Способ беспроводного доступа к сети интернет посредством видимого и инфракрасного света и устройство для его осуществления
METHOD OF WIRELESS ACCESS TO THE INTERNET THROUGH VISIBLE AND INFRARED LIGHT AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Настоящее изобретение относится к области связи посредством видимого света, в частности, к области устройств точек доступа, предназначенных для обеспечения подключения к широкополосной высокоскоростной сети интернет в беспроводных системах связи по модулированному видимому и инфракрасному свету.
Одной из проблем современных беспроводных сетей с доступом в интернет по радиоканалу является ограниченность частотного диапазона от единиц МГц до 60 ГГц. Поэтому в последнее время начались разработки беспроводных систем связи, использующие на данный момент нерегламентированный электромагнитный частотный диапазон - 790 ТГц - 200 ТГц - видимый и инфракрасный свет. Такие системы используют светодиодное освещение и инфракрасные излучатели для образования двухсторонней передачи данных между пользователем и глобальной сетью.
Известен способ и устройство для осуществления связи посредством видимого света, патент РФ №2623492, 2013 г., патентообладатель ФИЛИПС ЛАЙТИНГ ХОЛДИНГ Б.В. (NL). В патенте RU 2623492 описан способ и устройство для передачи данных по видимому свету, представлен вид кодирования, позволяющий увеличить помехозащищенность. Недостатком данного способа и устройства является то, что в данном способе не поддерживаются современные виды OFDM-модуляций, которые увеличивают скорость передачи сигнала.
Наиболее близким к заявленному решению является способ и устройство для осуществления связи посредствам видимого света по международной заявке WO 2015116420 А1, опубл. 6 августа 2015 г., патентообладатель QUALCOMM INC [US], в которой описываются способ и устройство беспроводной передачи данных посредствам видимого света. В соответствии со способом, сигнал связи по видимому свету может быть передан от первого устройства второму устройству. Сигнал связи по видимому свету может содержать идентификатор первого устройства. В ответ на широковещательный сигнал может быть получена информация для инициирования соединения с третьим устройством. Во втором методе сигнал от первого устройства может быть получен на втором устройстве. Сигнал может содержать идентификатор первого устройства. В ответ на получение сигнала может быть передана информация для установления соединения между первым и третьим устройствами. Устройство для беспроводной связи, содержит средство передачи сигнала и средство для приема сигнала, а именно, средство для приема от первого устройства, на втором устройстве, сигнал связи видимого света (VLC), содержащий идентификатор первого устройства; и средство для передачи в ответ на прием сигнала VLC информации для инициирования соединения между первым устройством и третьим устройством. Недостатком данного способа и устройства является построение исключительно локальной сети передачи данных без возможности выхода в интернет.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является обеспечение доступа пользователя к широкополосной высокоскоростной сети интернет посредством видимого и инфракрасного света.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что в способе беспроводного доступа к сети интернет посредством видимого и инфракрасного света, данные из сети интернет посредствам протокола TCP/IP передают на роутер, который преобразует их в модулирующий информационный сигнал и подает на матрицу белых светодиодов, с матрицы белых светодиодов модулированный оптический сигнал распространяется в свободном пространстве и достигает фотоприемника видимого света USB-модуля, электрический сигнал с фотоприемника видимого света USB-модуля, демодулируется в USB-модуле и подается на устройство конечного пользователя, а данные из устройства конечного пользователя поступают в USB-модуль, который преобразует их в модулирующий информационный сигнал и подает на инфракрасный излучатель, модулированное излучение инфракрасного диапазона проходит через свободное пространство и поступает на инфракрасный фотоприемный модуль, электрический сигнал с инфракрасного фотоприемного модуля поступает в роутер, где демодулируется и по протоколу TCP/IP отправляется в глобальную сеть. А также за счет того, что устройство доступа к сети интернет, содержащее средство передачи сигнала и средство для приема сигнала, дополнительно содержит роутер, подключенный к сети интернет, и выполненный в виде связки модулирующей/демодулирующей платы и платы преобразования частоты, матрицу белых светодиодов в качестве средства передачи сигнала, инфракрасный фотоприемный модуль, в качестве средства приема сигнала и USB-модуль, подключенный к устройству конечного пользователя, содержащий фотоприемник видимого излучения в качестве средства приема сигнала, внутренний инфракрасный излучатель в качестве средства передачи сигнала, внутреннюю плату преобразования частоты и плату модуляции/демодуляции сигнала. Кроме того, в качестве фотоприемников видимого излучения USB-модуля использованы кремниевые фотодиоды, чувствительные в диапазоне волн 350-1100 нм, в качестве фотоприемников инфракрасного фотоприемного модуля использованы фотодиоды, чувствительные в диапазоне длин волн 750-1750 нм, а в качестве инфракрасного излучателя использован лазерный диод с длиной волны излучения 1550 нм, мощностью 80 мВт.
