專利名稱：用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的間接自由空間光通信系統(tǒng)以及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的間接自由空間光通信系統(tǒng)以及一種根據(jù)權(quán)利要求13的前序部分所述的用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的方法。
計算機或者其它技術(shù)系統(tǒng)之間的通信不僅在辦公室或者計算機房中很重要，而且在運輸工具的內(nèi)部也日益重要，因為數(shù)據(jù)通信在那里也越來越重要。例如，諸如公共汽車、火車、飛機、船倉等的較大的運輸工具裝備有顯示器、耳機接線、輸入設備或接收機或者數(shù)據(jù)站。在行駛期間，乘客能由此得到消遣或者得知信息，服務人員能與中央數(shù)據(jù)站交換數(shù)據(jù)等等。在這樣的應用中，很大的數(shù)據(jù)量部分主要從中央數(shù)據(jù)存儲器或發(fā)射機被傳輸給一個或者多個數(shù)據(jù)接收機，或者相反從一個或者多個數(shù)據(jù)接收機被傳輸給中央數(shù)據(jù)存儲器或發(fā)射機。
能模擬地或者數(shù)字地實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸例如通過電纜連接在發(fā)射機與接收機之間進行。可是，多個缺點與此相關。
首先，對每個終端設備必須敷設電纜，即室內(nèi)的每個接收機/發(fā)射機或每個數(shù)據(jù)站必須裝備有相對應的插頭，并且電纜必須在耦合的位置上被設置有相對應的插塞連接。由此，接收機/發(fā)射機僅僅有條件地能靈活移動，此外，該接收機/發(fā)射機還必需相應標準化的插塞連接，并且可能的接收機的數(shù)量通過電纜上存在的插頭數(shù)或者通過電纜數(shù)量來預定。數(shù)據(jù)站的位置也受到預定的空間布局限制。這尤其是在接收機的數(shù)量和位置未被預定且必須保持靈活的地方是有問題的。但是，具有很多電纜和插塞連接的設備昂貴且易受干擾。
此外，電纜遭受到電磁輻射的干擾(EMV)。在這種情況下，特別是在傳輸模擬信號時會導致強烈的質(zhì)量損害，但是在數(shù)字傳輸?shù)那闆r下也會出現(xiàn)干擾。該問題尤其是在運輸工具中難于處理，因為在移動的汽車(不同于固定建筑物)中，環(huán)境和入射輻射在傳輸鏈路上不能保持恒定，以致在移動期間最多通過巨大的屏蔽來降低入射輻射。但是，這種強烈屏蔽的電纜重、昂貴并且不能移動。此外，運輸工具本身還引起強烈的很難屏蔽掉的電磁輻射污染(EMV)。
此外，電纜不僅遭受到入射輻射，而且本身也發(fā)射輻射。由此，相對于運輸工具內(nèi)的其它電子系統(tǒng)或者相對于偶然停留在附近的其它運輸工具造成EMV。此外，也能監(jiān)聽這種系統(tǒng)。
由于電纜的受限帶寬而被傳輸?shù)氖芟迶?shù)據(jù)率應被看作另一缺點。數(shù)據(jù)率越高，由于衰減和色射就越難通過電連接傳輸該數(shù)據(jù)，并且EMV和屏蔽的問題就越大。
為了克服EMV的問題，嘗試借助被調(diào)制過的光信號通過光導體實施數(shù)據(jù)傳輸。在這種情況下，至少對光源進行調(diào)幅。頻率調(diào)制和相位調(diào)制也是可能的。發(fā)射源的光通過替代電纜的玻璃或者塑料光源導體被傳輸?shù)浇邮諜C。接收機包含用于將光信號復原成電信號的光電檢測器。在這種情況下，能實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)率并且排除了EMV。
可是，現(xiàn)有的問題在于室內(nèi)待連接的站的數(shù)量和位置方面的不靈活性，特別是因為光波導和插塞連接的費用相對于電連接通常是昂貴的并且難于敷設。也難于或只有在高費用的情況下才能安裝用于事后要連接的站的空閑的插塞連接。
為了解決敷設電纜的問題，嘗試采用如在無線電傳輸領域中公知已久的無線通信系統(tǒng)。類似于無線電通信和無線電設備通信，所有類型的數(shù)據(jù)能通過無線電來傳輸。但是，在這種情況下，可能的數(shù)據(jù)傳輸率取決于所應用的電磁輻射的頻率。最近，出現(xiàn)頻率在千兆赫范圍的小型微波收發(fā)機，該微波收發(fā)機實際上能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)Mb/s范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。但是，此處的缺點是原理上限制的數(shù)據(jù)傳輸率、仍存在的EMV輻射和EMV發(fā)射輻射到運輸工具的其它系統(tǒng)中的問題以及監(jiān)聽安全的問題。在主要被用于世界各國的運輸工具(諸如飛機或者船舶)中，此外還應注意針對所應用的頻帶和調(diào)制類型的本地規(guī)定，這強烈地限制了可供使用的頻帶的選擇并且使其國際應用復雜化。
可替換的解決方案是無線的、但是為光學的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在這種情況下，光學的、利用數(shù)據(jù)調(diào)制的輻射直接被射入房間并由光電檢測器接收到(例如IrDA標準)。該方法例如被用于移動計算機與打印機之間的數(shù)據(jù)傳輸?？墒?，該方法的缺點是，在此在發(fā)射機與接收機之間必須有直接的可見連接(Sichtverbindung)，并且僅允許發(fā)射機與接收機之間的間距相對很小，通常該間距＜1-2m。該輻射必須位于接收機的某個角度范圍內(nèi)，通常位于＜+/-15°的范圍內(nèi)，并且與該接收機形成直接的可見接觸。
