WO2022167614A1 - Störungsadaptive, optische freiraum-datenkommunikation in innenräumen - Google Patents

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WO2022167614A1
WO2022167614A1 PCT/EP2022/052772 EP2022052772W WO2022167614A1 WO 2022167614 A1 WO2022167614 A1 WO 2022167614A1 EP 2022052772 W EP2022052772 W EP 2022052772W WO 2022167614 A1 WO2022167614 A1 WO 2022167614A1
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WO
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signal
wavelength
light
assigned
wavelength band
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Application number
PCT/EP2022/052772
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Schneider
Roland Lachmayer
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

Definitions

  • the invention relates to a respective transmission or reception device for the optical transmission of a data signal in an interior space with wavelength multiplexing or wavelength modulation.
  • a limited bandwidth is available for radio, which threatens to be overloaded if the number of users increases [1]. This is particularly true indoors, since around 80 percent of the emerging mobile radio communication takes place Indoors [2,3], this is particularly problematic in environments where wireless data transmission is important for production, control or security.
  • devices for production, control or security, or field devices for short are increasingly working at temporary locations, i.e. temporarily at different locations, or are completely mobile and therefore preferably communicate via wireless connections, such as radio connections.
  • wireless connections such as radio connections.
  • interference can occur up to the complete loss of connection, which leads to a complete refusal of service of the corresponding field device [4]. Accordingly, field devices that can communicate wirelessly are required for mobile, industrial production systems, but with regard to the availability, robustness and scalability are just as reliable as wired devices.
  • Radio technologies are being further developed in order to use the available spectrum more efficiently.
  • an even broader spectrum is available if the visible part of the electromagnetic spectrum (350-750 nm, 399-856 THz) were used.
  • This visible spectrum is around 1500 times larger than the radio spectrum (8kHz to 275 GHz) and can also be used for lighting.
  • Communication ie the transmission of data signals, with visible light (visible light communication, VLC) represents a mobile communication technology that can be used in addition to or as a substitute for radio indoors.
  • VLC systems therefore show real-time-damaging latencies of between 0.1 ms up to 0.8 s, and assumed transmission losses derived from this [6],
  • an optical band range can be used for intensity modulation of data that is not, or only slightly, overlaid by ambient light.
  • WDM Wavelength division multiplexing
  • Wavelength multiplexing is an established method of fiber optic communications. Due to the low attenuation in the infrared range (1530-1625 nm), wired wavelength multiplexing is operated with a maximum of 70 channels (so-called dense wavelength division multiplexing, DWDM) [18,19]. Corresponding wavelength sensitive switches (WSS) exist for fiber optic communication. which can separate superimposed signals depending on their respective wavelengths.
  • WSS wavelength sensitive switches
  • the different wavelength beams from a fiber optic array are directed into a dispersive element such as a prism, diffraction grating, or dielectric mirror and coupled with a beam shaping element such as a micromirror array or a Liquid-crystal-on-silicon, a liquid crystal array, coupled to specific spatially separated output glass fibers [20, 21, 22], the WSS are fundamentally wavelength-independent and each glass fiber connection can conduct several wavelengths [23], based on the same principle there are also Devices which selectively superimpose different light sources and possibly different wavelengths at one output in order to achieve a desired spectral composition in the superimposed light [24],
  • This wavelength division multiplexing has also been extended to indoor wireless optical communications, in which the output signal is not coupled into a fiber but directly to a receiving device via free space.
  • a data rate of 4 GBit/s was achieved with 4 different laser light sources and spatially separate coverage areas [25].
  • laser light sources in the infrared and a controllable, spatially separate beam alignment up to 128 users could be networked with up to 112 GBit/s [26].
  • the disadvantage of these multiplex approaches is that the parallel use of the wide optical spectrum is only possible with a correspondingly large number of discrete laser light sources.
  • the band sizes that can be emitted and the distances between the wavelength bands cannot be varied. Therefore, this approach is technically complex and inflexible, and therefore not suitable for practice.
  • wavelength modulation which connects a larger number of users by serializing wireless communication.
  • the perceived colors were mixed in stages with lighting modules with 3 different color LED light sources by changing the respective radiation intensity.
  • the respective color coordinates can be specified according to the CIE color space.
  • communication was carried out with three different users, whereby up to 3000 different users could be distinguished by color nuances according to modulations [12,15].
  • the number of users is comparatively high, this approach is purely due to the lack of parallelism in communication and the limitation to pure Static use cases not suitable for mobile, parallel communication as required in modern industrial production systems.
  • Color intensity modulation converts a data signal, a symbol, into a color.
  • a color value in the CIE color space is assigned to a symbol by superimposing different light intensities.
  • pulse amplitude modulation was implemented and data rates between 96 and 256 Mbit/s were achieved [10,11,13,14,17,27], resonant cavity LED light sources not used for lighting are achieved significantly higher data rates here, so that data rates of up to 11 GBit/s can be achieved with wavelength modulation [16], with tetrachromatic laser light sources data rates of up to 8 to 10 GBit/s could be achieved over a distance of 4 meters, whereby the beams were spatially controlled via swiveling dielectric mirrors [2,28].
  • the wavelength or color intensity modulation is thus already possible with 3 to 4 different primary colors with sufficient coding performance.
  • Tränkle, Günther High Power Laser Diodes: Improvements in Power, Efficiency, and Brilliance (Conference Presentation).
  • the task is therefore to transmit data signals in the visible electromagnetic spectrum with greater efficiency and robustness.
  • the transmission device has a lighting unit, a dispersion element, a filter unit, a homogenization unit and a control unit.
  • the lighting unit is designed to generate a polychromatic light whose spectrum includes the visible range of the electromagnetic spectrum, in particular the wavelength bands described below.
  • it can have one or more LED light sources, for example.
  • the dispersing element is designed for the wavelength-dependent decomposition of the polychromatic light generated by the lighting unit into spatially separate wavelength bands, that is to say colored light components with respectively associated wavelength bands.
  • the wavelength bands can each include related wavelength ranges, but also individual wavelengths in the visible spectrum, as is to be expected, for example, with discrete light sources, for example laser light sources. It is important that the wavelength bands differ in their spectrum in such a way that they are separated by the dispersive element into spatially disjunctive (color) light components.
  • the wavelength bands each preferably have disjoint, coherent spectra.
  • the wavelength bands can each have a width of more than 2 nm, preferably more than 3 nm, and/or a width of less than 10 nm, preferably less than 4 nm.
  • the dispersing element is preferably a passive dispersing element.
  • it can comprise or be a dispersion prism and/or a diffraction grating and/or a dielectric mirror.
  • a dispersion prism there is the advantage that particularly little power is lost and channel widths can be realized that are wide enough for reliable data transmission but narrow enough for a large number of communication channels.
  • the filter unit has spatially separate, electrically switchable filter elements, which are each arranged in the beam path of an associated color light component from the dispersion element, and which are each designed to set a transmission of the associated color light component through the filter unit.
  • the filter elements By appropriately switching the filter elements electrically, the intensities of the different color light components (dispersed wavelength bands) can be transmitted through the filter unit, and the intensities of the different wavelength bands can thus be set for the optical transmission of the data signal.
  • This setting preferably varies over time according to the coding specification explained further below, in particular with a switching frequency of more than 100 Hz or, preferably, more than 1 kHz, or, particularly preferably, more than 1 MHz.
  • Suitable filter elements are, for example, electrochromatic foils and/or liquid crystal cells.
  • the homogenization unit is designed to combine (superimpose) the color light components transmitted through the filter unit into a (chromatic or preferably polychromatic) signal light and to emit the signal light into the interior.
  • the homogenization unit can have one or more hexagonal light guides and/or one or more microlens arrays and/or one or more other collimator elements. A light of defined convergence or divergence can thus be formed so that the color light components dispersed by the dispersion element are superimposed and a homogeneous, white color impression of the signal light is possible for lighting purposes.
  • the control unit is designed to switch the filter elements for the transmission of the data signal as a function of the data signal to be transmitted in accordance with a predetermined or specifiable wavelength multiplexing coding specification and/or wavelength modulation coding specification, with each channel of the coding specification being assigned at least one colored light component whose wavelength band as the signal wavelength band is outside of one or more interference source wavelength bands that are variably stored in the control unit. Interference with the transmission of the data signal by the interference source(s) associated with the interference source wavelength(s) in the interior can thus be counteracted.
  • a channel can thus correspondingly have a plurality of associated color light components, but it can also be associated with a plurality of channels if the coding specification used provides for this.
  • respective effective width i.e. respective total width at a wavelength bands assigned to a channel
  • respective effective width i.e. respective total width at a wavelength bands assigned to a channel
  • wavelength-selective amplitude and phase modulation i.e. wavelength modulation for wireless, optical data signal transmission
  • Exemplary sources of interference include manufacturing processes that produce incandescent light (such as sparks or flames) that interferes with the optical signal, such as grinding or welding.
  • different types of lighting e.g. B. in digital signals, man-machine interfaces or in light-emitting processes such as welding, which can also be considered as a source of interference.
  • the sun which makes a large contribution to the background radiation, can be taken into account here as a further source of interference.
  • the sun (or another of the interference sources mentioned) can saturate a receiver in the wavelength band assigned to the interference source. Manufacturing processes that produce dust with known diffractive properties can also be identified as a source of interference.
  • the interference sources described and preferably taken into account when specifying the interference source wavelength bands can correspondingly be described as additive interference sources which are attributable to external sources and thus occur in addition to interference which is attributable, for example, to reflections of the light generated by the transmission device.
  • the stored interference source wavelength bands are (at least partially) independent of the wavelength bands used for data transmission.
  • the interference source wavelength bands e.g. with knowledge of the manufacturing processes to be expected
  • optical transmission can be adaptively and spectrally resolved for interference sources with specific interference signals, i.e both to sources of interference with time-varying interference signals and to a time-varying occurrence of different sources of interference. Reliable signal transmission is thus achieved even in environments that change over time and have light sources that influence one or more respective communication channels. With With the approach described, it is therefore possible to react effectively to dynamically occupied wavelength bands that prevent reliable data transmission in the systems known to date, and at the same time to use the proven methods of optical communication, namely data transmission using wavelength multiplexing and wavelength modulation.