Технический результат достигается за счет того, что в схему точки доступа включен роутер, который подключается через разъем UTP 8Р8С к сети интернет и поддерживает протокол TCP/IP, а также передает информационный высокочастотный сигнал на матрицу белых светодиодов, излучение которых попадает на USB-модуль, который подключается к устройству конечного пользователя (персональный компьютер, ноутбук, планшетный компьютер), реализуя канал беспроводной связи из глобальной сети к пользователю. Наличие роутера в светодиодном светильнике позволяет обеспечить доступ персонального компьютера к широкополосной высокоскоростной сети интернет по видимому свету. Матрица белых светодиодов служит точкой выхода в интернет посредством подачи информационного сигнала с роутера на светодиоды. Канал связи от конечного пользователя организуется с помощью USB-модуля, присоединенного к устройству (персональный компьютер, ноутбук, планшетный компьютер) через разъем USB 3.0 и имеющего в качестве передатчика инфракрасный излучатель. При этом в качестве устройства передачи сигнала выступают матрица белых светодиодов и излучатель инфракрасного света, расположенный в USB-модуле, а в качестве средства приема сигнала - фотоприемный инфракрасный модуль, который расположен рядом с матрицей белых светодиодов и фотоприемник видимого света, расположенный в USB-модуле.
Заявленное решение позволяет обеспечить доступ устройства конечного пользователя (персональный компьютер, ноутбук, планшетный компьютер) к высокоскоростной широкополосной сети интернет посредством беспроводной системы связи по модулированному видимому и инфракрасному свету. Основными преимуществами такой связи является: высокая безопасность и помехоустойчивость, благодаря необходимости размещения приемника и источника в зоне прямой видимости; большая частотная полоса, позволяющая обеспечить доступ в интернет одновременно большой группы пользователей; возможность развернуть сеть в местах, где использование радиочастотного диапазона Wi-Fi невозможно или ограничено.
Заявленное решение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 показана общая схема организации беспроводной сети посредством видимого и инфракрасного света.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - глобальная сеть интернет, 2 - Ethernet-кабель, 3 - роутер, 3.1 - модулирующая/демодулирующая плата, 3.2 - плата преобразования частоты, 4 - матрица белых светодиодов, 5 - инфракрасный фотоприемный модуль, 6 - прохождение видимого света через свободное пространство, 7 - прохождение инфракрасного света через свободное пространство, 8 - USB-модуль, 8.1 - фотоприемник видимого света, 8.2 - излучатель инфракрасного света, 8.3 - плата преобразования частоты, 8.4 - модулирующая/демодулирующая плата, 9 - устройство конечного пользователя.
Устройство доступа к сети интернет содержит роутер 3, подключенный к сети интернет, и выполненный в виде связки модулирующей/демодулирующей платы 3.1 и платы преобразования частоты 3.2, матрицу белых светодиодов 4 в качестве средства передачи сигнала и, расположенный в зоне прямой видимости, инфракрасный фотоприемный модуль 5, в качестве средства приема сигнала. USB-модуль 8 подключен к устройству конечного пользователя и содержит фотоприемник видимого света 8.1 в качестве средства приема сигнала, внутренний инфракрасный излучатель 8.2 в качестве средства передачи сигнала, внутреннюю плату преобразования частоты 8.3 и плату модуляции/демодуляции сигнала 8.4. В качестве устройства передачи сигнала выступают матрица белых светодиодов 4 и излучатель инфракрасного света 8.2, который расположен в USB-модуле 8, а в качестве средства приема сигнала -инфракрасный фотоприемный модуль 5, который расположен рядом с матрицей белых светодиодов 4 и фотоприемник видимого света 8.1, который расположен в USB-модуле 8.