借助被散射的IR輻射的IR數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)例如由F.R.Gfeller、U.Bapst在Proceedings of the IEEE(第67卷，第11期，1979年11月)中被說明，該IR數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有更大的作用距離和受光角并且適于連接辦公室中的計算機。
在德國專利文獻DE 101 07 538 B4中說明了另一系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通過應用散射輻射已能夠?qū)崿F(xiàn)范圍為數(shù)Mb/s至大約100Mb/s的極大的帶寬以及范圍為數(shù)米的作用距離，而不需要射束調(diào)準，其中帶寬基本上受在多次反射時出現(xiàn)的多徑傳播(Mult ipath-Ausbreitung)限制。


圖1示出了這種公知的用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的自由空間光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有能被調(diào)制的光源的發(fā)射機1和至少一個接收機5a、5b、5c、5d，該接收機包括光電檢測器，以便接收由發(fā)射機1所發(fā)射的光并且將該光轉(zhuǎn)換成電信號，其中發(fā)射機1和接收機5a、5b、5c、5d這樣被構(gòu)造，使得由發(fā)射機1所發(fā)射的光在運輸工具內(nèi)的面7上散射或者反射之后能通過接收機5a、5b、5c、5d檢測到和/或通過接收機5a、5b、5c、5d被檢測到。面7位于運輸工具的內(nèi)部或內(nèi)部空間中，例如在頂蓋8上。例如一個或者多個LED、激光二極管、邊發(fā)射激光二極管和/或VCSEL激光器被用作光源，并且能執(zhí)行發(fā)射機與接收機之間的雙向通信。
由于較高的靈活性應優(yōu)選雙向設計。因此，如果以下提及發(fā)射機，則這例如尤其是也指例如被固定在運輸工具的機身上的那些發(fā)射機或者收發(fā)機，而數(shù)據(jù)站例如尤其也是指手持設備等上的朝著用戶的那些接收機或者也是收發(fā)機，即例如被安放在乘客的座位上或被安放在與該座位相連的多媒體小區(qū)上的接收機或者收發(fā)機。因此，為了能夠區(qū)分這一點，以下簡單地指分配器和數(shù)據(jù)站。
本發(fā)明的任務在于，如此改進公知的自由空間光通信系統(tǒng)，以致提高帶寬。尤其是，在諸如飛機或者汽車的運輸工具的內(nèi)部應在總共為Gbit/s的范圍中或者更大的范圍中傳輸高數(shù)據(jù)率。
該任務通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的自由空間光通信系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的方法來解決。本發(fā)明的其它有利的特征、方面和細節(jié)由從屬權(quán)利要求、說明書和附圖得到。
根據(jù)本發(fā)明的間接的自由空間光通信系統(tǒng)用于寬帶地傳輸高速數(shù)據(jù)并且包括含有能被調(diào)制的光源的發(fā)射機以及接收機，該接收機含有光電檢測器，以便接收由發(fā)射機所發(fā)射的光并且將該光轉(zhuǎn)換成電信號，其中發(fā)射機和接收機集中于至少一個共同的面，在由發(fā)射機所發(fā)射的光到達接收機之前，該共同的面反射該光，其中蜂窩狀地建立自由空間通信系統(tǒng)，并且該自由空間通信系統(tǒng)具有多個小區(qū)，這些小區(qū)分別包括至少一個發(fā)射機和至少一個接收機，以及其中這樣地構(gòu)造這些小區(qū)，使得阻止與相應相鄰小區(qū)的串擾，以致這些小區(qū)相互獨立。
利用該系統(tǒng)，在Gbit/s范圍中或者更大范圍中的高數(shù)據(jù)率能從一個發(fā)射機被光學傳輸?shù)蕉鄠€接收機上(單向)，或從一個發(fā)射機被光學傳輸?shù)蕉鄠€所分配的接收機(單向廣播)，或者在收發(fā)機(雙向)之間進行光學傳輸。該系統(tǒng)能被用在運輸工具或者汽車的內(nèi)部并且在降低花費和提高帶寬的情況下實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率的安全傳輸。
尤其是，利用該通信系統(tǒng)能在諸如汽車、飛機、火車、船舶、衛(wèi)星等等的運輸工具中以簡單的方式以高速率傳輸數(shù)據(jù)，而在發(fā)射機與接收機之間不必有直接的插塞連接，以及不必在發(fā)射機與接收機之間敷設電纜以進行數(shù)據(jù)傳輸。此外，通過本發(fā)明克服了EMV的問題并且此外還保證了提高的監(jiān)聽安全。
通過本發(fā)明，例如在具有兩個或者多個通道的飛機中，在多排座位之間，多個具有所分配的接收機的發(fā)射機能相互獨立地能使用例如大約100Mbit/s的全帶寬，這已經(jīng)與總共能被使用的帶寬的兩倍相對應。因此，實現(xiàn)了通信系統(tǒng)的兩個或者多個基于同樣的物理介質(zhì)的“小區(qū)”，這些“小區(qū)”由于能相對好的對準的照明而不會有串擾。這只有在此所應用的光學領域中才是可能的，因為這種清楚的分界在無線電波中由于在低頻中非定向的傳播而是不可能的。
