CN117480741A - 光学前端模块中usb主机和外设角色的自动配置 - Google Patents

Abstract

一种供在光学无线通信OWC***(100)中使用的光学前端(OFE)模块(200)，该OFE模块(200)包括：光学发射机(210)，其包括用于发射光学信号的光源(211)；光学接收机(220)，其包括用于接收光学信号的光传感器(221)；控制电路(230)，其被配置为：连接到包括差分数据路径(232)和ID信号(233)的USB On‑The‑Go(OTG)接口(231)；将在差分数据路径(232)上接收的信号路由到光学发射机(210)的输入端，并将在光学接收机(220)的输出端上接收的信号路由到差分数据路径(232)；控制OFE模块(200)的加电序列，该加电序列定义了OFE模块(200)通过首先给光学接收机(220)加电以在ID检测时段内检测光学测试信号来初始化；当在ID检测时段内接收到光学测试信号时，将ID信号(233)设置为GND并锁存ID信号(233)；当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将ID信号(233)设置为Float并锁存ID信号(233)。

Description

光学前端模块中USB主机和外设角色的自动配置

技术领域

本发明涉及光学无线通信(诸如Li-Fi通信)领域。更特别地，本文公开了与终端设备中光学前端的集成相关的各种方法、装置、***和计算机可读介质。

背景技术

为了使得越来越多的电子设备(如膝上型电脑、平板电脑和智能电话)能够无线连接到互联网，无线通信面临着前所未有的对数据速率和链路质量的要求，并且考虑到与物联网(IoT)相关的新兴数字革命，这些要求保持逐年增长。Wi-Fi等射频技术的频谱容量有限，无法应对这场革命。与此同时，光保真(Li-Fi)凭借其内在的安全性增强和在可见光、紫外(UV)和红外(IR)光谱的可用带宽上支持更高数据速率的能力，正吸引越来越多的关注。此外，如与Wi-Fi相比，Li-Fi有方向性，并且由挡光材料屏蔽，这使其有可能通过在空间上重用相同的带宽，在用户密集的区域中部署更多数量的接入点。与无线射频通信相比，这些关键优势使Li-Fi成为一种有前途的安全解决方案，以缓解IoT应用和室内无线接入对拥挤的无线电频谱的压力。Li-Fi的其他可能益处可以包括某个用户的保证带宽，以及在区域中安全操作而不易受电磁干扰的能力。因此，Li-Fi是一种实现下一代沉浸式连接性的非常有前途的技术。

在传统的光学无线通信(OWC)***中，接入点通常部署在天花板上，而具有OWC接口的端点通常连接或通信耦合到作为独立实体的终端设备，诸如USB加密狗。终端设备可以是智能电话、平板电脑、计算机、遥控器、智能TV、显示设备、存储设备、家用电器或其他智能电子设备。为了促进Li-Fi通信的广泛采用，因此非常希望Li-Fi通信的端点或光学前端(OFE)可以部分或完全集成在终端设备中。

在OFE模块部分或全部集成在终端设备中的情况下，可以实现其他有吸引力的应用场景。例如，两个终端设备可以经由直接OWC链路而不是经由AP相互通信。因此，可以构建对等OWC***。

WO2008121731A1涉及一种光学USB(OUSB)，其中在其当前规范之上添加了超高数据速率(例如10Gbps)光学通信，使得可实现向后兼容。

US2003204652A1涉及一种包括控制器的数据传送控制设备，该控制器通过在多个状态之间转换来执行主机功能和外设功能的操作控制，该数据传送控制设备包括：控制寄存器，其中设置了对应于用于控制控制器的每个状态的状态命令；信号状态检测电路，其检测数据线和电源线中的至少一个的信号状态；以及状态命令解码器，其解码状态命令并且产生控制数据线和电源线中至少一个的信号状态的控制信号。

