JP2007082098A - 送信データ割り当て方法および光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 受光素子群へ投影される光源群の像の対応関係に応じて、それぞれの光源が送信するデータを短時間で割り当てることができる送信データ割り当て方法及び照明光通信システムを提供する。
【解決手段】 送信側装置１の各光源１１から順にパイロット信号を発光送信し、受信側装置２の各受光素子２１で各光源１１から受け取った光の受信電力を検出し、保持しておく。それぞれの受信素子２１において、受信電力の大きい方からｋ個の和をＤとし、他の和をＵとしてＤＵ比を求める。ＤＵ比が所定値より大きければ、ｋ個の光源１１について同じ送信データの割り当てを決定する。ＤＵ比が所定値以下である受信素子２１については、それぞれ、ｋを増やしてＤＵ比を求め、再試行する。これにより、各受光素子２１で異なるデータを受信できるように送信データを各光源１１に割り当てることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＤやＬＥＤ等を用いた照明器具等から発せられる可視光を通信媒体として用いる可視光通信技術に関するものである。

ＬＤやＬＥＤ技術の発展に伴い、照明器具等から発せられる可視光を通信媒体として用いる可視光通信が注目されている。その中でも高速な可視光通信を実現するために複数のＬＥＤで異なる情報を並列に送信し、二次元センサにより受信する並列光空間通信システムが提案されている。並列伝送することでシステム全体の伝送速度がＬＥＤや二次元センサの応答特性に依存せず、高速通信が可能となる。例えば光源として二次元平面ディスプレイを用い、並列送信することが特許文献１にも記載されている。

一般にカメラ等に使用されているイメージセンサは数万〜数百万ピクセルのフォトダイオードが使用されているが、並列光空間通信システムにおいては高速な並列処理をする必要があるため、Ｉ／Ｏピン数の制約や熱の問題等から、受信機のフォトダイオードアレイの素子数を増やすことは難しい。送信機の並列度を増加させることも、システムの複雑さが増加するため現実的ではない。

イメージセンサの素子数が少ない状況では、一つの素子に複数のＬＥＤの像が投影されるため、送信機のＬＥＤ間の干渉が問題となる。図８ないし図１０は、イメージセンサの各ピクセルと、イメージセンサに投影されたＬＥＤアレイの像との関係の一例の説明図である。図８に示した例では、矩形によりイメージセンサの各ピクセルを示し、円形によりＬＥＤアレイの像を示している。図８に示すように、イメージセンサの１つのピクセルに複数のＬＥＤの像が投影されることがある。そのため、それぞれのＬＥＤが異なるデータを送信してしまうと、複数のＬＥＤからの光が干渉してしまい、データを受信することができなくなってしまう。

このような問題はそれぞれのＬＥＤが異なるデータを送信する場合に限らない。図９に示す例では、２×２個のＬＥＤについて同じデータを送信するように構成した例を示している。図９においては、ＬＥＤの像を示す円内の模様が同じものについて、同じデータを送信するものとしている。この場合、イメージセンサの図示した３×３のピクセルのうち、左上、右上、左下、右下、中央の５つのピクセルについては同じデータを送信するＬＥＤの像が投影されており、問題なくデータを受信することができる。しかし、そのほかの４つのピクセルについては、異なるデータを送信するＬＥＤの像が投影されており、やはり干渉によりデータを受信することができない。

一方、図１０においてもＬＥＤの像を示す円内の模様が同じものについて、同じデータを送信するものとしており、図１０に示したように、各ＬＥＤについて送信するデータの割り当てを行った場合には、イメージセンサの全てのピクセルで、各ピクセル内に投影されるＬＥＤからの受信信号は同じとなり、干渉することなくそれぞれのピクセルは並列に別々のデータを受信することができる。従って、干渉の影響を極力抑えた高品質な通信が可能であり、高スループットな並列通信が行える。