有利地，分配器或發(fā)射機以及數(shù)據(jù)站或接收機所對準的面被布置在運輸工具的內(nèi)部空間中，在該內(nèi)部空間中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)選地在汽車、飛機、火車、船舶或者衛(wèi)星等中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由此，尤其是能以簡單的方式在移動系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)傳輸。因為在接收位置方面未預定限制或者可能僅僅預定很小的限制，所以降低了成本并且提高了舒適性。
有利地，設置有用于形成相應發(fā)射機的射束的裝置和/或用于限制相應接收機的接收孔徑角的裝置，以便防止串擾。由此，以合適的方式如此形成光學的射束傳播，以致僅僅得到在空間上被限制的照明。在此例如也考慮到，由于多徑傳播而將數(shù)據(jù)率限制到大約100Mbit/s。
優(yōu)選地，這樣構(gòu)造間接自由空間光通信系統(tǒng)，使得共同的面的反射區(qū)或者散射區(qū)在相鄰小區(qū)之內(nèi)不會相互重疊。由此，例如能沿著飛機或者通常的運輸工具中的通道實現(xiàn)獨立的通信小區(qū)。
例如，在具有兩個通道的飛機中由分開的發(fā)射機或者收發(fā)機如此照射這兩個通道的頂棚鑲板，以致這兩個通道的發(fā)射機和接收機的被照明的或位于接收機的視野中的面不重疊。
尤其是，例如飛機沿著同一通道的區(qū)域這樣分開被照明，使得各個區(qū)中的各種分配器和數(shù)據(jù)站的彼此鄰近的共同面不具有與其它區(qū)的面重疊并且能彼此獨立通信，以致沿著通道也形成各種獨立且沒有串擾的通信小區(qū)。所照明的面的分界或者通過適當?shù)剡x擇發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)或者通過在彼此獨立被照明的面的邊界上用光學上不透輸?shù)纳涫走M行遮蔽來實現(xiàn)。
因此，優(yōu)選地，設置一個或者多個遮蔽元件，這些遮蔽元件用于相對于屬于另一小區(qū)的接收機遮擋由小區(qū)的共同的面所反射的光。
特別有利地，相鄰小區(qū)的光源具有不同的波長。由此，在邊界上必要時能容易地重疊所照明的和/或位于接收機的視野中的面。光的不同的波長例如為810nm和960nm，這些波長通過接收機中的簡單濾波器能特別容易地被分開。因此，在發(fā)射側(cè)應用這兩個波長范圍的相對應的光源，優(yōu)選地應用這兩個波長范圍的LED或者激光器。
特別優(yōu)選地，不同的措施相互組合。由此得到特別的優(yōu)點例如，雖然飛機的這兩個通道作為獨立的通信小區(qū)由于在邊界區(qū)域中通過中部區(qū)的行李艙進行的遮蔽通過射束導向被分開，但是沿著這些通道仍實現(xiàn)了輕微重疊的具有不同的波長的小區(qū)。視野的照明/調(diào)整僅僅如此優(yōu)選地實現(xiàn)，以致雖然能在鄰近小區(qū)的邊界區(qū)域中重疊(但是并非必須)，但是不會與下一個小區(qū)進行重疊。由此，沿著一個通道僅需要兩個不同的波長L1和L2，這些波長L1和L2大約以L1-L2-L1-L2-L1-L2的布局交替。由此，通過將必要的波長的數(shù)量限制到兩個而使設備花費微小，特別是因為不必很明顯地進行濾波，另一方面通過交替應用能實現(xiàn)近似任意高的數(shù)據(jù)率。
也就是說，這些小區(qū)優(yōu)選地被布置成列，其中光的波長在彼此相鄰的小區(qū)中交替。
但是有利的是，這些小區(qū)在空間上也相互分開。小區(qū)的面尤其是數(shù)據(jù)在其中被傳輸?shù)目臻g的內(nèi)部中的壁或者物體的表面。
相應發(fā)射機的光源例如包括一個或者多個LED、激光二極管、邊發(fā)射激光二極管和/或VCSEL激光器。
相應的接收機例如包括光源和相應的發(fā)射機(例如光電檢測器)，以便實施雙向通信。工作時，小區(qū)的唯一的發(fā)射機能為多個接收機同時提供相同或者不同的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于間接光學傳輸高速數(shù)據(jù)的方法，該方法具有以下步驟借助光源產(chǎn)生光，該光以要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的頻率被調(diào)制；將調(diào)制過的光發(fā)送到反射和/或散射光的面上；接收從該面散射和/或反射的光，以致該光在間接的路徑上從光源到達接收機；以及將調(diào)制過的光轉(zhuǎn)換成電信號，其中光的發(fā)射機和接收在多個彼此獨立的小區(qū)中實現(xiàn)，這些小區(qū)分別包括至少一個發(fā)射機和至少一個接收機，并且其中主動阻止與分別相鄰的小區(qū)的串擾。
上面參照根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)所述的優(yōu)點也適于根據(jù)本發(fā)明的方法，并且反之，上面參照根據(jù)本發(fā)明的方法所述的優(yōu)點也適于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。
有利地，由小區(qū)的發(fā)射機所發(fā)射的光這樣被限制到其反射角中，使得該光不會達到其它小區(qū)的接收機。
例如，小區(qū)的相應接收機的接收孔徑角能這樣被限制，使得相鄰小區(qū)的光源的光不會到達接收機。
尤其是，相對于屬于其它小區(qū)的接收機能遮蔽由小區(qū)的面所反射的光。
