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Dokumentenidentifikation DE102004040837B4 12.04.2007
Titel Verfahren und System zur verteilten hochratigen Übertragung großer Digitaldatenmengen
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Giggenbach, Dirk, Dipl.-Ing., 86932 Pürgen, DE
Vertreter von Kirschbaum, A., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82110 Germering
DE-Anmeldedatum 23.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004040837
Offenlegungstag 02.03.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H04B 10/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04B 10/24(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verteilten hochratigen Übertragung großer Digitaldatenmengen von wenigstens einem in einem Raum untergebrachten hochratigen optischen Sender zu mehreren sich innerhalb des gleichen Raumes befindenden Empfängern mittels eines mit den zu übertragenden Daten modulierten, an Reflexionsflächen umgelenkten Laser-Freistrahls, wobei es sich bei diesem Raum um den Innenraum eines geschlossenen, autonomen Personentransportsystems oder um einen festen, geschlossenen Raum jeweils für eine Vielzahl von darin unterschiedlich positionierten Nutzern handelt. Unter hochratig wird in diesem Zusammenhang eine hohe Datenübertragungsleistung verstanden, wobei hier darunter Spitzendatenraten im Bereich mehrerer hundert Mbps (Mbps = Megabits pro Sekunde) bis einiger Gbps (Gbps = Gigabits pro Sekunde) gemeint sind.

Ferner betrifft die Erfindung auch ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 101 07 538 B4 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein im Innenraum eines Flug- oder Fahrzeugs angeordnetes optisches Freiraum-Kommunikationssystem zur breitbandigen Übertragung von hochratigen Daten unter Verwendung eines optischen Senders mit signalmodulierter Lichtquelle und mehrerer optischer Empfänger, die das vom Sender ausgestrahlte modulierte Licht empfangen und demodulieren. Die Lichtquelle des Senders und die Photodetektoren aller Empfänger sind auf eine gemeinsame Fläche gerichtet, die das vom Sender abgestrahlte Licht reflektiert oder streut, bevor es zu den Empfängern gelangt.

Soll vom optischen Sender einer der optischen Empfänger speziell zur Übermittlung von diesem zugewiesenen Datensignalen angesprochen werden, so wird eine Codierung der Signale über ein Protokoll vorgenommen. Für den Fall einer gezielten separaten Übertragung zu einem speziellen Empfänger wird eine Codierung über ein Protokoll vorgenommen, also eine Art von Adressierung.

In der Druckschrift DE 600 00 305 T2 ist ein optisches breitbandiges Freiraumzugangssystem beschrieben, bei welchem eine gemultiplexte Kommunikationsquelle, also ein optischer Sender, und das gemultiplexte Kommunikationsziel, also einer der optischen Empfänger, ein Telekommunikationssystem darstellen, das im freien Außenraum arbeitet. Hierbei erfolgt die gesteuerte Strahlschwenkung durch den Empfängern zugeordnete bewegliche Spiegel. Hierzu wird ein Ausgangsstrahlleiter auf einen ersten gesteuerten Spiegel ausgerichtet. Die Ausgabe des ersten Spiegels wird auf einen zweiten, ebenfalls gesteuerten Spiegel gerichtet. Die Ausgabe des zweiten Spiegels ist dann ein Abwärtsstrahl, der auf einen Teilnehmer gerichtet ist, mit welchem der Sektor gegenwärtig kommuniziert.

Die Verteilung von großen Digitaldatenmengen in geschlossenen autonomen Personentransportsystemen, wie z.B. Bus-, Eisenbahn- oder Flugzeugkabinen oder auf Schiffen, unterliegt je nach Verwendungszweck sehr spezifischen Anforderungen. Die geforderte Übertragungssicherheit kann sehr hoch sein, insbesondere für die Kontroll- oder Management-Kommunikation, aber auch sehr gering sein, beispielsweise für das sogenannte "In-flight-Entertainment" (IFE), also für die Versorgung der transportierten Passagiere mit Kommunikationsdiensten, wie z.B. Internet & Telefon sowie Multimedia.

Insbesondere die letztgenannte Anwendung, also Video und Audio, erfordert sehr hohe Datenraten bei relativ geringer Zuverlässigkeit. Hier können seltene Unterbrechungen der Videodaten akzeptiert bzw. durch Pufferungstechniken abgefangen werden. Zudem zeichnet sich die Multimedia-Passagieranbindung durch ein hohes Datenaufkommen im Hinkanal, also zum nutzenden Passagier hin, und nur sehr geringe mittlere Datenraten im Rückkanal, also vom nutzenden Passagier weg, aus. Die entsprechende Anwendung würde als Anzeigevorrichtung typischerweise in einem in der Rückenlehne des Vordersitzes integrierten Touchscreen mit Kopfhöreranschluss bestehen, womit eine tastaturfreie und relativ vandalismussichere Bedienung des IFE-Equipments gewährleistet wäre.

Bisher hatten derartige IFE-Daten Broadcast-Eigenschaft, d.h. jedem Passagier des betreffenden Personentransportsystems wurde der gleiche Inhalt, also Videofilm, Audio, Nachrichten, und dergleichen, präsentiert. Zukünftig werden die Datenströme jedoch individuell auf jeden Passagier zugeschnitten sein, wie z.B. Video-on-Demand, Internet oder dergleichen. Damit vervielfacht sich allerdings das entsprechende Datenaufkommen.

Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, die Verteilung derartiger Daten über breitbandige Kabel, insbesondere geschirmte Koaxialkabel oder "Twisted Pair"-Kabel, vorzunehmen. Diese haben in Summe bei der hohen erforderlichen Kabellänge in einem Personentransportsystem, also wenn jeder Passagiersitz eine eigene Zuleitung von einem Verteiler-Server erhält, ein sehr hohes Gewicht, nämlich etwa bis zu mehreren hundert Kilogramm. Insbesondere bei avionischen Anwendungen, aber auch bei bodengebundenen Personentransportsystemen ist der zusätzliche Treibstoff- und Energieverbrauch ein starkes Argument gegen Technologien, die mit hohem zusätzlichem Transportgewicht verbunden sind.

Die Bereitstellung der Daten für die einzelnen Passagierplätze könnte grundsätzlich auch über leichtere Glasfaserkabel erfolgen. Diese würden aber ebenfalls noch ein erhebliches Gewicht aufweisen. Zudem sind Glasfaserkabel empfindlich auf Verschmutzung an den Stecker-Endflächen und insgesamt erheblich empfindlicher beim Umgang damit. Beispielsweise kann sehr leicht ein Kabelbruch durch zu enge Biegeradien entstehen. Dieser Nachteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Kabel häufig bewegt bzw. umgeordnet werden müssen, wie dies bei wechselnder Bestuhlung oder Kippen der Rückenlehnen durch die Passagiere der Fall ist.

Die Datenverteilung zu den Passagierplätzen kann grundsätzlich auch über Funktechniken erfolgen. Hier bieten sich die WLAN-Technologie, Bluetooth, die "Ultra-Wide-Band" (UWB)-Technologie oder GSM an. Der Einsatz solcher bekannter Techniken in geschlossenen und mobilen Kabinen bedeutet jedoch immer einen erhöhten Management-Aufwand, da die einzelnen Geräte bzw. Frequenzbänder koordiniert und kontrolliert werden müssen. Grenzwerte für Funkfrequenz-Strahlungen in Flugzeugen sind streng einzuhalten. Die stärkste Einschränkung im Hinblick auf Funktechniken liegt aber in der dabei verfügbaren Bandbreite.

Mit den genannten Techniken und dem verfügbaren, hart limitierten Frequenzspektrum wäre nur die Versorgung sehr weniger Video-Anzeigevorrichtungen (Displays) über Funkdienste möglich. Da aber, langfristig gesehen, jeder derartige Kommunikationsdienste nutzende Passagier individuelle Display-Daten benötigt, ist dieses Datenaufkommen in großen Kabinen, z.B. in Verkehrsflugzeuge mit mehreren hundert Passagieren, nicht mit Funktechniken zu bewältigen.

Grundsätzlich können auch bereits vorhandene Stromversorgungskabel zur Datenübertragung genutzt werden. Die Übertragung von Daten über die Stromleitungen in Gebäuden wird vor allem in Privathäusern angewendet. Die hiermit erzielbaren Datenraten sind zwar nur gering, nämlich je nach Leitungsnetz-Struktur einige Mbps, die Technik erfordert aber kein zusätzliches Gewicht durch Datenkabel. Die Einsetzbarkeit in Passagiertransportsystemen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen ist jedoch aufgrund möglicher Sicherheitsmängel äußerst bedenklich. Lediglich im Falle, dass die Stromversorgung des Passagierbereichs völlig vom restlichen Bordnetz getrennt würde, wäre die Technik eventuell akzeptabel.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, ein zuverlässig arbeitendes, hochratiges Kommunikationsverfahren und -system zur Verteilung von großen Digitaldatenmengen in Räumen zu schaffen, in denen eine Vielzahl von Personen diese Daten nutzen möchte, also beispielsweise in geschlossenen autonomen Personentransportsystemen wie z.B. Bussen, Eisenbahnwaggons, Flugzeugkabinen, Schiffen oder in geschlossenen Räumlichkeiten wie z.B. Schulungs- und Tagungsräumen, wobei keine Gewichts- und Beanspruchungsprobleme wie bei der Breitbandkabel- bzw. Glasfaserverteilung sowie keine die Versorgung einer Vielzahl von Personen einschränkenden Bandbreitenprobleme wie bei den Funktechniken entstehen und nicht mit so niedrigen Datenraten ausgekommen werden muss wie bei der Nutzung von vorhandenen Stromkabeln.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur verteilten hochratigen Übertragung großer Digitaldatenmengen der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe in vorteilhafter Weise dadurch gelöst, dass von wenigstens einem hochratigen optischen Sender jeweils ein mit den zu übertragenden Daten modulierter, gebündelter Laser-Freistrahl ausrichtungsdynamisch durch Betätigung einer Strahlschwenkungssteuerung gezielt separat auf einen einem jeweiligen optischen Empfänger zugeordneten jeweiligen Umlenk-Reflektor gerichtet wird, von dem der Laser-Freistrahl in Richtung auf den zugeordneten optischen Empfänger zum dortigen Empfang umgelenkt wird, wobei die Orte des wenigstens einen optischen Senders, der Umlenk-Reflektoren und der optischen Empfänger im Raum so gewählt sind, dass der Laser-Freistrahl den Weg in diesem Raum vom wenigstens einen optischen Sender über den jeweiligen Umlenk-Reflektor zum jeweiligen optischen Empfänger ungehindert passiert.