US20170255585A1涉及一种切换通用串行总线(USB)On-The-Go(OTG)设备和USBOTG设备的角色的方法和***。根据该方法，当USB OTG设备接收到从链路伙伴发送的主机协商协议(HNP)请求时，USB OTG设备的OTG控制器被复位。修改由OTG控制器用来检测USB线缆的插头类型的ID-引脚检测端的状态，以在主机和外设之间切换USB OTG设备的角色。

发明内容

为了便于在终端设备中集成OWC接口或OFE，在终端设备中重用现有的连接器或接口是有益的。由于USB接口广泛用于消费电子设备中，因此最近已经进行了工作来探索经由自由空间光学链路(诸如Li-Fi链路)发射和接收USB信号的可能性。因此，自由空间光学链路可以用作对USB线缆的替换，从而为用户提供更大的灵活性。

建议将OFE模块连接到终端设备(诸如智能电话、平板电脑或其他电子设备)内部可用的USB接口。在完全集成的变体中，OFE模块可以永久地连接到终端设备中的USB接口。

USB On-The-Go(USB OTG或只是OTG)是一种规范，它允许USB设备(诸如平板电脑或智能电话)充当主机，从而允许其他USB设备(诸如USB闪存驱动、数码相机、鼠标或键盘)附接到它们。使用USB OTG允许这些设备在主机和设备的角色之间来回切换。移动电话可以作为主机从可移动介质中读取，但是当它连接到主机计算机时也可以充当设备。USB设备的角色也称为USB外设。根据USB OTG，对于两个设备之间的通信链路，控制链路的电器称为主机，而另一个称为设备或外设。USB OTG规范还定义了：OTG A设备和OTG B设备，其指定哪一方为链路供电，以及哪一方最初是主机。OTG A设备是电力供应商，并且OTG B设备是电力消费者。在默认链路配置中，A设备充当USB主机，其中B设备充当USB设备或USB外设。

设备的角色可以由***到设备中的USB插座的USB插头的类型来确定，使得***有Micro-A插头的设备成为OTGA设备，并且***有Micro-B插头的设备成为B设备。插头本身确定ID管脚的状态。Micro-A插头上的ID引脚接地(GND)。Micro-B插头上的ID引脚浮动或通过一个大电阻接地。当ID引脚被锁存为GND时，设备成为A设备或主机。当ID引脚被锁存为Float时，设备成为B设备或外设。

当用两个设备之间的OWC链路替换线缆时，前述的经由线缆连接区分主机和外设不再奏效，因为连接器硬件之间没有区别。将ID-引脚硬连线到某一状态(GND或Float)也是不实际的，否则这将导致两种不同类型的设备(例如，A设备和B设备)，并且互连可能仅在A设备和B设备之间是可能的，这因此降低了无线链路所期望的灵活性。因此，有必要开发一种更灵活的方法来指派主机/外设角色。

鉴于以上所述，本公开涉及用于提供用于配置USB接口的自动配置机制的方法、装置和***。更特别地，本发明的目的是通过如权利要求1中所述的光学前端(OFE)模块、如权利要求12中所述的OWC***、如权利要求13中所述的OFE模块的方法以及如权利要求15中所述的计算机程序来实现的。

根据本发明的第一方面，提供了一种OFE模块。一种用于在光学无线通信OWC***中使用的OFE模块，该OFE模块包括：包括至少一个光源的光学发射机，其中该光学发射机被配置成发射光学信号；包括至少一个光传感器的光学接收机，其中所述光学接收机被配置成接收光学信号；控制电路，其被配置为：连接到包括差分数据路径和ID信号的USB On-The-Go(OTG)接口；将在差分数据路径上接收的信号路由到光学发射机的输入端；将在光学接收机的输出端上接收的信号路由到差分数据路径；控制OFE模块的加电序列，其中该加电序列定义了通过首先给光学接收机加电以在ID检测时段内检测光学测试信号来初始化OFE模块；当在ID检测时段内接收到光学测试信号时，将ID信号设置为GND并锁存ID信号；当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将ID信号设置为Float并锁存ID信号。

