СИСТЕМА НЕПРЯМОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ И СПОСОБ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
SYSTEM FOR INDIRECT OPTICAL COMMUNICATION IN FREE SPACE AND HIGH-SPEED BROADBAND DATA TRANSMISSION METHOD

Настоящее изобретение относится к системе непрямой оптической связи в свободном пространстве для высокоскоростной широкополосной передачи данных согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, а также к способу высокоскоростной широкополосной передачи данных согласно ограничительной части п.13 формулы изобретения.
Установление и поддержание связи между компьютерами или иными техническими системами играет важную роль не только в помещениях различных учреждений или в компьютерных залах, но во все большей степени и во внутренних пространствах транспортных средств, поскольку в них также все большую важность приобретает обмен данными. Так, например, крупные транспортные средства, такие, например, как автобусы, поезда, самолеты, суда и т.д., оснащаются дисплеями, гнездами для подключения наушников, устройствами ввода данных, соответственно приемниками или терминалами сети передачи данных. Благодаря этому во время поездки пассажир имеет возможность развлекаться или получать необходимую информацию, обслуживающий персонал может обмениваться данными с центральными терминалами сети передачи данных и т.д. В подобных вариантах применения обычно центральное запоминающее устройство, соответственно передатчик, может передавать одному или нескольким приемникам данных или принимать от них отчасти исключительно большие объемы данных.
Данные передаются, будь то в аналоговой или цифровой форме, между передатчиком и приемником, например, по электрическим кабельным линиям связи. Однако с таким методом передачи данных связано множество недостатков.
К их числу относится, прежде всего, необходимость прокладывать кабель к каждому терминалу, т.е. каждый приемник/передатчик или каждый терминал сети передачи данных в помещении должен быть оснащен соответствующим штекером, а кабель на месте соединения должен быть оснащен соответствующим гнездом под штекер или соответствующей розеткой. Тем самым приемник/передатчик лишь условно можно считать свободно перемещаемым, поскольку для него требуется также соответствующее стандартное штекерное соединение, а количество возможных подсоединенных приемников определяется количеством присоединенных к кабелю штекеров либо розеток или количеством самих кабелей. Кроме того, и установка терминала сети передачи данных в помещении ограничивается наличием в нем соответствующего пригодного для этого места. Эту проблему приходится решать, прежде всего, в том случае, когда количество приемников и места их размещения заранее не определены и изменяются по мере необходимости. Однако оснащение помещения исключительно большим количеством кабелей и штекерных соединений сопряжено со значительными расходами и обусловливает ненадежность подобной системы связи.
Кроме того, в электрических кабелях возникают помехи от внешних электромагнитных воздействий. При этом происходит значительное снижение качества связи, прежде всего, при передаче аналоговых сигналов, однако помехи воздействуют и на передачу цифровых сигналов. Эта проблема устранения помех сложно решается, прежде всего, в транспортных средствах, поскольку в отличие от неподвижных зданий для движущегося транспортного средства характерно нерегулируемое изменение условий окружающей среды и уровней излучения, воздействующих на участок передачи данных, вследствие чего в процессе движения воздействие внешнего излучения можно свести к минимуму в крайнем случае лишь за счет чрезмерно дорогостоящего экранирования. Однако кабели с исключительно надежным экранированием отличаются большой массой, высокой стоимостью и требуют стационарного размещения. Еще один недостаток применения кабелей состоит в том, что само транспортное средство может являться источником электромагнитного загрязнения окружающего пространства, соответственно внешнего электромагнитного воздействия, экранная защита от которого может быть обеспечена лишь за счет значительных дополнительных трудозатрат.
Кроме того, электрический кабель не только подвергается воздействию внешнего электромагнитного излучения, но и сам испускает электромагнитное излучение. Тем самым это электромагнитное излучение в свою очередь оказывает воздействие на другие электронные системы, имеющиеся в транспортном средстве, или же на другие случайно оказавшиеся вблизи транспортные средства. Кроме того, не исключена также возможность несанкционированного доступа к данным, передаваемым в этой системе (прослушивание канала связи).
Еще один недостаток состоит в ограниченной скорости передачи данных и связан с ограниченной полосой пропускания электрических кабелей. Чем выше скорость передачи данных, тем сложнее передавать их по электрическим кабелям из-за затухания и рассеивания и тем сложнее решается проблема предотвращения внешнего электромагнитного воздействия и экранирования от него.
Для решения проблемы исключения внешнего электромагнитного воздействия предпринимаются попытки обеспечивать передачу данных по световодам с использованием модулированных световых сигналов. При этом обычно генерируемый источником свет модулируют по амплитуде (амплитудно-модулированный источник). Кроме того, можно также использовать частотную и фазовую модуляцию. Свет от встроенного в передатчик источника передается в приемник по выполненному из стекла или синтетического материала световоду, заменяющему электрический кабель. Приемник имеет фотодетектор для обратного преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. При этом обеспечиваются исключительно высокие скорости передачи данных и исключается влияние внешнего электромагнитного воздействия.
Однако нерешенной остается проблема отсутствия гибкости системы, что касается количества и мест(-а) под размещение станций или терминалов во внутреннем пространстве транспортного средства, тем более что световод и штекерные соединения отличаются от электрических соединительных элементов в целом более высокой стоимостью и большей сложностью их монтажа. Кроме того, отличается высокой трудоемкостью, соответственно требует высоких затрат установка свободных штекерных соединений, предназначаемых для последующего подключения станций или терминалов.
