CN116830483A - 用于在混合光学无线通信系统中交换数据的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在光学无线通信OWC系统中，装置(200)被配置成在第一模式下操作以启用第一功能，其中该装置充当OWC接入点(400)和一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第一终端设备之间的桥接设备，或者以第二模式操作以启用第二功能，其中该装置在第一终端设备和一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第二终端设备之间中继数据。该装置(200)借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路(450)与OWC接入点(400)通信；并且借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路(350)与第一终端设备通信。第一类型的光学无线链路(450)具有比第二类型的光学无线链路(350)更宽的波束角。

Description

用于在混合光学无线通信系统中交换数据的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学无线通信网络的领域，例如Li-Fi网络。更特别地，本文公开了与混合光学无线通信系统中的互操作性增强相关的各种方法、装置、系统和计算机可读介质。

背景技术

为了使得越来越多的电子设备(如笔记本电脑、平板电脑和智能手机)能够无线连接到互联网，无线通信面临着前所未有的对数据速率以及链路质量的要求，并且考虑到与物联网(IoT)相关的新兴数字革命，这些要求保持逐年增长。射频技术(如Wi-Fi)的频谱容量有限，无法迎接这场革命。与此同时，光保真(Li-Fi)凭借其内在的安全性增强和在可见光、紫外(UV)和红外(IR)光谱的可用带宽上支持更高数据速率的能力，吸引了越来越多的关注。此外，与Wi-Fi相比，Li-Fi具有方向性，并由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽在用户的人口稠密的区域中部署更大数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使Li-Fi成为缓解IoT应用拥挤的无线电频谱压力的有前途的安全解决方案。Li-Fi的其他益处包括保证特定用户的带宽，以及在以其他方式易受电磁干扰的区域安全运行的能力。因此，Li-Fi是一种非常有前途的技术，用于实现下一代沉浸式连接性。

在基于照明的通信领域有几个相关的术语。可见光通信(VLC)通过强度调制光源(诸如发光二极管(LED)和激光二极管(LD))传输数据，比人眼的暂留更快。VLC通常用于将信号嵌入由照明源发射的光中，所述照明源诸如是日常灯具，例如室内照明或室外照明，从而允许使用来自灯具的照明作为信息的载体。因此，光可以包括用于照亮诸如房间的目标环境(通常是光的主要目的)的可见照明成分，以及用于向环境提供信息(通常被认为是光的次要功能)的嵌入信号。在这种情况下，调制通常可以在足够高的频率下执行，以超出人类的感知，或者至少使得任何可见的临时光伪影(例如闪烁和/或频闪伪影)足够弱，并且在足够高的频率下不被人类注意到或者至少是人类可容忍的。因此，嵌入的信号不影响主要照明功能，即，因此用户仅感知整个照明，并且不是被调制到该照明中的数据的效果。

IEEE 802.15.7可见光通信个人区域网(VPAN)标准将预期应用映射到四种拓扑结构：对等、星形、广播和协调。光学无线PAN(OWPAN)是一个比VPAN更通用的术语，它也允许不可见光(诸如UV和IR)进行通信。因此，Li-Fi通常被认为是光学无线通信(OWC)技术的衍生物，其利用宽范围的光谱来支持双向数据通信。

在Li-Fi系统中，根据各种合适的调制技术中的任何一种，通过调制光的性质(通常是强度)来嵌入信号。对于高速通信，通常使用红外(IR)而不是可见光通信。尽管紫外和红外辐射对于人眼是不可见的，但是利用这些光谱区域的技术是相同的，尽管变化可以作为波长依赖性的结果(诸如在折射率的情况下)而发生。在许多实例中，使用紫外和/或红外是有利的，因为这些频率范围对于人眼是不可见的，并且可以在系统中引入更多的灵活性。当然，与红外和/或可见光的能级相比，紫外量子具有更高的能级，这进而可以致使在某些状况下不期望使用紫外光。

基于调制，可以使用任何合适的光传感器或光电检测器来检测光中的信息。例如，光传感器可以是光电二极管。光传感器可以是专用光电池(点检测器)，可能带有透镜、反射器、漫射器或磷光体转换器(用于较低速)的光电池阵列，或者光电池(像素)阵列和用于在阵列上形成图像的透镜。例如，光传感器可以是包括在插入到诸如智能手机、平板电脑或笔记本电脑的用户设备中的加密狗中的专用光电池，或者传感器可以是集成的和/或两用的，诸如最初设计用于3D面部识别的红外检测器阵列。无论哪种方式，这都可以使运行在用户设备上的应用程序能够经由光接收数据。

在下文中，Li-Fi系统的术语“接入点”用于表示可以连接到一个或多个物理接入设备(例如，光学收发器)的逻辑接入设备。这种物理接入设备通常可以(但不是必须)位于灯具处，并且逻辑接入点可以连接到一个或多个物理接入设备，每个物理接入设备位于一个或多个灯具处。接入点进而可以服务于与其相关联的一个或多个网络设备或终端设备，从而形成光学小区。