Ein vorteilhaftes und zweckmäßiges System zur Durchführung des angegebenen Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine hochratige optische Sender ein zur Abstrahlung eines Laser-Freistrahls ausgelegtes Teleskop mit Strahlschwenkungssteuerung aufweist, die in der Lage ist, das Teleskop auf jeden der diesem optischen Sender zugeteilten Umlenk-Reflektoren separat auszurichten, dass der vom optischen Sender über das Teleskop ausgestrahlte Laser-Freistrahl mit den zu übertragenden Daten moduliert ist, und dass als Umlenk-Reflektoren im geschlossenen Raum verteilte passive optische Bauelemente vorgesehen sind, denen jeweils mindestens ein einem Nutzer zugeteilter optischer Empfänger zugeordnet ist, und dass die Umlenk-Reflektoren derart im Raum angeordnet sind, dass sie von der Seite mit dem vom optischen Sender kommenden, datenmodulierten Laser-Freistrahl angestrahlt werden und diesen teildiffus oder diffus auf den wenigstens einen zugeordneten optischen Empfänger umlenken, wobei die teildiffuse oder diffuse Abstrahlung kegelförmig einen Winkelbereich umfasst, der eine Empfangsbereichsfläche überdeckt, in der sich der mindestens eine zugeordnete optische Empfänger trotz seiner möglichen Ortsvariabilität stets befindet.

Das Verfahren und das System nach der Erfindung zeichnen sich durch einen oder wenige Sender und viele Empfänger aus, welche über passive, leichte und kostengünstig realisierbare Umlenk-Reflektoren versorgt werden. Der Hardware-Aufwand reduziert sich durch die geringe Senderanzahl erheblich im Vergleich zu statischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Kabeln.

Das Verfahren und das System nach der Erfindung zeigen in vorteilhafter Weise eine ausreichende Lageunsicherheitstoleranz bezüglich der optischen Empfänger, um typische Ortsunsicherheiten des Empfängers zu tolerieren, die z.B. infolge Kippen des Sitzes entstehen können, wenn der Empfänger in der Rückenlehne des Vordersitzes integriert ist.

Beim Verfahren und bei dem System nach der Erfindung ist vorteilhaft eine bedarfsweise sequentielle Ansteuerung der optischen Empfänger bzw. Anzeigevorrichtungen (Displays) möglich. Damit wird der Aufwand für die Kommunikationshardware an den mittleren Bandbreitenbedarf angepasst. Der Gewichts- und Kostenaufwand für eine Verkabelung richtet sich dagegen immer nach der maximal möglichen Übertragungsbandbreite.

Das Verfahren und das System nach der Erfindung zeichnen sich auch durch eine anpassbare Gesamt-Übertragungsleistung durch Installation weiterer optischer Sender aus. Durch die serielle Ansteuerung der einzelnen optischen Empfänger können die mehrfachen optischen Sender leicht koordiniert werden. Eine Modifikation der optischen Empfänger ist nicht erforderlich.

Das Verfahren und das System nach der Erfindung beruhen in vorteilhafter Weise auf einer zu funkbasierten Kommunikationsstandards nicht in (Bandbreiten-)Konkurrenz stehenden Technologie.

Darüber hinaus zeichnen sich das Verfahren und das System nach der Erfindung durch eine zur elektrischen Steuerung des Personentransportsystems, z.B. eines Verkehrsflugzeugs, interferenzfreie Technologie aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Systems zur verteilten hochratigen Übertragung großer Digitaldatenmengen gemäß der Erfindung sind in den unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 9 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Bei dem hochratigen und ausrichtungsdynamischen optischen Verfahren und System nach der Erfindung mit Freistrahl-Kommunikationsverbindung z.B. in einer Passagierkabine eines Personentransportmittels für viele Passagiere befindet sich dazu an einer erhöhten Stelle innerhalb der Passagierkabine ein optischer Sender, welcher die Ausrichtung seines Laser-Sendestrahls durch entsprechende mechanische oder opto-mechanische Vorrichtungen so steuern kann, dass er den gesamten Passagier-Sitzbereich bzw. die darüber liegende Kabinendecke bestrahlen kann. An der Kabinendecke sind jeweils über den einzelnen Passagieren Umlenkreflektoren angebracht, welche vom optischen Sendestrahl angestrahlt werden und dieses Licht wiederum in einen Kegel nach unten in Richtung eines beim Passagier installierten IFE-Equipments, das einen optischen Empfänger enthält, lenken.

Der Laser-Sendestrahl selber ist dabei gebündelt. Die Ansteuerung der einzelnen Umlenk-Reflektoren erfolgt sequentiell. Um trotzdem einen ausreichenden mittleren Datendurchsatz zu erreichen, ist die Verbindung sehr hochratig. Die Ansteuerung der einzelnen Anzeigevorrichtungen (Displays) in den IFE-Equipments für die Passagiere wird damit je nach Bedarf vorgenommen. Eine entsprechende Bevorratung und Pufferung der Datenströme in den Display-Einheiten ermöglicht eine fließende und unterbrechungsfreie Wiedergabe von z.B. Videodaten auf den einzelnen Displays.