Для устранения проблем, связанных с прокладкой кабелей, предпринимались попытки использовать беспроводные системы связи, давно известные в области техники, связанной с передачей данных с использованием радиосвязи. Аналогично связи с использованием радиоприемников и передатчиков эти устройства можно применять для передачи всех видов данных. Однако при этом возможная скорость передачи данных зависит от частоты используемого электромагнитного излучения. В настоящее время имеются компактные микроволновые приемопередатчики, работающие на частотах гигагерцового диапазона и на практике обеспечивающие скорость передачи данных, не превышающую порядка нескольких Мб/с. Однако недостатки этого метода передачи данных заключаются в физически ограниченной скорости передачи данных, в по-прежнему нерешенной проблеме защиты от внешнего электромагнитного воздействия и устранения собственного электромагнитного воздействия на другие системы транспортного средства, а также в проблеме защиты от несанкционированного доступа к передаваемым данным. Кроме того, в случае транспортных средств, используемых преимущественно в различных странах мира и представляющих собой, например, самолеты или суда, следует учитывать местные законодательные ограничения, накладываемые на применяемые диапазоны частот и методы модуляции, из-за чего сильно ограничивается выбор имеющихся или разрешенных диапазонов частот и значительно усложняется их использование на международных транспортных магистралях.
Альтернативным решением является беспроводная система оптической связи для передачи данных. При этом оптическое излучение с наложенными модуляцией данными испускается непосредственно в пространство и принимается фотодетектором (соответствующим, например, стандарту, Ассоциации по инфракрасной технологии передачи данных, IrDA). Этот метод применяется, например, для передачи данных между портативным компьютером и принтером. Однако недостаток этого метода состоит в том, что в этом случае должна быть обеспечена связь на прямой видимости между передатчиком и приемником, а расстояние между обоими устройствами может быть относительно небольшим, обычно менее 1-2 м. Излучение должно быть в пределах определенного для приемника угла раствора диаграммы направленности, обычно составляющего менее ±15°, и направлено на приемник в пределах его прямой видимости.
Инфракрасные системы передачи данных, использующие рассеянное инфракрасное излучение, имеющие существенно большие дальности действия и углы раствора диаграммы направленности и пригодные для соединения компьютеров в помещениях офисов, описаны, например, в публикации F.R. Gfeller, U. Bapst, Proceedings of the IEEE, т.67, №11, ноябрь 1979 г.
Еще одна система описана в публикации DE 10107538 В4. Подобная система уже обеспечивает значительную ширину полосы пропускания от нескольких Мб/с до примерно 100 Мб/с и дальность действия, составляющую многие метры, обходясь без выравнивания луча за счет применения рассеянного излучения, причем ширина полосы пропускания ограничена в основном неоднозначностью, обусловленной многократным отражением (многолучевое распространение).
На фиг.1 показана подобная известная система оптической связи в свободном пространстве для высокоскоростной широкополосной передачи данных. В состав системы входят передатчик 1, содержащий источник модулируемого света, и по меньшей мере один приемник 5а, 5b, 5c, 5d, содержащий фотодетектор для приема излучаемого передатчиком 1 света и преобразования его в электрический сигнал, причем передатчик 1 и приемник 5a, 5b, 5с, 5d выполнены таким образом, чтобы приемник 5а, 5b, 5c, 5d мог обнаруживать и/или обнаруживал излученный передатчиком 1 свет после его рассеивания или отражения от поверхности 7 в транспортном средстве. Поверхность 7 располагается во внутреннем пространстве или в салоне транспортного средства, например, на потолке 8. В качестве источника света используются, например, один или несколько светодиодов, лазерных диодов, лазерных диодов с торцевым излучением и/или плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами, благодаря чему можно обеспечивать двустороннюю связь между передатчиком и приемником.
Двусторонняя связь предпочтительна ввиду большей гибкости в применении системы. Поэтому, если далее говорится о передатчике, то это означает, что речь идет, например, прежде всего, также о том передатчике или приемопередатчике, который закреплен, например, на корпусе или фюзеляже транспортного средства, а терминал сети передачи данных представляет собой, например, прежде всего, также тот приемник или же приемопередатчик, который обращен к пользователю, т.е. присоединен, например, к пассажирскому креслу, соответственно к связанному с этим креслом мультимедийному устройству, к ручному устройству и т.д. Поэтому для различения этих двух видов устройств далее говорится просто о распределителе и терминале сети передачи данных.
В публикации US 2002171898 А1 раскрыты система непрямой оптической связи в свободном пространстве для высокоскоростной широкополосной передачи данных и соответствующий способ непрямой оптической высокоскоростной передачи данных. Известная из US 2002171898 А1 система включает в себя несколько ячеек, каждая из которых содержит по меньшей мере один передатчик с источником модулируемого света и по меньшей мере один приемник с фотодетектором для приема излучаемого передатчиком света и преобразования его в электрический сигнал, причем передатчик и приемник направлены по меньшей мере на одну общую для них поверхность, которая отражает и/или рассеивает излучаемый передатчиком свет, прежде чем этот свет попадает в приемник.
В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствования известной оптической системы связи в свободном пространстве таким образом, чтобы значительно расширить полосу пропускания для передачи данных, исключив взаимные помехи при работе ячеек. В частности, необходимо было увеличить скорость передачи данных во внутреннем пространстве транспортных средств, таких, например, как самолеты или автомобили и поезда, до уровня, исчисляемого в Гбит/с или выше.
Эта задача решается в отношении системы непрямой оптической связи в свободном пространстве для высокоскоростной широкополосной передачи данных, включающей в себя несколько ячеек, каждая из которых содержит по меньшей мере один передатчик с источником модулируемого света и по меньшей мере один приемник с фотодетектором для приема излучаемого передатчиком света и преобразования его в электрический сигнал, причем передатчик и приемник направлены по меньшей мере на одну общую для них поверхность, которая отражает и/или рассеивает излучаемый передатчиком свет, прежде чем этот свет попадает в приемник, за счет того, что ячейки организованы таким образом, чтобы предотвращать создание перекрестных помех для соседних ячеек, и независимы друг от друга.