WO2020240016涉及一种光学无线通信(OWC)系统，其包括：接入点(AP)，其包括多个OWC发射机和多个OWC接收机；包括至少一个回射器的站(STA)；以及控制器，其被配置为控制OWC AP发射机和/或OWC AP接收机；其中所述控制器被配置成处理代表至少一个OWC信号的数据，该至少一个OWC信号在已经被OWC AP发射机中的至少一个发射并被至少一个回射器反射之后被OWC AP接收机中的至少一个接收。

WO2018054894涉及一种照明系统，其包括至少一个光源和移动系统(例如移动设备)，以及至少一个另外的设备。该移动系统包括光传感器、通信接口和处理器。该移动系统被配置为从光源接收光发射，其中标识符已经被编码，例如使用可见光通信(VLC)技术，并且根据该光发射确定标识符。移动系统被配置为加入该组，并与来自该组设备的至少一个另外的设备通信。

发明内容

为了使得电子设备或终端设备能够支持满足IoT应用的更高数据速率通信，提出了光学无线通信或Li-Fi作为有线连接或基于射频(RF)的无线通信的补充或甚至替代技术。光学无线通信(OWC)接入点或Li-Fi接入点为相应光学小区内的电子设备或终端设备提供经由光学无线链路对外部网络的接入。OWC接入点还可以同时支持与多于一台终端设备的双向光学链路。

在这种OWC网络中，与电子设备或终端设备的光学无线通信接口相关的部分通常被称为Li-Fi端点。Li-Fi端点可以经由线缆作为单独的实体连接到终端设备，或者部分或全部集成在终端设备中。然而，鉴于Li-Fi端点的形状因素，支持与基础设施(例如OWC接入点)的OWC链路所涉及的复杂性被证明是一个限制因素，从而阻止了其被完全集成到小型便携式设备(例如智能手机)中。除了这些机械约束，功耗和散热也可能是存在的一个问题。

另一方面，基于光学无线通信技术在两个移动设备之间实现对等直接链路也有明显的好处。这种直接无线链路可以替代有线连接，从而改善便利性。与替代的对等无线链路(诸如基于蓝牙技术的射频(RF)链路)相比，直接光学无线链路在数据速率和安全性方面提供了相当大的优势。这些优势可以对智能手机用户极具吸引力。然而，如以上所公开的，智能手机中OWC接口的集成在功耗和形状因素方面对OWC接口提出了严格的要求。简化的设计是非常合期望的，以促进集成。

鉴于以上所述，本公开针对用于促进对等光学无线链路和OWC网络之间的数据交换的方法、装置、系统、计算机程序和计算机可读介质。更特别地，本发明的目的是通过如权利要求1中所述的装置、如权利要求13中所述的光学无线通信系统、如权利要求14中所述的装置的数据交换方法以及如权利要求15中所述的计算机程序来实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种装置。一种用于在光学无线通信OWC系统中交换数据的装置，该装置被配置成在第一模式下操作以启用第一功能，其中该装置充当OWC接入点和一个或多个终端设备中的第一终端设备之间的桥接设备；或者在第二模式下操作以启用第二功能，其中该装置在第一终端设备和一个或多个终端设备中的第二终端设备之间中继数据。该装置包括：第一光学收发器，其被配置为借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路与OWC接入点通信；第二光学收发器，其被配置为借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路与第一终端设备通信；以及集线器组件，其被配置成从包括第一模式、第二模式、以及第一功能和第二功能两者都被启用的另一模式的集合中选择操作模式；并且取决于所选择的操作模式，使用第一光学收发器和/或第二光学收发器进行连接；其中与第二光学收发器相比，第一光学收发器具有更宽的波束角。

考虑到制造可直接连接到OWC网络的小型便携式设备(例如智能手机)的挑战，公开了一种装置，以作为小型便携式设备和OWC网络之间的接口来操作。此外，该装置还可以作为两个小型便携式设备之间的中继设备来操作，以将范围扩展到直接光学无线链路的范围之外，或者当这两个设备位于光束不容易对准的位置时启用这样的链路。

第一类型的光学无线链路在基于基础设施的OWC网络中使用，以建立终端设备和光学接入点之间的连接。第二类型的光学无线链路在对等或设备到设备拓扑中使用，以在两个终端设备之间建立连接。由于光学接入点被设计成支持与位于其覆盖区域内的一个或多个终端设备的并发通信，因此与第二类型的光学无线链路相比，第一类型的光学无线链路的配置具有更高的复杂性。

