本發(fā)明涉及自由空間光學(xué)無線通信領(lǐng)域。更特別地，本文公開了與用于光學(xué)無線通信系統(tǒng)中的光束對準(zhǔn)的方法相關(guān)的各種方法、裝置、系統(tǒng)和計算機可讀介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、為了使得越來越多的電子設(shè)備(如筆記本電腦、平板電腦和智能手機)能夠無線連接到互聯(lián)網(wǎng)，無線通信面臨著前所未有的對數(shù)據(jù)速率以及還有鏈路質(zhì)量的要求，并且考慮到與物聯(lián)網(wǎng)(iot)相關(guān)的新興數(shù)字革命，這些要求保持逐年增長。射頻技術(shù)(如wi-fi)具有有限的頻譜容量，無法迎接這場革命。與此同時，光保真(li-fi)憑借其內(nèi)在的安全性增強和在可見光、紫外(uv)和紅外(ir)光譜的可用帶寬上支持更高數(shù)據(jù)速率的能力，正吸引越來越多的關(guān)注。

2、然而，為了在大的分隔距離之上建立具有高數(shù)據(jù)速率的點對點光學(xué)無線通信鏈路，光學(xué)無線通信系統(tǒng)或li-fi系統(tǒng)通常具有窄的光束角(在幾度的數(shù)量級)，這是由光源的屬性以及實際的功率預(yù)算導(dǎo)致的。此外，為了可靠地實現(xiàn)這樣的高速鏈路，兩個遠(yuǎn)程通信設(shè)備需要準(zhǔn)確對準(zhǔn)，由于窄光束寬度和大間隔的組合，這可能是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。為了幫助這種對準(zhǔn)，已經(jīng)提出了不同的方法，諸如借助于相機、來自遠(yuǎn)程設(shè)備的指示燈(pilot?light)，或者使用來自遠(yuǎn)程設(shè)備的反饋信息。這些系統(tǒng)要么遭受長延遲才達到最終對準(zhǔn)，要么遭受系統(tǒng)的額外復(fù)雜性。

3、例如，在基于指示燈的光束對準(zhǔn)系統(tǒng)中，指示燈通常放置在光學(xué)接收機中的光電檢測器的前面。指示燈的表面應(yīng)比光電檢測器的表面小得多。然而，為了支持高數(shù)據(jù)速率，光電檢測器需要小的表面以獲得低寄生電容。因此，該要求在實踐中難以滿足，或者它可能對要由數(shù)據(jù)鏈路支持的帶寬產(chǎn)生負(fù)面影響。

4、us8160452b1涉及一種用于自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)的獲取、指向和跟蹤系統(tǒng)，其通過利用在每個鏈接的收發(fā)機的望遠(yuǎn)鏡焦平面中的反射鏡平移在收發(fā)機望遠(yuǎn)鏡的焦平面中的內(nèi)部光纖，在內(nèi)部執(zhí)行指向和跟蹤功能。

5、us2002033981a1涉及一種光學(xué)通信發(fā)射機、接收機和收發(fā)機，其具有獨特的回射元件和/或可以被調(diào)制的反射率。

6、ep1191715a2涉及一種光學(xué)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包括：發(fā)射機，其包括用于產(chǎn)生從微鏡向接收機反射的光束的激光器；接收機，其包括用于接收入射光并將該光導(dǎo)向光電二極管的透鏡；以及反射環(huán)，其圍繞在接收機處的透鏡，以將光反射回到發(fā)射機。

7、cn113176534a涉及一種基于自由空間光學(xué)(fso)通信的高斯光束跟蹤方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、考慮到傳統(tǒng)的基于指示燈的系統(tǒng)的局限性，本發(fā)明中提出了在目標(biāo)設(shè)備中部署半球面鏡來反射從光學(xué)發(fā)射機接收的光束的一部分，以幫助光學(xué)發(fā)射機中的光束對準(zhǔn)過程，使得從目標(biāo)設(shè)備反射的光束被用作傳統(tǒng)系統(tǒng)中的一種指示燈。

2、更特別地，本發(fā)明的目的是通過如權(quán)利要求1中要求保護的光學(xué)無線通信系統(tǒng)、如權(quán)利要求8中要求保護的光學(xué)無線通信系統(tǒng)的方法、以及如權(quán)利要求10中要求保護的光學(xué)接收機來實現(xiàn)的。

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光學(xué)無線通信系統(tǒng)。一種光學(xué)無線通信系統(tǒng)，包括：

