(57)【要約】  光子密度波による時空間符号化拡散赤外線ネットワークマルチパス信号による減衰の不便を減少させる赤外線通信のための付加的物理層のコンセプトによるネットワーク構成要素同様に、ネットワーク及び同じネットワークを操作する方法が提供される。第1の特徴において、元の赤外線信号上の光子密度波が用いられる。第2の特徴において、分離したアドレス可能な構成要素でのアレイ形式で、赤外線光源及び検出器が使用される。第3の特徴において、マルチパスの利点を活かした所与のデータ通信速度を増加させる時空間符号化が使用される。第4の特徴において、時空間符号化はPDW成分のスペクトル成分をうまく処理することで、所与の屋内環境に順応して最適化される。第5の特徴において、如何なる所与の環境のための屋内チャネルの利用の一組の最適化の道具が提供される。これらの道具は赤外線周波数からPDW周波数に変調の中心周波数に移動を利用する。第6の特徴において、PDWで励起された赤外線アレイが時空間符号化で実装される。
2007511947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル信号源；
光子密度波源；
光子密度波信号を生成するために前記デジタル信号で前記光子密度波源の出力を変調する手段；
前記光子密度波信号を反射する反射体；及び、
前記反射光子密度波信号を受信し、そこからデジタル信号を抽出する受信器；
を有する光通信配置。
【請求項２】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記光子密度波は赤外信号であることを特徴とする光通信配置。
【請求項３】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記光子密度波信号の周波数は約1GHzから10GHzの範囲であって、1GHzから2.5GHzが好ましいことを特徴とする光通信配置。
【請求項４】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記光子密度波源は光源のアレイであることを特徴とする光通信配置。
【請求項５】
請求項4に記載の光通信配置であって、前記光子密度波信号は時空間符号化されることを特徴とする光通信配置。
【請求項６】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記受信器は検出器のアレイを有することを特徴とする光通信配置。
【請求項７】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記反射体は複数の反射体を有することを特徴とする光通信配置。
【請求項８】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記配置は共有資源ネットワークの一部を有することを特徴とする光通信配置。
【請求項９】
請求項1に記載の光通信配置であって、前記配置は屋内に設けられていることを特徴とする光通信配置。
【請求項１０】
デジタル信号を提供する手段；
光子密度波源；
光子密度波信号を生成する前記デジタル信号で前記光子密度波源の出力を変調する手段；及び、
反射光子密度波信号を受信し、そこからデジタル信号を抽出する受信器；
を有する光通信配置用トランシーバ。
【請求項１１】
請求項10に記載のトランシーバであって、前記光子密度波信号は赤外信号であることを特徴とするトランシーバ。
【請求項１２】
請求項10に記載のトランシーバであって、前記光子密度波信号は光源のアレイであることを特徴とするトランシーバ。
【請求項１３】
請求項12に記載のトランシーバであって、前記光子密度波信号は時空間符号化されることを特徴とするトランシーバ。
【請求項１４】
請求項10に記載のトランシーバであって、前記受信器は検出器のアレイを有することを特徴とするトランシーバ。
【請求項１５】
請求項10に記載のトランシーバであって、前記トランシーバは共有資源ネットワークの節であることを特徴とするトランシーバ。
【請求項１６】
光通信ネットワークを操作する方法であって：
デジタル信号を生成する工程；
光子密度波を生成する工程；
光子密度波信号を生成するための前記デジタル信号で前記光子密度波を変調する工程；
前記光子密度波信号を反射する工程；及び、
前記反射光子密度波信号を受信し、前記反射光子密度波信号から前記デジタル信号を抽出する光子密度波信号受信工程；
を有する方法。
【請求項１７】
請求項16に記載の方法であって、前記光子密度波信号は赤外信号であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項16に記載の方法であって、前記光子密度波信号は光源のアレイから生成されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項18に記載の方法であって、前記光子密度波信号を時空間符号化する工程をさらに有する方法。
【請求項２０】
請求項16に記載の方法であって、前記光子密度波信号受信工程は検出器のアレイで前記信号を受信する工程を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項16に記載の方法であって、データ容量を増加させるために前記光子密度波信号を最適化する工程をさらに有する方法。
【請求項２２】