Typischerweise dauert eine einzelne Verbindung des Datenstrahls zu einem Umlenk-Reflektor und zum zugeordneten optischen Empfänger einige hundert Millisekunden bis zu einigen Sekunden, wobei diese Verweildauer von den aktuell und individuell erforderlichen Datenmengen abhängig ist und durch einen intelligenten Scheduling-Algorithmus (Ablaufkoordination) geregelt wird. Dieser Algorithmus berücksichtigt die Prioritäten der verschiedenen Applikationen untereinander.

Das System nach der Erfindung besteht damit aus folgenden Hardwarekomponenten:

  • 1) Mindestens ein hochratiger optischer Sender in Form eines Teleskops mit Ausrichtungsregelung, welches in der Lage ist, die einzelnen unter dem nachfolgenden Punkt 2) genannten Umlenk-Reflektoren separat anzustrahlen. Das Teleskop strahlt dazu einen mit den zu übertragenden Daten modulierten Laser-Freistrahl ab. Typische Wellenlängen liegen im nahen Infrarot, also z.B. bei 850 nm oder 1550 nm. Die optischen Quellen sind zweckmäßig kostengünstige Halbleiterlaser.
  • 2) Mehrere Umlenk-Reflektoren. Diese sind passive optische Bauelemente, welche von der Seite mit dem unter dem vorangegangenen Punkt 1) genannten Datensignal angestrahlt werden und dieses teildiffus oder diffus auf den endgültigen, unter dem nachfolgenden Punkt 3) genannten optischen Datenempfänger abstrahlen. Dabei erfolgt die diffuse oder teildiffuse Abstrahlung in demjenigen Winkelbereich, in dem sich der gering ortsveränderliche Empfänger befindet, der in der Passagierkabine z.B. an einer verstellbaren Sitz-Rückenlehne angebracht sein kann. Diese vom Umlenk-Reflektor ausgeleuchtete Fläche wird als Empfangsflächenbereich oder als Rx-Spot bezeichnet.
  • 3) Mindestens ein optischer Empfänger pro Umlenk-Reflektor. Jedem Umlenk-Reflektor ist demnach zumindest ein optischer Empfänger zugeordnet. Mehrere optische Empfänger pro Umlenk-Reflektor, d.h. Unter-Empfänger, erhöhen die Zuverlässigkeit aufgrund möglicher Diversität, was bedeutet, dass bei Abdeckung eines optischen Empfängers (Unter-Empfängers) die Daten von einem anderen Unter-Empfänger, also von einem ebenfalls im gleichen Empfangsflächenbereich (Rx-Spot) befindlichen optischen Empfänger, detektiert werden können. Ein optischer Empfänger bzw. Unter-Empfänger besteht dabei unter anderem aus einer Linse, welche das auf sie treffende Signallicht bündelt, einem Photodetektor, welcher das Signallicht in Photostrom wandelt, und einer Empfängerelektronik, welche das elektrische Photostrom-Signal in einen normierten digitalen Datenstrom wandelt. Danach folgen entsprechende Schaltkreise zur Pufferung der Daten und Ansteuerung des Displays.

Das Verfahren und das System nach der vorliegenden Erfindung sind nicht auf IFE-Szenarien bzw. entsprechende Kommunikationsdienste in Bussen, Bahnen oder Schiffen beschränkt. Andere Anwendungen bestehen z.B. in der Anbindung lokal begrenzt veränderlicher, hochratig anzubindender Kommunikationseinrichtungen oder -endgeräte wie Bluetooth-, GSM-, oder WLAN-Accesspoints. Ebenso sind andere lokal mobile Anwendungen denkbar, wie z.B. Displays in Schulungs- und Tagungsräumen. Auch eine flächendeckende Versorgung von ganzen Räumen mit Rx-Spots ist denkbar, um auf diese Weise einen hochratigen Datentransfer zu Endgeräten ohne Konkurrenz zu den bandbreitenbegrenzten Hochfrequenz-Techniken zu ermöglichen.

Nachfolgend wird zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung und des Systems zur Durchführung dieses Verfahrens ein insbesondere die Geometrie verdeutlichendes Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 die schematische Darstellung eines gemäß dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden hochratigen Freiraumoptik-Datenverteilsystems in einer Passagierkabine z.B. eines Verkehrsflugzeugs in einer Ansicht von oben durch die Raumdecke, und

2 die schematische, nicht maßstäbliche Ansicht eines Umlenk-Reflektors mit Strahlverlaufgeometrie.

In 1 ist in einer schematischen Ansicht durch die Decke eines Abschnittes einer Passagierkabine 1 eines Personentransportsystems, z.B. eines Verkehrsflugzeugs, ein gemäß dem Verfahren nach der Erfindung arbeitendes optisches Freiraum-Datenverteilungssystem dargestellt. Die zu übertragenden digitalen Daten stammen aus einem Datenserver 2 und modulieren in einem optischen Sender 3 einen dort ausgestrahlten gebündelten optischen Laser-Freistrahl 4 digital vorteilhaft in Form einer Intensitätsmodulation (IM) des dortigen Sendelasers, der typisch mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot arbeitet, also z.B. bei 850 nm oder 1550 nm, und kostengünstig durch einen Halbleiterlaser gebildet wird.