Предлагаемая в изобретении система способна обеспечивать высокие, измеряемые в Гбит/с или выше скорости оптической передачи данных передатчиком нескольким приемникам (односторонняя связь), соответственно передатчиком нескольким распределенным приемникам (односторонняя широковещательная связь) или между приемопередатчиками (двусторонняя связь). Предлагаемая в изобретении система устанавливается во внутреннем пространстве транспортных средств или машин и поездов и обеспечивает надежную высокоскоростную передачу данных при пониженных затратах и увеличенной ширине полосы пропускания.
Предлагаемая в изобретении система связи позволяет, в частности, простым путем передавать данные с высокой скоростью внутри транспортного средства, такого, например, как автомобиль, самолет, поезд, судно, спутник или иное аналогичное транспортное средство, не требует установления связи на прямой видимости между передатчиком и приемником и исключает применение кабелей для соединения передатчика и приемника для передачи данных. Кроме того, изобретение решает проблему устранения влияния внешнего электромагнитного воздействия и, кроме того, обеспечивает надежную защиту от несанкционированного доступа к передаваемым системой данным.
Благодаря изобретению, например, в салоне самолета с двумя или несколькими проходами между рядами кресел несколько передатчиков с соответствующими приемниками могут использовать независимо друг от друга полную полосу пропускания со скоростью передачи данных, равной, например, около 100 Мбит/с, что уже соответствует удвоению в целом используемой ширины полосы пропускания. Тем самым реализуются две или более основанных на использовании одной и той же физической среды "ячеек" системы связи, не создающим помехи друг для друга благодаря относительно хорошо ориентируемому излучению. Такое решение возможно лишь применительно к используемому согласно изобретению оптическому диапазону, поскольку при использовании радиоволн подобное четкое ограничение нельзя обеспечить из-за имеющего место на низких частотах не направленного распространения радиоволн.
В предпочтительном варианте поверхность, на которую направлены распределители, соответственно передатчики и терминалы сети передачи данных, соответственно приемники, расположена во внутреннем пространстве транспортного средства, в котором происходит передача данных, предпочтительно в автомобиле, самолете, поезде, на судне или в спутнике и т.д. Тем самым передача данных в мобильных системах может осуществляться особенно простым путем. Снижается стоимость системы связи и повышается комфортность салонов, поскольку отсутствуют или же имеют место лишь незначительные ограничения, связанные с местом приема данных.
Согласно предпочтительному варианту предусмотрены средства формирования луча света от соответствующего передатчика и/или средства ограничения угла раствора диаграммы направленности соответствующего приемника для предотвращения создания перекрестных помех. Благодаря этому обеспечивается требуемым образом придание необходимой формы диаграмме направленности распространения оптического излучения таким образом, чтобы испускание лучей было ограничено лишь в определенном пространстве. При этом принимается также во внимание, например, тот факт, что из-за многолучевого распространения света скорости передачи данных ограничены величиной, составляющей примерно 100 Мбит/с.
В предпочтительном варианте система непрямой оптической связи в свободном пространстве выполнена таким образом, что участки отражения или рассеяния общих поверхностей в пределах соседних ячеек не перекрываются друг с другом. Таким путем можно разместить, например, вдоль прохода в салоне самолета или в общем случае в транспортном средстве независимые друг от друга ячейки связи.
Так, например, в самолете с двумя проходами расположенные над ними потолочные панели освещаются отдельными передатчиками или приемопередатчиками таким образом, чтобы исключить перекрытие тех поверхностей, которые освещаются, соответственно находятся в поле зрения приемников и используются передатчиками и приемниками двух проходов.
Так, в частности, например, зоны самолета вдоль одного и того же прохода могут раздельно освещаться таким образом, чтобы граничащие друг с другом общие поверхности, используемые различными распределителями и терминалами сети передачи данных и относящиеся соответственно к одной зоне, не перекрывались с поверхностями другой зоны и обеспечивали связь независимо друг от друга, благодаря чему также вдоль одного прохода образуются различные, независимые и не создающие друг для друга никаких помех ячейки связи. Разграничение освещенных поверхностей можно обеспечивать за счет либо обоснованного выбора передающей и принимающей оптики, либо экранирования с использованием оптически непрозрачных диафрагм на границе независимых друг от друга освещенных поверхностей.
Поэтому предпочтительно предусмотреть один или несколько экранирующих элементов для экранирования света, отраженного от общей поверхности, от попадания в приемник, относящийся к другой ячейке.
В наиболее предпочтительном варианте источники света, входящие в состав соседних ячеек, излучают свет с различными длинами волн. Тем самым освещенные и/или находящиеся в поле зрения приемников поверхности могут при известных условиях незначительно перекрываться друг с другом на границах между ними. Различные или отличающиеся между собой длины волн света составляют, например, 810 нм и 960 нм и исключительно легко отделяются друг от друга простыми фильтрами, размещаемыми в приемнике. По этой причине передатчики или распределители используют соответствующие источники света, предпочтительно светодиоды или лазеры, излучающие свет в диапазонах обеих длин волн.
Согласно наиболее предпочтительному варианту различные предлагаемые в изобретении решения используются в комбинации друг с другом. Благодаря такому подходу обеспечиваются особые представленные ниже преимущества настоящего изобретения.
Если, например, оба прохода салона самолета отделены друг от друга как независимые ячейки связи благодаря наличию в разделительной или пограничной зоне расположенных в средней части багажных полок, исполняющих функцию непрозрачного экрана для лучей света, то вдоль проходов реализуются незначительно перекрывающиеся между собой ячейки, использующие излучения с различными длинами волн. Освещение/задание поля зрения обеспечивается предпочтительно таким образом, что в разделительной или пограничной зоне соседних ячеек хотя и могут иметь место перекрытия (но не обязательно должны быть), однако отсутствует перекрытие с ячейкой, расположенной за ближайшей ячейкой. Благодаря этому можно использовать излучения лишь с двумя различными длинами L1 и L2 волн вдоль одного прохода с попеременным чередованием, например, в виде последовательности L1-L2-L1-L2-L1-L2. За счет этого снижены расходы на аппаратное обеспечение благодаря использованию ограниченного числа необходимых длин волн, особенно при том условии, что не требуется точная фильтрация и в то же время благодаря попеременному чередованию используемых длин волн можно обеспечить практически любую сколько угодно высокую скорость передачи данных.