請求項16に記載の方法であって、2つ以上の光子密度波信号の使用をさらに有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はワイアレス遠隔通信ネットワーク及び、同じネットワークを操作する方法に関し、特にワイアレスの屋内遠隔通信ネットワークで、より詳細には屋内使用の赤外線遠隔通信ネットワークに関する。本発明は特に、ローカルエリアネットワーク(LAN)及びそのようなネットワークのネットワーク構成要素のような共有資源ネットワークに関する。本発明はまた、ネットワーク素子及び装置同様、擬似拡散多スポットワイアレス屋内ネットワークのための赤外線通信チャネルの最適化に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ワイアレス遠隔通信（たとえば無線又は光通信方法（非特許文献1、非特許文献2））への関心が高まってきている。特に、赤外(IR)光ワイアレス通信は関心を集めている。IRの通信への応用に関する一般的な情報は非特許文献3から探すことができる。IRワイアレスは多くの応用に関する実践的な基礎をなし、有線接続又は無線周波数(RF)のワイアレスが最適の実装とならない環境での解決法を提供する。広い応用性のためには、ワイアレス接続は小型、電力消費が少ないことそして、整合が容易（又は整合の必要がない）しかし、バックグラウンドノイズ及び他のユーザからの干渉の影響を受けないものでなくてはならない。屋内ワイアレス通信の伝送媒体として、赤外線は、たとえば高いビットレートでの広くて規制のないバンド幅及び、壁又は不透明な間仕切りで分離された部屋内で操作する接続同士の干渉がないことなどいくつもの利点を有する。さらに赤外の部品は安価で、小さくかつ、省消費電力でありうる。
【０００３】
赤外(IR)ベースのワイアレスLAN(WLAN)技術を分類する1つの方法は、通信チャネル内での伝播特性を考えることである。従来技術で説明される赤外(IR)WLAN方法には少なくとも3つの基本カテゴリが存在する。3つのカテゴリとは、a)見通し伝播(LOS)、b)拡散(D)、c)多重スポット(MS)又は擬似的拡散多重スポット(QDMS)である。
【０００４】
LOS-IR-WLANは最高のチャネルバンド幅(BW)及びS/N比(SNR)を与える。従って、LOS-IR-WLANは最高速のデータ速度を有する。しかし、その代わりに注意深く整合及び集光を行わなくてはならない。さらに、障害物による伝送路の消失に最高に敏感である。屋内環境では、家具の移動又は、一時的な壁の建設により、ネットワークの負稼働時間及びコストを伴うビームの伝送路の再決定をしなくてはならないだろう。後者の問題については、この方法は低コストの設置及び、たとえば屋内での応用のような混雑したチャネルトラフィックの環境には適さない。また、目への安全性も問題になりうる。
【０００５】
屋内にある物体からの反射を利用する拡散通信の可能性により、IR技術の魅力が近年高まっている。このようにして、見通し伝播(LOS)通信はこれまでのように求められなくなっている。これは多くの整合にかかわる問題を回避するが、低データレートでの動作しか保証しない。拡散赤外で、光源からの多重伝送路による屋内伝播の後、検出器はIR信号全体で変調されたデータシンボルを受信する。データシンボル受信する間に多重伝送路が破壊的な干渉を検出器で引き起こす場合、データは受信されない又は、多くのエラーを有することになるだろう。これを排除するため、イメージ受信器の使用が可能である。これは高体積の使用では複雑であり高価である。周囲の物体からの多くの反射に起因するチャネルのマルチパス特性のため、D-IR-WLANは最悪のBWを与える。また、様々な波長の電磁波、長い伝送路長及び反射損失のため低いSNRを有することになる。従って、最も低いデータレートを有することになる。しかし、設置における困難がなく、接続は移動物体からの障害に非常に安定である。従って、数10  Mbpsという低いデータレートの屋内環境ではこの方法は魅力的である。
【０００６】
QDMS又は時として多重スポット拡散配置(MSDC)と呼ばれるものは、ほぼコリメートされたビームを放出する多重ビーム放射体及びそれぞれが狭い視野(FOV)を有する検出器のアレイを用いる擬似拡散配置である-非特許文献4参照。場合によっては、検出器のアレイはイメージング受信器を形成する-非特許文献5参照。
【０００７】
QDMS-IR-WLANは、多重ビーム及びそれらの整合に関するいくつかの困難と引き換えに、データレート及び安定性の利得を与える。設置が複雑であればあるほど、通信接続パフォーマンスは向上する。設置の困難のため、この方法は屋内環境のような低コスト市場には理想的ではない。
【０００８】
将来の屋内ネットワークは高速データ転送が必要となるだろう。これは特にビデオコンテンツの配信において求められるだろう。赤外(IR)物理的接続はさらに以下のような長所を有する：(1)RF接続とは違ってスペクトルの利用に関する制限がない、そして(2)IR線のより高い中心周波数のため、基本的にはより高い周波数データ変調が可能となる。
部屋内のIRチャネルの幾何学的伝送路を図1aに概念的に図示する。この図では、天井は大抵の部屋において最高の反射面であるため、1対の送信器(T)と検出器(D)が設けられ、これらのIRビームは主として天井を介して結合する。ビーム及び送信器及び検出器の視野(FOV)は一般化されたランバートパターン又はその近似パターンを有することができる。このパターンは、[(n+1)cosn(a)]/2πで定義可能である。ここで、"a"は送信器/検出器からビームが反射される点へのベクトルと天井の法線とのなす角で、"n"はビーム/FOVの狭さを設定する整数である。データレートの最適化に関する限りでは、より現実に近いビーム/FOVの形式及び反射関数は定性的な結果を変化させない。
【０００９】
図1で図示されている光源及び検出器の配置によって、1対の送信器/受信器（それぞれTx/Rxで表されている）又は、図1bでA及びBと表示されているトランシーバ間で定義されたIRチャネルが生じる。この図は4m×5mの部屋の水平な床に設けられているこれらの送信器及び受信器/検出器の位置を示している。すべての通信及びチャネル応答はTxRx対の組AとBの間で定義される。図2は、2つの異なる場合で、組Aが送信器として機能する場合に受信器として機能する組Bによって検出される天井でのIR発光パターンを図示する。送信器及び受信器の指向パターンは図2aでは任意に選ばれ、図2bではパターンは最適化される。
【００１０】