  • the light used for the optical transmission of the data signal can also be used for lighting at the same time, in that different colored light components are emitted in a suitable manner at the same time into the environment, ie the interior, as is specified in more detail below. It is already sufficient for reliable data transmission if only one of the interconnected color light components, in particular synchronized in intensity transmitted by the filter unit, has a wavelength band outside the existing interference source wavelength bands.
  • the proposed solution is also particularly advantageous in that a compact installation space is combined with low control expenditure, since almost all of the advantages can already be achieved with the filter unit as the only element switched in accordance with the coding specification.
  • the dispersion element and homogenization unit can be designed accordingly as passive elements, and particularly preferably the lighting unit can also have only one technically simple light source for generating a time-constant polychromatic luminous flux. Therefore, a multiplicity of users can also be provided for the optical communication without the need for an equally large number of light sources to be present.
  • the control unit is designed to automatically check, in a checking mode, the variably stored interference source wavelength band(s) and/or the signal wavelength band(s) with regard to their suitability for transmission of the data signal and the stored interference source(s) Adapt wavelength bands to the verification result.
  • the check can be carried out with a detection unit of the transmission device, which is designed for wavelength band-resolved detection of optical interference signals and to store the wavelength bands affected by the detected interference as interference source wavelength bands or to transmit them to the control unit.
  • the check can include a comparison of interference source data that is or will be provided by an external source, for example a corresponding detection unit of an assigned receiving device (as described below). wrote).
  • the interference source data then preferably includes interference source wavelength bands of detected interference, with which the stored interference source wavelength bands are updated. This has the advantage that the flexibility and thus the robustness of the data transmission is increased.
  • the control unit is designed to carry out the check for suitability triggered by a triggering event.
  • the triggering event can include or be a manual triggering and/or the expiration of a predetermined time and/or the provision of interference source data to the control unit by an external source such as the above detection unit.
  • the interference source wavelength bands stored in the control unit are each assigned one or more validity periods, and the control unit is designed, when assigning the channel or channels of the coding specification, only the respective validity period according to the assigned Period of time at the time of transmission valid source of interference wavelength bands of the stored source of interference wavelength bands.
  • the periods of validity can be or include, in particular, recurring periods of validity.
  • the recurring validity periods are preferably daily and/or weekly and/or monthly recurring validity periods.
  • the optical transmission of the data signal can be adapted particularly effectively to a dynamic environment without constantly checking the interference source wavelength bands, since recurring interference can be recorded and stored as a recurring pattern, for example if it is known (or is determined by a corresponding learning algorithm). ) that events in the vicinity of the transmitting device regularly occupy certain wavelength bands at certain times, i.e. emit interference in the respective wavelength band.
  • the validity periods can also be learned by the control unit (or by the detection unit or by another, in particular external, learning unit) by means of a corresponding learning algorithm, so that, for example, the above-mentioned checking of the suitability after setting up the transmitting device in a corresponding environment with increasingly rare as the learning process progresses must be carried out. This further increases the efficiency and reliability of the optical transmission of the data signal.
  • control unit is designed to control the filter unit in such a way that the transmitted colored light components are superimposed and perceived by human observers as white light (white light impression) according to a stored regulation.
  • This can be achieved in particular by superimposing at least two, preferably three or four, color light components.
  • colored light components with wavelength bands in the stored interference source wavelength band(s) are also transmitted by the filter unit and emitted into the interior as part of the signal light.
  • the latter cannot, or at least not reliably, contribute to the transmission of the data signal due to the interference present in the interference source wavelength bands, they compensate for a perceived sparkleness of the colored light components with the signal wavelength bands for the human observer (they correspond to one of the data transmission independent, free parameters for creating the white light impression).
  • the color light components superimposed for the white light impression can be synchronized by the filter unit, which creates additional redundancy and thus increases the robustness even in the case of interference not detected by the stored interference source wavelength bands. This results in the advantage of efficient use of the light energy both for optical communication and for lighting.
  • the lighting unit has an LED light source, in particular a white light LED light source and/or several, preferably four to nine, LED light sources.
  • LED light sources in particular a white light LED light source and/or several, preferably four to nine, LED light sources.
  • This has the advantage of a particularly pronounced energy efficiency, since LED light sources achieve up to 90% radiation efficiency, which is between 30 and 60% more than lasers [29,30.]
  • LED light sources come with a much simpler current and temperature control than laser light sources and, thanks to the approach described here, achieve significantly more channels that can be used in parallel than in the prior art, since the usual disadvantages of LED light sources for optical data transmission do not occur here.
  • a polychromatic light that is perceived as white is preferably generated by the corresponding light sources.
  • the control unit is designed to use the selected coding specification with more channels than light sources, which is possible here in contrast to the prior art thanks to the configuration described above.
  • a further aspect relates to a receiving device for the optical transmission of a data signal in an interior space, having a receiving unit, a dispersion element, a detection unit and a control unit.
  • the receiving unit is designed to receive the (preferably polychromatic) signal light from the transmitting device.
  • the dispersion element which can also be or include a passive dispersion element, for example a dispersion prism, is designed for the wavelength-dependent decomposition of the received polychromatic signal light into spatially separate signal color light components with respectively associated signal wavelength bands.
  • the dispersion element of the receiving device can be designed in accordance with the dispersion element of the transmitting device.
  • the detection unit is designed to detect the signal color light components with wavelength band resolution and to convert the detected signal color light components into the data signal in accordance with the set wavelength multiplexing coding specification of the transmission device and/or the set wavelength modulation coding specification the transmitting device.
  • the control unit in turn is designed to select at least one channel of the specified and thus used coding specification(s) whose at least one signal color light component is to be converted into the data signal, and to control the detection unit depending on the selected channel and the coding specification(s) .
  • optical communication that is robust with respect to sources of interference is thus provided, which is suitable for mobile, i.e. flexible use in dynamically changing (production) environments, and in which a correspondingly higher scalable number of compared to known solutions Users of mobile optical communication is achieved and at the same time a dual use of light energy for optical communication and lighting is possible.
  • the detection unit can have spatially separate detector elements which are each arranged in the beam path of an associated signal color light component for detecting the signal color light component. This can be done, for example, by means of a corresponding array of photodetector elements ments, in particular individual photo-detector elements, can be realized.
  • the detection unit can have a filter unit with spatially separate, electrically switchable filter elements.
  • the filter elements are each arranged in the beam path of an assigned signal I-color light component and are assigned to a single, in particular single, detector element, for example a single photodetector element, which is used to detect the different signals filtered by the filter unit. Lichtantei le is formed. While the different signal color light components can be detected in parallel in the first variant, this is done serially in the second variant. Both variants are equally advantageous for the optical transmission of the data signal in a flexible, reliable and efficient manner.
  • control unit is designed for wavelength-band-resolved detection of interference, for example noise, and/or signals, for example the data signals mentioned, in the light received by the receiving unit. This can be done, for example, by means of a check mode of the control unit that can be activated.
  • the control unit is then designed to store the interference source wavelength bands assigned to the respective disturbances as interference source data and/or the signal wavelength bands assigned to the respective signals, alternatively or additionally designed to store the interference source wavelength bands assigned to the respective disturbances as interference source data and/or the signal wavelength bands assigned to the respective signals to be transmitted to the control unit of the transmitting device.
  • control unit of the transmission device can also be designed to detect interference and/or signals in a wavelength band-resolved manner in a light received from an associated detection unit and to store the interference source wavelength bands associated with the respective interference and/or the signal wavelength transmitters associated with the respective .
  • This has the advantage that the transmitting or receiving device can determine, analogously to a spectrometer, a band occupancy relevant to the respective environment, i.e. for the interior in which data signals are to be transmitted, and thus adaptively spectrally with a corresponding adjustment of the transmission of the data signal can be resolved to react to respective sources of interference, so that a robust communication is achieved.
  • a further aspect relates to a system for the optical transmission of a data signal in an interior space, with at least one of the transmission devices described and at least one of the receiving devices described.
  • a further aspect relates to a method for the optical transmission of a data signal in an interior.
  • One method step here is wavelength-band-resolved detection of one or more disturbances in a light in the interior space, ie wavelength-resolved detection of optical disturbances. This can be implemented as a one-time, initial start routine, or else recurring for dynamic adaptation to the respective environment.
  • a further method step is storing (storing) at least one, ie one or more, wavelength band assigned to the respective interference as the respective interference source wavelength band.
  • a further method step is the generation of a polychromatic light, followed by a wavelength-dependent decomposition of the generated polychromatic light into spatially separate color light components, each with associated wavelength bands.
  • a method step is also selecting at least one channel of a wavelength multiplexing coding specification and/or a wavelength modulation coding specification, with each channel of the coding specification being assigned at least one color light component whose wavelength band is outside the at least one stored interference source as a signal wavelength band -wavelength band lies.
  • a further method step is receiving the signal light and wavelength-dependent decomposition of the received signal light into spatially separate signal color light components, with at least one signal I color light component being assigned a respective signal wavelength band. This is followed by a wavelength band-resolved detection of the at least one signal color light component to which a signal wavelength band is assigned, ie one or more, preferably all signal color light components to which a signal wavelength band is assigned. Finally, as a further method step, the at least one detected signal color light component assigned to the selected channel in the signal wavelength band is converted into the data signal according to the selected coding specification.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of an exemplary embodiment of a transmission device
  • FIG. 2 shows a schematic structure of an exemplary embodiment of a receiving device
  • the transmitting device 1 shown in FIG. 1 for the optical transmission of a data signal in an interior has a lighting unit 2 which is designed to generate a polychromatic light 3 . Furthermore, the transmission device 1 has a dispersion element 4, which is designed here as a passive dispersion element in the form of a prism and which is used for the wavelength-dependent decomposition of the generated polychromatic light 3 into spatially separate color light components 5a to 5d, each with assigned wavelength bands. In the present case, each of the color light components 5a to 5d thus consists of light from disjunctive spectral bands.
  • the filter unit 6 of the transmitting device 1 has spatially separate, electrically switchable filter elements 7a to 7d, which are each arranged in the beam path of an associated colored light component 5a to 5d, and which are each used to set a transmission of the associated colored light component 5a to 5d through the filter unit 6 are trained.