Der optische Sender 3 ist als Teleskop ausgebildet, das mittels einer Strahlschwenkungssteuerung und entsprechender mechanischer oder opto-mechanischer Vorrichtungen dynamisch ausrichtbar ist und am hinteren Ende der Passagierkabine 1 an einer erhöhten Stelle angebracht ist, so dass es den gesamten Passagier-Sitzbereich bzw. die darüber liegende Kabinendecke bestrahlen kann.

Die Freistrahl-Verbindung führt nämlich in sinnvoller Weise an der Decke der Passagierkabine 1 entlang. An der Kabinendecke sind jeweils über den Sitzen der einzelnen Passagiere Umlenk-Reflektoren 5 angebracht, welche vom Laser-Freistrahl 4 seitlich angestrahlt werden. An der Decke der Passagierkabine 1 ist die Wahrscheinlichkeit einer Blockierung der Sichtverbindung zu den Umlenk-Reflektoren 5 äußerst gering. Die Deckenhöhe von modernen Flugzeugkabinen ist zudem hoch genug, dass der Laser-Freistrahl 4 nicht durch stehende Personen blockiert werden kann.

Die Umlenk-Reflektoren 5 lenken den ankommenden modulierten Laser-Freistrahl 4 in einem Kegel jeweils nach unten in Richtung zu einem optischen Empfänger 6, der Teil z.B. eines IFE-Equipments für einen das Datenangebot von Kommunikationsdiensten nutzenden Passagier ist und diesem Passagier zugeordnet ist. Die Abstrahlung der Umlenk-Reflektoren 5 ist teildiffus oder diffus in einem Winkelbereich, in dem sich der gering ortsveränderliche optische Empfänger 6 befindet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Empfänger 6 an oder in einer verstellbaren Rückenlehne 7 eines Vordersitzes 8 angebracht.

Die vom Umlenk-Reflektor 5 ausgeleuchtete Fläche wird als Empfangsbereichsfläche oder als Rx-Spot 9 bezeichnet. In die Rückenlehne 7 ist außerdem eine Anzeigevorrichtung (Display) 10 integriert. Ein optischer Empfänger 6 enthält eine Linse, welche das auf sie treffende datenmodulierte Laserlicht bündelt, einen Photodetektor, welcher das aufgefangene Laserlichtsignal in elektrischen Photostrom wandelt, und eine Empfängerelektronik, welche das elektrische Photostromsignal in einen normierten digitalen Datenstrom wandelt. Danach folgen im Empfänger 6 noch Schaltkreise zur Bevorratung und Pufferung der Daten und zur Ansteuerung der in der Rückenlehne 7 integrierten Anzeigevorrichtung 10. Die digitale Demodulation der Daten im Empfänger 6 erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine Direktdetektion (DD) des Datenstromes.

Die separate Ansteuerung der einzelnen Umlenk-Reflektoren 5 durch den Laser-Freistrahl 4 erfolgt sequentiell. Um trotzdem einen befriedigenden mittleren Datendurchsatz zu erzielen, ist die Verbindung sehr hochratig, wobei unter hochratig hier eine hohe Datenübertragungsleistung mit Spitzendatenraten darunter im Bereich mehrerer hundert Mbps bis einige Gbps verstanden wird. Die Ansteuerung der einzelnen Anzeigevorrichtungen (Displays) 10 erfolgt somit sequentiell bzw. je nach Bedarf, da eine entsprechende Bevorratung und Pufferung der Datenströme in den Empfängern 6 eine fließende und unterbrechungsfreie Wiedergabe von z.B. Videodaten auf den einzelnen Anzeigevorrichtungen 10 ermöglicht.

2 zeigt eine schematische, nicht maßstäbliche Ansicht eines Umlenk-Reflektors 5, so wie er entsprechend 1 an der Decke der Passagierkabine 1 angebracht ist und einen auftreffenden, gebündelten datenmodulierten Laser-Freistrahl 4 zu einem Rx-Spot 9 umlenkt. Die Umlenk-Reflektoren 5 bestehen aus einem vorwärtsstreuenden, schwach diffusen Material. Diese Form der Strahlumlenkung ist zudem sehr unempfindlich auf Ausrichtungsfehler, da der Divergenzwinkel vom Umlenk-Reflektor 5 zum zugeordneten Empfänger 6 (siehe 1) sehr groß ist. Diese Situation ist in 2 geometrisch skizziert.

Der zur Kommunikation vom Passagier. zum Datenserver 2 und zur Sicherung des Datentransfers (z.B. Acknowledge) erforderliche Rückkanal erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel in zweckmäßiger Weise über niederratige Funkkanäle, wie z.B. Bluetooth oder dergleichen, oder könnte auch über die im Verkehrsmittel vorhandenen Stromversorgungskabel laufen. Entsprechende Techniken sind aus der Haustechnik bekannt ("Powerline"). Ein optischer Freiraum-Rückkanal über die gleiche Hardware wie der hochratige Hinkanal könnte das einfache und effiziente Konzept des Verfahrens und Systems nach der Erfindung möglicherweise stören. Trotzdem ist es denkbar, dass der Rückkanal auch über die Umlenk-Reflektoren 5 führt, z.B. indem eine andere Wellenlänge verwendet wird, was aber an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden soll.