该装置可以在第一模式下操作，以桥接第一和第二类型的光学无线链路。除了作为光学接入点和第一终端设备之间的桥接设备在第一模式下操作之外，该装置还可以经由第二类型的光学无线链路作为两个终端设备之间的中继设备在第二模式下操作。因此，该装置包括第一光学收发器和第二光学收发器，用于分别与光学接入点和第一终端设备通信。被包括在该装置中的集线器组件被配置为选择该装置的操作模式，该操作模式是从至少包括第一模式、第二模式以及第一模式和第二模式两者都被启用的混合模式的集合中选择的。

为了避免第一和第二类型的光学无线链路之间的相互干扰，可以在不同类型的链路之间采用不同的波长。此外，与第一光学收发器相比，用于第二类型的光学无线链路的第二光学收发器具有更窄的波束角。优选地，第二光学收发器可以进一步被布置成指向朝向其预期终端设备的某个取向，以进一步减少对另一第一或第二类型的光学无线链路的干扰。

有利的是，与第二光学收发器相比，第一光学收发器支持更高的数据速率或更长的通信距离。

就视野(FoV)、通信距离、数据速率和/或配置灵活性而言，基于基础设施的光学无线链路通常比对等直接链路具有更好的性能。例如，由第一光学收发器支持的数据速率可以高达Gbps范围，而由第二光学收发器支持的数据速率可以小于500Mbps。第一光学收发器可以支持大于3米的通信距离，而第二光学收发器只可以支持小于3米的通信距离。关于数据速率和通信距离的差异可能是由不同的输出功率水平和/或调制和编码方案造成的。

在优选设置中，集线器组件还被配置成根据以下中的至少一项来确定操作模式：用户输入、预定义的配置参数、由第一光学收发器或第二光学收发器接收的分组、来自第一光学收发器或第二光学收发器的关于检测到OWC接入点的存在的输入、或者检测到一个或多个终端设备的存在。

该装置可以在仅启用一个功能以节省功率的情况下操作，或者在同时启用多个功能以增强灵活性的情况下操作。操作模式的确定可能受到一个或多个因素的影响。例如，该装置可以根据与应用场景相关的预定义配置参数来配置。该装置还可以根据用户输入进行配置，该用户输入可以与用户偏好或应用需求相关。

此外，还可以基于由第一光学收发器或第二光学收发器接收的分组来确定操作模式，在该示例中，操作模式被远程控制。例如，第一终端设备想要与第二终端设备建立直接的光学无线链路。然而，第二终端设备或者位于由第一终端设备支持的最大通信距离之外的一距离处，或者位于直接链路的FoV之外的角度处。第一终端设备可以简单地向该装置发送具有第二终端设备的目的地地址的分组。通过检查目的地地址，该装置将在操作模式中启用第二模式。类似地，当从目的地地址不是对等终端设备的另一个终端设备接收到分组时，该装置将启用操作模式中的第一模式来将分组转发到光学接入点。

还可以自主地确定操作模式，例如根据来自第一光学收发器或第二光学收发器的输入，该输入通知集线器组件检测到OWC接入点的存在，或者检测到一个或多个终端设备的存在。当第一光学收发器没有检测到光学接入点时，该装置可以简单地在操作模式中禁用第一功能。因此，第一光学收发器可以进入睡眠模式。并且然后，光学接入点的存在检测可以由第一光学收发器偶尔执行，这可以根据特定的时间表或基于触发事件(例如装置的移动)来布置。

在优选示例中，第一调制方案是根据正交频分复用OFDM。

OFDM在许多通信系统中被广泛用作数字多载波调制方法，因为它在对于诸如窄带干扰或频率选择性衰落的恶劣信道条件方面具有很大的鲁棒性优势。通过将整个频带分成多个子载波，系统还具有对各个子载波应用不同的调制和编码方案的灵活性，这可以用来最大化信道的容量。对于光学无线通信，通常采用单极OFDM调制技术，例如ACO-OFDM、DCO-OFDM、ADO-OFDM和/或翻转OFDM。

另一个高级变体是正交频分多址(OFDMA)。OFDMA是OFDM的多用户增强，其通过分配子载波的子集来实现与多个终端设备的并发AP通信(上行链路和下行链路)。OFDMA在向不同的用户提供不同的数据速率或服务质量方面具有更大的灵活性，并且同时，尽管存在这种多样性，也可以保持高的资源效率。

因此，鉴于光学小区的容量，对于光学接入点和一个或多个终端设备之间的通信，采用OFDM或OFDMA的调制方案是有效的。

然而，从终端设备侧来看，OFDM可能不是功率效率最高的调制方案，因为OFDM信号是在DC偏置附近应用的，这损害了功率效率。

在另一个优选示例中，第二调制方案是根据脉冲幅度调制PAM。

PAM的特征是调制和解调的复杂度相对低。并且因此，由直接链路用于降低终端设备处的功耗是有益的。将PAM用于直接链路的另一个优点是，PAM可能已经被终端设备中的另一个数据接口使用，并且因此数字处理组件可以在光学链路和终端设备中的另一个数据接口之间共享。在这种场景下的另外的优点是，光学链路也可以用作朝向另一个终端设备的另一个数据接口的替代。另一个数据接口可以根据USB或HDMI。

