplink, the terminal-
[0039]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration example using a mirror as the
[0040]
In the example shown in FIG. 5, a shielding wall 53 is arranged around the mirror 51. This is provided in order to prevent light from a light source other than the illumination-
[0041]
Note that, besides using such a unit shown in FIG. 5 alone, a plurality of units may be arranged and configured.
[0042]
As a means for reflecting the illumination light in the
[0043]
As a characteristic of the CCR, the CCR has a characteristic of reflecting light in a light incident direction. Therefore, when the illumination light is incident, the illumination light is reflected toward the light source of the illumination light. In the present invention, the illuminating light is used for the downlink, but the illuminating light used for the downlink is reflected to be used as it is for the uplink. Particularly, since the light is reflected toward the illumination light source, the reflected light can be received if the
[0044]
FIG. 7 is an explanatory diagram of an example of a modulation method when CCR is used. In the figure, 61 is a CCR, 62 is an optical shutter, 63 is a dielectric, and 64 is an actuator. As described above, the illumination light can be reflected toward the illumination-
[0045]
In the example shown in FIG. 7B, the amount of total reflection on the inner surface is attenuated by disposing the dielectric 63 close to (λ / 3) a part or all of the mirror surface constituting the
[0046]
In the example shown in FIG. 7C, an
[0047]
FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of light incident on the
[0048]
Conversely, when the data rate of the downlink is about the same as or less than the data rate of the uplink, the reflected light of the illumination light is used for the uplink when there is no time to completely block the illumination light. be able to. FIG. 8B shows a case where the downlink and uplink data transfer rates are the same. In this example, a subcarrier BPSK is used as a downlink data modulation scheme. In this case, since the illumination light quantity does not become 0 continuously during the transfer time of one data, the
[0049]
In this way, even if the illumination light is modulated, the modulated illumination light is reflected and modulated according to the uplink data, thereby realizing the uplink from the
[0050]
FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of a usage form of an illumination light communication device equipped with a CCR as a
[0051]
The plurality of lighting-
[0052]
As described above, since the uplink data can be transmitted to a plurality of lighting-side communication devices, even if shadowing occurs in which light does not reach one lighting-side communication device due to, for example, the passage of a person, other lighting devices can be transmitted. Since light is received by the side communication device, communication can be performed without any problem. At this time, a mechanism for tracking the CCR is not required, and shadowing, which is an obstacle to optical communication, can be solved with a simple configuration. Although FIG. 9 shows three illumination-side communication devices, the present invention is not limited to this, and the same applies to two or four or more communication devices.
[0053]
In the above description, one CCR has been described. However, the same applies to a case where a plurality of CCRs are arranged, for example, a two-dimensional arrangement. When a plurality of CCRs are arranged, the configuration for modulation as shown in FIG. 7 is provided in each
[0054]
When a plurality of CCRs are arranged as described above, it is also possible to perform modulation control for each of one or more CCRs. By using such a configuration, it is possible to perform parallel data transmission from the terminal-
[0055]
A lens 82 is provided on the incident (outgoing) side of the CCR array 81, and is adjusted so that the illumination light from the illumination-
[0056]
Here, it is also possible to perform modulation control on the CCR on which the respective illumination lights have entered, based on different data. That is, the illuminating light from the illuminating
[0057]
It should be noted that the specification of the CCR on which the illumination light is incident is determined in advance, and a simple light receiving element is arranged together with the CCR, a light receiving element is combined with a mirror surface of the CCR, or a light receiving unit of the terminal
[0058]
As described above, an example in which the illumination light is reflected and used for the uplink has been described as the second embodiment. Also in the second embodiment, similarly to the above-described first embodiment, the lighting-
[0059]
Also, in the second embodiment, various modifications similar to the above-described first embodiment are possible. The configuration of the
[0060]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the conventional illumination light communication, only the downlink is light, but according to the present invention, the uplink can also be performed by light, and bidirectional communication by light becomes possible. .
[0061]
In addition, the illumination light can be reflected and used for the uplink. In that case, high-quality communication can be performed using the illumination light of high power. Further, by using the CCR, there is an effect that an uplink by light can be realized with a simple configuration without tracking.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a modification of the
FIG. 3 is an explanatory diagram of a modification of the
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration example using a mirror as the
FIG. 6 is an explanatory diagram of an outline of a CCR.
FIG. 7 is an explanatory diagram of an example of a modulation method when a CCR is used.
FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of light incident on the
FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of a usage form of an illumination light communication device in which a CCR is mounted as a
FIG. 10 is an explanatory diagram of an example of a method of synthesizing a reception signal when a plurality of illumination-side communication devices are installed in an example of a usage form of an illumination light communication device in which a CCR is mounted as a
FIG. 11 is an explanatory diagram of a configuration example in which the
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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