有利地，在相鄰的小區(qū)中應用具有不同波長的光。
接下來，例如參照附圖描述本發(fā)明。其中圖1示出了具有沒有可見連接的數(shù)據(jù)通信鏈路的射束導向的現(xiàn)有技術(shù)的例子；圖2根據(jù)實施例以示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的布局，其中雙通道飛機的兩個通道作為分開的通信小區(qū)工作；圖3以示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的布局，其中沿著飛機的通道運行獨立的、無串擾的小區(qū)；圖4a示出了根據(jù)圖3的根據(jù)本發(fā)明的布局，其中通過適當?shù)纳涫鴮騺碜柚勾當_；圖4b示出了根據(jù)圖3的根據(jù)本發(fā)明的布局，其中通過適當?shù)纳涫谆蛘哒诒卧碜柚勾當_；圖5a以示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明的布局，其中沿著飛機的通道通過應用兩個不同的傳輸波長來運行多個獨立的、無串擾的小區(qū)；圖5b示出了不同傳輸波長的兩個相鄰小區(qū)的示意圖；圖6通過組合上述方法示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施形式。
在圖1中示出了公知的自由空間光通信系統(tǒng)的示意性截面，該自由空間光通信系統(tǒng)通過本發(fā)明被改進。在專利文獻DE 101 07 538 B4中詳細地描述了該系統(tǒng)。
被固定在運輸工具上(例如在夾持具17上)的“分配器”或者發(fā)射機1這樣被布置，使得由該“分配器”或者發(fā)射機1所發(fā)射的光照射運輸工具的頂蓋8上的遠處的面7，其中運輸工具例如是飛機、汽車、火車、公共汽車、有軌電車、衛(wèi)星等等。與分配器1遠離地布置有數(shù)據(jù)站5a、5b、5c、5d、40以及所屬的多媒體站4a、4b、4c、4d，這些數(shù)據(jù)站和多媒體站接收由面7所反射的或所散射的光。因此，該光在間接的路徑上從分配器1到達數(shù)據(jù)站，其中畫有斜陰影的區(qū)域表示由分配器所發(fā)射的光，以及沿另一方向畫有斜陰影的區(qū)域6a、6b、6c、6d是相應數(shù)據(jù)站的接收區(qū)域。圖1中的重疊交叉畫有陰影的區(qū)域表示由分配器1所發(fā)出的光，該光在數(shù)據(jù)站5a-5d、40的相應的接收區(qū)域6a-6d中到達這些數(shù)據(jù)站。由于光在面7上被散射，所以在分配器1與數(shù)據(jù)站5a-5d、40之間不必存在直接的可見接觸，即在這兩者之間甚至可以存在障礙。在該圖中，參考符號3a-3e表征乘客座位。
根據(jù)圖1的公知的自由空間通信系統(tǒng)是本發(fā)明的優(yōu)選實施形式的部分，該部分改進了公知的系統(tǒng)。
面7例如可以是運輸工具的內(nèi)墻板的一部分，例如是汽車的內(nèi)頂棚鑲板或者是門的側(cè)向檔板、頂柱的鑲板或者進行IR反射的窗面等。此外，作為面7例如在飛機或者火車中能設置頂面、底面、側(cè)壁、內(nèi)部空間的鑲板部分等。通常，任何面都是適當?shù)?，這些面能利用光源被照射并且接著反射或者散射至少一部分入射的輻射。
在等候室或者運輸工具中存在多個這樣的面，這些面能以根據(jù)本發(fā)明的方式和方法被用作自由空間光通信系統(tǒng)的部分。但是，也能將具有用于偏轉(zhuǎn)光束的結(jié)構(gòu)化的表面的特定的反射元件或者散射元件設置為系統(tǒng)的部分。
在雙向傳輸?shù)那闆r下，發(fā)送小區(qū)也被集成在數(shù)據(jù)站5a、5b、5c、5d、40中。因此，區(qū)域6a、6b、6c、6d同時也是被集成在數(shù)據(jù)站中的發(fā)送小區(qū)的相對應的孔徑角。數(shù)據(jù)站的接收機和發(fā)射機的兩個孔徑角不必是相同的，因為由協(xié)議承擔對傳輸方向的區(qū)別?？墒牵诟鶕?jù)圖1的原理圖中出于簡單的原因而未區(qū)分傳輸方向。
在附加的座位3e上布置有便攜式計算機或者手持設備40，該便攜式計算機或者手持設備40被構(gòu)造為數(shù)據(jù)站或具有根據(jù)本發(fā)明的用于通過面7進行通信的輸入小區(qū)和/或發(fā)射小區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施形式，分配器1由一個或者多個作為光源的LED、邊發(fā)射激光二極管、激光二極管或者VCSEL激光二極管構(gòu)成。在這種情況下，光源的輸出功率由此向下被限制，即根據(jù)運輸工具的幾何形狀的事實以及內(nèi)部表面的反射性通過反射使足夠的光量能到達數(shù)據(jù)站。向上，分配器1的光源的輸出功率通過眼睛安全的界限來限制，即此處在工作時排除眼睛損傷。按照運輸工具的特定的實施方案，可以相應低的輸出功率工作。
可是，如果傳統(tǒng)LED或者VCSEL激光二極管的必要的輸出功率位于高于法定預定的界限的近紅外線、即主要具有＜1μm的波長，則能應用LED或者VCSEL激光二極管，這些LED或者VCSEL激光二極管發(fā)射具有在視網(wǎng)膜可容忍方面明顯更高的損傷界限的波長，該波長例如為1.55μm。
借助夾持具17被安放在運輸工具上的分配器1能在飛機中例如沿著機身射出，以致該分配器沿著通道照明一個或者多個頂棚鑲板8。該分配器同樣能垂直于機身安放，以致該分配器照明例如從頭架到頭架的唯一的頂棚鑲板，或者以任意角度被布置在其間而具有相應傾斜的照明特性。例如，分配器也能與機艙的照明設備一起被安放在共同的殼體中。在發(fā)光二極管作為機艙照明裝置的情況下，這甚至是可能特別有利的。