在另一个示例中，第二调制方案可以根据开关键控(OOK)调制。OOK是幅移键控(ASK)的最简单形式。对于许多低功耗应用，OOK以其低复杂度表现出优势。

有利的是，第一光学收发器的波束角为至少30度。

第一光学收发器旨在与具有相对大FoV的光学接入点建立可靠的光学链路。利用相对大的波束角，当设备在相对大的区域内移动时，装置和光学接入点之间的连接仍然可以保持。第一光学收发器的波束角至少为30度，并且优选地等于或大于35度。

优选地，第二光学收发器(220)的波束角为至多20度。

对于第二类型的光学无线链路，鉴于由终端设备施加的物理限制，降低功耗和形状因素是重要的。因此，窄波束链路是优选的设计选择。第二光学收发器具有至多20度的波束角，并且优选地等于或小于15度。

在优选的设置中，第一类型的光学无线链路支持点对多点通信。

点对多点通信(P2MP)是一种一对多连接，其提供从一个位置到多个位置的多条路径。因此，希望光学接入点支持P2MP，这允许光学接入点同时与多个终端设备/用户连接。事实证明，这是一种利用光学小区的通信容量的有效方式。

在另一种优选设置中，第二类型的光学无线链路是点对点链路。

为了避免管理P2MP所涉及的复杂性，第二类型的光学无线链路优选地选择点对点(P2P)通信，其充当两个终端设备或者终端设备和该装置之间的专用连接，从而避免P2MP通信所需的协调。

在一种优选设置中，该装置包括第三光学收发器，该第三光学收发器被配置成借助于第二类型的光学无线链路与一个或多个终端设备中的另一个终端设备通信。

该装置在这种混合系统中扮演着桥接设备或集线器设备的角色。该装置可以包括用于第二类型的光学无线链路的多于一个的光学收发器，例如第三光学收发器。当在操作模式中启用第一功能时，该装置可以用于充当OWC接入点和一个或多个终端设备(例如第一终端设备和/或另一终端设备)之间的桥接设备。当在操作模式中启用第二功能时，该装置可以用于在第一终端设备和另一终端设备之间中继数据。

取决于应用场景，该装置还可以包括用于第二类型的光学无线链路的附加光学收发器，以满足终端设备的高密度部署。

在一个示例中，当第一功能被启用时，集线器组件还被配置成从由第一光学收发器接收的分组中分离数据；向第二光学收发器提供其第一部分，并向第三光学收发器提供其第二部分。

为了支持各种应用，单个会话可能具有不同的数据速率要求。有时，该差异可以是显著的。例如，发送文本信息和流式传输高分辨率视频所需的数据速率相差几个数量级。当OWC接入点经由该装置连接到多于一个终端设备时，考虑到一些应用可能仅需要非常低的吞吐量，将去往不同终端设备的通信数据组合在同一分组中以减少通信开销是有效的。在这种场景下，集线器组件还被配置成在向第二光学收发器和第三光学收发器和/或另外的光学收发器提供去往不同终端设备的相关信息之前，重新布置从OWC接入点接收的一个或多个数据分组中传送的信息。

有益的是，第二光学收发器和第三光学收发器具有共享的公共部分，并且其中共享的公共部分不是光学前端。

由于第二光学收发器和第三光学收发器被配置为借助于相同的第二类型的光学无线链路进行通信，因此与部署两个相同的光学收发器的另一种选项相比，使第二光学收发器和第三光学收发器共享公共部分以减小尺寸、硬件成本和功耗是一种选项。

光学收发器包括几个构建块，例如数字调制器和解调器组件(也称为调制解调器组件)、模拟前端(AFE)、和光学前端。公共部分可以是调制器和解调器组件或AFE，但不是光学前端。这是因为第二光学收发器和第三光学收发器应该具有指向不同取向的专用光学前端。

有利的是，第二光学收发器和第三光学收发器指向不同的视场(FOV)，而没有重叠。这里，重叠被设想为代表由相应的收发器覆盖的区域，或者替代地由收发器服务的立体角。

该装置包括用于第二类型的光学无线链路的一个或多个光学收发器，例如第二光学收发器、第三光学收发器和另外的光学收发器。一个或多个光学收发器被导向不同的FOV而没有重叠。存在几个好处。首先，这种布置可以有助于减少多个第二类型的光学无线链路之间的相互干扰。其次，给定单个光学收发器的相对窄的波束角，这也有助于增加在该装置和一个终端设备之间建立连接和/或在该装置和多个终端设备之间同时建立多个连接的机会。