4、光學(xué)發(fā)射機，其包括：

5、-光源，其被配置為發(fā)射用于光學(xué)數(shù)據(jù)通信的光束，

6、-子系統(tǒng)，其被配置為基于從遠(yuǎn)程光學(xué)接收機接收的入射光來執(zhí)行光束對準(zhǔn)過程；和

7、遠(yuǎn)程光學(xué)接收機，其包括：

8、-光電檢測器，其被配置為檢測由光學(xué)發(fā)射機發(fā)送的光束，

9、-半球面鏡，其被配置為反射從光學(xué)發(fā)射機接收的光束的一部分，以幫助由光學(xué)發(fā)射機執(zhí)行的光束對準(zhǔn)過程；

10、其中半球面鏡是半透明的和半反射的，并且光電檢測器相對于光束的入射方向放置在半球面鏡的后面，并處于半球體的中心。

11、光學(xué)發(fā)射機的光源可以是發(fā)光二極管(led)、激光二極管、或垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)中的一種。光學(xué)數(shù)據(jù)通信在光學(xué)波段中執(zhí)行，諸如在可見光、紫外(uv)和紅外(ir)光譜中執(zhí)行。光學(xué)數(shù)據(jù)通信可以根據(jù)光學(xué)無線通信標(biāo)準(zhǔn)。例如，該系統(tǒng)可以符合關(guān)于高速光學(xué)無線數(shù)據(jù)通信的ieee?802.11標(biāo)準(zhǔn)(例如，ieee802.11bb)或itu?g.9991標(biāo)準(zhǔn)。

12、光學(xué)接收機的光電檢測器是半導(dǎo)體器件，其基于器件的操作模式將光轉(zhuǎn)換成電流或電壓。光電檢測器也可以被稱為光電二極管、光檢測器或光電傳感器。光電檢測器可以包含濾光器、內(nèi)置透鏡，并且可以具有大的或小的表面積。取決于器件的結(jié)構(gòu)，光電檢測器可以被分類成不同的類型，諸如pn光電二極管、肖特基光電二極管、pin光電二極管和雪崩光電二極管。

13、借助于來自遠(yuǎn)程接收機的反射光束，在發(fā)射機側(cè)實現(xiàn)了光束對準(zhǔn)。

14、對于本發(fā)明中提出的高速光學(xué)無線通信，優(yōu)選的是，光學(xué)發(fā)射機具有小的光束角。光束角或光束寬度是從其輻射大部分發(fā)射功率的孔徑角。例如，半功率光束寬度是在輻射方向圖(radiation?pattern)的主瓣的半功率(-3db)點之間的角度。對于水平面，光束角或光束寬度通常用度表示。優(yōu)選的是，光學(xué)發(fā)射機的光束角不大于30度。并且甚至更有利的是，窄光束不大于10度半角。這種窄光束對于在合理的功率預(yù)算內(nèi)支持長距離和高數(shù)據(jù)速率通信是有實際考慮的。

15、在具有雙向光學(xué)無線通信的系統(tǒng)中，兩個遠(yuǎn)程設(shè)備可以具有發(fā)射能力和接收能力兩者。因此，第一設(shè)備可以具有根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)發(fā)射機和傳統(tǒng)接收機，并且第二設(shè)備可以具有傳統(tǒng)發(fā)射機和根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)接收機。也可以是以下選項：兩個設(shè)備都包括根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)發(fā)射機和光學(xué)接收機。并且然后，可以單向地啟用光束對準(zhǔn)過程，其中在光束對準(zhǔn)過程期間，一個設(shè)備充當(dāng)發(fā)射機并且另一個設(shè)備充當(dāng)接收機。

16、在優(yōu)選的設(shè)置中，該子系統(tǒng)包括：

17、被配置成將入射光反射到分束器的可傾斜鏡；

18、所述分束器，其被配置成選擇性地：

19、-將來自可傾斜鏡的反射光導(dǎo)向多元件檢測器，或者

20、-將來自光源的光束導(dǎo)向遠(yuǎn)程光學(xué)接收機；

21、所述多元件檢測器，其被配置成：

22、-檢測由分束器引導(dǎo)的反射的入射光，以及

23、-提供控制信號來操縱(steer)可傾斜鏡，使得反射的入射光落在多元件檢測器的中心中。

24、多元件檢測器是一種包括多于一個檢測器元件的光電檢測器。在一個示例中，多元件檢測器是象限檢測器。有益的是，在多元件檢測器中包含的元件越多，越有助于光束對準(zhǔn)過程。然而，系統(tǒng)的成本也可能相應(yīng)地增加。因此，多元件檢測器的選擇是在性能和成本之間的設(shè)計選擇。

25、有益的是，半球面鏡是半透明的和半反射的，并且光電檢測器相對于光束的入射方向放置在半球面鏡的后面，并處于半球體的中心。

26、有利的是，透射通過半球面鏡的光束的一部分大于反射回到光學(xué)發(fā)射機的光束的剩余部分。

27、因為只有透射通過半球面鏡的這部分光束有助于光學(xué)數(shù)據(jù)通信，而反射部分僅用于光束對準(zhǔn)，所以優(yōu)選的是，透射通過半球面鏡的這部分光束大于反射回到光學(xué)發(fā)射機的剩余部分。這兩部分之間的比率可以由半球面鏡上的涂層類型、半球面鏡上的涂層厚度、或者半球面鏡上的涂層成分來控制。