至少在數(shù)據(jù)站5a-5d或在手持設備40中、但是也被包含在分配器1中的接收機由一個或者多個光電檢測器組成，這些光電檢測器的面受電容并且因此受可能的數(shù)據(jù)率限制。向下通過靈敏度預定該限制。為了檢測通過在運輸工具的內(nèi)部中的反射而到達檢測器的輻射，檢測器面大多為至少數(shù)個mm2。
由于高色散，LED的應用允許廣域地輻射反射面或面或者運輸工具的內(nèi)壁，但是在這種情況下限制輸出功率。必要時，多個LED被用于產(chǎn)生更高的功率。
具有很小結(jié)構(gòu)大小且尤其是也能廉價地制造的VCSEL激光二極管在效率顯著更高的情況下還具有高得多的輸出功率。也就是出現(xiàn)小的電流，在電壓小于5V的情況下，電流通常＜10-20mA。但是，VCSEL的輻射特性主要是成束的，其中色散通常在幾度的范圍中。此外，由于電壓小且電流極小，所以VCSEL激光二極管能直接由電子驅(qū)動器模塊或標準TTL驅(qū)動器來驅(qū)動。必要時，在應用分壓器的情況下來實現(xiàn)這。由此，電源變得很簡單，并且與VCSEL元件的小電容一起實現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)率，該數(shù)據(jù)率例如高于1Gb/s。
圖2示出了兩個通道61和62的具有在空間上分開的區(qū)域的根據(jù)本發(fā)明的布局，這兩個通道構(gòu)成小區(qū)Z 1、Z2；這兩個小區(qū)Z1、Z2的所屬元件如下表示5a、5b為通道61的數(shù)據(jù)站，而用參考符號7a和7b表征通道62的數(shù)據(jù)站。分配器11作為發(fā)射機或者收發(fā)機被分配給通道61。另一分配器12作為發(fā)射機或者收發(fā)機被分配給通道62。通道61的分配器11或發(fā)射機以及所分配的接收機或數(shù)據(jù)站5a、5b對準共同的面8a。通道62的分配器12和屬于其的接收機或數(shù)據(jù)站7a、7b對準共同的面8b。
數(shù)據(jù)站5a、5b和7a、7b分別具有視場或接收角9a、9b或10a、10b，該視場在此同時與發(fā)射機的相應的輻射特性相對應，這些輻射特性必要時被包含在數(shù)據(jù)站5a、5b、7a、7b中。
分配器11和12分別具有輻射特性11a或12a，該輻射特性11a或12a在此同時與必要時被包含在分配器11、12中的接收機的視場相對應。
數(shù)據(jù)站5a、5b和7a、7b分別被安放在座位3a、3b或13a、13b上，其中座位3a、3b的組屬于通道61而座位13a、13b的組屬于通道62。
這兩個通信小區(qū)相互獨立并且沒有串擾，因為通過中間的行李艙30對通道61的組件的共同的面8a實現(xiàn)屏蔽，并且相反對通道62的組件的面8b實現(xiàn)遮蔽。
以這樣的方法形成通信網(wǎng)絡的兩個小區(qū)，這兩個小區(qū)被分配給這兩個通道61和62并且能獨立且無相互串擾地運行。
通過這些措施，總共所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率相對于簡單的系統(tǒng)翻倍。
圖3示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施形式，其中沿著通道61或62分別存在多個獨立的小區(qū)并且運行這些小區(qū)。由此，還能實現(xiàn)高得多的數(shù)據(jù)率，這例如在具有非常多的數(shù)據(jù)站的運輸工具中、尤其是在具有非常多的座位位置數(shù)的飛機中是必要的。
在此處所示的例子中，座位3a、3b、3c、3d被分配給第一小區(qū)Z1，而其它座位14a、14b、14c、14d被分配給第二小區(qū)Z2。在此，例如通過以下方式避免了串擾，即每個單個小區(qū)Z1、Z2的被照明的面充分被分離，以致座位14a-14d的視場區(qū)不會看到小區(qū)Z1的被照明區(qū)，或者相反，即小區(qū)Z1的視場區(qū)不會看到座位14a-14d的被照明區(qū)。
另一種解決方案在于，如此使分配器的光學系統(tǒng)成形，以致實現(xiàn)被照射的面的明確分開，如以下將更詳細地闡述的那樣圖4a示出了客機的內(nèi)部空間或機艙。在多排座位或者座位3a、14a、15a上分別布置數(shù)據(jù)站5a、7a和17a。在頂棚鑲板或者壁板上固定多個分配器11、12、19，這些分配器11、12、19垂直于機身軸線或垂直于機艙的縱向以射束角11a、12a、19a照射。因此，構(gòu)成多個分開的小區(qū)，在該例子中為三個。
在此，其視場或接收孔徑角為9a的數(shù)據(jù)站5a正好被分配給分配器11。其視場為10a的數(shù)據(jù)站7a被分配給分配器12，并且其視場為18a的數(shù)據(jù)站17a被分配給分配器19。其射束角為11a、12a、19a的分配器11、12和19構(gòu)成各種彼此獨立的小區(qū)Z1、Z2、Z 3。以這樣的方式，能非常好地限定成形的光學介質(zhì)的射束成形能夠?qū)崿F(xiàn)明顯地分開共同的面，并且因此實現(xiàn)無串擾地產(chǎn)生分開的通信小區(qū)。