図2aのパターンは検出されたIR発光の強度のみである。このパターンの各点は光源から検出器までの光の行路に関係する時間遅延を有する。図2aで図示されたIRチャネル例のインパルス応答は図3aに図示されている。光源/検出器の向きを任意に選択できることから、このインパルス応答はマルチパスの振る舞いを示すことがわかる。図3aのインパルス応答のフーリエ変換を取ると、図3bで図示しているような周波数応答及びチャネルバンド幅が得られる。図3bの+は3dBバンド幅での点を表す。この場合、周波数はおよそ10HMz程度である。
【００１１】
図2bで図示されているように、先の例のビーム/FOVパターンを狭さ及び、向きの変化によっても、IRチャネルのインパルス応答は最適化可能である。この最適化の結果は図4に図示されている。最適化されたIRチャネルの例のインパルス応答は図4aに図示されている。光源/検出器の向き及び幅の特別な選択によって、このインパルス応答は単一ピークを示す。周波数応答及びチャネルバンド幅は図4bに図示されている。この場合、3dBのバンド幅は約80MHzである。
【００１２】
図3及び4のチャネルにおけるデータレートは第3の点のみを検討することで比較可能である。これらの図が示唆するように、任意の配置の場合（図3）の3dBバンド幅は10MHzで、最適の配置の場合であれば80MHzである。よって、これら特定の例での赤外通信バンド幅は8倍もの改善が可能である。さらに、図4でのより高いピーク信号出力からのおよそさらに2倍のゲインは図3の場合と比較して実現しやすい。実際のデータレートはS/N比及び変調の種類に依存するだろう。適切な変調及びS/N比(SNR)とともに、スペクトルの利用効率が数bits/sec/Hzに到達可能なので、擬似拡散多重スポットIR通信チャネルは良好な数分の1のレベルに向けたデータレートに到達可能である。
【非特許文献１】カーン、バリー(J.M.Kahn,J.R.Barry),「ワイアレス赤外通信(Wireless  Infrared  Communications)」,  IEEEプロシーディングス(Proceeding  of  the  IEEE),  1997年,第85巻,  第2号,  p.265
【非特許文献２】サフマン、アンダーソン(M.Saffman,  D.Z.Anderson),「多モードファイバ上のモード多重化及びホログラフィック非多重化通信チャネル(Mode  multiplexing  and  holographic  demultiplexing  communication  channels  on  a  multimode  fiber)」,光学速報(Optics  Letters),  2001年,第16巻,  p.300
【非特許文献３】バリー(J.R.Barry),「ワイアレス赤外通信(Wireless  Infrared  Communications)」,クルワ・アカデミック(Kluwer  Academic)(1994)
【非特許文献４】ジフコバ,カベラド(S.Jivkova  and  M.Kavehrad),  「多重スポット高ビットレートワイアレス赤外通信用のための受信器設計とチャネル特性の評価(Receiver  Designs  and  Channel  Characterization  for  Multi-Spot  High-Bit-Rate  Wireless  Infrared  Communications)」,通信に関するIEEE報告書(IEEE  Transactions  on  Communication),2001年,第49巻,  第12号,  p.2145
【非特許文献５】カーン、ユー(J.M.Kahn,  R.You),「高速赤外ワイアレス通信用のイメージング多様性を有する受信器(Imaging  Diversity  Receivers  for  High-Speed  Infrared  Wireless  Communication)」,1998年,  IEEE通信雑誌(IEEE  Communications  Magazine),  p.88
【非特許文献６】サージェイ・ロイカ(Sergey  Loyka),「n-アンテナBLASTアーキテクチャのチャネル容量(Channel  capacity  of  n-Antenna  BLAST  Architecture)」,電子工学速報(Electronic  Letters),2000年,  第36巻,第7号,p.660
【非特許文献７】アロンソ,コーラック(A.Alonso,S.B.Colak),  LEOS  Beneluxプロシーディングス(Proc.LEOS  Benelux),2001年,p.129
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、この既知のシステムの問題は、高いデータレートを得るのに、光源及び検出器を注意深く整合する必要があることである。既知のネットワークの問題の中にはマルチパス環境に由来するデータ信号レベルでの破壊的干渉に関するものもある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、光ワイアレスネットワーク及び注意深く送信器又は受信器の整合をすることなく高いデータレートを有する同じ光ワイアレスネットワークを操作する方法の提供である。
【００１５】
本発明は光通信配置であって：光子密度波(PDW)信号を生成する光子密度波源、光子密度波信号の反射体及び、反射される光子密度波信号を受信する受信器を有する配置を提供する。配置はまた、デジタル信号源、光子密度波信号を生成するためのデジタル信号を有する光子密度波源の出力を変調する手段及び、そこからのデジタル信号を抽出するのに調整された受信器を提供することが可能である。
【００１６】
光通信配置では、光子密度波信号は赤外信号であって良い。特に、光子密度波信号の周波数は約1〜10GHzの範囲内で良く、1〜2.5GHzが好ましい。
【００１７】