しかし、常に固定したＬＥＤアレイからの光を、固定した位置に配置されたイメージセンサで受光する場合以外では、ＬＥＤアレイとイメージセンサの相互の位置や距離、像の倍率など、様々な要因によって図１０の関係は崩れてしまう。また、固定された状態で使用するにしても、使用開始時には図１０に示したような関係を予め設定しておく必要がある。このようにいずれの場合についても、高スループットな並列通信が行えるようにするためには、ＬＥＤアレイにおける各ＬＥＤについて、イメージセンサやイメージセンサとＬＥＤアレイとの関係などに応じて、それぞれのＬＥＤにより送信するデータを決定する必要がある。

それぞれのＬＥＤに対して送信するデータを最適に割り当てる方法としては、ＬＥＤアレイの考えうる全てのパターンでのスループットを実測し、最も良い割り当てパターンを選択する方法が考えられる。しかし、ＬＥＤアレイの考えうる全てのパターンを調べるには膨大な試行回数が必要であり、現実的ではない。また、いくつかの代表的なパターンの中で最も良い特性のものを選ぶ方法も考えられるが、ＬＥＤの像とイメージセンサの対応関係によって特性が左右されてしまうという問題がある。このように従来は、イメージセンサへ投影されるＬＥＤアレイの像の対応関係に応じて、それぞれのＬＥＤに送信するデータを短時間で割り当てることができないという問題があった。

特開２００４−６４４６５号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、受光素子群へ投影される光源群の像の対応関係に応じて、それぞれの光源が送信するデータを短時間で割り当てることができる送信データ割り当て方法と、そのような送信データ割り当て方法を適用した照明光通信システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、複数の光源を含む送信側手段と、複数の受光素子を含む受信側手段を有し、複数の光源から複数のデータを並行して発光光により送信する光通信システムにおいて、それぞれの光源から順にパイロット信号を送信し、それぞれのパイロット信号について各受光素子で受光して該パイロット信号を送信した光源に対応づけて受信電力を保持しておく。そして、それぞれの受光素子について、受信電力の大きい方からｋ（ｋ≧１）個の和をＤとし、他の和をＵとするとき、ＤＵ比が所定値より大きい受光素子については当該最大の受信電力に対応する光源を当該受光素子で受信するためのデータを送信するものとして割り当て、ＤＵ比が前記所定値以下の受光素子についてはｋを増加させて、データが割り当てられていない光源に対応する受信電力の和をＤとしてＤＵ比の判定と光源に対するデータの割り当てを行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、それぞれの光源からのパイロット信号の受光結果に従って、それぞれの受光素子において良好にデータが受信できるように、それぞれの光源が送信すべきデータの割り当てを行うことができる。これによって、光源と受光素子の対応関係に依存せず、高いスループットが得られるように、各光源が送信すべきデータの割り当てを行うことができる。また、それぞれの光源からパイロット信号を送るだけで送信データの割り当てを決定することができるため、短時間に、しかも手間を要さずに送信データの割り当てを行うことができるという効果がある。

図１は、本発明の実施の一形態を示すブロック図である。図中、１は送信側装置、２は受信側装置、１１は光源、１２は発光制御部、２１は受光素子、２２は受光処理部である。

送信側装置１は、複数の光源１１と、それらの光源１１を制御する発光制御部１２を含んで構成されている。光源１１は、例えばＬＥＤやＬＤ、その他の高速スイッチング可能な各種の光源で構成される。これらの光源１１は、１ないし複数毎に発光制御部１２により発光が制御される。例えば照明用の光源であってよい。

発光制御部１２は、複数の光源１１について、１ないし複数毎に発光を制御する。このとき、視認できない程度に高速な点滅あるいは光量制御を行うことによって、光源１１の発光光によるデータの送信を行うことができる。また、それぞれの光源１１について、送信させるデータを異ならせることによって、並列送信が可能である。それぞれの光源１１に送信させるデータの割り当てを行う際には、それぞれの光源１１から順にパイロット信号を送信（発光）させるように制御する。またこの例では、受信側装置２から割り当て結果を受け取ることができるので、それに応じてそれぞれの光源１１にデータの割り当てを行って、実際のデータの送信を行う。

受信側装置２は、複数の受光素子２１と、その受光素子２１で受光したときの受信電力を検出して、データの受信処理を行う受光処理部２２を含んで構成されている。複数の受光素子２１はイメージセンサであって、高速通信のためには例えばＣＭＯＳセンサであるとよい。なお、受光素子２１の受光側に、レンズなどの図示しない光学系を設けておいてもよい。