  • the first and the third filter element 7a, 7c block the first and third colored light component 5a, 5c, so that at the time shown only the second and fourth colored light component 5b, 5d are sent to a homogenization unit 8 of the transmission device 1 to get redirected. This is for merging the transmitted through the filter unit 6 color light components 5b, 5d in a preferably polychromatic, here dichroic signal light 9 and designed to emit the signal light 9 into the interior.
  • the transmission device 1 also has a control unit 10 which is designed to switch the filter elements 7a to 7d in a time-varying manner for the transmission of the data signal depending on the data signal to be transmitted in accordance with a wavelength multiplexing coding specification or wavelength modulation coding specification.
  • a control unit 10 which is designed to switch the filter elements 7a to 7d in a time-varying manner for the transmission of the data signal depending on the data signal to be transmitted in accordance with a wavelength multiplexing coding specification or wavelength modulation coding specification.
  • At least one color light component 5a to 5d is assigned to each channel of the coding specification, the wavelength band of which lies as a signal wavelength band outside of one or more interference source wavelength bands stored variably in the control unit.
  • an individual number of wavelength bands can be selected in an electrically controllable manner and used for wavelength multiplexing or for wavelength modulation.
  • the receiver shown in FIG. 2 as receiving device 20 is constructed analogously to the emitter from FIG. There, the signal light 9 is received by a receiving unit (not shown) and broken down by a dispersive optical element, a dispersive element 21, present in the form of a dispersive prism, into spatially separate signal-color light components 22a to 22d, depending on the wavelength, and finally by a detection unit 23, which is designed for wavelength-band-resolved detection of the signal color light components 22a to 22d.
  • detection unit 23 has a filter unit 24 with spatially separate, electrically switchable filter elements 25a to 25d, which are each arranged in the beam path of an associated colored light component 22a to 22d, and a single detection element 26, which in the example shown is designed for common Detecting all of the signal color light components 22b and 22d filtered by the filter unit 24.
  • a corresponding control unit 27 of the receiving device 20 is designed to select at least one channel of the selected wavelength multiplexing coding specification and/or the selected wavelength modulation coding specification, the at least one associated signal color light component 22b and 22d of which is included in the data signal is to be converted, as well as for controlling the detection unit 23, here the filter unit 24, depending on the selected channel and the selected coding rule.
  • the detection unit 26 can then convert the signal color light components 22b, 22d detected in accordance with the selected channel into the data signal in accordance with the selected coding specification.
  • the optical signal light 9 is thus initially dispersed and then locally selected in the same way as in the transmitting device, so that the incoming radiation, the signal light 9, can be filtered into wavelength bands.
  • the filtered radiation, the color light components 22b, 22d, then strikes the photodetector as a detector element 26, where the modulated useful signal of the transmitting device is recovered by means of the control unit 27.
  • the transmitting device and receiving device are optionally operated adaptively to the environment, as shown in FIG.
  • the receiving device 20 acts as a spectrometer in an initial start routine.
  • the band occupancy with interference and already used channels of the selected coding rule is determined here at the receiving device 20 .
  • This check can be carried out in the entire spectrum and across the entire spectrum in order to record and store a spectral distribution of local interference sources.
  • the corresponding interference source data and/or the signal wavelength bands assigned to the signals can be transmitted to the transmission device via a data interface.
  • the transmission device 1 sets the filter unit 6 to transmit data signals in accordance with the band occupancy stored in the interference source data in such a way that the data signal is transmitted on free wavelength bands.
  • the receiving device 20 sets the channels to the still free spectrum of the available wavelength bands in an analogous manner.
  • step B for example, the corresponding band N is set in the filter unit 24, and then for the respective band N either a disturbance according to step C or a signal transmission according to step C' is detected if the band is occupied.
  • the band occupancy which contains information about wavelength bands used by interference and/or signals, and thus wavelength bands that can be used for transmitting data signals, is then stored in method step D for the respective band. Steps B, C, C', D are then repeated for all wavelength bands which are used by the receiving device 20 for the optical transmission of the data signal in come question, carried out.
  • the band occupancy is then transmitted to the transmitting device 1 in method step E, for example in the form of interference source data.
  • step F it is determined during a check of the modifiably stored interference source wavelength bands that a specific band M is occupied, then this is stored as an interference source wavelength band (possibly still) and correspondingly blocked in step G for the optical transmission of the data signal. However, if the respective band M is not occupied, the corresponding wavelength band is released as a usable wavelength band in method step G′, for example deleted from the list of stored interference source wavelength bands if it was entered there.
  • method step H it is then checked whether all provided bands IVI have been checked, and if not, method steps F and G or G′ and H are carried out again for band M+1. If all bands have been checked, the optical transmission of the data signal can then be started in method step J, and the checking of the wavelength bands with regard to their suitability for transmission of the data signal can be ended with method step K.
  • exemplary intensity curves x, x′, y for disturbances and data transmissions are shown as a function of the wavelength ⁇ .
  • the disturbances represented by the intensity curves x, x' do not exceed a predetermined limit A, optically transmits data signals corresponding to the intensity curve y.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit einem wellenlängenbandaufgelösten Erfassen von einer oder mehreren Störungen im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum, in dem Innenraum; einem Hinterlegen zumindest eines den jeweiligen Störungen zugeordneten Wellenlängenbandes als Störquellen-Wellenlängenband; einem Erzeugen eines polychromatischen Lichtes (3); einem wellenlängenabhängiges Zerlegen des erzeugten polychromatischen Lichtes (3) in räumlich getrennte Farb-Lichtanteile (5a-5d) mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern; einem Auswählen zumindest eines Kanals einer Kodiervorschrift, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil (5a-5d) zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb des zumindest einen hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbandes liegt; einem zeitlich variierendes Filtern der dem gewählten Kanal zugeordneten Farb-Lichtanteile (5a-5d) in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift; einem Zusammenführen der gefilterten Farb-Lichtanteile (5b, 5d) in ein Signal-Licht (9); einem Abstrahlen des Signal-Lichtes (9) in den Innenraum; einem Empfangen des Signal-Lichtes (9); einem wellenlängenabhängiges Zerlegen des empfangenen Signal-Lichtes (9) in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile (22a-22d), wobei zumindest einem Signal-Farb-Lichtanteil (22a-22d) ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist; und einem wellenlängenbandaufgelöstes Detektieren des zumindest einen Signal-Farb-Lichtanteils (22b, 22d), dem ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist; einem Umwandeln des zumindest einen detektierten Signal-Farb-Lichtanteils (22b, 22d) in das Datensignal gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift, um flexibel Datensignale im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum mit höherer Effizienz und Robustheit zu übermitteln.

Description

Störungsadaptive, optische Freiraum-Datenkommunikation in Innenräumen
Die Erfindung betrifft eine jeweilige Sende- bzw. Empfangseinrichtung zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum mit Wellenlängen- Multiplexing oder Wellenlängen-Modulation.
Hintergrund:
Dem Funk steht eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung, welcher bei steigender Anzahl von Nutzern Überlastung droht [1], Dies gilt besonders in Innenräumen, da etwa 80 Prozent der aufkommenden Mobil-Funk-Kommunikation aus Innenräumen stammt [2,3], Dies ist vor allem in Umgebungen problematisch, in denen eine drahtlose Datenübertragung wichtig für die Produktion, Steuerung oder Sicherheit ist. Es arbeiten in industriellen Anwendungen Geräte der Produktion, Steuerung oder Sicherheit, kurz Feldgeräte, zunehmend an temporären Standorten, das heißt vorübergehend an unterschiedlichen Standorten, oder aber vollständig mobil und kommunizieren daher vorzugsweise über drahtlose Verbindungen, wie beispielsweise eben Funkverbindungen. In Folge der zunehmenden Nutzung der Frequenzen, können hier jedoch Störungen bis zum vollkommenden Verbindungsverlust auftreten, was zu einer vollständigen Dienstverweigerung des entsprechenden Feldgerätes führt [4], Entsprechend sind für mobile, industrielle Produktionssysteme Feldgeräte erforderlich, die drahtlos kommunizieren können, jedoch in Bezug auf die Verfügbarkeit, Robustheit und Skalierbarkeit ebenso zuverlässig sind wie verkabelte Geräte.
Funktechnologien werden weiterentwickelt, um das verfügbare Spektrum effizienter zu nutzen. Allerdings ist ein noch breiteres Spektrum verfügbar, wenn der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums (350-750 nm, 399- 856 THz) verwendet würde. Dieses sichtbare Spektrum ist etwa 1500 mal größer als das Funkspektrum (8kHz bis 275 GHz) und kann gleichzeitig zur Beleuchtung genutzt werden. Die Kommunikation, das heißt die Übermittlung von Datensignalen, mit sichtbarem Licht (visible light communication, VLC) stellt eine Mobil- Kommunikationstechnologie dar, die ergänzend oder ersatzweise zum Funk in Innenräumen angewendet werden kann.