Die folgende Berechnung dient zum Nachweis der Durchführbarkeit des Verfahrens nach der Erfindung bezüglich der Übertragungssignalleistung. Diese Berechnung wird auch als Linkbudget-Rechnung bezeichnet.

Die Sendeleistung orientiert sich an den Anforderungen der Augensicherheit, d.h. die Intensität (Strahlungsleistung pro Fläche) des Datenstrahls darf gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, damit auch bei direktem Blick in den Strahl keine Schädigung der Netzhaut auftritt. Diese Grenzwerte sind gesetzlich geregelt [Berufsgenossenschaftliche Vorschrift "Laserstrahlung", Fassung vom 1.1.1997] und betragen im ungünstigsten Fall (Annahme von Dauerbestrahlung und Annahme einer punktförmigen Quelle) für die beiden typischen optischen Kommunikationswellenlängen maximal:

850 nm: 6,4 W/m2

1550 nm: 1000 W/m2.

Die langwelligere Strahlung der Wellenlänge 1550 nm ist "weniger gefährlich", da der Glaskörper des Auges für Strahlung dieser Wellenlänge, die weiter vom sichtbaren Spektralbereich entfernt liegt, eine geringere Transmission aufweist.

Wird für das Sendeteleskop eine gleichförmig abstrahlende Apertur von 25 mm Durchmesser (1 Zoll) angenommen (→ Sende-Fläche = 4,9·10–4 m2), so beträgt damit die maximale Sendeleistung:

850 nm: 3,1 mW

1550 nm: 490 mW.

Wird wiederum für die zu bestrahlende Fläche der Umlenk-Reflektoren ein Durchmesser von nur 12,5 mm (0,5 Zoll) angenommen, so dient das Verhältnis der Durchmesser (Strahl zu Reflektorapertur) als Reserve der Ausrichtungsgenauigkeit. Die dann von den Umlenk-Reflektoren gleichmäßig in Richtung der Empfänger abgestrahlte Leistung beträgt dann:

850 nm: 0,78 mW

1550 nm: 122,5 mW.

Der Unsicherheitsbereich des Empfängers beträgt etwa 0,2 m2 (z.B. 0,4 m × 0,6 m). Bei einem Empfangsaperturdurchmesser von ebenfalls 12,5 mm (0,5 Zoll) beträgt dann die auf die Empfängerapertur auftreffende Leistung:

850 nm: 0,48 &mgr;W

1550 nm: 75 &mgr;W.

Setzt man für Verluste im optischen Pfad (z.B. Dämpfung von optischen Elementen, Ausrichtungsverluste) nochmals 6 dB an, so ergeben sich schließlich die folgenden Empfangsleistungen:

850 nm: 0,12 &mgr;W (= –39 dBm)

1550 nm: 19 &mgr;W (= –17 dBm).

Vergleicht man diese Werte mit kommerziellen IM/DD-Empfängerbausteinen [G.P. Agraval: "Fiber-Optic Communications Systems", Wiley Series in Microwave and Optical Engineering, 1997], so können folgende Datenraten übertragen werden: 850 nm-PIN: bis zu 30 Mbps (Silizium-Photodetektor mit PIN);

850 nm-APD: bis zu 155 Mbps (Silizium-Photodetektor mit APD);

1550 nm-PIN: über 5 GBps (InGaAs-Photodetektor mit PIN);

1550 nm-APD: über 20 GBps (InGaAs-Photodetektor mit APD).

Hierin bedeuten:

APD
Avalanche-Photo-Diode; Photodetektor mit Vorspannung; aufwendigere, aber empfindlichere Photodetektor-Technologie im Vergleich zu PIN;
PIN
Positive-Intrinsic-Negative; einfache Photodetektor-Technologie mit etwa 7 dB geringerer Empfindlichkeit im Vergleich zu APD;
Mbps
Megabits pro Sekunde;
Gbps
Gigabits pro Sekunde.

Der große Vorsprung der Strahlung mit 1550 nm Wellenlänge beruht nur auf der höheren Augensicherheit bei dieser Wellenlänge. Die Übertragungsratenwerte basieren auf zur Zeit kommerziell erhältlichen Empfängerbausteinen und den oben angenommenen konservativen Apertur- und Leistungsgrößen. Die Werte können durch entsprechende Optimierung der Aperturen, Einsatz von Kanalcodierung und Erhöhung der Augensicherheit bei einer Strahlung von 850 nm Wellenlänge durch entsprechende bekannte technische Maßnahmen noch erheblich verbessert werden.