受光処理部２２は、それぞれの受光素子２１からの出力信号から受光電力を検出する。そして、データ通信時には、検出した受光電力から信号を復調してデータを取得する。また、送信側装置１のそれぞれの光源１１に対する送信データの割り当てを行う際には、送信側装置１のそれぞれの光源１１から送られてくるパイロット信号を受光したときの受光電力を保持しておき、後述する処理によって、送信側装置１のそれぞれの光源１１について、送信すべきデータの割り当てを決定する。決定した送信データの割り当ては、この例では受信側装置２から送信側装置１へ返送する。これによって、送信側装置１では受信側装置２から受け取った光源１１ごとの送信データの割り当てに従って、それぞれの光源１１からデータを送信することができる。

図２は、本発明の実施の一形態における各光源に対する送信データの割り当て処理の一例を示すフローチャートである。まずＳ３１において、送信側装置１の各光源１１から順にパイロット信号を発光送信し、受信側装置２の各受光素子２１で各光源１１から受け取った光の受信電力を検出し、保持しておく。

次にＳ３２において、すべての光源１１に異なる送信データを割り当てるものとして初期化する。またＳ３３において、繰り返し回数を計数するための変数ｋを１に初期化しておく。

Ｓ３４において、各受光素子２１ごとに、パイロット信号の受信電力が大きい方からｋ個の受信電力の和をＤとし、それ以外の受信電力の和をＵとして、その比であるＤとＵの比（以下ＤＵ比と呼ぶ）を求める。このときのＤはデータの信号電力を示し、Ｕは干渉信号の電力を示しており、ＤＵ比は所望信号対干渉信号電力比となる。このＤＵ比を用いることによって、送信側装置１の光源１１の送信電力などを用いて絶対的な受信電力を推定しなくても、受光素子２１の出力を受信電力の相対値として推定することを可能にし、この例でもパイロット信号受信時の受光素子２１の出力を相対的な受信電力として用いている。

Ｓ３５〜Ｓ３８の処理は、それぞれの受光素子２１ごとに行う。Ｓ３５において、１つの受光素子２１についてＤＵ比を所定の閾値ＴＨＲと比較する。ＤＵ比が閾値ＴＨＲより大きければ、ｋ個の光源１１からの光で十分データを受信できるものと判断し、Ｓ３６において、受信電力が大きいｋ個の光源１１について、同じ送信データを割り当て、これを確定する。なお、送信データの割り当てを確定した受光素子２１については、以後の処理対象から外す。

Ｓ３５でＤＵ比が所定の閾値ＴＨＲ以下であると判断された場合には、Ｓ３７において、ｋ＋１番目に受信電力が大きい光源１１について、送信データの割り当てが確定しているか否かを判断し、確定している場合にはＳ３８において、当該光源１１からの受信電力を干渉信号の電力として計算するように設定しておく。

Ｓ３９において、処理対象の受光素子２１についてすべて処理を終えたか否かを判定し、未処理の受光素子２１が存在する場合にはＳ３５へ戻ってその未処理の受光素子２１について、処理を行う。

処理対象の受光素子２１についてすべて処理を終えたら、Ｓ４０において、変数ｋが最大繰り返し回数を示す定数Ｋ以上となったか否かを判定し、ｋ＜ＫであればＳ４１においてｋを１増加させ、Ｓ３４へ戻って処理を繰り返す。

ｋ≧Ｋとなったら、割り当て処理を終える。ここでは一例として、Ｓ４２において、それまでに確定した各光源１１への送信データの割り当て結果を送信側装置１に送り、処理を終える。もちろん、例えば割り当て結果をユーザが参照し、その割り当て結果を基に送信側装置１に対して手動で設定を行うように構成してもよい。あるいは、所望の割り当て結果が得られるように、受信側装置２の位置や倍率などを制御するように構成してもよい。