不同的FOV可以经由在相对于相同参考表面的不同高度或者在相同高度或不同高度的不同取向发射光学信号来实现。地板或桌面可以认为是参考表面。

在另一示例中，当第二功能被启用时，第二光学收发器和第三光学收发器还被配置为将接收到的数据分组传递到相应的光学收发器，而不解调或解码该分组的有效载荷部分，该接收到的数据分组去往一个或多个终端设备中的另一终端设备。

假定两个终端设备使用相同的调制和编码方案，作为根据第二功能的中继节点操作，该装置可以简单地执行放大转发(AF)中继操作，而不解调或解码从终端设备接收的分组的有效载荷部分。这也减少了由中间中继操作引入的迟延。在接收到数据分组时，第二光学收发器和/或第三光学收发器检查分组报头，以确定该分组是否去往另一终端设备。如果是，则将该分组传递给集线器组件，而不对有效载荷部分中携带的信息进行进一步解调和解码。并且然后，集线器组件将把分组提供给指向预期目的地终端设备的对应光学收发器。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学无线通信系统。一种光学无线通信(OWC)系统包括根据本发明的装置；以及OWC接入点，其包括到另外的网络的通信接口和光学收发器，该光学收发器被配置为借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路与该装置通信。

该光学无线通信系统还可以包括一个或多个终端设备，每个终端设备包括另一光学收发器，该另一光学收发器被配置成借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路与远程设备通信，其中该远程设备是该装置或者该一个或多个终端设备中的另一终端设备。

根据本发明的第三方面，提供了一种数据交换方法。一种光学无线通信(OWC)系统中的装置的数据交换方法，该方法包括：该装置在第一模式下操作，以通过充当OWC接入点和一个或多个终端设备中的第一终端设备之间的桥接设备来启用第一功能；或者在第二模式下操作，以通过在第一终端设备和一个或多个终端设备中的第二终端设备之间中继数据来启用第二功能；该方法还包括该装置：由第一光学收发器借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路与OWC接入点通信；由第二光学收发器借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路与第一终端设备通信；从包括第一模式、第二模式、以及第一功能和第二功能两者都被启用的另一模式的集合中选择操作模式；以及取决于所选择的操作模式，使用第一光学收发器和/或第二光学收发器进行连接；其中与第二光学收发器相比，第一光学收发器具有更宽的波束角。

本发明还可以体现在包括代码装置的计算程序中，当程序由包括处理装置的装置执行时，该代码装置使得处理装置执行如本发明中公开的装置的方法。

附图说明

在附图中，类似的附图标记遍及不同的图一般指代相同的部分。此外，附图不一定是按比例的，取而代之一般将重点放在说明本发明的原理上。

图1示出了终端设备之间的对等光学无线链路；

图2示出了作为终端设备的OWC网络中的桥接设备或者作为两个终端设备之间的中继设备操作的装置；

图3提供了经由第二类型的光学无线链路连接到一个或多个终端设备的装置的俯视图；

图4提供了能够无重叠地同时建立一个或多个第二类型的光学无线链路的装置的二维视图；

图5示意性地描绘了装置的基本组件；

图6示意性地描绘了装置的基本组件的另一个示例；

图7展示了光学无线通信系统；以及

图8示出了装置的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了终端设备之间的对等光学无线链路。终端设备可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、遥控器、TV或其他显示设备。终端设备包括为第二类型的光学无线链路服务的光学收发器，第二类型的光学无线链路的特征在于相对窄的波束，例如波束角不超过20度。窄且专用的波束具有在传输数据时提供更高能量效率的优点。例如，为了在一定的通信距离上实现相同的数据速率，与较宽的波束相比，较窄的波束光学链路需要较少的传输功率。

希望将光学收发器完全集成在终端设备中，这对智能手机或平板电脑用户来说非常有吸引力。然而，由于终端设备本身的小形状因素，考虑到诸如物理尺寸、功耗、散热和调度复杂性的限制，在这样小的终端设备中集成光学收发器的电子器件和光学器件两者也存在更多挑战。考虑到所有这些限制，通常认为小型终端设备(诸如智能手机、平板电脑或遥控器)只能使用有限的OWC传输功率，并且这导致了波束角/覆盖范围有限的短程到中程应用。优选使用没有DC偏置的调制方案来进一步提高功率效率。PAM和OOK是这种高功率效率链路的理想候选。

用例主要针对点对点(P2P)场景，比如设备对设备通信(智能手机对智能手机；智能手机对平板电脑；智能手机对笔记本电脑；智能手机对TV；平板电脑对平板电脑；等等)。与有线连接相比，无线光学链路是有利的。然后，用户不必担心附加的线缆以及终端设备和线缆之间的接口匹配。还存在可用的非光学无线P2P通信技术，例如基于RF的技术。然而，由于RF通信的传播特性，在协议级别上建立链路以允许对数据进行某种保护可能相当复杂，例如在Wi-Fi direct的情况下。另一种常用于智能手机的P2P通信技术是基于蓝牙技术的，这种技术具有更有限的数据速率。因此，所公开的窄波束P2P光学链路具有更高的数据速率、良好的安全性和低复杂度的优点。