光通信配置では、光子密度波信号源は光源のアレイであって良い。これはデータ容量及び/又は受信された信号の質を改善するのに先端信号処理技術が使用可能という利点を与える。また、光通信配置では、受信器は検出器のアレイを有しても良い。多重検出器は複数の受信信号を提供する。適切な合成器でのこれらの結果の組み合わせはデータ容量及び/又は受信された信号の質を改善することが可能である。たとえば、光子密度波信号は時空間符号化可能である。
【００１８】
反射体は複数の反射体を有しても良いので、多数の伝送路を有することが可能である。
【００１９】
配置はローカルエリアネットワーク特に屋内LANのような共有資源ネットワークの一部でありうる。
【００２０】
本発明はまた、光通信ネットワーク用のトランシーバを提供する。トランシーバは、光子密度波を生成する光子密度波源及び、反射された光子密度波信号を受信する受信器を有する。トランシーバはまた、デジタル信号を提供する手段及び、光子密度波信号を生成するデジタル信号を有する光子密度波源の出力を変調する手段をも有して良い。受信器はそこからのデジタル信号を抽出するのに調整されている。
【００２１】
本発明はまた、光通信ネットワークであって：光子密度波の生成と光子密度波信号の出力、光子密度波信号の反射及び、反射された光子密度波信号の受信を有するネットワークを提供しても良い。その方法はまた、デジタル信号の生成、光子密度波信号を生成するデジタル信号を有する光子密度波の変調及び、反射された光子密度波信号からのデジタル信号の抽出をも有して良い。その方法は、データ容量増加のためにPDW周波数を最適化する工程をさらに有しても良い。最適化は"r"値を減少させることで実現可能である。加えて、その方法は2つ以上のPDW周波数を使用しても良い。
【００２２】
本発明はマルチパス信号による減衰という欠点を小さくするため、IR通信用の付加的物理層の概念を有するネットワーク構成要素同様に、ネットワーク及び同じネットワークを操作する方法を提供する。第1の特徴として、本来のIR信号での光子密度波が使用される。第2の特徴として、分離してアドレス可能な構成要素を有するアレイ形式中のIR光源及び検出器が使用される。第3の特徴として、マルチパスの利点を活かしてデータ通信レートを上げるために、時空間符号化が使用される。第4の特徴として、PDW成分のスペクトル部分をうまく処理することで、時空間符号化は所与の屋内環境用に最適化される。第5の特徴として、如何なる環境であっても屋内チャネルの利用を最適化する1組のツールが提供される。これらのツールはIR周波数からPDW周波数へ変調の中心周波数を移動させるのに使用される。第6の特徴として、PDW励起されたIRアレイは時空間符号化で実装される。
【００２３】
本発明の第1の特徴に従うと、光子密度波が使用される。検出器はマルチパスの屋内伝播後、PDW変調されたIR信号を変調したデータシンボルを受信する。PDWの周波数及びシンボルレートは検出器でマルチパスによる破壊的干渉を排除するように選択される。高いデータレートに到達するため、より多くのPDW成分がIR信号全体で使用される。
【実施例】
【００２４】
本発明は特定の実施例に対して、いくつかの図を参照して説明されるが、本発明はそれに限定されるわけではなく、請求項によってのみ限定される。説明に用いられる図はただの概念図であり、非限定的である。図では、描画目的のため、いくつかの要素のサイズは強調されていて縮尺通りではない。
【００２５】
さらに、説明中に出てくるたとえば第1、第2、第3及び同様な語のようなもののいずれも似たような要素間の区別に使用され、必ずしも時系列的順序で説明するのには必要はない。
【００２６】
さらに、使用されている語は適切な状況で相互交換可能であり、ここで説明される本発明の実施例はここで記述又は描画された他の手順での操作が可能である。
【００２７】
しかも、説明中に出てくるたとえば上部、底部、下の、上の、天井、床及びそれと同様の語のようなもののいかなるもの及び、請求項は説明目的で使用され、必ずしも相対的な位置を記述するのに必要というわけではない。使用されている語は適切な状況で相互交換可能であり、ここで説明される本発明の実施例はここで記述又は描画された他の手順での操作が可能であることを理解していただきたい。
【００２８】
本発明の1つの特徴は、単一のトランシーバの対が本発明の範囲内に含まれるにもかかわらず、共有資源ネットワーク(SRN)を使用することである。SRNでは、ハードウエア資源は共有である。本発明に従ったSRNはほとんどLAN又はWANと同義であるが、SRNという語は、本発明は、たとえば、コンテンション方式又は、イーサネット（登録商標）、トークンリング又はワイアレスLANであろうとなかろうと既知のLANにおける特定の特徴に限定されないということを意味する。また、LAN又はWANのトポロジは本発明上の制限とは考えてられていない。たとえば、バス・フィジカル、スター・フィジカル、リング・フィジカル、バス・ロジカル、リング・ロジカルはすべてが適切なものとして使用可能である。
【００２９】
本発明は光通信ネットワークの操作方法同様に光通信ネットワーク及び構成要素に関する。”光（学的）”とは適切な波長又は、たとえば可視、赤外又は紫外のような通信目的に使用可能な光の波長を意味する。一般的には、赤外光が使用可能で、波長の制限のないことが期待される、つまり、近赤外又は遠赤外波長が適している。波長の選択は主として、ネットワーク用の構成要素の商業的入手可能性によって決定される。波長は600nmから1500nmの範囲で選ばれるが、より安価な電子部品の入手しやすさによれば、800nmから1300nmが好ましい。
【００３０】