以下、上述の動作の一例を、具体例を用いながら説明してゆく。図３は、受光素子と受光素子上の光源の像との関係及びパイロット信号受信後の受信電力の一例の説明図である。以後の具体例では、図３に示すように、４つの受光素子２１上に９個の光源１１の像が投影されている例を用いて説明する。それぞれの光源１１にはＬ１〜Ｌ９の符号を付してその像を示している。また、それぞれの受光素子２１には、Ｐ１〜Ｐ４の符号を付している。

まず図２のＳ３１において、それぞれの光源１１からパイロット信号を送信し、それぞれの受光素子２１で受光した受信電力を保持する。例えば光源Ｌ１のみを発光させてパイロット信号を送信し、その光をそれぞれの受光素子２１で受光する。この例では、受光素子Ｐ１において受信電力０．０００５が、受光素子Ｐ３において受信電力０．０４０が、それぞれ取得されている。同様に、光源Ｌ２〜Ｌ９についても、それぞれ順にパイロット信号を送信し、そのときにそれぞれの受光素子Ｐ１〜Ｐ４で受光した受信電力を保持してゆく。これによって、図３に示したように、受光素子Ｐ１では光源Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３からそれぞれ受信電力０．０００５，０．０８０，０．０００３が取得されている。また、受光素子Ｐ２では光源Ｌ３，Ｌ７からそれぞれ受信電力０．０１４，０．０８０が取得されている。同様に受光素子Ｐ３では光源Ｌ１，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６からそれぞれ受信電力０．０４０，０．００７，０．０６９，０．００８が取得されている。さらに受光素子Ｐ４では光源Ｌ６，Ｌ８，Ｌ９からそれぞれ受信電力０．０５７，０．０７０，０．００５が取得されている。なお図３では、これらの受信電力を大きい順に並べ替えて示している。このようにして各光源Ｌ１〜Ｌ９から順に送信したパイロット信号を受光したときのそれぞれの受光素子Ｐ１〜Ｐ４における受信電力が得られた。

次の処理に移るにあたり、図２のＳ３２で各光源Ｌ１〜Ｌ９について、それぞれ別の送信データを割り当てて初期化しておく。図３に示した例では、各光源Ｌ１〜Ｌ９についてそれぞれデータＤ１〜Ｄ９を仮に割り当てている。また図２のＳ３３で変数ｋを１に初期化しておく。

図４は、１回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。図２のＳ３４では、それぞれの受光素子Ｐ１〜Ｐ４において、受信電力が大きいものから１つずつを取り出してＤとし、それ以外の受信電力の和をＵとして、ＤＵ比を求める。そしてＳ３５で所定の閾値と比較する。ここでは所定の閾値を１４ｄＢとしている。例えば受光素子Ｐ１については、光源Ｌ２からの受信電力０．０８０が最大であるので、これをＤとする。またその他の受信電力の和（＝０．０００８）をＵとする。この場合、ＤＵ比は１４ｄＢより大きくなるので、図２のＳ３６で光源Ｌ２にデータＤ２を割り当てるものと決定する。なお、受光素子Ｐ１については、以降の処理対象から外す。

また、例えば受光素子Ｐ２については、光源Ｌ７からの受信電力０．０８０が最大であるので、これをＤとする。またその他の受信電力の和（＝０．０１４）をＵとする。この場合、ＤＵ比は１４ｄＢ以下となる。この場合には、図２のＳ３７でｋ＋１番目、すなわち２番目に大きい受信電力に対応する光源、この例では光源Ｌ３について、割り当てが確定しているか否かを判断する。この場合には光源Ｌ３はまだ割り当てが確定していない。この場合にはそのまま受光素子Ｐ２についての１回目の処理を終わる。受光素子Ｐ３、Ｐ４についても、ＤＵ比は１４ｄＢ以下となり、２番目に大きい受信電力に対応する光源も割り当てが確定していないので、これらの受光素子についても１回目の処理を終わる。図２のＳ４１で変数ｋを１増加させた後、Ｓ３４へ戻る。