圖4b示出了本發(fā)明的另一種實施形式，其中遮蔽元件40被安放在機艙的頂棚鑲板上，該頂棚鑲板限制射束傳播。由此形成被遮蔽的區(qū)域，這些區(qū)域限制相應的數(shù)據(jù)站5a、7a、17a的視場9a、10a、18a，以致在此也形成分開的小區(qū)Z1、Z2和Z3。尤其是，通過用于進行遮蔽的元件40限制單個分配器的射束傳播，以致每個分配器照明所屬的面元件，該面元件相對于其它分配器的入射光被遮蔽。被布置在座位3a、14a和15a上的數(shù)據(jù)站5a、7a和17a屬于彼此分開的、獨立的通信小區(qū)Z1、Z2和Z3，這些通信小區(qū)具有各種彼此分開的分配器或發(fā)射機，并且照明各種彼此通過遮蔽元件40分開的面元件，這些面元件反射或散射光。視場9a、10a和18a分別正好對準這樣的面元件。
圖5a示出了本發(fā)明的特別有利的實施形式，其中沿著飛機的通道61運行多個無串擾的小區(qū)Z1、Z2、Z3、Z4，其中應用兩個不同的傳輸波長L1、L2。在該例子中，不必特定地形成或者限制相應小區(qū)的射束和視場，而是這些射束和視場甚至能在光學上重疊。在此，如此構(gòu)造單個小區(qū)Z1、Z2、Z3、Z4，以致沿著小區(qū)的列交替所應用的波長。在該例子中，小區(qū)Z1以波長L1工作，而與其鄰近的小區(qū)Z2以波長L2工作，該波長L2不同于波長L1。因此，在鄰近小區(qū)Z2的下一個小區(qū)Z3中又應用第一波長L1，因為該第一波長通常已來自第一小區(qū)Z1的數(shù)據(jù)站的視場90的區(qū)域。以這種方式以僅僅兩個交替應用的不同波長實現(xiàn)彼此獨立的通信小區(qū)的近似任意的排列。在本例中，座位3a-d被分配給第一小區(qū)Z1，座位14a-14d被分配給第二小區(qū)Z2，座位15a-15d被分配給第三小區(qū)Z3以及座位27a-27d被分配給第四小區(qū)Z4。所有的小區(qū)都沿著通道61。第二通道62可以類似于第一通道61來構(gòu)造，即具有小區(qū)Z1至Z4。
特別的例子如下在由兩個通道和三排座位組成的飛機中，最外面的一排座位分別裝配有兩個座位，里面的一排座位裝配有四個座位，飛機總共應具有例如336個這樣布置的座位位置，兩個通道的頂棚鑲板被用作用于進行照明的共同的面/被用作視野。所有三排座位在兩個波長之間交替。中間一排座位的數(shù)據(jù)站這樣來對準，使得這些數(shù)據(jù)站分別對準位于附近的通道鑲板。
以這樣的方式，12個座位總是被分配給一個通信小區(qū)。沿著每個通道，通過交替所應用的波長而形成14個獨立的通信小區(qū)，即總共28個獨立的通信小區(qū)。
如果每個小區(qū)具有例如為100Mbit/s的數(shù)據(jù)率，則因此在整個飛機中能彼此獨立地傳輸2.8Gbit/s的速率。8Mbit/s的速率被分配給每個單個座位。但是，100Mbit/s小區(qū)的12個座位中的每一個也能如此來連接，以致，當其它座位未傳輸數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)率不同地分配時，該座位根據(jù)需要能使用100Mbit/s的整個數(shù)據(jù)率。
圖5b示出了所描述的具有重疊的小區(qū)的布局的詳細截面。在此，為發(fā)射機或者收發(fā)機的分配器11利用LED形式的、波長為L1的光源照射面8a，該面8a通過數(shù)據(jù)站5a的接收機的視場9a由該接收機看到。由面8a所反射的光通過限定視場9a的光學系統(tǒng)41到達光電檢測器43，其中在被構(gòu)造為透鏡的光學系統(tǒng)41與光電檢測器43之間安放有濾波器42a。濾波器42a能透輸波長為L1的光并且阻擋波長為L2的光。該濾波器例如以介電層的形式和/或通過相對應的材料選擇或者透鏡41的著色當然也能被安裝在透鏡41上或者光電檢測器43上。
另一分配器12照射面8b，該面8a與面8b重疊，其中應用波長為L2的光源。重疊不是強制性的，而是也能在被照明的面8a與8b之間設置分開。被分配給分配器12的數(shù)據(jù)站7a類似于數(shù)據(jù)站5a來構(gòu)造，可是，其中濾波器42b阻擋波長L1的光，而該濾波器42b能透輸由分配器12所發(fā)出的波長為L2的光。
圖6根據(jù)另一優(yōu)選的實施形式示出了根據(jù)本發(fā)明的通信系統(tǒng)的各種特征的組合。該組合具有非常多個彼此獨立的小區(qū)并且相對于只有單個小區(qū)的應用因此極大地提高了數(shù)據(jù)率。相鄰通道61和62中的小區(qū)Z1和Z1a能具有相同的波長，可是在小區(qū)之間不會發(fā)生串擾，因為飛機的中間的行李艙30(參見圖2)在光學上相互遮蔽這兩個小區(qū)Z1、Z1a的共同的面并且相應的接收機不能看到相應其它小區(qū)的共同的面。
沿著通道61有另一小區(qū)Z2，該另一小區(qū)Z2鄰近小區(qū)Z1，其中小區(qū)Z1和Z2的必要時重疊的光學區(qū)域通過應用第二波長來分開以防止串擾。與此類似，在相鄰通道62中布置有兩個小區(qū)Z1和Z2。
在通道61中，相對于小區(qū)Z1和Z2，通過進行遮蔽的元件45這樣來相互遮蔽接下來的兩個小區(qū)Z3和Z4，使得在此不會發(fā)生串擾。進行遮蔽的元件45例如為客艙的分級器或簾子。一方面通過該遮蔽元件45，但也通過小區(qū)Z1和Z2的隔離同樣也不會發(fā)生串擾。與此類似，在通道62中布置有小區(qū)Z3a和Z4a，這些小區(qū)Z3a和Z4a相對于小區(qū)Z1a和Z2a同樣通過遮蔽元件45來防止串擾。這兩個分別彼此鄰近的小區(qū)Z3和Z4或Z3a和Z4a具有不同的波長L1和L2。
通道61中的接下來的小區(qū)Z5和Z6或通道62中的小區(qū)Z5a和Z6a相對于小區(qū)Z4和Z4a通過更大的空間隔離來分開，即小區(qū)的共同的面分別位于相應其它小區(qū)的接收機的視場之外，以致在此同樣不發(fā)生串擾。分別相互鄰近的小區(qū)Z5和Z6或Z5a和Z6a再次以波長L1和L2來區(qū)分。