如上所公开，为了集成到小型终端设备中，第二类型的光学无线链路不再与OWC网络中的传统光学无线链路或者第一类型的光学无线链路兼容。另一方面，从应用的视角来看，如果小终端设备也可以接入OWC网络以充分享受OWC带来的好处，则它可以是一个显著的增强。鉴于此，在本发明中公开了一种装置。

图2展示了装置200的用户场景，该装置200可以用作终端设备300的OWC网络中的桥接设备或者用作两个终端设备300之间的中继设备。

基于基础设施的OWC网络包括至少一个OWC接入点400。在OWC接入点400的覆盖范围内可以存在一个或多个端点。当在光学小区中存在多于一个激活端点时，OWC接入点400能够在点对多点通信(P2MP)中同时与多于一个的激活端点建立多个光学链路。可能存在其他端点设备与装置200一起在同一区域中激活。其他端点设备也应当包括支持第一类型的光学无线链路450的光学收发器，以便接入OWC网络。如图中所示，其他端点设备可以是笔记本电脑、PC、或者包括或耦合到支持第一类型的光学无线链路450的光学收发器的其他电子设备。

装置200和OWC接入点400之间的第一类型的光学无线链路450在图中分别用两个较大的阴影三角形示出。类似地，装置200和终端设备300a、300b之间或者两个终端设备300c、300d之间的第二类型的光学无线链路350用较小的阴影三角形示出。应当注意，图中使用的三角形的形状和尺寸用作光束的相对尺寸和形状的示例性指示。典型地，第一类型的光学无线链路450的波束角至少为30度(优选地等于或大于35度)，而第二类型的光学无线链路350的波束角不超过20度(优选地等于或小于15度)。此外，第一类型的光学无线链路450支持的通信距离也比第二类型的光学无线链路350支持的通信距离更长。鉴于终端设备在物理尺寸、功耗和散热方面的限制，驱动第二类型的光学无线链路350的光学前端的电功率通常低于500mW，并且优选地低于250mw。对于第二类型的光学无线链路350，允许光学传输器具有相对低的发射功率的另一个考虑是出于眼睛安全的原因，假设当启用第二类型的光学无线链路350时，诸如智能手机的终端设备可以被用户持有。因此，第二类型的光学无线链路350的通信距离通常仅达到3米，而第一类型的光学无线链路450的通信距离通常为3米或更长，以提供足够的覆盖。

如图2的示例中所展示，装置200可以在第一模式下操作，第一模式具有桥接OWC接入点400和第一终端设备300a、300b的第一功能。该装置还可以在具有第二功能的第二模式下操作，以在第一终端设备300a和另一终端设备300b之间中继数据。第一功能和第二功能不是排他的，并且可以同时启用。换句话说，装置200的操作模式可以是第一模式、第二模式、或第一功能和第二功能两者都启用的另一模式。

两个终端设备300c、300d在直接通信范围内，并且在这种情况下，它们直接建立P2P链路350。如果两个终端设备300c、300d移开或者存在障碍物阻挡它们之间的视线路径，则它们可以求助于装置200来经由装置200处的中继维持连接。

图3提供了经由第二类型的光学无线链路350连接到一个或多个终端设备300a、300b、300c、300d的装置的俯视图。该装置可以包括支持第二类型的光学无线链路350的一个或多个光学收发器，每个光学收发器指向不同的终端设备300a、300b、300c、300d。一个或多个终端设备300a、300b、300c、300d处于离装置200的最大距离D内。最大距离D与用于建立直接光学链路的两个终端设备之间的最大通信距离相同。

取决于操作模式，在第二类型的光学无线链路350上传送的信息可以由装置200从OWC接入点400或从另一终端设备获得。

当第一功能被启用时，假定第一类型的光学无线链路450与第二类型的光学无线链路350相比通常具有更高的数据速率，则要发送到不同终端设备的数据可以被组合在从OWC接入点400发送的同一数据分组中。然后，装置200将重新编译数据，并将分组的对应部分分别提供给目的地终端设备。这同样适用于上行链路情况。装置200可以组合从不同终端设备接收的数据，并在同一分组中发送到OWC接入点400。这种转换不会给装置增加额外的开销。因为第一类型的光学无线链路450和第二类型的光学无线链路350使用不同的调制方案，所以促进不同调制方案之间转换的数字处理是不可避免的。