図５は、２回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。図２のＳ３４では、それぞれの受光素子Ｐ２〜Ｐ４において、受信電力が大きいものから２つずつ取り出してその和をＤとし、それ以外の受信電力の和をＵとして、ＤＵ比を求める。そしてＳ３５で所定の閾値（ここでは１４ｄＢ）と比較する。例えば受光素子Ｐ２については、光源Ｌ７及び光源Ｌ３からの受信電力の和０．０９４をＤとする。またその他の受信電力の和は０であり、これをＵとする。この場合、ＤＵ比は１４ｄＢより大きくなるので、図２のＳ３６で光源Ｌ７及び光源Ｌ３について、同じデータを割り当てるものとして決定する。この例では、光源Ｌ７及び光源Ｌ３について、データＤ７を割り当てるものと決定する。

同様に受光素子Ｐ４についても、光源Ｌ８及び光源Ｌ６からの受信電力の和０．１２７をＤとし、その他の受信電力の和０．００５をＵとする。この場合も、ＤＵ比は１４ｄＢより大きくなるので、図２のＳ３６で光源Ｌ８及び光源Ｌ６について、同じデータ（データＤ８）を割り当てるものとして決定する。なお、受光素子Ｐ２，Ｐ４についてはデータの割り当てが決定したので、以降の処理対象から外す。

受光素子Ｐ３については、光源Ｌ５及び光源Ｌ１からの受信電力の和０．１２９をＤとし、その他の受信電力の和０．０１５をＵとすると、ＤＵ比は１４ｄＢ以下となる。この場合には、図２のＳ３７でｋ＋１番目、すなわち３番目に大きい受信電力に対応する光源、この例では光源Ｌ６について、割り当てが確定しているか否かを判断する。この場合には光源Ｌ６は受光素子Ｐ４の処理で割り当てが決定する。そのため、図２のＳ３８において、３番目に大きい光源Ｌ６の受信電力については、以降の処理では干渉信号Ｕに含めるものとする。そして２回目の処理を終わり、図２のＳ４１で変数ｋを１増加させた後、Ｓ３４へ戻る。

図６は、３回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。図２のＳ３４では、受光素子Ｐ３において、受信電力が大きいものから３つを取り出してその和をＤとし、それ以外の受信電力の和をＵとして、ＤＵ比を求める。このとき、実際に３番目となる光源Ｌ６に対応する受信電力については、干渉信号Ｕに含めるものとしているので、３番目として光源Ｌ４に対応する受信電力を取り出す。従ってＤは光源Ｌ５，Ｌ１，Ｌ４からの受信電力の和０．１３６となり、Ｕは０．００８となる。この場合のＤＵ比は１４ｄＢより大きくなるので、図２のＳ３６で光源Ｌ５，Ｌ１，Ｌ４について、同じデータを割り当てるものとして決定する。この例では、光源Ｌ５，Ｌ１，Ｌ４について、データＤ５を割り当てるものと決定する。

図７は、割り当て結果の具体例の説明図である。以上のようにして、光源Ｌ２についてはデータＤ２を割り当て、光源Ｌ３，Ｌ７についてはデータＤ７を割り当て、光源Ｌ６，Ｌ８についてはデータＤ８を割り当て、光源Ｌ１，Ｌ４，Ｌ５についてはデータＤ５を割り当てるものと決定することができる。このように各光源について送信するデータを割り当てることによって、それぞれの受光素子で確実に各データを受信することができる。

このような割り当て結果は、例えば受信側装置２から送信側装置１へ送信することができる。この送信方法は任意であり、例えば送信側装置１から受信側装置２への送信と同様に発光素子と受光素子により光で送信するほか、赤外線や電波を用いたり、あるいは電力線や通信用のケーブルを介して送信してもよい。あるいは、割り当て結果を作業者が参照して手動で送信側装置１に設定を行ってもよい。さらにまた、図２のＳ３１で行ったパイロット信号を受信したときの各受光素子２１の受信電力のデータそのものを送信側装置１へ送り、図２のＳ３２以降の処理を送信側装置１で行ってもよい。

いずれにしても、上述の具体例では、上述のような割り当て結果に従い、光源Ｌ２はデータＤ２を送信し、光源Ｌ３，Ｌ７はデータＤ７を送信し、光源Ｌ１，Ｌ４，Ｌ５はデータＤ５を送信し、光源Ｌ６，Ｌ８はデータＤ８を送信することによって、受光素子Ｐ１ではデータＤ２を、受光素子Ｐ２ではデータＤ７を、受光素子Ｐ３ではデータＤ５を、受光素子Ｐ４ではデータＤ８を、それぞれ並行して受信することができる。