Способ беспроводного доступа к сети интернет посредством видимого и инфракрасного света реализуется следующим образом.
Беспроводная линия связи из глобальной сети (1) к конечному пользователю может быть организована следующим образом. Данные из интернета по Ethernet-кабелю (2) через разъем UTP 8Р8С посредствам протокола TCP/IP передаются на роутер (3). Модулирующая/демодулирующая плата (3.1) в роутере (3) кодирует данные таким образом, чтобы подготовить их отправку через свободное пространство. Плата преобразования частоты (3.2) понижает частоту сигнала до частоты работы матрицы белых светодиодов (4). Полученный модулирующий информационный сигнал подается на матрицу белых светодиодов (4). Далее модулированный оптический сигнал с матрицы белых светодиодов (4) распространяется в свободном пространстве (6), после чего достигает фотоприемника видимого света (8.1), расположенного на USB-модуле (8). Фотоприемник видимого света (8.1) преобразует оптический сигнал в электрический. Электрический сигнал с фотоприемника видимого света, поступает на плату преобразования частоты (8.3), где частота сигнала повышается до исходной. Далее сигнал поступает на модулирующую/демодулирующую плату (8.4), где кодируется согласно протоколу USB 3.0 и подается на устройство конечного пользователя (9).
Беспроводная линия связи от пользователя в глобальную сеть может быть организована следующим образом. Данные из устройства конечного пользователя (9) (персональный компьютер, ноутбук, планшетный компьютер) через разъем USB 3.0 поступают в USB-модуль (8). Модулирующая/демодулирующая плата (8.4) в USB-модуле (8) кодирует данные таким образом, чтобы подготовить их отправку через свободное пространство. Плата преобразования частоты (8.3) понижает частоту сигнала до частоты работы инфракрасного излучателя и подает на излучатель инфракрасного света (8.2). Модулированное излучение инфракрасного диапазона, проходит через свободное пространство (7) и поступает на инфракрасный фотоприемный модуль (5). Инфракрасный фотоприемный модуль (5) преобразует оптический сигнал в электрический. Электрический сигнал поступает на плату преобразования частоты (3.2), где частота сигнала повышается до исходной. Далее сигнал поступает на модулирующую/демодулирующую плату (3.1), где кодируется согласно протоколу TCP/IP и через разъем UTP 8Р8С по Ethernet-кабелю (2) уходит в глобальную сеть (1). Устройства приема и передачи сигнала как по-видимому, так и по инфракрасному свету должны располагаться в зоне прямой видимости друг от друга.
В качестве примера, светодиодная матрица реализована на основе белых светодиодов OSRAM 5630. В качестве роутера использована связка модулирующей/демодулирующей платы MikroTik и платы преобразования частоты. Роутер подключается к сети интернет посредством разъема UTP 8Р8С. В качестве фотоприемника инфракрасного фотоприемного модуля (5) использованы InGaAs фотодиоды фирмы ThorLabs FDGA-05, чувствительные в диапазоне длин волн от 750 нм до 1750 нм.
В качестве фотоприемников видимого света USB-модуля используются кремниевые фотодиоды фирмы ThorLabs FDS-100, чувствительные в диапазоне 350-1100 нм. Чипы Realtek RTL использованы в качестве модулирующей/демодулирующей платы USB-модуля. USB-модуль подключается к устройству конечного пользователя (персональный компьютер, ноутбук, планшетный компьютер) через разъем USB 3.0. В качестве инфракрасного излучателя используется лазерный диод фирмы ThorLabs FPL1055T с длиной волны излучения 1550 нм, мощностью 80 мВт.
Заявленное решение позволяет создать двухсторонний высокоскоростной широкополосный канал подключения пользователя к сети интернет посредством видимого и инфракрасного излучения.