Es folgt nun ein Vergleich mit dem zu erwartenden Datenaufkommen von IFE-Equipment:

Um ein einziges IFE-Display kontinuierlich mit Videodaten zu versorgen, ist bei Annahme einer typischen Display-Auflösung von etwa 640 × 480 Pixeln und angemessener Datenreduktion in Form von MPEG-2 mit etwa 5 Mbps im Mittel zu rechnen. Damit könnten selbst mit der ungünstigsten Empfängertechnologie (850 nm-PIN) bereits 6 Passagiere gleichzeitig versorgt werden. Bei Einsatz von MPEG-4 reduziert sich die Videodatenrate nochmals und zwar auf etwa 1 Mbps. Entsprechend erhöht sich der Versorgungsbereich auf 30 Passagiere. Mit den bei einer 1550 nm-PIN-Empfängertechnologie zur Verfügung stehenden 5 GBps könnten bereits alle Passagiere eines Großraumflugzeugs mit hochqualitativen Videodiensten versorgt werden.

1
Passagierkabine; Raum
2
Datenserver
3
Optischer Sender
4
Laser-Freistrahl
5
Umlenk-Reflektor
6
Optischer Empfänger
7
Rückenlehne
8
Vordersitz
9
Empfangsbereichsfläche; Rx-Spot
10
Anzeigevorrichtung; Display