Problematisch ist, dass in industriellen Umgebungen bereits große Bandbereiche des sichtbaren Spektrums belegt werden, da künstliche Lichtquellen und lichterzeugende Prozesse störend in wechselnden Wellenlängenbändern optische Nutzsignale überlagern [5], In industriellen Umgebungen zeigen VLC-Sys- teme daher echtzeitschädliche Latenzen zwischen 0,1 ms bis 0,8 s, und davon abgeleitet vermutliche Übertragungsverluste [6],
Obwohl der sichtbaren, optischen Freiraumkommunikation ein größeres Spektrum zur Verfügung steht, bleibt die Effizienz der Bandnutzung deutlich hinter der Funk-Kommunikation zurück: So wird in Europa der (Funk-) Frequenzbereich zwischen 8 kHz bis 275 GHz im Jahr 2019 in 2136 verschiedene Funkfrequenzbänder unterteilt [7], Hingegen werden in der sichtbaren optischen Freiraumkommunikation typischerweise nur 7 verschiedene Wellenlängenbänder definiert [8], Dies ist unter anderem darin begründet, dass das gezielte Erzeugen von unterschiedlichen Lichtwellenbändern für die Signalübertragung im Vergleich zur Erzeugung von unterschiedlichen Funkwellenbändern aufwendiger ist und im Gegensatz zum Funk jeweilige diskrete Bauteile erfordert, welche dann -wie beispielsweise LEDs (Lichtemittierende Dioden) mit einer Halbwertsbreite von mehr als 20 nm- meist sehr breite Lichtwellenbänder anregen. So werden aufgrund der Marktdurchdringung von tri- und tetrachromatischen LEDs in bisherigen Arbeiten zur optischen Freiraumkommunikation nur 3 bis 4 Wellenlängenbänder verwendet [10-17],
Insgesamt werden so bei der VLC deutlich weniger Kommunikationskanäle als im Funk eingesetzt, obwohl grundsätzlich ein größeres Spektrum zur Verfügung stünde. Entgegen des grundsätzlichen Potenzials ist die aktuelle VLC-Technolo- gie somit nicht in der Lage, eine größere Zahl an Kommunikationskanälen, beispielsweise 21 oder mehr Kommunikationskanäle, bereitzustellen. Auch führen typische, lichterzeugende Verfahrensprozesse (z.B. Schweißen) zu Bandüberlagerungen im optischen Bereich, wodurch das elektrisch modulierte Nutzsignal überlagert wird. Da die Überlagerung auch ein dynamisches Verhalten (sog. Flackern) bis in den Frequenzbereich des Nutzsignals aufweist, ist ein drastischer Einbruch der maximalen Kanalkapazität von VLC Systemen zu beobachten.
Um die Verlässlichkeit der Kommunikation mit sichtbarem Licht zu verbessern, können zur Intensitätsmodulation von Daten ein optischer Bandbereich genutzt werden, der nicht, oder wenig durch Umgebungslicht überlagert wird.
Bei diesen als Multiplexing-Verfahren bezeichneten Methoden werden grundsätzlich mehrere verschieden Signale ohne gegenseitige Beeinflussung simultan und gemeinsam übertragen [18], Beim Frequenz-Multiplexing (frequency division multiplexing, FDM) steht jedem Signal eine eigene Frequenz zur Verfügung. Wellenlängen-Multiplexing (wavelenght division multiplexing, WDM) ist eine Variante des FDM, bei dem die Trägerfrequenzen im optischen Bereich liegen.
Das Wellenlängen-Multiplexing ist eine etablierte Methode der Glasfaserkommunikation. Drahtgebunden wird Wellenlängen-Multiplexing wegen der geringen Dämpfung im Infrarotberecih (1530-1625 nm) mit maximal 70 Kanälen (so genannte dense wavelenght division multiplexing, DWDM) betrieben [18,19], Für die Glasfaserkommunikation existieren entsprechende Wellenlängen Sensitive Switches (WSS), welche überlagerte Signale in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Wellenlänge trennen können. Typischerweise werden die Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge aus einem Glasfaserarray in ein dispersives Element wie ein Prisma, ein Diffraktionsgitter oder einen dielektrischen Spiegel geleitet und mit einem Strahlformungselement wie einen Mikrospiegelarray oder einen Liquid-Cristal-on-Silicon, einem Flüssigkristallarray, auf spezifische räumlich getrennte Ausgangsglasfasern gekoppelt [20, 21, 22], Dabei sind die WSS grundsätzlich Wellenlängenunabhängig und jeder Glasfaseranschluss kann mehrere Wellenlängen leiten [23], Auf dem gleichen Prinzip basierend gibt es ebenfalls Geräte, welche lichtunterschiedlicher Quellen und gegebenenfalls unterschiedlicher Wellenlängen gezielt an einem Ausgang überlagern, um eine gewünschte spektrale Zusammensetzung in dem überlagerten Licht zu erreichen [24],
Dieses Wellenlängen-Multiplexing wurde auch auf die drahtlose optische Kommunikation in Innenräumen übertragen, in dem das Ausgangssignal nicht in eine Faser gekoppelt wurde, sondern über den freien Raum direkt auf ein Empfangsgerät. So wurde mit 4 verschiedenen Laser-Lichtquellen und räumlich getrennten Abdeckungsbereich eine Datenrate von 4 GBit/s realisiert [25], Mit Laserlichtquellen im Infrarot und einer steuerbaren, räumlich getrennten Strahlausrichtung könnten so bis zu 128 Nutzer mit bis zu 112 GBit/s vernetzt werden [26], Nachteilig an diesen multiplexen Ansätzen ist hier jedoch, dass die parallele Nutzung des breiten optischen Spektrums nur mit einer entsprechend großen Anzahl an diskreten Laserlichtquellen möglich ist. Auch können hier technologiebedingt die emittierbaren Bändergrößen und die Distanzen der Wellenlängenbänder zueinander nicht variiert werden. Daher ist dieser Ansatz technisch aufwändig und unflexibel, mithin für die Praxis nicht geeignet.
Ein anderer Ansatz ist die Wellenlängen-Modulation, welche durch eine Seria- lisierung der Drahtloskommunikation eine höhere Anzahl an Nutzern vernetzt. So wurden mit Beleuchtungsmodulen mit 3 unterschiedlichen Farb-LED-Licht- quellen durch Veränderung der jeweiligen Strahlungsintensität die wahrgenommenen Farben in Stufen gemischt. Dabei können die jeweiligen Farbkoordinaten entsprechend dem CIE-Farbraum vorgegeben werden. Praktisch wurde so mit drei unterschiedlichen Nutzern kommuniziert, wobei gemäß Modulationen bis zu 3000 verschiedene Nutzer durch Farbnuancen unterscheidbar wären [12,15], Obwohl die Anzahl an Nutzern vergleichsweise hoch ist, ist dieser Lösungsansatz aufgrund der fehlenden Parallelität der Kommunikation sowie der Begrenzung auf rein statische Anwendungsfälle nicht geeignet für mobile, parallele Kommunikation wie sie in modernen industriellen Produktionssystemen erforderlich ist.
Eine Farbintensitätsmodulation (Colour Shift Keying, CSK) wandelt ein Datensignal, ein Symbol, in eine Farbe um. Mittels der Wellenlängen- oder Farbintensitätsmodulation wird ein Farbwert im CIE-Farbraum somit durch Überlagerung von unterschiedlichen Lichtintensitäten einem Symbol zugeordnet. Mit tri- und tetrachromatischen LED- Lichtquellen wurde so eine Puls-Amplituden-Modula- tion umgesetzt und Datenraten zwischen 96 und 256 Mbit/s realisiert [10,11,13,14,17,27], Resonanzkavitäts-LED-Lichtquellen, welche nicht zur Beleuchtung genutzt werden, erreichen hier deutlich höhere Datenraten, sodass mit Wellenlängen-Modulation Datenraten von bis zu 11 GBit/s erreicht werden können [16], Mit tetrachromatischen Laserlichtquellen konnten über 4 Meter Distanz Datenraten von bis zu 8 bis 10 GBit/s erreicht werden, wobei die Strahlen über schwenkbare dielektrische Spiegel räumlich gesteuert wurden [2,28], Die Wellenlängen- oder Farbintensitätsmodulation ist somit bereits mit 3 bis 4 verschiedenen Grundfarben in ausreichender Kodierleistung möglich.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Ein Aspekt betrifft eine Sendeeinrichtung zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum. Die Sendeeinrichtung weist eine Leuchteinheit, ein Dispersionselement, eine Filtereinheit, eine Homogenisiereinheit und eine Steuereinheit auf.
Die Leuchteinheit ist ausgebildet zum Erzeugen eines polychromatischen Lichtes, dessen Spektrum den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums umfasst, insbesondere die unten beschriebenen Wellenlängenbänder. Dazu kann sie beispielsweise eine oder mehrere LED-Lichtquellen aufweisen. Das Dispersionselement ist ausgebildet zum wellenlängenabhängigen Zerlegen des von der Leuchteinheit erzeugten, polychromatischen Lichtes in räumlich getrennte Wellenlängenbänder, das heißt Farb-Lichtanteile mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern. Die Wellenlängenbänder können dabei jeweils zusammenhängende Wellenlängenbereiche umfassen, aber auch einzelne Wellenlängen im sichtbaren Spektrum wie dies beispielsweise bei diskreten Lichtquellen, beispielsweise Laser-Lichtquellen, zu erwarten ist. Wichtig ist, dass die Wellenlängenbänder sich in ihrem Spektrum derart unterscheiden, dass sie vom Dispersionselement in räumlich disjunkte (Färb-) Lichtanteile aufgetrennt werden. Entsprechend weisen die Wellenlängenbänder jeweils bevorzugt disjunkte zusammenhängende Spektren auf. Insbesondere können die Wellenlängenbänder eine Breite von jeweils mehr als 2nm, bevorzugt mehr als 3 nm, haben und/oder eine Breite von weniger als lOnm, bevorzugt weniger als 4nm. Das Dispersionselement ist bevorzugt ein passives Dispersionselement. Es kann beispielsweise ein Dispersionsprisma und/oder ein Defraktionsgitter und/oder einen dielektrischen Spiegel umfassen, oder ein solches oder ein solcher sein. Bei der Verwendung eines Dispersionsprismas ergibt sich der Vorteil, dass besonders wenig Leistung verloren geht und Kanalbreiten realisiert werden können, die breit genug für eine verlässliche Datenübermittlung, jedoch schmal genug für eine große Zahl von Kommunikationskanälen sind.
Die Filtereinheit weist räumlich getrennte, elektrisch schaltbare Filterelemente auf, welche jeweils im Strahlengang eines zugeordneten Farb-Lichtanteils aus dem Dispersionselement angeordnet sind, und welche jeweils ausgebildet sind zum Einstellen einerTransmission des zugeordneten Farb-Lichtanteils durch die Filtereinheit. Durch ein entsprechendes elektrisches Schalten der Filterelemente können somit die Intensitäten der unterschiedlichen Farb-Licht-Anteile (dispergierten Wellenlängenbänder) durch die Filtereinheit transmittiert werden, und somit Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängenbänder für das optische Übermitteln des Datensignals eingestellt werden. Dieses Einstellen erfolgt dabei bevorzugt zeitlich variierend entsprechend der weiter unten erläuterten Kodiervorschrift, insbesondere mit einer Schaltfrequenz von mehr als 100 Hz oder, bevorzugt von mehr als 1 kHz, oder, besonders bevorzugt, von mehr als 1 MHz. Dadurch wird ein bewusstes, bzw. sogar unbewusstes Wahrnehmen des über das Filtern erreichten zeitlichen Modulierens der unterschiedlichen Farb-Lichtanteile des Lichtes bzw. dann des Signal-Lichtes (s.u.), welches sich in einem entsprechenden zeitlich Variieren der Amplituden der jeweiligen Farb-Lichtanteile ausdrückt, vermieden. Geeignete Filterelemente sind beispielsweise elektrochromatische Folien und/oder Flüssigkristallzellen.