OFE模块实现用于OWC通信的电信号和光学信号之间的转换。光学发射机用于将电发射信号转换成经由光源输出的光学信号。光学接收机用于将接收到的光学信号转换成经由光传感器输出的电信号，用于进一步的信号处理。优选地，光学发射机可以进一步包括驱动器，以调节光源所需的电力。光学接收机还可以包括放大器，以调节由光传感器接收的信号，从而使信号更适合于在电路中进一步处理。放大器可以是跨阻放大器(TIA)，它是用一个或多个运算放大器实现的电流至电压转换器。优选地，TIA位于光传感器附近，以对具有最少量噪声的信号进行放大。

为了允许OFE模块集成在终端设备中或连接到终端设备，同时降低终端设备的***复杂性，控制电路被添加到OFE模块，以与终端设备的标准USB OTG接口对接。控制电路在一侧上连接到OFE模块中的光学发射机和光学接收机，并且在另一侧上连接到OFE模块的朝向终端设备的标准USB OTG接口的接口。

为了模仿Micro-AB插头的功能，ID信号的状态由控制电路基于在预定义的ID检测时段内对光学测试信号的检测来设置。为了实现这个目标，控制电路控制OFE模块的加电序列。加电序列定义了OFE模块内各个区块或组件如何顺序开启的顺序。通过首先给光学接收机加电来初始化OFE模块，其中为了省电，电路的其余部分处于睡眠模式。在加电时，光学接收机被配置成在ID检测时段内检测光学测试信号。光学测试信号可以包括虚拟数据，并且它也可以是一种不携带任何数据的忙音。基本上，它用于通知控制电路在视场中存在另一个设备。

当在ID检测时段内接收到光学测试信号时，控制电路将ID信号设置为GND并锁存ID信号。在该意义上，根据USB OTG规范，直接与控制电路对接的终端设备担任主机角色，而发送光学测试信号的另一个远程设备担任外设角色。在锁存ID信号后，OFE模块的其余部分将被加电，并且然后是标准的USB OTG通信。USB OTG接口上的双向通信由控制电路分别路由到光学发射机和光学接收机。对于终端设备的USB接口，OFE模块然后作为线缆的替换进行操作。

相反，当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，控制电路将ID信号设置为Float并锁存ID信号，其指示直接与控制电路对接的终端设备担任外设角色。因此，如果没有其他设备发送光学测试信号，则默认设置外设角色。与前面的情形类似，在锁存ID信号后，OFE模块的其余部分将被加电。

ID检测时段可以是预定义的时间窗口。它也可以由终端设备的用户经由USB接口重新配置。此外，ID检测时段的持续时间也可以与终端设备的属性或者终端设备担任某个角色的意愿相关。例如，如果终端设备更喜欢充当外设，则ID检测时段可以相应地减少，以减少检测到光学测试信号的机会。此外，还可以在考虑功率效率或迟延要求的情况下设计持续时间。

在一个选项中，OFE模块完全集成在终端设备中，并连接到USB OTG接口；其中优选地，终端设备是智能电话、平板电脑、计算机、遥控器、智能TV、显示设备、Li-Fi USB集线器、存储设备、扬声器、家用电器或其他智能电子设备中的至少一种。

优选地，OFE模块经由USB OTG接口完全集成在终端设备中。因此，OFE模块的控制电路和USB OTG接口可以永久地连接。在自动配置USB接口的ID信号引脚时，终端设备可以自适应地被分配给主机或外设角色。

在另一个选项中，OFE模块被集成在独立的USB加密狗设备中，该USB加密狗设备被布置成经由USB OTG接口连接到终端设备；其中优选地，终端设备是智能电话、平板电脑、计算机、遥控器、智能TV、显示设备、Li-Fi USB集线器、存储设备、扬声器、家用电器或其他智能电子设备中的至少一种。

组装为USB加密狗或集成在USB加密狗中的OFE模块可以包括“Micro-A”或“Micro-B”插头(其中ID引脚以非标准方式布置)，其中ID引脚状态由加密狗以与完全集成相同的方式确定。并且然后当在插头上自动配置ID信号时，根据标准USB OTG协议进行与终端设备的连接。