本発明は光源及び検出器アレイ（SA及びDA）及び/又は時空間(ST)符号化を利用することが可能である。SA/DA及び、特にST技術は以下のような事実に頼っている。その事実とは、環境中で電磁波は様々な物体から散乱され、SA又はDA要素間に付加的なチャネルを与えるということである。しかし、これらの散乱が相関する場合、通信チャネルもまた相関し、明らかに正しくないチャネルが生成される。散乱に関しては、波長はSAの周りの物体のサイズ及び距離と同程度でなくてはならない。これは結果として近共鳴散乱を起こし、角度及びサイズの関数としてのはっきりとした組の形跡を与える。これはDAに到達するチャネル同士の相関を失わせる働きを持つ。従って、信号処理の増加と引き換えにより高いデータレートが得られるだろう。式2の"r"パラメータは（非）相関の目安として用いられうる。この値は0から1の間の値を取る。そのパラメータは部屋内で一散乱事象が他方の散乱事象とどの程度独立しているのかを定義するパラメータである。rの値の適切な範囲は0.0から0.4である。1に近い値は好ましくない。
【００３１】
本発明の1つの特徴では、D-IR-WLANがSA/DAかつ/又はST法の使用により修正されることである。直接的なD-IR-WLANの問題はキャリア周波数がおよそ1μmの範囲の波長での光学スペクトル範囲であるということである。実際、IR放射の光源及び検出器サイズを有する距離及び物体の大きさは1μmよりもはるかに大きい。従って、この光学的範囲でのミクロンサイズの散乱は如何なるものであっても光源及び検出器アレイに何の影響ももたらさない。そのような状況では、マルチパスチャネル特性は高い相関を有する。
【００３２】
本発明は特に屋内使用のワイアレス光ネットワークを提供する。それは広域かつ注意深い位置の調整又は、送信器、受信器、反射体又は拡散器の整合の必要とせずに高いデータレートが得られる。一の特徴では、本発明は、多数の比較的相関しない信号をIR信号内に生成することによって、屋内環境での反射によって引き起こされる多重干渉を克服する。相関しない信号は多重入力多重出力(MIMO)技術の周知の原理に従って処理可能である。実は、本発明はチャネル容量を増加させるために、屋内物体からの多重散乱が引き起こすマルチパスを利用することが可能である。本発明の別な特徴では、ネットワークは特に屋内使用に提供される。これはIR信号を提供する、IR信号は屋内環境内、特に屋内オフィス又はビジネス環境で見出される多数の従来用品のいずれからも散乱される。これはIR信号を光子密度波として送信することで実現可能である。さらなる改良は時空間符号化同様に複数の受信器及び送信器の使用によって実現可能である。このことを実現するため、送信器は複数の空間的に配置された独立な駆動可能なIR光源特に、光子密度波IR光源を有する。多数の散乱された信号を与えるため、送信器からのIR信号は多数スポット擬似拡散配置、たとえば、部屋の天井に位置しているような状態、によって反射されることが可能である。
【００３３】
本発明の一の特徴に従うと、物体及び波長の範囲内での巨大な差異にかかわる問題は光子密度波(PDW)技術で排除可能である。PDWは変調されて伝播する光波の強度で、大抵はRF範囲での変調周波数を有する。これは環境中、特に屋内の物体のほとんど如何なるサイズ分布とも同程度のPDW波長を生成する自由度を与える100MHz〜10GHzの周波数をカバーするように作製することが可能である。本発明の一つの特徴では、たとえばオプションとしてPDWのいくつかの周波数を同じシステムで使用することが可能である。PDWの散乱は典型的な屋内の物体サイズと相性が良いので、マルチパスIRチャネルは相関を持たなくなることが可能である。たとえば、PDWの変調周波数を変化させることで。本発明の他の特徴では、IR-WLANのデータレートは如何なる所与の特定環境においてもPDWの波長を変化させることで最適化が可能である。本発明の実施例は、SA/DA及びST法を利用するPDW支援D-IR-WLAN's及びそれらのネットワーク構成要素を有する。SA/DA/ST法から得られる最適利益に要求されるように、PDWはチャネル間の相関を最小化するように設計可能なので、データレートは単純なD-IR-WLANと比較して、接続の安定性及び信頼性を維持しつつ改善可能である。つまり、本発明の実施例において、D-IR-WLANでの光学検出器アレイ同様に光源アレイ(SA)が提供される。システム構成要素の他の部分はその大部分をそのまま保持しておくことが可能である。たとえば、これはRFフロントエンド及びベースバンド信号処理を有しても良い。本発明のある特徴に従うと、PDW光源/発生器はSA用の光ファイバチップのアレイとDA用のシリコンフォトダイオード技術との結合を有して使用される。
【００３４】
図5で概念的に示しているように、本発明の実施例では、マルチパス屋内伝播後、検出器Dは、光源Sで変調され、PDW変調されたIR信号で伝送される、データシンボルを受信する。PDWの周波数及びシンボルレートは検出器でのマルチパスによる破壊的干渉を排除するように選ばれる。図5のネットワークでは、IR光の波長は屋内環境内での平均の散乱長よりも短い。実際の場合では、散乱長よりも非常に短い。しかし、本発明のある特徴に従うと、PDWの波長は散乱長と同じオーダーで生成可能である。PDW周波数の好適範囲は約1〜10GHzだが、1GHz又は2.4GHz周辺が好ましい。それはこれらの周波数で動作するRF電子機器の存在のためである。この効果は部屋内での普通の物体は大抵IR信号を散乱し、結果として実質的に相関のない信号が受信器Rで改善された信号として受信されるだろう。
【００３５】