Сказанное означает, что ячейки предпочтительно располагать в ряд, используя в смежных ячейках ряда свет с чередующимися длинами волн.
Вместе с тем ячейки также предпочтительно отделять друг от друга в пространстве. Поверхность ячейки представляет собой, прежде всего, поверхность стенки или предмета, расположенного в пространстве (в салоне или помещении), в котором должны передаваться данные.
Источник света соответствующего передатчика включает в себя, например, один или несколько светодиодов, лазерных диодов, лазерных диодов с торцевым излучением и/или плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами.
Для обеспечения двусторонней связи соответствующий приемник имеет, например, источник света, а соответствующий передатчик имеет, например, фотодетектор. Во время работы единственный передатчик ячейки может одновременно снабжать несколько приемников одинаковыми или различными данными.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ непрямой оптической высокоскоростной передачи данных, при осуществлении которого с помощью источника света генерируют свет, который модулируют частотой передаваемых данных, модулированный свет передают, направляя его на поверхность, отражающую и/или рассеивающую свет, принимают рассеянный и/или отраженный поверхностью свет, в результате чего он попадает непрямым путем от источника в приемник, и преобразуют модулированный свет в электрический сигнал, причем передачу и прием света осуществляют в нескольких ячейках, содержащих по меньшей мере по одному передатчику и по меньшей мере по одному приемнику. При этом решение вышеупомянутой задачи достигается тем, что передачу и прием света осуществляют в независимых друг от друга ячейках, при этом активно предотвращают создание перекрестных помех для соседних ячеек.
Указанные выше преимущества предлагаемой в изобретении системы относятся также к предлагаемому в изобретении способу и наоборот.
В предпочтительном варианте угол излучения света передатчиком ячейки ограничивают с таким расчетом, чтобы свет не попадал в приемники других ячеек.
Кроме того, например, угол раствора диаграммы направленности соответствующего приемника ячейки можно ограничивать с таким расчетом, чтобы исключить попадание в приемник света от источников света, относящихся к соседним ячейкам.
Для соблюдения этого условия свет, отраженный от поверхности ячейки, можно экранировать от попадания в приемник, относящийся к другой ячейке.
В предпочтительном варианте в соседних ячейках используется свет с различными длинами волн.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид фрагмента выполненной по одному из вариантов известной из уровня техники системы, в которой световые лучи проходят по пути передачи данных в режиме непрямой оптической связи,
на фиг.2 - схематичный вид предлагаемой в изобретении системы, выполненной по варианту, согласно которому оба прохода салона самолета с двумя проходами используются раздельно отдельными ячейками связи,
на фиг.3 - схематичный вид предлагаемой в изобретении системы, в которой вдоль одного прохода салона самолета функционируют ячейки, независимые друг от друга и не создающие перекрестных помех друг для друга,
на фиг.4а - схематичный вид предлагаемой в изобретении системы по фиг.3, в которой путем надлежащего направленного излучения света исключается создание ячейками перекрестных помех друг для друга,
на фиг.4б - схематичный вид предлагаемой в изобретении системы по фиг.3, в которой исключается создание ячейками перекрестных помех друг для друга за счет применения пригодных для этого оптических бленд или непрозрачных экранирующих элементов,
на фиг.5а - схематичный вид предлагаемой в изобретении системы, в которой вдоль одного прохода салона самолета функционирует несколько независимых ячеек, не создающих перекрестных помех друг для друга благодаря использованию излучения с двумя различными длинами волн,
на фиг.5б - схематичный вид двух соседних ячеек, использующих излучение с различными длинами волн,
на фиг.6 - один из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, представляющий собой комбинацию представленных выше решений.
На фиг.1 схематически показан фрагмент известной системы непрямой оптической связи в свободном пространстве, усовершенствуемой в настоящем изобретении. Более подробно эта система описана в DE 10107538 В4.
Распределитель или передатчик 1, закрепленный в транспортном средстве, например, на держателе 17, расположен таким образом, чтобы излучаемый им свет падал на расположенную на определенном расстоянии поверхность 7 на потолке 8 транспортного средства, которое может представлять собой, например, самолет, автомобиль, поезд, автобус, трамвай, спутник или иное транспортное средство. На некотором удалении от распределителя 1 расположены терминалы 5а, 5b, 5c, 5d, 40 сети передачи данных и сопряженные с ними мультимедийные станции 4а, 4b, 4c, 4d, принимающие свет, отраженный от поверхности 7 или рассеянный ею. Тем самым свет попадает непрямым путем от распределителя 1 на терминалы сети передачи данных, при этом заштрихованный под наклоном слева направо участок обозначает излученный распределителем свет, а заштрихованный под наклоном справа налево участок 6а, 6b, 6с, 6d обозначает участок приема соответствующих терминалов сети передачи данных. Перекрестно заштрихованный участок перекрытия, показанный на фиг.1, обозначает тот излученный распределителем 1 свет, который на соответствующем участке 6a-6d приема терминалов 5a-5d, 40 попадает в них. Благодаря тому, что свет рассеивается поверхностью 7, нет необходимости обеспечивать прямую видимость между распределителем 1 и терминалами 5a-5d, 40 сети передачи данных, т.е. между передатчиком и приемником может даже находиться какое-либо препятствие. На этом чертеже позициями 3а-3е обозначены пассажирские кресла.
Известная система связи в свободном пространстве, показанная на фиг.1, является частью предпочтительного варианта осуществления изобретения, усовершенствовавшего известную систему.