在一个示例中，当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，加电序列还定义了在锁存ID信号之后，给光学发射机加电以发送另一个光学测试信号。

在没有检测到光学测试信号的情况下，控制电路将ID信号锁存为Float，并且终端设备被分配给外设角色。为了与远程设备配对以建立USB链路，光学发射机被加电以发送另一个光学测试信号来通知远程设备***设备的存在。对于不同的设备，可以以相同的方式构建光学测试信号。

如果存在两个远程终端设备，其各自包括这样的OFE模块，具有相同的ID检测时段，则首先加电的一个将担任外设角色，而稍后加电的另一个将担任主机角色。当两个设备几乎同时加电时，ID检测时段较短的设备将担任外设角色。实际上，取决于加电的顺序和ID检测时段的选择，可以在两个对等设备之间动态地设置主机/外设角色。

优选地，光学发射机被配置成在比ID检测时段更短的时段内发送另一个光学测试信号。

鉴于功率效率，减少光学发射机发射虚拟数据或忙音的时间是有益的，使得发送光学测试信号的时段可以比ID检测时段更短。

在一种设置中，在光学发射机发送另一个光学测试信号之后，光学接收机还被配置成在连接等待时段内检测来自远程设备的光学信号，并且控制电路还被配置成：

基于检测到的光学信号标识远程设备是否被配置为USB OTG主机；当远程设备被标识为USB OTG主机时，执行USB OTG通信；以及当在连接等待时段内没有检测到光学信号或者远程设备没有被标识为主机时，关闭光学发射机并且复位OFE模块以重新开始加电序列。

在发送另一个光学测试信号之后，OFE模块正等待来自远程主机设备的表示USB连接的光学信号(诸如用于设立USB链路的控制信号)，该光学信号预期在连接等待时段内被接收。如果存在在时间窗口内接收到的这样的光学信号，则接收到的光学信号将被路由到USB接口上的数据路径，并被提供给所连接的终端设备(***设备)。在验证从远程主机设备接收到光学信号后，USB OTG链路被建立。

另一方面，如果所接收的光学信号没有被***设备识别，并且其不符合USB OTG协议，或者如果在连接等待时段内没有接收到光学信号，则这指示没有建立USB链路。OFE模块关闭光学发射机并复位整个模块，以清除锁存的标识号信号。然后，加电序列将被重新初始化。

有益的是，控制电路还被配置成在加电序列重新开始预定义次数或者预定义超时时段已经失效之后，将OFE模块保持在睡眠模式中。

也可能是以下情况：在几次尝试建立USB链路之后，使得在OFE模块经历了首先尝试检测光学测试信号、并且然后在检测到光学测试信号失败时发送另一个光学测试信号的周期之后，仍然没有建立USB链路。OFE模块然后可以进入睡眠模式以省电。

在优选设置中，控制电路还被配置为当经由光学发射机或光学接收机的正在进行的光学链路断开时，复位OFE模块并重新开始加电序列。

无线光学链路可能不如线缆连接稳定，并且链路断开通常指示两个设备不再处于视线内。正在进行的光学链路可能由于终端设备的移动或者由于障碍物阻挡了两个设备之间的直接视线而断开。为了允许***从这种情形中恢复，OFE模块重新开始上述用于初始化USB链路的过程是有益的。

在一个示例中，OFE模块的电源经由开关连接到控制电路，用于控制OFE模块的电力循环。

使外部控制对OFE模块进行硬复位或电力循环也可以是一个选项。在此选项中，OFE模块的电源连接到控制电路，并由开关控制。该开关可以由物理按钮或者由从终端设备中的用户软件导出的触发信号来控制。