図6で概念的に図示しているように、本発明のさらなる実施例において、多重屋内伝播後、検出器アレイDは光源アレイSで変調され、多数のPDW変調されたIR信号で伝送されるデータシンボルを受信する。光源アレイは2つ以上の光源を有する。PDW伝送の信号の周波数及び空間的位置及びシンボルレートはマルチパスによる各検出器アレイ構成要素での破壊的干渉を排除するように選ばれる。図5のネットワークでは、屋内環境では、IR光の波長は平均散乱長よりも非常に短い。そしてPDWは散乱長と同程度のオーダーで生成可能される。この効果は部屋内の普通の物体はIR信号を散乱し、結果として信号が受信器Rで改善された信号として受信されるだろう。PDWの波長の好適範囲は約1〜10GHzだが、1GHz又は2.4GHz周辺が好ましい。それはこれらの周波数で動作するRF電子機器の存在のためである。マルチパスの組み合わせに起因する多数の”自由度”、IR光源の空間的分離及びPDW設計パラメータにより、データレートは過去の既知技術よりも高速にすることが可能である。本発明のこの実施例に従うと、高いデータレートを実現するため、PDW  IRチャネルの時空間符号化及びスペクトル成分は所与の屋内環境のために特別に調整可能である。送信器中のIR光源間の空間は受信器で受信される信号間の相関が最小になるように選ばれなければならない。RFでの技術と同様に、この空間はPDWの波長の約半分の辺りで選ぶことができるのが好ましい。たとえば、PDWの波長の40〜70%で、50〜60%が好ましい。理論的な考察から、光源間の空間がPDWの波長の半分より大きい場合、大抵は実現可能である。屋内環境では、それに従って光源を分離すれば容易に実現できる。
【００３６】
図5又は6のような屋内環境を想定したスペクトル時空間符号化された多重モード遠隔通信チャネルの容量を有するデータは熟練者によって決定可能である。たとえば、そのようなシステムのチャネル容量はロイカによって非特許文献6で理論的に検討されている。また非特許文献7も参照のこと。熟練者はロイカの論文のアンテナに関する言及が、本発明における放射要素について言及しているのが、本発明のIR光源又は検出器であることを理解するだろう。従って、受信された信号ベクトルyは送信された信号ベクトルxによって以下のようにして得られる：
【００３７】
【数１】
2007511947.tif 000003
ここで、Hは屋内環境の規格化された通信チャネル行列である。多重チャネルの容量C[(bits/s)/Hz]は以下で与えられる：
【００３８】
【数２】
2007511947.tif 000004
ここでIは単位行列、S/NはS/N比(dB)で、nは送信器/受信器の数を表す。容量はチャネル行列の階数で決定される。厳密なゲインは行列の成分の関数でもある。これは同様に媒体のそれぞれ異なるチャネル間の相関r(w)に依存する。入力ベクトルはそれぞれ異なる波長という意味で、時空間領域の上部においてスペクトル領域で付加的な自由度を有する。これは行列の階数を増加させることで容量を改善する。本発明のある実施例に従うと、信号はIR信号のスペクトル成分を選ぶことで調整される。これは隣接チャネル間の相関を最小化する。これら2つの符号化成分は、チャネル間の相関及びチャネル内の分散に対して屋内通信を最適化するように設計パラメータを与える。
【００３９】
QDMS又はMSDC  IR-LANの概念図を図7に示す。それは床の近くに設けられている1つ以上の送信器Tで、たとえば、天井に位置し、分布している複数の拡散スポット及び、いくつかの場所、たとえば机の上、に設けられている1つ以上の受信器を有する。QDMS又は、MSDC-IR  LANでは、1つ以上の送信器Tは多数の狭いビームで部屋の表面を照らす。これらのビームの反射は1つ以上の受信器R内で結像する。送信器T内のIR光源はたとえばランバート形式のIRビームを放出することが可能である。拡散スポットはこれらのビームをたとえばランバート形式でも反射することが可能である。受信器Rの検出器はたとえば、鋭い円錐又はランバート形式で与えられる視野の感度を有するように選ぶことが可能である。光源/検出器対は任意の場所に設置するのが好ましい。本発明のある実施例に従うと、高いデータレートを実現するために、時空間符号化を有する多重入力多重出力(MIMO)技術が使用されている。このMIMO-STの実施例は電子的な/アルゴリズムによる解決法を導入する。それはQDMS単独で要求される機械的整合の最適化よりもより実用的で安価である。MIMO-STでは、チャネル内に、多数の独立した散乱体が与えられる。室内の物体からの散乱が用いられる場合、散乱の長さは一般には適切ではないだろう。そのような場合、図9及び10で図示されているように、付加的な散乱物体を室内に設置するのが便利であろう。時空間符号化は信号の空間的多様性を利用する。この空間的多様性はマルチパスのゆがみに向き合うIR通信システムにおける容量の大きな増加を可能とする。送信器Tはアレイ又は赤外光源から形成されることが可能である。各々は個別にアドレス可能である。各光源は符号化される。たとえば、ソロモン符号化のような単純な方法に加えて畳み込み符号化技術によって。典型的な特定の例はヴィタビ符号化（復号化）で、通信接続の終端部のいずれかで実装可能である。加えて、受信器Rは最尤復号器を使用することが可能である。
【００４０】
MIMO操作及びST符号化をIRワイアレスLAN通信に適用するため、本発明の実施例は光子密度波(PDW)を利用する。反射体として天井を使用することで、メートルオーダーの長さになるので、反射体表面でのPDWの散乱長は数分の1メートルになる。このことは、10cmオーダーの長さの部屋内の如何なる物体も散乱を起こし、散乱はIRワイアレスLANのST符号化に使用可能である。よって、上述のように、本発明のこの特徴では、PDWの波長は部屋内の普通の物体が散乱を起こすように選ばれる。
【００４１】
光子密度波は2波長レーザー又は単一レーザーでの光変調法によって生成可能であり、又は、光源からの光子が光子の平均自由行程の約10倍を超える厚さを有し、そこで何度も散乱される不透明な媒体に突き進んでゆくときに得られる。光子のそれぞれの波長におけるコヒーレンスが失われるように、拡散光子密度波中の媒体を通過する光子は散乱及び吸収される。しかし、光子密度波（つまり、光子の密度を表す媒体を通過して伝播する波）はコヒーレントな波面で媒体中を移動する。拡散する波中の有効な情報量は強度（つまり振幅）変調及びイメージングIR放射源の位相変調によって増加可能である。IR放射はレーザー又はIR放射の他の適切な形式の如何なるもので生成されても良い。強度変調光子密度波の波長及び減衰は変調周波数及び吸収の複雑な関数である。ある所与の変調周波数において、光子密度波は均一物質中を一定の位相速度で進行する。これは、位相面がコヒーレンスを維持していることを示唆する。拡散的光子密度波の波長は吸収の増加とともに増加する。なぜなら長い光子伝送路は生成されにくくなるからである。拡散的光子密度波の減衰は不透明な媒体を伝播するに従って指数関数的となる。PDWがPDWの波長と同程度の長さを有する物体周辺で回折されるとき、PDWは散乱される（図8の概念図参照）。