当该装置根据第二功能充当两个终端设备之间的中继设备时，从一个第二类型的光学无线链路350接收的数据分组可以被传递以由装置在另一个第二类型的光无线链路350上传输，而无需解调或解码分组的有效载荷部分。因此，装置中的操作被简化，并且由于中继引起的迟延也减少了。

图4提供了能够无重叠地同时建立一个或多个第二类型的光学无线链路的装置的二维视图。为了避免执行第二类型的光学无线链路350的一个或多个光学收发器之间的相互干扰，一个或多个光学收发器的FOV没有重叠。不同的FOV可以通过将一个或多个光学收发器布置成在关于相同参考表面的不同高度处或者在相同高度或不同高度的不同取向发射光学信号来实现。地板或桌面可以认为是参考表面。

由于第二类型的无线光学链路的波束角相对窄，该装置可以部署和启用同时指向不同终端设备的若干第二类型的无线光学链路，以满足苛刻的应用场景。

由于该装置能够同时维持一个或多个第二类型的光学无线链路，因此一个终端设备经由该装置的中继向多于一个的目的地终端设备发送相同的分组也是一种选项。因此，第二类型的光学无线链路的P2P链路可以经由该装置扩展到等效的点对多点连接。当用户想要同时与几个人共享相同的信息时，这是非常方便和有效的。

图5示意性地描绘了装置200的基本组件。装置200至少包括第一光学收发器210、第二光学收发器220和集线器组件240。第一光学收发器210被配置成借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路450与OWC接入点400通信。第一调制方案优选地根据OFDM或OFDMA。对于OWC，通常采用单极OFDM调制技术，例如ACO-OFDM、DCO-OFDM、ADO-OFDM和/或翻转OFDM。第二光学收发器220被配置成借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路350与第一终端设备300a、300b、300c、300d通信。优选地，第二调制方案使用PAM或OOK，其具有较低的复杂度，并且适合于第二类型的光学无线链路350的低功耗要求。集线器组件240被配置成从包括第一模式、第二模式、和启用了第一功能和第二功能两者的另一模式的集合中选择操作模式；并且取决于所选择的操作模式使用第一光学收发器210和/或第二光学收发器220进行连接。

如上所公开，装置200可以被配置为同时与多个终端设备通信。因此，如图6中示意性描绘的，装置200可以包括用于第二类型的光学无线链路350的多于一个光学收发器220、230。

为了便于安装，可能希望装置无线充电，而不需要任何电力线缆来给它供电。激光充电和RF充电是无线充电的候选解决方案。因此，可以取决于终端设备的分布动态地部署该装置，以便放置在桌子上或起居室的中央。

图7展示了光学无线通信系统100。光学无线通信系统100至少包括根据本发明的装置200和OWC接入点400。作为示例，OWC接入点400至少包括到另外的网络415的通信接口410和光学收发器420，该光学收发器420被配置为借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路450与装置200通信。通信接口可以是诸如以太网的有线连接，或者基于射频(RF)或毫米波的无线连接。另外的网络415可以是IP网络或骨干网络。

图8示出了方法500的流程图，该方法可以使用如上所述的装置200来执行。方法500包括以下步骤：在步骤S501中，装置200在第一模式下操作，以通过充当OWC接入点40和一个或多个终端设备300a、300b、300c、300中的第一终端设备之间的桥接设备来启用第一功能；或者在第二模式下通过在第一终端设备和一个或多个终端设备300a、300b、300c、300d中的第二终端设备之间中继数据来启用第二功能。方法500还包括：在步骤S502中，装置200由第一光学收发器210，借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路450，与OWC接入点400进行通信；以及在步骤S503中，由第二光学收发器220借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路350与第一终端设备通信；以及在步骤S504中，从包括第一模式、第二模式和启用了第一功能和第二功能两者的另一模式的集合中选择操作模式；以及在步骤S505中，取决于所选择的操作模式，使用第一和/或第二光学收发器进行连接；其中与第二光学收发器220相比，第一光学收发器210具有更宽的波束角。

根据本发明的方法可以作为计算机实施的方法在计算机上实施，或者在专用硬件中实施，或者在两者的组合中实施。

根据本发明的方法的可执行代码可以存储在计算机/机器可读存储装置上。计算机/机器可读存储装置的示例包括非易失性存储器设备、光学存储介质/设备、固态介质、集成电路、服务器等。优选地，计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的非暂时性程序代码装置，用于当所述程序产品在计算机上执行时执行根据本发明的方法。

还可以提供方法、系统和计算机可读介质(暂时性和非暂时性)来实施上面描述的实施例的选定方面。

术语“程序”或“计算机程序”在本文中以一般意义使用，以指代可以被采用来对一个或多个处理器或控制器进行编程的任何类型的计算机代码(例如，软件或微代码)。

本文使用的术语“网络”指代两个或更多个设备(包括控制器或处理器)的任何互连，所述互连促进任何两个或更多个设备之间和/或耦合到网络的多个设备间的信息输送(例如用于设备控制、数据存储、数据交换等)。