有利的是，光源包括发光二极管、超辐射发光二极管、激光二极管、垂直腔面发射激光器、VCSEL和边缘发射激光二极管中的至少一种。

优选地，光传感器包括光电二极管、光电晶体管、光电倍增器和雪崩光电二极管中的至少一种。

考虑到USB2.0高速以480Mbps的数据速率操作，希望OFE至少支持相同的数据速率。因此，优选地，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边缘发射激光二极管(EELD)之类的激光二极管(LD)用作光学发射机中的发射器，并且雪崩光电二极管(APD)用作光学接收机中的检测器。由于这种基于激光的解决方案的更高带宽，与发光二极管实施方式相比，这可以放宽设计限制。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学无线通信OWC***。一种OWC***，包括：第一设备，其包括根据本发明的第一OFE模块，或者连接到根据本发明的第二OFE模块；以及远程第二设备，其包括根据本发明的第三OFE模块，或者连接到根据本发明的第四OFE模块；其中第一设备和远程第二设备被配置成执行OWC通信。

因此，在当前设置中，第一设备和第二设备经由直接OWC链路而不是经由AP相互通信，从而形成对等OWC***。

根据本发明的第三方面，提供了一种OFE模块的方法。一种由用于在光学无线通信OWC***中使用的光学前端OFE模块执行的方法，该方法包括OFE模块：

经由光学发射机发射光学信号；通过光学接收机接收光学信号；连接到USB On-The-Go(OTG)接口，该接口包括差分数据路径和ID信号；将在差分数据路径上接收的信号路由到光学发射机的输入端；将在光学接收机的输出端上接收的信号路由到差分数据路径；控制加电序列，其中加电序列定义了通过首先给光学接收机加电以在ID检测时段内检测光学测试信号来初始化OFE模块；当在ID检测时段内接收到光学测试信号时，将ID信号设置为GND，并且锁存ID信号；当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将ID信号设置为Float，并且锁存ID信号。

有益的是，该方法还包括OFE模块：当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，经由光学发射机发送另一个光学测试信号；在发送另一光学测试信号之后，由光学接收机在连接等待时段内检测来自远程设备的光学信号；基于检测到的光学信号标识远程设备是否被配置为USB OTG主机；当远程设备被标识为USB OTG主机时，执行USB OTG通信；以及当在连接等待时段内没有检测到光学信号或者远程设备没有被标识为主机时，关闭光学发射机并复位OFE模块以重新开始加电序列。

本发明还可以体现在包括代码部件的计算程序中，当该程序由包括处理部件的OFE模块执行时，该代码部件使处理部件执行如本发明中公开的OFE模块的方法。

附图说明

在附图中，类似的附图标记遍及不同的图一般指代相同的部分。此外，附图不一定是按比例的，取而代之一般将重点放在说明本发明的原理上。

图1示出了经由USB接口集成到终端设备的光学前端的示例框图；

图2展示了包含在OWC***中的OFE模块的基本框图；

图3示出了实现OFE模块和终端设备之间的连接的两种选项；

图4示出了OWC***；

图5示出了一个示例性链路初始化过程的流程图；

图6示出了执行链路初始化过程的两个OFE模块的时序图；

图7示出了另一示例性链路初始化过程的流程图；

图8示出了执行链路初始化过程的OFE模块的示例性时序图；

图9示出了执行链路初始化过程的OFE模块的示例性时序图；

图10示出了执行链路初始化过程的OFE模块的示例性时序图；

图11示出了OFE模块的示例性框图；以及

图12示出了OFE模块的方法的流程图。

具体实施方式

以下阐述的实施例代表了使本领域技术人员能够实施这些实施例的信息，并示出了实施这些实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的构思，并且将认识到在本文中没有特别提出的这些构思的应用。应当理解，这些构思和应用落入本公开的范围。

一个标准的USB2.0接口由4个信号组成：VBUS、D+、D-和GND。USB2.0 On-The-Go(OTG)补充允许两个USB设备经由线缆直接相互通信(例如，智能电话到智能电话，或智能电话到平板电脑)。为了启用该功能，第5个引脚添加到接口，即ID引脚。根据OTG标准，OTG产品是使用单个Micro-AB插座作为USB主机或USB设备/外设的便携式设备。OTG设备当连接到标准USB主机时必须始终作为标准外设操作。OTG设备也可以相互附接。Micro-A插头上的ID引脚应连接到GND引脚。Micro-B插头上的ID引脚未接地或通过大电阻(>100kΩ)接地。OTG设备能够通过确定ID引脚是否接地来检测是否***了Micro-A或Micro-B插头，从而将其自身配置为主机或外设。