【００４２】
図9は、屋内使用、つまり床、壁及び天井を有する部屋での使用が好ましい、図5に図示された型の擬似拡散多重スポットネットワーク100の概念的ブロック図を表す。それはデータ2の光源を有する1つ以上の送信器10、1つ以上の任意の光源符号化ユニット4、1つ以上の任意のチャネル符号化ユニット6及びPDW16を生成するための1つ以上のIR光源を駆動するための1つ以上のドライバを有する。PDWは、データ光源2及び任意で光源符号化ユニット4及びチャネル符号化ユニット6を有することが可能な送信チェーンによって生成されるデジタル信号でドライバ8によって変調される。本発明では、PDWは拡散している又は、少なくとも”多重散乱される”特性を有する。光源2はたとえばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、パームトップコンピュータ、携帯情報端末(PDA)、プリンタ、ファックス、ネットワークカードなど如何なるデジタル信号源でも良い。光源符号化ユニット4は従来のデジタル信号の光源符号化を実行することが可能である。たとえば圧縮、符号化など。チャネル符号化ユニット6は変調、インターリービング、ターボ符号、ブロック又はトレリス符号、誤り訂正符号などを有する従来のチャネル符号化の如何なるものをも実行できる。複数の反射スポット18は空間的なアレイ、PDW信号16を反射するためには部屋の天井が好ましい、に整列している。このアレイはこの図では強調されている。それは天井の自然な表面を超えて拡張する必要はないし、規則的なアレイである必要もない。天井の中にある小さく、ほとんど”自然な”不規則性の中には"r"パラメータにおいて十分な非相関を与えることができるものもある。加えて、もし望むのであれば、部屋内のもう一方の面上の散乱物体を使用することもまた可能である。1つ以上のIR検出器14、IR検出器のための1つ以上のドライバ22、1つ以上の任意の復調器24、1つ以上の任意のチャネル復号器26、出力デジタル信号30を発生させるための1つ以上の任意の光源複号器28を有する1つ以上の受信器が提供される。複合器は暗号器の逆関数として機能する。RAKE合成器のような合成器が使用可能である。これはハードワイアードフィルタで良いし又はデジタル信号処理の電子機器によって実装可能である。例は天井反射体の反対側で使用される1対の光源/検出器である。たとえば、送信器10中のIR光源はランバート形式でビームを放出することが可能である。たとえば、拡散スポット18の反射体もまたこれらのビームをランバート形式で反射することが可能である。受信器20の検出器14はたとえば、鋭い円錐又はランバート形式で与えられる視野の感度を有するように選ぶことが可能である。
【００４３】
図9では、分かりやすくする理由で、分離した送信器及び受信器が図示されている。しかし、一般にネットワーク構成要素は双方向通信のためトランシーバとして提供されるということは理解していただきたい。さらにトランシーバはLANのような共有資源ネットワークの一部で良いし、イーサネット（登録商標）又はそれと同様なLANプロトコルを操作することが可能である。特に、前述のように送信器と受信器との組み合わせはLANのような共有資源ネットワークの節となることが可能である。
【００４４】
図10は、屋内使用、つまり床、壁及び天井を有する部屋での使用が好ましい図6に図示された型の多重スポット擬似拡散ネットワーク200の概念的ブロック図を表す。それは、データ42のアレイを有する1つ以上の送信器40、1つ以上の任意の光源符号化ユニット44、1つ以上のチャネル符号化ユニット46及びIR光源52のアレイの1つ以上を駆動させる1つ以上のドライバ48を有する。PDWはドライバ48によってデータの光源42及び任意の光源符号化ユニット44及びチャネル符号化ユニット46を有することが可能な送信チェーンによって生成されるデジタル信号で変調される。光源42は、たとえばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、パームトップコンピュータ、携帯情報端末(PDA)、プリンタ、ファックス、ネットワークカードなど如何なるデジタル信号源でも良い。光源符号化ユニット44は従来のデジタル信号の光源符号化、たとえば圧縮、符号化などを実行することが可能である。チャネル符号化ユニット46は変調、インターリービング、ターボ符号、ブロック又はトレリス符号、誤り訂正符号などを有する従来のチャネル符号化の如何なるものをも実行できる。特に、IR光源52に渡される信号の時空間符号化のための符号化を実行する。複数の反射スポット58は空間的なアレイに整列しており、PDW信号56を反射するためには部屋の天井が好適である。1つ以上の受信器アレイ60は1つ以上の検出器63のアレイ61、1つ以上の任意の復調器64、1つ以上の合成器を有する1つ以上のチャネル復号器66、出力デジタル信号70を生成する任意の1つ以上の復号器68を有して提供される。復号器は暗号器の逆関数として機能する。
【００４５】
図10では、分かりやすくする理由で、分離した送信器及び受信器が図示されている。しかし、一般にネットワーク構成要素は双方向通信のためトランシーバとして提供されるということは理解していただきたい。さらにトランシーバはLANのような共有資源ネットワークの一部で良いし、イーサネット（登録商標）又はそれと同様なLANプロトコルを操作することが可能である。特に、前述のように送信器と受信器との組み合わせはLANのような共有資源ネットワークの節となることが可能である。
【００４６】