相應地，整個飛機機身能通過適當?shù)亟M合或者選出根據(jù)本發(fā)明的措施這樣設置有獨立的、無串擾的小區(qū)，使得能利用使單個小區(qū)的額定帶寬倍增來實現(xiàn)帶寬很寬的數(shù)據(jù)網(wǎng)。在這種情況下，通過根據(jù)本發(fā)明的措施，尤其是利用光學傳輸介質(zhì)的有利特性(在無線電傳輸領域中由于在此完全不同的傳播特性，相同傳輸帶的這種多次占用是不可能的)。
因此，所建議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)適于傳輸很高的數(shù)據(jù)率，其中造成很小的EMV并且因此具有很高的靈活性。在發(fā)射機與接收機之間不必要有直接的可見連接，以致在其空間布局方面有很高的靈活性。
發(fā)送模塊與接收模塊能直接被集成在數(shù)據(jù)站中，諸如被集成在顯示器、小型計算機等中。發(fā)送和接收元件的數(shù)量并不受電纜、插頭等限制并且能保持靈活。
此外，給出了被提高的監(jiān)聽安全，這相對于傳統(tǒng)的無線電解決方案提供了一優(yōu)點。由于相對于大部分材料的光學輻射的微小的穿透可能性，所以沒有調(diào)制過的光束能從運輸工具中傳來。在窗的情況下，由于色散高并且所散射的輻射的強度相對低，所以在距運輸工具數(shù)米處不再能檢測到輻射。也為了進一步抑制剩余輻射，此外還能這樣對窗面涂層，使得通常位于近紅外線的發(fā)射輻射的波長不能通過該窗透輸，而在可見區(qū)中不限制窗的透輸。對此，能設置例如某些涂層、尤其是介電層。
總之，本發(fā)明提供用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)(例如視頻數(shù)據(jù))的光學自由空間數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該自由空間數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由至少一個發(fā)射機和至少一個接收機組成，其中在諸如汽車、飛機、火車、船舶、衛(wèi)星的運輸工具內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，并且發(fā)射機包含至少一個光源(諸如LID、VCSEL等)，該光源利用要傳輸?shù)牟⑶冶匾獣r被編碼的數(shù)據(jù)的頻率來調(diào)制，并且接收機包含至少一個光電檢測器，該光電檢測器接收在運輸工具的內(nèi)部空間中所散射的或在壁上所反射的光，而不必在發(fā)射機與接收機之間有直接的可見連接，以及被調(diào)制過的光信號又被轉(zhuǎn)換成電信號。
由此尤其是得到了以下優(yōu)點不必要敷設電纜，以致減輕了重量。省去了插頭、電纜分配器等。由此給出了被提高的靈活性。衰減小。利用該系統(tǒng)能傳輸高數(shù)據(jù)率，其中僅僅存在微小的EMV或者甚至沒有EMV。此外，不必要可見連接，因此能靈活地放置該系統(tǒng)。能集成在顯示器等中。此外，得到了被提高的監(jiān)聽安全。
權(quán)利要求
1.一種用于寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其具有發(fā)射機(11，12，19)，該發(fā)射機(11，12，19)包括能被調(diào)制的光源，以及接收機(5a，5b，7a，7b；17a)，該接收機(5a，5b，7a，7b；17a)包括光電檢測器(43)，以便接收由發(fā)射機(11，12，19)所發(fā)射的光并且將該光轉(zhuǎn)換成電信號，其中，所述發(fā)射機(11，12，19)和所述接收機(5a，5b，7a，7b；17a)對準至少一個共同的面(8a，8b)，在由所述發(fā)射機(11，12，19)所發(fā)射的光到達所述接收機(5a，5b，7a，7b；17a)之前，所述共同的面(8a，8b)反射該光，其特征在于，所述自由空間通信系統(tǒng)蜂窩狀地被建立并且具有多個小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)，所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)分別包括至少一個發(fā)射機(11，12，19)和至少一個所屬的接收機(5a，5b，7a，7b；17a)，其中，所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)這樣被構(gòu)造，使得阻止與各個相鄰小區(qū)的串擾，以致所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)彼此獨立。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于用于射束成形相應發(fā)射機(11，12，19)的裝置和/或用于限制相應接收機(5a，5b)的接收孔徑角以便避免串擾的裝置(41)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于一個或者多個遮蔽元件(30；40；45)，用于相對于屬于另一小區(qū)(Z2)的接收機(7a)遮蔽由小區(qū)(Z1)的共同的面(8a，8b)所反射的光。