Поверхность 7 может представлять собой, например, часть внутренней обшивки транспортного средства, например, потолка транспортного средства или боковую обивку дверей, обшивку колонн или опор для потолка или же оконные поверхности, отражающие инфракрасное излучение и т.д. Кроме того, в качестве поверхностей 7 можно также использовать, например, в самолете или поезде поверхности потолка, пола, боковых стенок, частей обшивки внутреннего пространства и т.д. Иными словами, можно использовать всякую поверхность, на которую может падать излучаемый источником свет и которая отражает или рассеивает по меньшей мере часть падающего на нее (поверхность) излучения.
В залах ожидания или в транспортных средствах имеется множество подобных поверхностей, которые согласно изобретению могут использоваться как часть оптической системы связи в свободном пространстве. Однако в качестве этой части системы можно также предусмотреть использование специального отражающего или рассеивающего элемента со структурированной поверхностью, предназначенной для изменения направления падающих на нее лучей света.
В случае двусторонней передачи данных в терминалы 5а, 5b, 5c, 5d, 40 сети передачи данных встроены также передатчики. Поэтому участки 6а, 6b, 6с, 6d одновременно определяют также соответствующие углы раствора диаграмм направленности передатчиков, встроенных в терминалы сети передачи данных. Оба угла раствора диаграмм направленности приемника и передатчика, встроенного в терминал сети передачи данных, не должны быть одинаковыми, а для определения направления передачи используется соответствующий протокол. Однако на показанной на фиг.1 принципиальной схеме для сохранения ее наглядности эти углы не отличаются друг от друга.
На дополнительном кресле 3е расположен портативный компьютер или ручное устройство, выполненное в виде терминала сети передачи данных, соответственно имеет согласно изобретению устройство ввода и/или передатчик для связи с использованием поверхности 7.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения распределитель 1 состоит из используемых в качестве источника света одного или нескольких светодиодов, лазерных диодов с торцевым излучением, лазерных диодов или лазерных диодов в виде плоскостных лазеров с вертикальными резонаторами. При этом минимальная величина выходной мощности источника света ограничена вследствие того, что необходимо обеспечить возможность попадания достаточного количества отраженного света в терминалы сети передачи данных с учетом имеющихся геометрических возможностей транспортного средства, а также отражательной способности поверхностей в помещении. Максимальная величина выходной мощности источника света распределителя 1 ограничена максимально допустимым пределом, определяющим безопасность лазерного излучения для глаз, т.е. в данном случае в процессе работы распределителя исключается повреждение глаз. В зависимости от особенностей конкретного исполнения транспортного средства распределитель может иметь соответственно низкую выходную мощность.
Однако, если требуемые значения выходной мощности обычных светодиодов или лазерных диодов, представляющих собой плоскостные лазеры с вертикальными резонаторами, в ближнем диапазоне инфракрасного излучения, т.е. обычно с длиной волны менее 1 мкм, превышают законодательно установленные нормы, то можно применять светодиоды или лазерные диоды, представляющие собой плоскостные лазеры с вертикальными резонаторами, излучающие свет, в отношении которого установлен заметно более высокий допустимый предел переносимости сетчаткой и длина волны которого равна, например, 1,55 мкм.
Распределитель 1, закрепленный в транспортном средстве на держателе 17, может излучать свет в самолете, например, в продольном направлении его фюзеляжа и тем самым освещать вдоль прохода одну или несколько потолочных панелей 8. Распределитель может быть также закреплен и ориентирован перпендикулярно продольному направлению фюзеляжа и тем самым может освещать, например, одну единственную потолочную панель от одной до другой багажной полки или может располагаться между ними под любым углом, имея характеристику освещения под соответствующим углом наклона. Так, например, распределитель может также размещаться вместе с осветительной арматурой салона в общем корпусе. В наиболее предпочтительном варианте светодиоды можно использовать даже в качестве осветительных устройств салона.
Приемник, расположенный по меньшей мере в терминалах 5a-5d сети передачи данных, соответственно в ручном устройстве 40 или же в распределителе 1, состоит из одного или нескольких фотодетекторов, поверхность которых ограничена мощностью и, следовательно, возможной скоростью передачи данных. Нижний предел ограничения площади поверхности определяется минимально допустимой чувствительностью фотодетектора. Площадь поверхности детектора, необходимая для детектирования попадающего на него излучения, отраженного внутри транспортного средства, обычно составляет по меньшей мере несколько квадратных миллиметров.
Благодаря высокой расходимости пучка применение светодиодов позволяет освещать значительные по площади соответственно отражающие поверхности или внутренние стенки транспортного средства, однако при этом ограничена выходная мощность распределителя. При необходимости для получения более высоких значений мощности применяется несколько светодиодов.
Лазерные диоды, представляющие собой плоскостные лазеры с вертикальными резонаторами, отличающиеся малыми размерами, и прежде всего, также высокой экономичностью изготовления, характеризуются значительно более высокими значениями выходной мощности при существенно более высокой эффективности. Сказанное означает, что возникающий ток отличается малой величиной, составляющей обычно менее 10-20 мА при напряжении менее 5 В. Однако эти плоскостные лазеры с вертикальными резонаторами испускают излучение в существенно более узком угловом диапазоне, а расходимость пучка обычно находится в пределах нескольких градусов. Кроме того, ввиду малых величин электрического напряжения и исключительно малых величин электрического тока лазерными диодами, представляющими собой плоскостные лазеры с вертикальными резонаторами, могут управлять непосредственно электронные генераторные компоненты или стандартные ТТЛ-генераторы. Это управление обеспечивается при необходимости с использованием делителя напряжения. Тем самым становится возможной исключительно простая система электропитания, и наряду с малой мощностью элементов плоскостного лазера с вертикальным резонатором обеспечивается исключительно высокая скорость передачи данных, составляющая, например, более 1 Гб/с.