28、甚至更有利的是，透射通過半球面鏡的這部分光束至少是反射回到光學(xué)發(fā)射機的剩余部分的兩倍。

29、替代地，半球面鏡是反射性的，并且光電檢測器被緊挨著放置在半球面鏡附近，使得半球面鏡和光電檢測器都在來自光學(xué)發(fā)射機的光束的覆蓋區(qū)域內(nèi)。

30、在這個設(shè)置中，半球面鏡不再是半透明的，而是純反射性的，它被放置成緊挨著光電檢測器。來自光學(xué)發(fā)射機的光束應(yīng)足夠?qū)挘愿采w半球面鏡和光電檢測器兩者，并且反射性半球面鏡將部分光束反射回到光學(xué)發(fā)射機，以幫助光束對準(zhǔn)過程。為了減少由于寬光束寬度導(dǎo)致的光學(xué)發(fā)射機的不必要的能量消耗，將半球面鏡盡可能靠近光電檢測器放置是有益的。光電檢測器和半球面鏡可以安裝在光學(xué)接收機中的同一表面上。

31、有利的是，光源被配置成在截面中發(fā)射具有不均勻強度的光束，并且該強度在中心最高。

32、為了幫助光束對準(zhǔn)過程，在由光學(xué)發(fā)射機發(fā)射的光束中添加另外的信息是有益的。該另外的信息可以是光束截面的預(yù)定義強度分布。

33、在一種設(shè)置中，子系統(tǒng)使用與該不均勻強度相關(guān)的信息來幫助光束對準(zhǔn)過程。

34、在光學(xué)發(fā)射機中的光束對準(zhǔn)子系統(tǒng)可以將反射光的截面的強度分布與由光學(xué)發(fā)射機最初發(fā)射的光束的強度分布進行比較。然后可以根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整光源和/或可傾斜鏡或者整個光學(xué)發(fā)射機的取向。

35、有益的是，截面中的強度符合高斯分布。

36、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種方法。一種光學(xué)無線通信系統(tǒng)的方法，包括以下步驟：

37、-由光學(xué)發(fā)射機發(fā)射光束用于光學(xué)數(shù)據(jù)通信；

38、-由包含在遠(yuǎn)程光學(xué)接收機中的半球面鏡反射該光束的一部分，以幫助由光學(xué)發(fā)射機執(zhí)行的光束對準(zhǔn)過程；

39、-基于從遠(yuǎn)程光學(xué)接收機接收的入射光，由光學(xué)發(fā)射機執(zhí)行光束對準(zhǔn)過程；

40、-由遠(yuǎn)程光學(xué)接收機檢測來自光學(xué)發(fā)射機的光束。

41、在一個示例中，該方法還包括光學(xué)發(fā)射機的以下步驟：

42、-通過可傾斜鏡將入射光反射到分束器；

43、-由分束器選擇性地將來自可傾斜鏡的反射光導(dǎo)向多元件檢測器，或者將光束導(dǎo)向遠(yuǎn)程光學(xué)接收機；

44、-由多元件檢測器檢測由分束器引導(dǎo)的反射的入射光；和

45、-提供控制信號來操縱可傾斜鏡，使得反射的入射光落在多元件檢測器的中心中；

46、其中半球面鏡是半透明的和半反射的，并且遠(yuǎn)程光學(xué)接收機的光電檢測器相對于光束的入射方向放置在半球面鏡的后面，并處于半球體的中心。

47、根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，提供了一種光學(xué)接收機。一種光學(xué)接收機，包括：

48、-光電檢測器，其被配置為檢測由遠(yuǎn)程光學(xué)發(fā)射機發(fā)送的光束；

49、-半球面鏡，其被配置為反射從光學(xué)發(fā)射機接收的光束的一部分，以幫助由光學(xué)發(fā)射機執(zhí)行的光束對準(zhǔn)過程；

50、其中半球面鏡是半透明的和半反射的，并且光電檢測器相對于光束的入射方向放置在半球面鏡的后面，并處于半球體的中心。

51、根據(jù)本發(fā)明的另外的方面，提供了一種光學(xué)接收機。一種光學(xué)接收機，包括：

52、-光電檢測器，其被配置為檢測由遠(yuǎn)程光學(xué)發(fā)射機發(fā)送的光束；

53、-半球面鏡，其被配置為反射從光學(xué)發(fā)射機接收的光束的一部分，以幫助由光學(xué)發(fā)射機執(zhí)行的光束對準(zhǔn)過程；

54、其中半球面鏡是反射性的，并且光電檢測器被緊挨著放置在半球面鏡附近，使得半球面鏡和光電檢測器都在來自光學(xué)發(fā)射機的光束的覆蓋區(qū)域內(nèi)。