図11を参照すると、送信器側の上で受信器側の上にあるDAのそばにあるSAが”ダイオード”構成要素として比較のためRFワイアレスアンテナアレイと一緒に図示されている。より詳細には、PDWを与える左側のIR光源アレイ及び右側にIR検出器アレイがある。たとえば、SAは送信器Tx中のRF電子機器によって変調される1組の半導体レーザーダイオードであって良い。送信器の出力インピーダンスはダイオードレーザーと（インピーダンス）整合するのが好ましい。レーザーダイオードの出力とそれらの各位相との間の分離に依存して、強度変調される波が生成され、それはPDWである。DAは1組のシリコンIRフォトダイオード検出器であって良い。検出器は検出器ダイオードの負荷とインピーダンス整合する受信器RxのRF電子機器と結合する。
【００４７】
SAアレイがたとえば1GHzで変調され、結果としてSAから生じたPDWはRFチャネルを伝播する。このチャネル内をPDWが伝播する後、それはDC（連続波）及びAC（1GHzでのRF部分）の成分を生成するDAアレイに影響を及ぼす。ある光源から検出器までの各PDW伝送路での散乱履歴に依存して、DCとACとの比は異なってくる。これらの違いはPDWの長さスケールでの変動を起こす。つまり、1GHzで約30cmである。
【００４８】
前述したレーザーダイオードの直接変調は別として、PDWは単一2波長レーザーの使用によって生成可能であり、異なる長さ（位相変化を与える）及び異なる時間依存振幅（PDWを使用したデータ信号を有する）で1組の光ファイバを介して出力を与える。適切な配置は図12に図示されている。これは2波長レーザー光源72、たとえば、ビームが2つに分離され、2つの光ファイバ76,78に沿ってそれぞれ異なる波長で伝送されるように出力がスプリッタ74に行くレーザー周波数219MHzの分離を有する。これらのファイバ76のうちの少なくとも1つでは、光出力制御ユニット80がビームの1つへの変調を提供する、たとえばビームの振幅を変調する変調器-減衰器。ファイバの長さは変調された波に対して、2つのコヒーレントなレーザービーム間の位相差、たとえば180度、が存在するように選ばれる。従って、この位相分離は変調波長の数分の1である。
【００４９】
PDWを生成する2つの方法が開示されても、本発明はこれら2つの方法には限定されず、如何なる適切な方法をも有する。
【００５０】
受信されたPDWの検出方法に対して、好適でかつ経済的な方法は、光ファイバのチップ上の受信された光信号を収集し、これらの信号をたとえばシリコンCMOSイメージ検出器アレイ又はCCDアレイなどの単一チップ検出器アレイのような光学検出器のアレイに伝送することである。各検出器は一ファイバから信号を受信し、PDWのDC及びAC部分の両方を検出する。AC部分は適切な分離手段によって分離される、たとえばキャパシタ又はキャパシタアレイのような高パスフィルタ。分離された信号はRF電子回路に伝送される。前述の説明から分かるように、本発明は、たとえば2×2の光源/検出器アレイの場合で、相関のないPDW散乱によって、高い相関チャネル行列要素が結果として生じるDC発光と比較して少なくとも2倍にチャネル容量を改善する。より良い容量の改善は多数の光源/検出器を有するアレイで可能となる。PDWの波動性により、相関のないチャネルが得られ、さらなる利点がチャネル効率を増大させるSA/DA及びST符号化技術から得られる。検出されたPDWのばらつきは定性的にはマルチパス効果と同等である。ただし物体表面の反射率及び吸収の差異のため、定量的に修正されるという例外はあるが。これらのばらつきはPDW支援D-IR-WLANの新たなSA/DAチャネル及びST符号化を定義するのに利用される。
【００５１】
本発明に従った装置について、材料同様に好適実施例、特定の構造及び配置がここで論じられたとしても、形式及び詳細については本発明の範囲及び技術的思想から離れない限り、様々な変化及び修正が可能であることは理解されるべきである。
【００５２】
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】(a)部屋の側面ダイアグラムで、IR通信システムも一緒に図示している。送信器(T)及び検出器(D)は天井からの反射を介してのみ相互作用する。(b)4×5mの部屋の床の上の2つの特定の組（A及びB）送信器/検出器対の位置を図示している（軸は0.1m単位で表されている）。
【図２】さらなるIR通信システムを図示している。図2bでは、システムは送信器/受信器対の組AとBの間で定義される。図(a)及び(b)は、任意及び最適化されたビーム/FOV角及び幅に対応する2つのケースにおいて組Aが伝送する場合、天井のような表面に表れるように組Bによる検出されたIR光パターンを図示している。
【図３】(a)は光源/検出器の指向角の任意の配置に対応する図2aでの発光パターン例に対応するチャネルのインパルス応答を図示している。(b)は図3aのインパルス応答に対する周波数応答を図示している。図3bの+はチャネル応答の3dB点を表す。強度には相対単位を用いる。
【図４】(a)は光源/検出器の指向角及び幅を最適化した後のチャネルのインパルス応答を図示している。(b)は周波数応答を表し、チャネルバンド幅の3dBの点(+)を表す。
【図５】本発明の実施例に従った屋内配置を図示する。
【図６】本発明のさらなる実施例に従った、さらなる屋内配置を図示する。
【図７】本発明を使用可能な屋内配置を図示する。
【図８】どのようにしてPDW信号が散乱可能なのかを概念的に図示する。
【図９】本発明の実施例に従った屋内受信器及び送信器の配置を図示する。
【図１０】本発明のさらなる実施例に従った屋内受信器及び送信器の配置を図示する。
【図１１】本発明の実施例に従ったマルチパス、多重光源及び多重検出器を概念的に図示する。比較目的のためだけにワイアレスRFアレイを一緒にしている。
【図１２】本発明を使用可能なPDW源を図示する。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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