На фиг.2 показана предлагаемая в изобретении система с разнесенными в пространстве участками для двух проходов 61 и 62, образующих ячейки Z1, Z2; соответствующие элементы обеих ячеек Z1, Z2 обозначены следующим образом: позициями 5а, 5b обозначены терминалы сети передачи данных для прохода 61, а позициями 7а и 7b обозначены терминалы сети передачи данных для прохода 62. Для прохода 61 предназначен распределитель 11, выполняющий функцию передатчика или приемопередатчика. Для прохода 62 предназначен другой распределитель 12, выполняющий функцию передатчика или приемопередатчика. Распределитель 11, соответственно передатчик для прохода 61 и соотнесенные с этим передатчиком приемники, соответственно терминалы 5а, 5b сети передачи данных направлены на общую для них поверхность 8а. Распределитель 12, обслуживающий устройства у прохода 62, и соотнесенные с этим распределителем приемники, соответственно терминалы 7а, 7b сети передачи данных направлены на общую для них поверхность 8b.
Каждый из терминалов 5а, 5b и 7а, 7b сети передачи данных имеет поле зрения и угол приема или раствора диаграммы направленности, обозначенный соответственно 9а, 9b и 10а, 10b, который в данном случае одновременно соответствует соответствующей характеристике излучения передатчиков, при необходимости встроенных в терминалы 5а, 5b, 7а, 7b сети передачи данных.
Каждый распределитель 11 и 12 имеет соответствующую характеристику 11а и 12а излучения, которая в данном случае одновременно соответствует полю зрения приемников, при необходимости встроенных в распределители 11, 12.
Терминалы 5а, 5b и 7а, 7b сети передачи данных установлены на соответствующих креслах 3а, 3b и 13а, 13b, из которых группа кресел 3a, 3b относится к проходу 61, а группа кресел 13а, 13b относится к проходу 62.
Две указанные выше ячейки связи не зависят друг от друга и не могут создавать помех друг для друга, поскольку расположенная посередине багажная полка 30 обеспечивает экранирование общей поверхности 8а для компонентов, относящихся к проходу 61, и наоборот, экранирование поверхности 8b, предназначенной для компонентов, относящихся к проходу 62.
Таким путем образуются две ячейки сети связи, соотнесенные с двумя проходами 61 и 62 и способные функционировать независимо друг от друга, не создавая перекрестных помех (наводок) друг для друга.
Благодаря этому решению можно удвоить в целом обеспечиваемую скорость передачи данных по сравнению с обычной системой.
На фиг.3 показан еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения, согласно которому вдоль прохода 61 и 62 размещено и используется по несколько независимых ячеек. Благодаря этому можно обеспечить значительно более высокую скорость передачи данных, что требуется, например, в транспортных средствах с исключительно большим количеством терминалов сети передачи данных, прежде всего, в самолетах с исключительно большим количеством пассажирских кресел.
В показанном на фиг.3 варианте терминалы, закрепленные на креслах 3a, 3b, 3c, 3d, относятся к первой ячейке Z1, а другие терминалы, закрепленные на креслах 14а, 14b, 14с, 14d, относятся ко второй ячейке Z2. При этом создание ячейками перекрестных помех друг для друга предотвращается, например, за счет того, что освещенные поверхности каждой отдельной ячейки Z1, Z2 достаточно надежно оптически изолированы друг от друга, благодаря чему поля зрения терминалов, закрепленных на креслах 14a-14d, не находятся в прямой видимости для освещенных участков ячейки Z1 и наоборот.
Другое решение заключается в том, что оптические элементы распределителей исполняются таким образом, чтобы обеспечивалась однозначная оптическая изоляция освещенных поверхностей друг от друга, что более подробно рассмотрено ниже.
На фиг.4а показано внутреннее пространство, соответственно показан салон пассажирского самолета. В рядах кресел или на креслах 3а, 14а, 15а расположено по одному терминалу 5а, 7а и 17а сети передачи данных. На потолочной панели или стенной панели закреплено множество распределителей 11, 12, 19, излучающих свет под углом 11а, 12а, 19а излучения перпендикулярно оси фюзеляжа, или перпендикулярно продольной оси салона. Тем самым образуется множество отдельных ячеек, количество которых в этом варианте равно трем.
При этом терминал 5а сети передачи данных со своим полем зрения соответственно углом 9а раствора диаграммы направленности соотнесен именно с распределителем 11. Терминал 7а сети передачи данных со своим полем 10а зрения соотнесен с распределителем 12, а терминал 17а сети передачи данных со своим полем зрения 18а соотнесен с распределителем 19. Распределители 11, 12 и 19 с их углами 11а, 12а, 19а излучения образуют различные, независимые друг от друга ячейки Z1, Z2, Z3. Таким путем формирование лучей исключительно определенно формирующейся оптической среды позволяет однозначно отделять или оптически изолировать друг от друга общие поверхности и тем самым образовывать не создающие перекрестных помех друг для друга отдельные ячейки связи.
На фиг.4б показан следующий вариант осуществления изобретения, предусматривающий крепление на потолочных панелях салона экранирующих элементов 40, ограничивающих распространение излучения. Благодаря этим элементам образуются затемненные участки, ограничивающие поле 9а, 10а, 18а зрения соответствующего терминала 5а, 7а, 17а сети передачи данных, благодаря чему и в данном случае образуются отдельные или изолированные ячейки Z1, Z2 и Z3. Благодаря наличию экранирующих элементов 40 ограничивается, прежде всего, распространение излучения отдельных распределителей, в результате каждый распределитель освещает соответствующий ему элемент поверхности, экранированный от попадания на него света других распределителей. Прикрепленные к креслам 3а, 14а и 15а терминалы 5а, 7а и 17а сети передачи данных входят в состав отделенных друг от друга, независимых ячеек Z1, Z2 и Z3 связи, имеющих различные отделенные друг от друга распределители, соответственно передатчики и освещающих различные отделенные друг от друга экранирующими элементами 40 элементы поверхности, которые отражают или рассеивают падающий на них свет. Каждое поле 9а, 10а и 18а зрения направлено на соотнесенный именно с ним подобный элемент поверхности.