Claims (15)

1.一种用于在光学无线通信OWC系统(100)中交换数据的装置(200)，被配置为：

·在第一模式下操作以启用第一功能，其中所述装置充当OWC接入点(400)和一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第一终端设备之间的桥接设备；或者

·在第二模式下操作以启用第二功能，其中所述装置在所述第一终端设备和所述一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第二终端设备之间中继数据；

所述装置(200)包括：

-第一光学收发器(210)，其被配置为借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路(450)与所述OWC接入点(400)通信；

-第二光学收发器(220)，其被配置为借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路(350)与所述第一终端设备通信；

-第三光学收发器(230)，其被配置成借助于所述第二类型的光学无线链路与所述一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第二终端设备通信；和

-集线器组件(240)，其被配置为：

ο从包括所述第一模式、所述第二模式、以及所述第一功能和所述第二功能两者都被启用的另一模式的集合中选择操作模式；和

ο取决于所选择的操作模式，使用所述第一光学收发器(210)、所述第二光学收发器(220)和所述第三光学收发器(230)中的至少两个进行连接；

其中，与所述第二光学收发器(220)或所述第三光学收发器(230)相比，所述第一光学收发器(210)具有更宽的波束角。

2.根据权利要求1所述的装置(200)，其中，与所述第二光学收发器(220)相比，所述第一光学收发器(210)支持更高的数据速率或更长的通信距离。

3.根据权利要求1或2所述的装置(200)，其中所述集线器组件(240)还被配置为根据以下中的至少一项来确定所述操作模式：用户输入、预定义的配置参数、由所述第一光学收发器(210)或所述第二光学收发器(220)接收的分组、来自所述第一光学收发器(210)或所述第二光学收发器(220)的关于检测到所述OWC接入点(400)的存在的输入、或者检测到一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)的存在。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第一调制方案是根据正交频分复用OFDM。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第二调制方案是根据脉冲幅度调制PAM。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第一光学收发器(210)的波束角为至少30度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第二光学收发器(220)的波束角为至多20度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第二类型的光学无线链路是点对点链路。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，当启用所述第一功能时，所述集线器组件(250)还被配置为：

-从由所述第一光学收发器(210)接收的分组中分离数据；

-向所述第二光学收发器(220)提供所述数据的第一部分，以及

-向所述第三光学收发器(230)提供所述数据的第二部分。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第二光学收发器(220)和所述第三光学收发器(230)具有共享的公共部分，并且其中，所述共享的公共部分不是光学前端。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，所述第二光学收发器(220)和所述第三光学收发器(230)在没有重叠的条件下指向不同的视场FOV。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置(200)，其中，当所述第二功能被启用时，所述第二光学收发器(220)和所述第三光学收发器(230)还被配置为将接收到的数据分组传递到相应的光学收发器，而不对所述分组的有效载荷部分进行解调或解码，所述接收到的数据分组去往所述一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的另一个终端设备。

13.一种光学无线通信OWC系统(100)，包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的装置(200)；和

-根据权利要求1至12中任一项所述的装置(200)；和

-OWC接入点(400)，其包括到另外的网络(415)的通信接口(410)和光学收发器(420)，所述光学收发器(420)被配置成借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路(450)与所述装置(200)通信。

14.一种光学无线通信OWC系统中的装置(200)的数据交换方法(500)，所述方法包括所述装置(200)：

·在第一模式下操作(S501)，以通过充当OWC接入点(400)和一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第一终端设备之间的桥接设备来启用第一功能；或者

·在第二模式下操作(S501)，以通过在所述第一终端设备和所述一个或多个终端设备(300a、300b、300c、300d)中的第二终端设备之间中继数据来启用第二功能；

所述方法还包括所述装置(200)：

-由第一光学收发器(210)借助于使用第一调制方案的第一类型的光学无线链路(450)与所述OWC接入点(400)通信(S502)；

-由第二光学收发器(220)借助于使用第二调制方案的第二类型的光学无线链路(350)与所述第一终端设备通信(S503)；

-由第三光学收发器(230)借助于所述第二类型的光学无线链路(350)与所述第二终端设备通信；

-从包括所述第一模式、所述第二模式、以及所述第一功能和所述第二功能两者都被启用的另一模式的集合中选择(S504)操作模式；和

-取决于所选择的操作模式，使用所述第一光学收发器、所述第二光学收发器和所述第三光学收发器中的至少两个进行连接(S505)；

其中，与所述第二光学收发器(220)相比，所述第一光学收发器(210)具有更宽的波束角。

15.一种包括代码装置的计算程序，当所述程序由包括处理装置的装置(200)执行时，所述代码装置使得所述装置(200)的处理装置执行根据权利要求14所述的方法。