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，相鄰小區(qū)(Z1，Z2)的光源具有不同的波長(L1，L2)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3)的反射面(8a，8b)被布置在運輸工具的內(nèi)部空間中，在所述內(nèi)部空間中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)選地在汽車、飛機、火車、船舶或者衛(wèi)星中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述共同的面(8a，8b)的反射區(qū)或者散射區(qū)在相鄰的小區(qū)之內(nèi)未相互重疊。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)成列布置，其中，光的波長(L1，L2)在相互鄰近的小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)中交替。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述小區(qū)(Z1，Z2)在空間上彼此分開。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)的面(8a，8b)為空間內(nèi)部中的壁或者物體的表面，在該空間的內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相應發(fā)射機(11，12，19)的光源包括一個或者多個LED、激光二極管、邊發(fā)射激光二極管和/或VCSEL激光器。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相應的接收機(5a，5b，7a，7b；17a)包括光源，而相應的發(fā)射機(11，12，19)包括光電檢測器，以便實施雙向通信。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的間接自由空間光通信系統(tǒng)，其特征在于，在工作時，小區(qū)(Z1，Z2)的唯一發(fā)射機(11，12)為多個接收機(5a，5b，7a，7b；17a)同時提供相同或者不同的數(shù)據(jù)。
13.一種用于間接光學傳輸高速數(shù)據(jù)的方法，其具有以下步驟借助光源產(chǎn)生光，所述光以要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的頻率進行調(diào)制；將被調(diào)制過的光發(fā)射到面(8a，8b)上，所述面(8a，8b)反射和/或散射所述光；接收由所述面(8a，8b)所散射的和/或所反射的光，以致所述光在間接的路徑上從所述光源到達所述接收機(5a，5b，7a，7b；17a)；以及將被調(diào)制過的光轉(zhuǎn)換成電信號，其特征在于，在多個彼此獨立的小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)中進行光的發(fā)射和接收，所述小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)分別包括至少一個發(fā)射機(11，12，19)和至少一個接收機(5a，5b，7a，7b；17a)，其中，主動阻止與分別相鄰的小區(qū)(Z1，Z2，Z3，Z4)的串擾。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述由小區(qū)(Z1，Z2，Z3)的發(fā)射機所發(fā)射的光這樣被限制到其反射角(9a，10a，18a)中，使得所述光沒有到達其它小區(qū)(Z1，Z2，Z3)的接收機(5a，7a，17a)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或者14所述的方法，其特征在于，小區(qū)(Z1)的相應接收機(5a)的接收孔徑角(9a)這樣被限制，使得相鄰小區(qū)(Z2，Z3)的光源的光沒有到達所述接收機(5a)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15之一所述的方法，其特征在于，相對于屬于另一小區(qū)(Z2)的接收機(7a)遮蔽由小區(qū)(Z1)的面(8a，8b)所反射的光。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16之一所述的方法，其特征在于，在相鄰小區(qū)(Z1，Z2)中應用具有不同波長(L1，L2)的光。
全文摘要
一種用于在運輸工具、尤其是在飛機中寬帶傳輸高速數(shù)據(jù)的間接自由空間光通信系統(tǒng)具有發(fā)射機(11，12)，該發(fā)射機(11，12)包括被調(diào)制過的光源；以及接收機(5a，5b，7a，7b)，該接收機(5a，5b，7a，7b)包括光電檢測器，以便接收由發(fā)射機(11，12)所發(fā)射的光并且將該光轉(zhuǎn)換成電信號。發(fā)射機(11，12)和接收機對準至少一個共同的面(8a，8b)，在由所述發(fā)射機(11，12)所發(fā)射的光到達所述接收機之前，所述共同的面反射該光。在此，所述自由空間通信系統(tǒng)蜂窩狀地被建立并且具有多個小區(qū)(Z1，Z2)，這些小區(qū)分別包括至少一個發(fā)射機(11或12)和至少一個所屬的接收機(5a，5b或7a，7b)，其中所述小區(qū)(Z1，Z2)這樣被構(gòu)造，使得阻止與分別相鄰的小區(qū)的串擾，以致所述小區(qū)(Z1，Z2)相互獨立。
文檔編號H04B10/114GK101032099SQ200580032231
公開日2007年9月5日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者N·－P·施米特 申請人:空中巴士德國有限責任公司