Die Homogenisiereinheit ist ausgebildet zum Zusammenführen (Überlagern) der durch die Filtereinheit transmittierten Farb-Lichtanteile in ein (chromatisches oder bevorzugt polychromatisches) Signal-Licht, sowie zum Abstrahlen des Signal-Lichtes in den Innenraum. Die Homogenisiereinheit kann insbesondere einen oder mehrere hexagonale Lichtleiter und/oder ein oder mehrere Mikrolinsenarrays und/oder ein oder mehrere sonstige Kollimatorelemente aufweisen. Damit kann ein Licht definierter Konvergenz bzw. Divergenz geformt werden, sodass die vom Dispersionselement dispergierten Farb-Lichtanteile überlagert werden und ein homogener, weißer Farbeindruck des Signal-Lichtes für Beleuchtungszwecke möglich ist.
Die Steuereinheit ist ausgebildet, für das Übermitteln des Datensignals die Filterelemente in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß einer vorgegebenen oder vorgebbaren Wellenlängen-Multiplexing-Kodiervorschrift und/oder Wellenlängen-Modulations-Kodiervorschrift zu schalten, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb eines oder mehrerer in der Steuereinheit veränderbar hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder liegt. Damit kann einem Stören des Übermittelns des Datensignals durch der oder den Störquellen-Wellenlängen zugeordnete Störquellen in dem Innenraum entgegengewirkt werden. Ein Kanal kann somit entsprechend mehrere zugeordnete Farb-Lichtanteile haben, es kann aber auch, wenn die verwendete Kodiervorschrift das vorsieht, ein Farb-Lichtanteil mehreren Kanälen zugeordnet sein. Es kann somit elektrisch steuerbar eine individuelle Anzahl und darüber jeweilige effektive Breite, das heißt jeweilige Gesamt-Breite an ei- nem Kanal zugeordneten Wellenlängenbändern ausgewählt und zum Wellen- längen-Multiplexing verwendet werden. Da sowohl die Strahlungsstärke der Leuchteinheit zeitlich variiert werden kann, als auch die Transmission der räumlich getrennten Filterelemente, ist auch eine Wellenlängenselektive Amplituden- und Phasenmodulation, sprich eine Wellenlängen-Modulation für die drahtlose, optische Datensignalübermittlung möglich.
Beispielhafte Störquellen umfassen Fertigungsprozesse bei welchen glühendes Licht (wie Funken oder Flammen), das das optische Signal stört, entsteht, zum Beispiel Schleifen oder Schweißen. Darüber hinaus werde in industriellen Umgebungen unterschiedliche Beleuchtungen, z. B. bei digitalen Signalen, Mensch-Maschine-Schnittstellen oder bei Licht emittierenden Prozessen wie Schweißen, genutzt, welche ebenfalls als Störquelle in Betracht gezogen werden können. Vor allem die Sonne, die einen großen Beitrag zur Hintergrundstrahlung leistet, kann hier als weitere Störquelle berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Sonne (oder auch eine andere der genannten Störquellen) einen Empfänger in dem der Störquelle zugeordneten Wellenlängenband sättigen. Auch Fertigungsprozesse, bei welchen Staub mit bekannten diffraktiven Eigenschaften entsteht, kann als Störquelle identifiziert berücksichtigt werden.
Die beschriebenen und bevorzugt bei der Vorgabe der Störquellen-Wellenlängenbänder berücksichtigten Störquellen können entsprechend als additive Störquellen beschrieben werden, welche auf externe Quellen zurückzuführen sind und somit zusätzlich zu Störungen, welche beispielsweise auf Reflexionen des von der Sendeeinrichtung erzeugten Lichtes zurückzuführen sind, auftreten. Insbesondere sind die hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder (zumindest teilweise) unabhängig von den für die Datenübermittlung genutzten Wellenlängenbänder. Beispielsweise können die Störquellen-Wellenlängenbänder (z.B. in Kenntnis zu erwartender Fertigungsprozesse) vor und damit unabhängig von der Datenübermittlung hinterlegt bzw. vorgegeben werden.
Durch die dynamisch hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder und die entsprechende Anpassung der für die Übermittlung des Datensignals entsprechend der gewählten Kodiervorschrift genutzten Farb-Lichtanteile (welche für die Übermittlung genutzten Wellenlängenbändern entsprechen) kann bei der optischen Übermittlung adaptiv und spektral aufgelöst auf Störquellen mit spezifischen Störsignalen, also sowohl auf Störquellen mit zeitlich variierenden Störsignalen als auch auf ein zeitlich variierendes auftreten unterschiedlicher Störquellen, reagiert werden. Somit wird eine verlässliche Signalübermittlung auch in zeitlich veränderlichen Umgebungen, die Lichtquellen mit Einfluss auf einen oder mehrere jeweilige Kommunikationskanäle aufweisen, erreicht. Mit dem beschriebenen Ansatz kann daher effektiv auf dynamisch belegte Wellenlängenbänder, die in den bisher bekannten Systemen die verlässliche Datenübertragung verhindern, reagiert werden und zugleich auf die bewährten Methoden der optischen Kommunikation, nämlich Datenübermittlung mittels Wellenlängen-Multiplexing und Wellenlängen-Modulation zurückgegriffen werden.
Das zur optischen Übermittlung des Datensignals genutzte Licht kann dabei auch gleichzeitig zur Beleuchtung genutzt werden, indem unterschiedliche Farb-Lichtanteile in geeigneter Weise zugleich in die Umgebung, also den Innenraum, abgestrahlt werden, wie dies weiter unten noch genauer spezifiziert ist. Dabei ist es für die verlässliche Datenübertragung bereits ausreichend, wenn nur einer der zusammengeschalteten, insbesondere von der Filtereinheit transmittierten Intensität synchronisierten, Farb-Lichtanteile ein Wellenlängenband außerhalb der vorhandenen Störquellen-Wellenlängenbänder hat. Die vorgeschlagene Lösung ist auch insofern besonders vorteilhaft, als dass ein kompakter Bauraum mit geringem Steueraufwand kombiniert wird, da fast alle Vorteile bereits mit der Filtereinheit als einziges gemäß der Kodiervorschrift geschaltetem Element erreicht werden können. Insbesondere können Dispersionselement und Homogenisiereinheit entsprechend als passive Elemente ausgeführt sein, und besonders bevorzugt auch die Leuchteinheit lediglich eine technisch einfache Lichtquelle zum Erzeugen eines zeitlich konstanten polychromatischen Lichtstroms aufweisen. Daher kann auch eine Vielzahl von Nutzern für die optische Kommunikation vorgesehen sein, ohne dass entsprechend eine gleich große Anzahl von Lichtquellen vorhanden sein muss.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, in einem Überprüfungsmodus das oder die veränderbar hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder und/oder das oder die Signal-Wellenlängenbänder automatisch hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Übermittlung des Datensignals zu überprüfen und das oder die hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder an das Überprüfungsergebnis anzupassen. Das Überprüfen kann dabei mit einer Detektionseinheit der Sendeeinrichtung erfolgen, welche zum wellenlängenbandaufgelösten Detektieren von optischen Störsignalen ausgebildet ist, und die von den detektierten Störungen betroffenen Wellenlängenbänder als Störquellen-Wellenlängenbänder abzuspeichern oder an die Steuereinheit zu übermitteln. Alternativ oder ergänzend kann das Überprüfen ein Vergleichen von Störquellendaten umfassen, welche von einer externen Quelle bereit gestellt sind oder werden, beispielsweise einer entsprechenden Detektionseinheit einer zugeordneten Empfangseinrichtung (wie weiter unten be- schrieben). Die Störquellendaten umfassen dann bevorzugt Störquellen-Wellenlängenbänder detektierter Störungen, mit welchen die hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder aktualisiert werden. Das hat den Vorteil, dass die Flexibilität und damit Robustheit der Datenübermittlung erhöht wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, das Überprüfen hinsichtlich der Tauglichkeit durch ein Auslöseereignis ausgelöst vorzunehmen. Das Auslöseereignis kann insbesondere ein manuelles Auslösen und/oder ein Ablauf einer vorgegebenen Zeit und/oder ein Bereitstellen von Störquellendaten an die Steuereinheit durch eine externe Quelle wie obige Detektionseinheit umfassen oder sein. Das hat den Vorteil, dass die Robustheit nochmals verbessert wird, insbesondere kann so durch ein regelmäßiges, beispielsweise minütliches, stündliches oder tägliches Überprüfen der Störquellendaten ein automatisches Anpassen der hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder an eine tatsächliche Umgebung vorgenommen werden, und so Zuverlässigkeit und Effizienz der Datenübermittlung weiter gesteigert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass den in der Steuereinheit hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbändern jeweils ein cider mehrere Gültigkeits-Zeiträume zugeordnet sind, und die Steuereinheit ausgebildet ist, bei dem Zuordnen des oder der Kanäle der Kodiervorschrift nur die jeweils gemäß dem zugeordneten Gültigkeits-Zeitraum zum Zeitpunkt des Übermittelns gültigen Störquellen-Wellenlängenbänder der hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder zu berücksichtigen. Dabei können die Gültigkeits- Zeiträume insbesondere wiederkehrende Gültigkeits-Zeiträume sein oder umfassen. Bevorzugt sind die wiederkehrenden Gültigkeits-Zeiträume täglich und/oder wöchentlich und/oder monatlich wiederkehrende Gültigkeits-Zeiträume. Dadurch kann das optische Übermitteln des Datensignals auch ohne fortwährendes Überprüfen der Störquellen-Wellenlängenbänder besonders effektiv auf eine dynamische Umgebung angepasst werden, da so beispielsweise wiederkehrende Störungen als wiederkehrendes Muster erfasst und hinterlegt werden können, beispielsweise wenn bekannt ist (oder durch einen entsprechenden Lernalgorithmus ermittelt wird), dass Ereignisse in der Umgebung der Sendeeinrichtung regelmäßig zu bestimmten Zeiten bestimmte Wellenlängenbänder belegen, das heißt Störungen in dem jeweiligen Wellenlängenband ausstrahlen. Die Gültigkeits-Zeiträume können insbesondere auch mittels eines entsprechenden Lernalgorithmus durch die Steuereinheit (oder durch die Detektionseinheit oder durch eine sonstige, insbesondere externe, Lerneinheit) gelernt werden, so dass beispielsweise das oben genannte Überprüfen der Tauglichkeit nach Einrichten der Sendeeinrichtung in einer entsprechenden Umgebung mit zunehmendem Fortschreiten des Lernprozesses immer seltener ausgeführt werden muss. Damit wird die Effizienz und Zuverlässigkeit des optischen Übertragens des Datensignals weiter erhöht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, die Filtereinheit derart zu steuern, dass die transmit- tierten Färb- Lichtanteile überlagert gemäß einer hinterlegten Vorschrift von menschlichen Betrachtern als weißes Licht wahrgenommen werden (Weißlichteindruck). Dies kann insbesondere erreicht werden, indem zumindest zwei, bevorzugt drei oder vier Farb-Lichtanteile überlagert werden. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Farb-Lichtanteilen mit den Signal-Wellenlängenbändern auch Farb-Lichtanteile mit Wellenlängenbändern in dem oder den hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbändern von der Filtereinheit transmittiert und als Teil des Signal-Lichtes in den Innenraum abgestrahlt werden. Dabei können letztere zwar aufgrund der in den Störquellen- Wellenlängenbändern vorhandenen Störungen nicht oder zumindest nicht verlässlich zum Übermitteln des Datensignals beitragen, jedoch kompensieren sie für den menschlichen Betrachter eine wahrgenommene Farbigkeit der Farb- Lichtanteile mit den Signal-Wellenlängenbändern (sie entsprechen einem von der Datenübertragung unabhängigen, freien Parameter für der Erzeugen des Weißlichteindrucks). Insbesondere könnend die für den Weißlichteindruck überlagerten Farb-Lichtanteile durch die Filtereinheit synchronisiert werden, was eine zusätzliche Redundanz erzeugt und damit auch bei nicht von den hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbändern erfassten Störungen die Robustheit erhöht. Es ergibt sich der Vorteil einer effizienten Nutzung der Lichtenergie sowohl zur optischen Kommunikation als auch zur Beleuchtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leuchteinheit eine LED-Lichtquelle, insbesondere eine Weißlicht-LED-Licht- quelle und/oder mehrere, bevorzugt vier bis neun LED-Lichtquellen aufweist. Dies hat den Vorteil einer besonders ausgeprägten Energieeffizienz, da LED- Lichtquellen bis zu 90 % Strahlungseffizienz erreichen, was zwischen 30 und 60 % mehr als bei Lasern ist [29,30.] Auch kommen LED-Lichtquellen mit einer wesentlich einfacheren Strom- und Temperaturregelung aus als Laser-Lichtquellen und erreichen dank des hier beschriebenen Ansatzes wesentlich mehr parallel nutzbare Kanäle als dem Stand der Technik, da die üblichen Nachteile der LED- Lichtquellen für die optische Datenübermittlung vorliegend nicht auftreten. Insgesamt wird durch die entsprechenden Lichtquellen bevorzugt ein als weiß wahrgenommenes polychromatisches Licht erzeugt. Die Steuereinheit ist dabei ausgebildet, die gewählte Kodiervorschrift mit mehr Kanälen als Lichtquellen zu nutzen, was dank der oben beschriebenen Konfiguration hier im Gegensatz zum Stand der Technik möglich ist. Insbesondere beträgt die Anzahl der mit der Kodiervorschrift genutzten Kanäle zumindest 25, bevorzugt zumindest 50, und besonders bevorzugt zumindest 100. Damit kann auf technisch einfache Weise eine große Zahl an parallelen Kanälen bereitgestellt werden, welche zudem durch Kombinationen mit der Wellenlängen-Modulation auch für eine seriali- sierte Drahtloskommunikation genutzt werden können.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Empfangseinrichtung zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit einer Empfangseinheit, einem Dispersionselement, einer Detektionseinheit und einer Steuereinheit. Die Empfangseinheit ist dabei ausgebildet zum Empfangen des (bevorzugt polychromatischen) Signal-Lichtes der Sendeeinrichtung. Das Dispersionselement, welches bevorzugt ebenfalls ein passives Dispersionselement sein oder umfassen kann, beispielsweise ein Dispersionsprisma, ist ausgebildet zum wellenlängenabhängigen Zerlegen des empfangenen polychromatischen Signal-Lichtes in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile mit jeweils zugeordneten Signal-Wellenlängenbändern. Das Dispersionselement der Empfangseinrichtung kann entsprechend dem Dispersionselement der Sendeeinrichtung ausgebildet sein.
Die Detektionseinheit ist ausgebildet zum wellenlängenbandaufgelösten De- tektieren der Signal- Farb-Lichtanteile und zum Umwandeln der detektierten Signal-Farb-Lichtanteile in das Datensignal gemäß der eingestellten Wellenlän- gen-Multiplexing-Kodiervorschrift der Sendeeinrichtung und/oder der eingestellten Wellenlängen-Modulations-Kodiervorschrift der Sendeeinrichtung. Die Steuereinheit wiederum ist ausgebildet zum Auswählen zumindest eines Kanals der vorgegebenen und damit genutzten Kodiervorschrift(en), dessen zumindest einer Signal-Farb-Lichtanteil in das Datensignal umzuwandeln ist, und zum Steuern der Detektionseinheit in Abhängigkeit des ausgewählten Kanals und der Kodiervorschrift(en). Damit wird entsprechend der oben beschriebenen Sendeeinrichtung eine gegenüber Störquellen robuste optische Kommunikation bereitgestellt, welche für den mobilen, das heißt flexiblen Einsatz in sich dynamisch ändernden (Produktions-) Umgebungen geeignet ist, und bei welcher entsprechend eine im Vergleich zu bekannten Lösungen höher skalierbare Anzahl von Nutzern mobiler optischer Kommunikation erreicht wird sowie zugleich eine Doppelnutzung von Lichtenergie zur optischen Kommunikation und Beleuchtung möglich ist.
Dabei kann die Detektionseinheit räumlich getrennte Detektorelemente aufweisen, welche zum Detektieren der Signal-Farb-Lichtanteile jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Signal-Farb-Lichtanteils angeordnet sind. Dies kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Arrays von Photo-Detektorele- menten, insbesondere Einzel-Foto-Detektorelementen, realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann die Detektionseinheit eine Filtereinheit mit räumlich getrennten elektrisch schaltbaren Filterelementen aufweisen. Dabei sind die Filterelemente jeweils im Strahlengang eines zugeordneten Signa I-Farb-Licht- anteils angeordnet, und einem einzelnen, insbesondere einzigen, Detektorelement zugeordnet, beispielsweise einem Einzel-Fotodetektorelement, welches zum Detektieren der durch die Filtereinheit gefilterten unterschiedlichen Signa I-Fa rb-Lichtantei le ausgebildet ist. Während in der ersten Variante somit die unterschiedlichen Signal-Farb-Lichtanteile parallel detektiert werden können, erfolgt dies in der zweiten Variante seriell. Beide Varianten sind dabei gleichermaßen vorteilhaft für das optische Übermitteln des Datensignals auf flexible, verlässliche, und effiziente Weise.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, zum wellenlängenbandaufgelösten Erfassen von Störungen, beispielsweise Rauschen, und/oder Signalen, beispielsweise den genannten Datensignalen, in von der Empfangseinheit empfangenem Licht. Dies kann beispielsweise mittels eines aktivierbaren Überprüfungsmodus der Steuereinheit erfolgen. Die Steuereinheit ist dann ausgebildet, die den jeweiligen Störungen zugeordneten Störquellen-Wellenlängenbänder als Störquellendaten und/oder die den jeweiligen Signalen zugeordneten Signal-Wellenlängenbänder abzuspeichern, alternativ oder ergänzend dazu ausgebildet, die den jeweiligen Störungen zugeordneten Störquellen-Wellenlängenbänder als Störquellendaten und/oder die den jeweiligen Signalen zugeordneten Signal-Wellenlängenbänder zu übermitteln an die Steuereinheit der Sendeeinrichtung. Alternativ oder ergänzend kann auch die Steuereinheit der Sendeeinrichtung ausgebildet sein zum wellenlängenbandaufgelösten Erfassen von Störungen und/oder Signalen in einem von einer zugeordneten Detektionseinheit empfangenen Licht und zu einem Abspeichern der den jeweiligen Störungen zugeordneten Störquellen-Wellenlängenbändern und/oder der den jeweiligen zugeordneten Signal-Wellenlängensendern. Das hat den Vorteil, dass die Sende- bzw. Empfangseinrichtung analog zu einem Spektrometer eine für die jeweilige Umgebung, das heißt für den Innenraum in dem Datensignale übermittelt werden sollen, relevante Bandbelegung feststellen kann und so mit einem entsprechenden Anpassen der Übermittlung des Datensignals adaptiv spektral aufgelöst auf jeweilige Störquellen reagiert werden kann, sodass eine robuste Kommunikation erzielt wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein System zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit zumindest einer der beschriebenen Sendeeinrichtungen und zumindest einer der beschriebenen Empfangseinrichtungen. Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum. Ein Verfahrensschritt ist hier ein wellenlängen- bandaufgelöstes Erfassen von einer oder mehreren Störungen in einem Licht in dem Innenraum, das heißt ein wellenlängenaufgelöstes Erfassen von optischen Störungen. Dies kann als einmalige, initiale Startroutine implementiert sein, o- der aber auch wiederkehrend zur dynamischen Anpassung an die jeweilige Umgebung. Ein weiterer Verfahrensschritt ist ein Hinterlegen (Abspeichern) zumindest eines, also einer oder mehrerer, den jeweiligen Störungen zugeordneten Wellenlängenbandes als jeweiliges Störquellen-Wellenlängenband.
Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Erzeugen eines polychromatischen Lichtes, gefolgt von einem wellenlängenabhängigen Zerlegen des erzeugten polychromatischen Lichtes in räumlich getrennte Farb-Lichtanteile mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern. Ein Verfahrensschritt ist auch ein Auswählen zumindest eines Kanals einer Wellenlängen-Multiplexing-Kodiervorschrift und/oder einer Wellenlängen-Modulations-Kodiervorschrift, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb des zumindest einen hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbandes liegt. Es folgt als weiterer Verfahrensschritt ein zeitlich variierendes Filtern der dem gewählten Kanal zugeordneten Farb-Lichtanteile in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift und ein Zusammenführen der gefilterten Farb-Lichtanteile in ein bevorzugt polychromatisches Signal-Licht mit einem Abstrahlen des Signal-Lichtes in den Innenraum.
Ein weiterer Verfahrensschritt ist ein Empfangen des Signal-Lichtes, und ein wellenlängenabhängiges Zerlegen des empfangenen Signal-Lichtes in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile, wobei zumindest einem Signa I-Farb-Licht- anteil ein jeweiliges Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist. Darauf folgt ein wellenlängenbandaufgelöstes Detektieren des zumindest einen Signal-Farb- Lichtanteils, dem ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist, also einem oder mehreren, bevorzugt aller Signal-Farb-Lichtanteile, denen ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist. Schließlich erfolgt als ein weiterer Verfahrensschritt ein Umwandeln des zumindest einen dem gewählten Kanal zugeordneten detektierten Signal-Farb-Lichtanteils im Signal-Wellenlängenband in das Datensignal gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift.
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen dabei Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der beschriebenen Sende- und/oder Empfangseinrichtung und umgekehrt. Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform einer Sendeeinrichtung;
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform einer Empfangseinrichtung;
Fig. 3 einen beispielhaften Ablauf für ein Überprüfen veränderbar hinterlegter Störquellen-Längenwellenbänder oder Signal-Wellenlängen-bän- der hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Übermittlung von Datensignalen; und
Fig. 4 eine beispielhafte Verteilung von Signal- und Störquellen-Wellen-Iän- genbändern.
Die in Fig. 1 gezeigte Sendeeinrichtung 1 zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum hat eine Leuchteinheit 2, welche zum Erzeugen eines polychromatischen Lichtes 3 ausgebildet ist. Ferner weist die Sendeeinrichtung 1 ein Dispersionselement 4 auf, welches vorliegend als passives Dispersionselement in Form eines Prismas ausgebildet ist und welches dem wellenlängenabhängigen Zerlegen des erzeugten polychromatischen Lichtes 3 in räumlich getrennte Farb-Lichtanteile 5a bis 5d mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern dient. Jeder der Farb-Lichtanteile 5a bis 5d besteht somit vorliegend aus Licht disjunkter Spektralbänder.
Die Filtereinheit 6 der Sendeeinrichtung 1 weist räumlich getrennte elektrisch schaltbare Filterelemente 7a bis 7d auf, welche jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Farb-Lichtanteils 5a bis 5d angeordnet sind, und welche jeweils zum Einstellen einerTransmission des zugeordneten Farb-Lichtanteils 5a bis 5d durch die Filtereinheit 6 ausgebildet sind. Im gezeigten Beispiel blockieren das erste und das dritte Filterelement 7a, 7c den ersten bzw. dritten Farb-Lichtan- teil 5a, 5c, so dass zum gezeigten Zeitpunkt nur der zweite und vierte Farb- Lichtanteil 5b, 5d an eine Homogenisiereinheit 8 der Sendeeinrichtung 1 weitergeleitet werden. Diese ist zum Zusammenführen der durch die Filtereinheit 6 transmittierten Farb-Lichtanteile 5b, 5d in ein bevorzugt polychromatisches, hier dichromatisches Signal-Licht 9 und zum Abstrahlen des Signal-Lichts 9 in den Innenraum ausgebildet.
Die Sendeeinrichtung 1 weist ferner eine Steuereinheit 10 auf, welche ausgebildet ist, für das Übermitteln des Datensignals die Filterelemente 7a bis 7d in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß einer Wellenlängen- Multiplexing-Kodiervorschrift oder Wellenlängen-Modulations-Kodiervor- schrift zeitlich variierend zu schalten, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil 5a bis 5d zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb eines oder mehrerer in der Steuereinheit veränderbar hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder liegt.
Mit dem hier als Sendeeinrichtung 1 beschriebenen Emitter kann elektrisch steuerbar eine individuelle Anzahl an Wellenlängenbändern ausgewählt und zum Wellenlängen-Multiplexing bzw. zum Wellenlängen-Modulieren verwendet werden.
Der in Fig. 2 als Empfangseinrichtung 20 gezeigte Empfänger ist analog zum Emitter aus Fig. 1 aufgebaut. Dort wird das Signal-Licht 9 durch eine nicht dargestellte Empfangseinheit empfangen und durch ein dispersives optisches Element, ein Dispersionselement 21, vorliegend in Form eines Dispersionsprismas, wellenlängenabhängig in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile 22a bis 22d zerlegt und schließlich von einer Detektionseinheit 23, die zum wellenlängenbandaufgelösten Detektieren der Signal-Farb-Lichtanteile 22a bis 22d ausgebildet ist, detektiert. Dabei weist die Detektionseinheit 23 vorliegend eine Filtereinheit 24 mit räumlich getrennten elektrisch schaltbaren Filterelementen 25a bis 25d, welche jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Farb-Lichtanteils 22a bis 22d angeordnet sind, auf, sowie ein einzelnes Detektionselement 26, welches im gezeigten Beispiel ausgebildet ist zum gemeinsamen Detektieren sämtlicher der durch die Filtereinheit 24 gefilterten Signal-Farb-Lichtanteile 22b und 22d. Eine entsprechende Steuereinheit 27 der Empfangseinrichtung 20 ist entsprechend zum Auswählen zumindest eines Kanals der gewählten Wel- lenlängen-Multiplexing-Kodiervorschrift und/oder der gewählten Wellenlän- gen-Modulationscodierschrift ausgebildet, dessen zumindest einer zugeordneter Signal-Farb-Lichtanteil 22b und 22d in das Datensignal umzuwandeln ist, sowie zum Steuern der Detektionseinheit 23, hier der Filtereinheit 24, in Abhängigkeit des ausgewählten Kanals und der ausgewählten Kodiervorschrift. Entsprechend kann die Detektionseinheit 26 dann die entsprechend dem gewählten Kanal detektieren Signal-Farb-Lichtanteile 22b, 22d in das Datensignal gemäß der gewählten Kodiervorschrift umwandeln. In der Empfangseinrichtung wird somit analog zur Sendeeinrichtung das optische Signal-Licht 9 zunächst dispergiert und daraufhin örtlich selektiert, so dass die eingehende Strahlung, das Signal-Licht 9, in Wellenlängenbänder gefiltert werden kann. Die gefilterte Strahlung, die Farb-Lichtanteile 22b, 22d, trifft dann auf den Fotodetektor als Detektorelement 26, wo mittels der Steuereinheit 27 das modulierte Nutzsignal der Sendeeinrichtung zurückgewonnen mit.
Um mit einer skalierbaren Anzahl an Endgeräten kommunizieren und gleichzeitig unempfindlich gegenüber spektral aufgelösten Störquellen, insbesondere dynamischen Störquellen zu sein, werden Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung optional adaptiv an die Umgebung betrieben, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Bei diesem Beispiel fungiert die Empfangseinrichtung 20 in einer initialen Startroutine als Spektrometer. Durch die chronologische Transmission jeweils eines Bandes wird hier an der Empfangseinrichtung 20 die Bandbelegung mit Störungen und bereits genutzten Kanälen der gewählten Kodiervorschrift festgestellt. Diese Überprüfung kann im gesamten Spektrum und über das gesamte Spektrum hinweg durchgeführt werden, um so eine Spektralverteilung lokaler Störquellen zu erfassen und abzuspeichern. Beispielsweise über eine Datenschnittstelle können die entsprechenden Störquellendaten und/oder die jeweilig den Signalen zugeordneten Signal-Wellenlängenbänder an die Sendeeinrichtung übermittelt werden. Daraufhin stellt die Sendeeinrichtung 1 zum Senden von Datensignalen die Filtereinheit 6 entsprechend gemäß der in den Störquellendaten hinterlegten Bandbelegung so ein, dass das Datensignal auf freien Wellenlängenbändern gesendet wird. Die Empfangseinrichtung 20 stellt analog anhand der Bandbelegung die Kanäle auf das noch freie Spektrum der verfügbaren Wellenlängenbänder ein.
In dem Beispiel wird nach dem Start A des Erfassens von Störungen und/oder Signalen zum Ermitteln einer Bandbelegung für N Wellenlängenbänder überprüft, ob in diesen eine Störung oder eine Signalübermittlung erfolgt. In Schritt B wird dazu beispielsweise in der Filtereinheit 24 das entsprechende Band N eingestellt, und sodann für das jeweilige Band N entweder gemäß Schritt C eine Störung oder gemäß Schritt C' eine Signalübermittlung detektiert, wenn das Band belegt ist. Die Bandbelegung, welche eine Information über von Störungen und/oder Signalen genutzten Wellenlängenbändern, und damit für eine Übermittlung von Datensignalen nutzbare Wellenlängenbänder enthält, wird dann für das jeweilige Band in Verfahrensschritt D abgespeichert. Die Schritte B, C, C', D werden dann für sämtliche Wellenlängenbänder, welche durch die Empfangseinrichtung 20 für die optische Übermittlung des Datensignals in Frage kommen, durchgeführt. Die Bandbelegung wird dann, beispielsweise in Form von Störquellendaten, in Verfahrensschritt E an die Sendeeinrichtung 1 übertragen.