На фиг.5а показан наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым вдоль прохода 61 салона самолета расположено несколько ячеек Z1, Z2, Z3, Z4, не создающих перекрестных помех (наводок) друг для друга и функционирующих с использованием двух различных излучений с длинами L1, L2 несущих волн. В этом варианте лучи и поля зрения соответствующих ячеек не обязательно должны иметь особую форму или должны быть ограничены, а могут даже оптически накладываться друг на друга. При этом отдельные ячейки Z1, Z2, Z3, Z4 сконфигурированы таким образом, что обеспечивают попеременное чередование используемых длин волн вдоль рядов ячеек. Согласно этому варианту ячейка Z1 использует излучение с длиной L1 волны, а соседняя ячейка Z2 использует излучение с длиной L2 волны, отличающейся от длины L1 волны. В следующей ячейке Z3, соседней с ячейкой Z2, вновь используется излучение с первой длиной L1 волны, поскольку это излучение в общем случае по своему происхождению относится к участку, соответствующему полю 90 зрения терминалов сети передачи данных первой ячейки Z1. Таким путем за счет чередующегося использования излучений лишь с двумя различными длинами волн можно скомпоновать практически любую последовательность размещения независимых друг от друга ячеек связи. В рассматриваемом варианте кресла 3a-3d относятся к первой ячейке Z1, кресла 14a-14d относятся ко второй ячейке Z2, кресла 15a-15d относятся к третьей ячейке Z3 и кресла 27a-27d относятся к четвертой ячейке Z4. Все ячейки располагаются вдоль прохода 61. Второй проход 62 может быть оснащен аналогично первому проходу 61, т.е. может иметь ячейки Z1-Z4.
Предпочтительный вариант мог бы выглядеть следующим образом.
В самолете, в котором имеются два прохода и три ряда кресел, боковые ряды кресел имеют по 2 кресла, средний ряд кресел имеет по 4 кресла, в целом же общее количество подобным образом расположенных пассажирских кресел самолета может составлять, например, 336, потолочные панели обоих проходов используются как общая поверхность для освещения излучением или как поле зрения. Все три ряда кресел попеременно используют излучение с двумя длинами волн. Терминалы сети передачи данных среднего ряда кресел размещены таким образом, что ориентированы соответственно на ближайшие панели прохода.
Таким образом, с одной ячейкой связи всегда соотнесено двенадцать кресел. Вдоль каждого прохода в результате попеременного использования применяемых длин волн создаются 14 независимых ячеек связи, т.е. их общее количество равно 28.
Если каждая ячейка имеет скорость передачи данных, составляющую, например, 100 Мбит/с, то во всем самолете данные могут передаваться независимо друг от друга со скоростью 2,8 Гбит/с. Скорость передачи данных в каждый отдельный терминал, закрепленный на соответствующем кресле, может составлять 8 Мбит/с. Однако скорость передачи данных каждому из 12 терминалов, установленных на соответствующих креслах и входящих в ячейку, обеспечивающую скорость 100 Мбит/с, может быть задана таким образом, чтобы при необходимости терминалу можно было обеспечивать полную скорость передачи данных, равную 100 Мбит/с, когда терминалы других кресел не передают никаких данных, соответственно между ними по-другому перераспределяются скорости передачи данных.
На фиг.5б показан фрагмент описанной системы с перекрывающимися ячейками. При этом распределитель 11, представляющий собой передатчик или приемопередатчик, облучает поверхность 8а излучением, испускаемым источниками света в виде светодиодов, имеющим длину L1 волны и видимым для приемника терминала 5а сети передачи данных в его поле 9а зрения. Свет, отраженный от поверхности 8а, попадает через оптику 41, определяющую поле 9а зрения, на фотодетектор 43, при этом между оптикой 41, выполненной в виде линзы, и фотодетектором 43 установлен фильтр 42а. Фильтр 42а пропускает свет с длиной L1 волны и не пропускает свет с длиной L2 волны. Очевидно, что этот фильтр может быть также помещен на линзу 41 или на фотодетектор 43, например, в виде диэлектрических слоев и/или может быть выполнен из соответствующим образом выбранного материала или путем окрашивания линзы 41.
Другой распределитель 12 облучает поверхность 8b, перекрывающуюся с поверхностью 8а, для чего применяются источники света с длиной L2 волны. При этом не только не требуется обеспечивать перекрытие поверхностей, но можно также предусматривать экранирование друг от друга освещенных поверхностей 8а и 8b. Терминал 7а сети передачи данных, соотнесенный с распределителем 12, выполнен аналогично терминалу 5а сети передачи данных, однако при этом фильтр 42b не пропускает свет с длиной L1 волны, но пропускает свет с длиной L2 волны, излучаемый распределителем 12.
На фиг.6 проиллюстрированы используемые в комбинации различные отличительные признаки предлагаемой в изобретении системы связи, выполненной еще по одному предпочтительному варианту. Этот комбинированный вариант позволяет создавать исключительно большое количество независимых друг от друга ячеек и тем самым обеспечивает исключительно высокую скорость передачи данных по сравнению с применением лишь одной единственной ячейки. Ячейки Z1 и Z1a в соседних проходах 61 и 62 могут использовать одну и те же длину волны, но при этом они не создают друг для друга никаких помех, поскольку средние багажные полки 30 (см. фиг.2) салона самолета оптически экранируют друг от друга общие поверхности обеих ячеек Z1, Z1a, и соответствующие приемники не могут "видеть" излучение от общих поверхностей соответственно других ячеек.