Anspruch[de]
Verfahren zur verteilten hochratigen Übertragung großer Digitaldatenmengen von wenigstens einem in einem Raum (1) untergebrachten hochratigen optischen Sender (3) zu mehreren sich innerhalb des gleichen Raumes (1) befindenden Nutzern zugeteilten, optischen Empfängern (6) mittels eines mit den zu übertragenden Daten modulierten, an Reflexionsflächen umgelenkten Laser-Freistrahls, wobei es sich bei diesem Raum (1) um den Innenraum eines geschlossenen, autonomen Personentransportsystem oder um einen festen, geschlossenen Raum (1) jeweils für eine Vielzahl von darin unterschiedlich positionierten Nutzern handelt, dadurch gekennzeichnet, dass vom wenigstens einen hochratigen optischen Sender (3) jeweils ein mit den zu übertragenden Daten modulierter, gebündelter Laser-Freistrahl (4) ausrichtungsdynamisch durch Betätigung einer Strahlschwenkungssteuerung gezielt separat auf einen einem jeweiligen optischen Empfänger (6) zugeordneten jeweiligen Umlenk-Reflektor (5) gerichtet wird, von dem der Laser-Freistrahl (4) in Richtung auf den zugeordneten optischen Empfänger (6) zum dortigen Empfang umgelenkt wird, bei welchem Verfahren die Orte des wenigstens einen optischen Senders (3), der Umlenk-Reflektoren (5) und der optischen Empfänger (6) im Raum (1) so gewählt sind, dass der Laser-Freistrahl (4) den Weg in diesem Raum (1) vom wenigstens einen optischen Sender (3) über den jeweiligen Umlenk-Reflektor (5) zum jeweiligen optischen Empfänger (6) ungehindert passiert. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausrichtungsdynamische Strahlschwenkungssteuerung den vom optischen Sender (3) ausgehenden Laser-Freistrahl (4) so steuert, dass im Wege über die Umlenk-Reflektoren (5) sämtliche optischen Empfänger (6) im Raum (1) erreichbar sind. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Laser-Freistrahl (4) nach Umlenkung an den jeweiligen Umlenk-Reflektoren (5) kegelförmig zu dem jeweils zugeordneten optischen Empfänger (6) ausbreitet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des gebündelten Laser-Freistrahls (4) durch die ausrichtungsdynamische Strahlschwenkungssteuerung senderseitig so erfolgt, dass der Laser-Freistrahl sequentiell einzelne Umlenk-Reflektoren (5) im Raum (1) bestrahlt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung von den einzelnen optischen Empfängern (6) zugeordneten Anzeigevorrichtungen (10) so vorgenommen wird, dass durch eine angepasste Bevorratung und Pufferung der empfangenen Datenströme in den optischen Empfängern (6) oder in den Anzeigevorrichtungen (10) eine fließende und unterbrechungsfreie Wiedergabe der empfangenen Daten auf den einzelnen Anzeigevorrichtungen (10) gewährleistet ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der aktuell und individuell erforderlichen Datenmenge abhängige Verweildauer einer Verbindung zwischen optischem Sender (3) und einem der optischen Empfänger (6) durch einen intelligenten Scheduling-Algorithmus zur Ablaufkoordination geregelt wird, der auch die Prioritäten verschiedener Applikationen untereinander berücksichtigt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenk-Reflektoren (5) die ihnen zugeordneten optischen Empfänger (6) diffus oder teildiffus mit dem umgelenkten Laser-Freistrahl (4) über einen so bemessenen Winkelbereich bestrahlen, dass sich der gering ortsveränderliche optische Empfänger (6) stets in der von diesem Winkelbereich überdeckten Empfangsbereichsfläche (9) befindet, die auch als Rx-Spot bezeichnet wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der umgelenkte Laser-Freistrahl (4) in der Empfangsbereichsfläche (9) durch mehrere in diesem Bereich vorgesehene optische Empfänger, die somit Unter-Empfänger bilden, unter Ausnutzung einer sich dadurch ergebenden Diversität empfangen wird. System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine hochratige optische Sender (3) ein zur Abstrahlung eines Laser-Freistrahls (4) ausgelegtes Teleskop mit Strahlschwenkungssteuerung aufweist, die in der Lage ist, das Teleskop auf jeden der diesem optischen Sender (3) zugeteilten Umlenk-Reflektoren (5) separat auszurichten, dass der vom optischen Sender (3) über das Teleskop ausgestrahlte Laser-Freistrahl mit den zu übertragenden Daten moduliert ist, und dass als Umlenk-Reflektoren (5) im geschlossenen Raum (1) verteilte passive optische Bauelemente vorgesehen sind, denen jeweils mindestens ein einem Nutzer zugeteilter optischer Empfänger (6) zugeordnet ist, und dass die Umlenk-Reflektoren (5) derart im Raum (1) angeordnet sind, dass sie von der Seite mit dem vom optischen Sender kommenden, datenmodulierten Laser-Freistrahl (4) angestrahlt werden und diesen teildiffus oder diffus auf den wenigstens einen zugeordneten optischen Empfänger (6) umlenken, wobei die teildiffuse oder diffuse Abstrahlung kegelförmig einen Winkelbereich umfasst, der eine Empfangsbereichsfläche (9) überdeckt, in der sich der mindestens eine zugeordnete optische Empfänger (6) trotz seiner möglichen Ortsvariabilität stets befindet. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vom wenigstens einen optischen Sender (3) ausgestrahlte Laser-Freistrahl (4) eine Wellenlänge im nahen Infrarot-Bereich hat. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine optische Sender (3) als Strahlungsquelle einen Halbleiterlaser aufweist. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einem oder mehreren der Umlenk-Reflektoren (5) jeweils mehrere optische Empfänger (6) als optische Unter-Empfänger zugeordnet sind, die sich in der durch den Winkelbereich des umgelenkten, teildiffusen oder diffusen Laser-Freistrahls (4) bestimmten Empfangsbereichsfläche (9) befinden, und dass bei der Signaldetektion die sich auf Grund der unterschiedlich positionierten optischen Unter-Empfänger ergebende räumliche Diversität ausgenutzt wird. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Empfänger (6) jeweils eine Linse, welche das auf sie treffende Signallicht bündelt, einen Photodetektor, welcher das Signallicht in einen entsprechenden elektrischen Photostrom wandelt, und eine Empfängerelektronik enthalten, welche das elektrische Photostromsignal in einen normierten digitalen Datensignalstrom wandelt, und dass danach in den optischen Empfängern (6) oder in den jeweils zugeordneten Anzeigevorrichtungen (10) jeweils noch Schaltkreise zur Pufferung der digitalen Datensignale und zur Ansteuerung einer Anzeigevorrichtung vorgesehen sind. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlschwenkungssteuerung des optischen Senders (3) eine mechanische oder eine opto-mechanische Strahlausrichtungsvorrichtung seines Teleskops aufweist. System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine sequentielle ausrichtungsdynamische Strahlschwenkungssteuerung des Teleskops in dem wenigstens einen optischen Sender (3) derart, dass der gebündelte Laser-Freistrahl (4) sequentiell einzelne Umlenk-Reflektoren (5) im Raum (1) bestrahlt und der Aufwand für die Kommunikationshardware an den mittleren Bandbreitenbedarf angepasst ist. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamt-Übertragungsleistung durch die Installation weiterer optischer Sender (3) anpassbar ist, wobei auf Grund der sequentiellen Ansteuerung der einzelnen Umlenk-Reflektoren (5) und damit der einzelnen optischen Empfänger (6) im Raum (1) die mehrfachen optischen Sender koordiniert sind. System nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Kommunikation in umgekehrter Übertragungsrichtung erforderlicher Rückkanal ein niederratiger Funkkanal ist. System nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Kommunikation in umgekehrter Übertragungsrichtung erforderlicher Rückkanal ein über vorhandene Stromversorgungskabel laufender Übertragungskanal ist. System nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Kommunikation in umgekehrter Übertragungsrichtung erforderlicher Rückkanal ebenfalls ein über die Umlenk-Reflektoren (5) führender optischer Freiraum-Übertragungskanal ist, der aber mit einer anderen Wellenlänge betrieben wird. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterbringung des Systems im Innenraum eines geschlossenen autonomen Personentransportsystems die Anzeigevorrichtung (10) eines optischen Empfängers (6) als in der Rückenlehne (7) des Vordersitzes (8) integrierter Touchscreen oder anderer dort integrierter Bildschirm mit Kopfhöreranschluss ausgebildet ist. System nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine optische Sender (3) innerhalb des geschlossenen Raumes (1) an einer erhöhten Stelle befindet und dass die vom optischen Sender mit gebündeltem Laser-Freistrahl (4) angestrahlten Umlenk-Reflektoren (5) an der Decke des Raumes (1) verteilt über den Sitzen der einzelnen Nutzer angebracht sind und den umgelenkten Laser-Freistrahl (4) in einem Strahlkegel nach unten zu dem einem Nutzer zugeteilten optischen Empfänger (6) abstrahlen. System nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung des geschlossenen Raums (1) mit Empfangsbereichsflächen (9) flächendeckend ist. System nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass daran lokal begrenzt veränderliche hochratige Kommunikationseinrichtungen oder -endgeräte angebunden sind.






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