Wird entsprechend in Schritt F bei einem Überprüfen der veränderbar hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder festgestellt, dass ein spezifisches Band M belegt ist, so wird dieses als Störquellen-Wellenlängenband (gegebenenfalls weiterhin) hinterlegt und entsprechend in Schritt G für die optische Übermittlung des Datensignals gesperrt. Ist das jeweilige Band M hingegen nicht belegt, so wird alternativ in dem Verfahrensschritt G' das entsprechende Wellenlängenband als nutzbares Wellenlängenband freigegeben, beispielsweise aus der Liste der hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder gestrichen, wenn es dort eingetragen war. In Verfahrensschritt H wird sodann überprüft, ob alle vorgesehenen Bänder IVI überprüft wurden, und wenn nicht, die Verfahrensschritte F und G bzw. G' sowie H erneut für Band M+l durchgeführt. Falls alle Bänder überprüft wurden, kann sodann mit der optischen Übermittlung des Datensignals in Verfahrensschritt J begonnen werden, und mit Verfahrensschritt K das Überprüfen der Wellenlängenbänder hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Übermittlung des Datensignals beendet werden.
In Fig. 4 sind beispielhafte Intensitätsverläufe x, x', y für Störungen und Datenübermittlungen als Funktion der Wellenlänge X gezeigt. Dem für das Verfahren aus Fig. 3 beispielhafte gezeigte Ergebnis folgend werden entsprechend in Wellenlängenbereichen a, c, in welchen wie aus dem Intensitätsverläufen x, x' ersichtlich starke Störungen auftreten, keine Datensignale übermittelt, und in Wellenbereichen b, d, in welchen die durch die Intensitätsverlaufe x, x' repräsentierten Störungen eine vorgegebene Grenze A nicht überschreiten, Datensignale entsprechend dem Intensitätsverlauf y optisch übermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Sendeeinrichtung (1) zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit
- einer Leuchteinheit (2), welche ausgebildet ist zum Erzeugen eines polychromatischen Lichtes (3);
- einem Dispersionselement (4), welches ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Zerlegen des erzeugten polychromatischen Lichtes (3) in räumlich getrennte Farb-Lichtanteile (5a-5d) mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern;
- einer Filtereinheit (6) mit räumlich getrennten elektrisch schaltbaren Filterelementen (7a-7d), welche jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Farb-Lichtanteils (5a-5d) angeordnet sind und welche jeweils ausgebildet sind zum Einstellen einer Transmission des zugeordneten Farb-Lichtanteils (5a-5d) durch die Filtereinheit (6);
- einer Homogenisiereinheit (8), welche ausgebildet ist zum Zusammenführen der durch die Filtereinheit (6) transmittierten Farb-Lichtanteile (5b, 5d) in ein Signal-Licht (9) und zum Abstrahlen des Signal-Lichtes (9) in den Innenraum; und
- einer Steuereinheit (10), welche ausgebildet ist, für das Übermitteln des Datensignals die Filterelemente (7a-7d) in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß einer Wellenlängen-Multiplexing-Kodiervorschrift oder Wellenlängen-Modulations-Kodiervorschrift zu schalten, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil (5a-5d) zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb eines oder mehrerer in der Steuereinheit (10) veränderbar hinterlegten Störquellen- Wellenlängenbänder liegt.
2. Sendeeinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, das oder die veränderbar hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder und/oder das oder die Signal-Wellenlängenbänder hinsichtlich ihrer Tauglichkeit zur Übermittlung des Datensignals zu überprüfen und das oder die hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbänder an das Überprüfungsergebnis anzupassen.
3. Sendeeinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, das Überprüfen hinsichtlich der Tauglichkeit durch ein Auslöseereignis ausgelöst vorzunehmen, wobei das Auslöseereignis insbesondere ein manuelles Auslösen und/oder ein Ablauf einer vorgegebenen Zeit und/oder ein Bereitstellen von Störquellendaten an die Steuereinheit (10) umfasst.
4. Sendeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den in der Steuereinheit (10) hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbändern jeweils ein oder mehrere Gültigkeits-Zeiträume zugeordnet sind, und die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, bei dem Zuordnen des oder der Kanäle der Kodiervorschrift nur die jeweils gemäß dem zugeordneten Gültigkeits-Zeit- raum gültigen Störquellen-Wellenlängenbänder der hinterlegten Störquellen- Wellenlängenbänder zu berücksichtigen, wobei die Gültigkeits-Zeiträume insbesondere wiederkehrende Gültigkeits-Zeiträume, bevorzugt täglich und/oder wöchentlich und/oder monatlich wiederkehrende Gültigkeits-Zeiträume sein oder umfassen können. Sendeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, die Filtereinheit (6) derart zu Steuern, dass die transmittierten Farb-Lichtanteile (5b, 5d) überlagert von menschlichen Betrachtern als weißes Licht wahrgenommen werden, insbesondere indem zumindest zwei, bevorzugt drei oder vier, Farb-Lichtanteile (5b, 5d) überlagert werden, wobei insbesondere zusätzlich zu Farb-Lichtanteilen (5b, 5d) mit Signal-Wellenlängenbändern auch Farb-Lichtanteile (5b, 5d) mit Wellenlängenbändern in dem oder den hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbändern von der Filtereinheit (6) transmittiert und als Teil des Signal-Lichtes (9) in den Innenraum abgestrahlt werden. Sendeeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchteinheit (2) eine LED-Lichtquelle, insbesondere eine Weißlicht-LED- Lichtquelle oder mehrere, bevorzugt vier bis neun, Farb-LED-Lichtquellen aufweist, und die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, die Kodiervorschrift mit mehr Kanälen als Lichtquellen zu nutzen, insbesondere mit zumindest 25 Kanälen, bevorzugt mit zumindest 50 Kanälen, besonders bevorzugt mit zumindest 100 Kanälen. Empfangseinrichtung (20) zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit
- einer Empfangseinheit, welche ausgebildet ist zum Empfangen des Signal- Lichtes (9);
- einem Dispersionselement (21), welches ausgebildet ist zum wellenlängenabhängigen Zerlegen des empfangenen Signal-Lichtes (9) in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile (22a-22d) mit jeweils zugeordneten Signal- Wellenlängenbändern; und
- einer Detektionseinheit (23), welche ausgebildet ist zum wellenlängenbandaufgelösten Detektieren der Signal-Farb-Lichtanteile (22a-22d) und zum Umwandeln der detektierten Signal-Farb-Lichtanteile (22b, 22d) in das Datensignal; und
- einer Steuereinheit (27), welche ausgebildet ist zum Auswählen zumindest eines Kanals der Wellenlängen-Multiplexing-Kodiervorschrift oder der Wel- lenlängen-Modulations-Kodiervorschrift, dessen zumindest einer Signal-Farb- Lichtanteil (22b, 22d) in das Datensignal umzuwandeln ist, und zum Steuern der Detektionseinheit (23) in Abhängigkeit des ausgewählten Kanals. Empfangseinrichtung (20) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (23) räumlich getrennte Detektorelemente aufweist, welche zum Detektieren der Signal-Farb-Lichtanteile (22a-22d) jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Signal-Farb-Lichtanteils (22a-22d) angeordnet sind, oder eine Filtereinheit (6) mit räumlich getrennten elektrisch schaltbaren Filterelementen (25a-25d), welche jeweils im Strahlgang eines zugeordneten Signal-Farb-Lichtanteils (22a-22d) angeordnet sind, und einem Detektorelement (26), welches ausgebildet ist zum Detektieren der durch die Filtereinheit (6) gefilterten Signal-Farb-Lichtanteile (22b, 22d). Empfangseinrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) ausgebildet ist zum wellenlängenbandaufgelösten Erfassen von Störungen und/oder Signalen in von der Empfangseinheit empfangenem Licht und zu einem Abspeichern und/oder Übermitteln an die Steuereinheit (10) der Sendeeinrichtung (1) der den jeweiligen Störungen zugeordneten Störquellen-Wellenlängenbändern als Störquellendaten und/oder der den jeweiligen Signalen zugeordneten Signal-Wellenlängenbändern. System zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit einer Sendeeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und zumindest einer Empfangseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bevorzugt mehrere solcher Empfangseinrichtungen (20). Verfahren zur optischen Übermittlung eines Datensignals in einem Innenraum, mit den Verfahrensschritten:
- wellenlängenbandaufgelösten Erfassen von einer oder mehreren Störungen in einem Licht, in dem Innenraum;
- Hinterlegen zumindest eines den jeweiligen Störungen zugeordneten Wellenlängenbandes als Störquellen-Wellenlängenband;
- Erzeugen eines polychromatischen Lichtes (3);
- wellenlängenabhängiges Zerlegen des erzeugten polychromatischen Lichtes (3) in räumlich getrennte Farb-Lichtanteile (5a-5d) mit jeweils zugeordneten Wellenlängenbändern;
- Auswählen zumindest eines Kanals einer Wellenlängen-Multiplexing-Kodier- vorschrift oder Wellenlängen-Modulations-Kodiervorschrift, wobei jedem Kanal der Kodiervorschrift zumindest ein Farb-Lichtanteil (5a-5d) zugeordnet ist, dessen Wellenlängenband als Signal-Wellenlängenband außerhalb des zumindest einen hinterlegten Störquellen-Wellenlängenbandes liegt; - zeitlich variierendes Filtern der dem gewählten Kanal zugeordneten Farb- Lichtanteile (5a-5d) in Abhängigkeit des zu übermittelnden Datensignals gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift;
- Zusammenführen der gefilterten Farb-Lichtanteile (5b, 5d) in ein Signal- Licht (9);
- Abstrahlen des Signal-Lichtes (9) in den Innenraum;
- Empfangen des Signal-Lichtes (9);
- wellenlängenabhängiges Zerlegen des empfangenen Signal-Lichtes (9) in räumlich getrennte Signal-Farb-Lichtanteile (22a-22d), wobei zumindest einem Signal-Farb-Lichtanteil (22a-22d) ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist; und
- wellenlängenbandaufgelöstes Detektieren des zumindest einen Signal-Farb- Lichtanteils (22b, 22d), dem ein Signal-Wellenlängenband zugeordnet ist;
- Umwandeln des zumindest einen detektierten Signal-Farb-Lichtanteils (22b, 22d) in das Datensignal gemäß der ausgewählten Kodiervorschrift.
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