Далее в проходе 61 располагается следующая ячейка Z2, граничащая с ячейкой Z1, и при определенных условиях перекрывающиеся оптические участки ячеек Z1 и Z2 отделяются друг от друга путем использования второй длины волны во избежания создания помех друг для друга. По аналогии с этим решением в соседнем проходе 62 размещены обе ячейки Z1 и Z2.
В проходе 61 обе следующие ячейки Z3 и Z4 отделены от ячеек Z1 и Z2 непрозрачным экранирующим элементом 45 таким образом, что они не могут создавать никаких помех друг для друга. Экранирующий элемент 45 представляет собой, например, перегородку, разделяющую пассажирский салон на классы, соответственно занавеску. Благодаря наличию, прежде всего, этого экранирующего элемента 45, но и экранирования ячеек Z1 и Z2 друг от друга для них не создаются никакие помехи. По аналогии с этим решением в проходе 62 расположены ячейки Z3a и Z4a, которые не могут создавать помехи для ячеек Z1a и Z2a также благодаря наличию экранирующего элемента 45. Обе соответственно граничащие друг с другом ячейки Z3 и Z4, соответственно Z3a и Z4a используют излучение с различными длинами L1 и L2 волн.
Следующие ячейки Z5 и Z6 в проходе 61 и Z5a и Z6a в проходе 62 отделены от ячеек Z4 и Z4a благодаря значительному расстоянию между ними, т.е. общие поверхности ячеек располагаются соответственно вне поля зрения приемников соответственно другой ячейки, благодаря чему в данном месте невозможно создание ячейками помех друг для друга. Соответственно граничащие друг с другом ячейки Z5 и Z6, соответственно Z5a и Z6a отличаются друг от друга также величинами используемой длины L1 и L2 волны.
Соответственно путем применения целесообразной комбинации или выбора предлагаемых в изобретении решений весь фюзеляж самолета можно оснастить независимыми, не создающими помех друг для друга ячейками таким образом, чтобы обеспечить создание исключительно широкополосной сети передачи данных, ширина полосы пропускания которой многократно превосходит номинальную ширину полосы пропускания одной единственной ячейки. При этом путем применения предлагаемых в изобретении решений используются, прежде всего, преимущества оптической передающей среды - в технике радиосвязи не представляется возможным подобное многократное повышение пропускной способности одной и той же частотной полосы передачи данных, обеспечиваемое согласно изобретению за счет использования принципиально иного метода передачи данных.
Поэтому предлагаемая в изобретении система пригодна для передачи данных с исключительно высокими скоростями, оказывает исключительно слабое внешнее электромагнитное воздействие на другие устройства и тем не менее характеризуется исключительно высокой гибкостью ее применения. Между передатчиком и приемниками не требуется устанавливать прямую зрительную связь, благодаря чему эта система обладает исключительно высокой гибкостью относительно ее размещения в конкретном помещении.
Передающие и принимающие модули можно встраивать непосредственно в терминалы сети передачи данных, такие, например, как дисплеи, малогабаритные вычислительные устройства и т.д. Количество передающих и принимающих элементов не ограничено количеством кабелей, штекеров или иных соединительных элементов и может гибко изменяться.
Кроме того, обеспечена надежная защита от несанкционированного доступа к передаваемым данным, что является преимуществом по сравнению с обычными системами радиосвязи. Благодаря крайне низкой проникающей способности оптического излучения по отношению к большинству материалов исключается выход из транспортного средства какого-либо модулированного светового излучения. На расстоянии нескольких метров от транспортного средства не обнаруживается никакое прошедшее через окна излучение вследствие высокой расходимости и относительно низкой интенсивности рассеянного излучения. Кроме того, для дальнейшего экранирования и этого остаточного излучения на поверхности оконных стекол можно наносить покрытие таким образом, чтобы излучение передатчика с длиной волны, обычно соответствующей ближней области инфракрасного излучения, не могло пройти через окно, но при этом сохранялась пропускная способность окон в видимой области спектра. Для этого можно предусмотреть нанесение, например, определенных покрытий, прежде всего, диэлектрических слоев.
В заключение необходимо отметить, что настоящее изобретение относится к такой системе оптической связи в свободном пространстве для высокоскоростной широкополосной передачи данных, например, видеоинформации, которая состоит из по меньшей мере одного передатчика и по меньшей мере одного приемника, обеспечивающих передачу данных в транспортном средстве, таком, например, как автомобиль, самолет, поезд, судно, спутник, и передатчик имеет по меньшей мере один источник света, такой, например, как светодиод, плоскостной лазер с вертикальным резонатором или иной аналогичный источник, модулируемой по частоте передачи при необходимости закодированных данных, а приемник имеет по меньшей мере один фотодетектор, принимающий свет, рассеянный во внутреннем пространстве транспортного средства, соответственно отраженный от стен, не требуя установления прямой зрительной связи между передатчиком и приемником, и этот модулированный световой сигнал вновь превращается в электрический сигнал.
В связи со сказанным выше настоящее изобретение имеет, прежде всего, указанные ниже преимущества.
Предлагаемая в изобретении система не требует применения кабелей, благодаря чему она имеет пониженный вес. Не требуются штекеры, кабельные распределители или разветвители либо иные соединительные элементы. Тем самым обеспечивается повышенная гибкость системы в применении. Затухание в системе характеризуется исключительно низким уровнем. Система обеспечивает высокоскоростную передачу данных при наличии лишь незначительного внешнего электромагнитного воздействия или при практическим полном его отсутствии. Кроме того, не требуется устанавливать прямую зрительную связь, благодаря чему система обладает гибкостью установки ее в помещении. Элементы системы могут быть встроены в дисплеи или иные аналогичные устройства. Кроме того, система надежно защищена от несанкционированного доступа к передаваемым в ней данным.