このように、本発明の処理によってそれぞれの光源で送信すべきデータの割り当てを決定することによって、それぞれの受光素子２１で異なるデータによる干渉の影響をなるべく受けない状態で所定のデータを受信することができ、並列送信を効率よく行うことができ、高いスループットが得られる。

上述の例では、データの信号電力を示すＤを求める際に、受信電力の大きい方からｋ個の和をそれぞれの処理対象の受光素子２１について算出し、その時点で決定できるデータについて、順次決定している。このような方法の他、例えば１つの受光素子に着目し、ＤＵ比が所定値以上となるまで受信電力の大きい方から選択してゆき、ＤＵ比が所定値以上となる最小のｋを求めて、ｋ個の受信電力に対応する光源を、この受光素子で受信するために同じデータを送信するものとして割り当てを決定するように構成することも可能である。この場合、特に隣接する受光素子間でデータの割り当てが重複する可能性があるため、後で調整が必要となる場合がある。

本発明の実施の一形態を示すブロック図である。 本発明の実施の一形態における各光源に対する送信データの割り当て処理の一例を示すフローチャートである。 受光素子と受光素子上の光源の像との関係及びパイロット信号受信後の受信電力の一例の説明図である。 １回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。 ２回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。 ３回目のＤＵ比による送信データ割り当ての具体例の説明図である。 割り当て結果の具体例の説明図である。 イメージセンサの各ピクセルと、イメージセンサに投影されたＬＥＤアレイの像との関係の一例の説明図である。 イメージセンサの各ピクセルと、ＬＥＤに固定的に送信データを割り当てた場合のＬＥＤアレイの像との関係の一例の説明図である。 イメージセンサの各ピクセルと、ＬＥＤに最適に送信データを割り当てた場合のＬＥＤアレイの像との関係の一例の説明図である。

符号の説明

１…送信側装置、２…受信側装置、１１…光源、１２…発光制御部、２１…受光素子、２２…受光処理部。

Claims (2)

1. 複数の光源を含む送信側手段と、複数の受光素子を含む受信側手段を有し、複数の光源から複数のデータを並行して発光光により送信する光通信システムにおいてそれぞれの前記光源から送信するデータを割り当てる送信データ割り当て方法であって、それぞれの光源から順にパイロット信号を送信し、それぞれのパイロット信号について各受光素子で受光して該パイロット信号を送信した光源に対応づけて受信電力を保持し、それぞれの受光素子について、受信電力の大きい方からｋ個の和をＤとし、他の和をＵとするとき、ＤＵ比が所定値より大きい受光素子については当該最大の受信電力に対応する光源を当該受光素子で受信するためのデータを送信するものとして割り当て、ＤＵ比が前記所定値以下の受光素子についてはｋを増加させて、データが割り当てられていない光源に対応する受信電力の和をＤとしてＤＵ比の判定と光源に対するデータの割り当てを行うことを特徴とする送信データ割り当て方法。
2. 複数の光源及び該光源を制御する制御手段を含む送信側装置と、複数の受光素子及び該受光素子における受信電力を検出して前記光源に対する送信データの割り当てを行う処理手段を含む受信側装置を有する光通信システムであって、前記送信側装置の前記制御手段は、それぞれの光源から順にパイロット信号を送信させ、それぞれのパイロット信号について前記受信側装置の各受光素子で受光し、該パイロット信号を送信した光源に対応づけて受信電力を保持しておき、前記処理手段は、それぞれの受光素子について、受信電力の大きい方からｋ個の和をＤとし、他の和をＵとするとき、ＤＵ比が所定値より大きい受光素子については当該最大の受信電力に対応する光源を当該受光素子で受信するためのデータを送信するものとして割り当て、ＤＵ比が前記所定値以下の受光素子についてはｋを増加させて、データが割り当てられていない光源に対応する受信電力の和をＤとしてＤＵ比の判定と光源に対するデータの割り当てを行うことを特徴とする光通信システム。

Images