插有A插头的OTG设备称为A设备，并且负责在需要时为USB接口或USB链路供电，并且默认情况下承担主机的角色。插有B插头的OTG设备称为B设备，并且默认情况下承担外设的角色。没有***插头的OTG设备默认充当B设备。连接到纯外设B设备或主机的OTG设备将通过线缆使其角色固定，因为这是附接线缆的唯一可能方式。

下表1中列出了一些典型的OTG用例。这些用例的共同点是，主机和外设的角色由匹配的互连线缆明确定义。注意，安装在主机或设备上的母连接器称为插座，并且附接到线缆的公连接器称为插头。

表1

当通过在两个设备中集成OFE模块来用这些设备之间的双向OWC链路替换线缆时，前述的经由线缆连接的主机/外设区分可以不再奏效，因为OFE模块(准)永久地附接到USB接口并且没有线缆。一种选项可以是将ID信号硬连线到GND，或者让它浮在OFE模块或智能电话主板内。然而，这导致了两种不同类型的硬件，并且没有真正解决问题。例如，当两个电话都作为主机或外设硬连线时，不能建立光学USB-LiFi通信链路。所以硬连接ID点不是一个实用的解决方案。此外，与线缆连接不同，OWC链路可能意外中断，诸如由于视线的损耗。因此，需要为电话中的OWC链路实现主机-外设自动配置。

当OFE被组装成USB加密狗并连接到终端设备时，情形类似于之前当OFE被完全集成在终端设备中时的场景。硬连线方法将导致两个独立的硬件或加密狗变体(一个具有硬连线到GND的ID引脚，并且使另一个让其浮动(float))，这不仅会增加***的成本和复杂性，而且会牺牲用户体验。因此，本说明书中公开的自动配置方法也适用于经由USB加密狗将OFE扩展应用到终端设备。

图1示出了经由USB接口集成到终端设备的光学前端的示例框图。由于USB2.0高速以480Mbps的数据速率操作，因此希望OFE模块支持类似的数据速率或甚至更高的数据速率。优选地，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边缘发射激光二极管(EELD)之类的激光二极管(LD)优选用作光源或发射器，并且优选地，雪崩光电二极管(APD)用作光传感器或光检测器。此外，接口电路用于处理USB总线的各种状态。USB信号使用标有D+和D-的双绞线数据线缆上的差分信令发射。USB信号(D+，D-)经由发射机被映射到光学信号，并且然后在相反方向上，由光传感器接收的光学信号被映射回到USB D+和D-。在本说明书中，这种点对点链路也可以称为“USB-LiFi”链路。

图2展示了包含在OWC***100中的OFE模块200的基本框图。OFE模块200包括光学发射机210、光学接收机220和控制电路230。

光学发射机210和光学接收机220分别至少包括光源211和光传感器221，其被配置为实现电信号和光学信号之间的转换。光学发射机210用于将电发射信号转换成经由光源211输出的光学信号。光学接收机220用于将接收到的光学信号转换成经由光传感器221输出的电信号，用于进一步的信号处理。光源211包括发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLED)、激光二极管(LD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光二极管(EELD)中的至少一种，或者它们的阵列。光传感器221包括光电二极管、光电晶体管、光电倍增器、雪崩光电二极管中的至少一种，或者它们的阵列。有益的是，光学发射机210还包括驱动器，以调节光源211所需的电力。优选地，光学接收机220还包括放大器，以调节由光传感器221接收的信号，使得接收的信号适于在电路中进一步处理。在一个示例中，放大器可以是跨阻放大器(TIA)，它是用一个或多个运算放大器实现的电流至电压转换器。TIA可以位于接收光传感器或光电二极管221附近，以对具有最少量噪声的信号进行放大。

控制电路230连接到OFE模块内部的光学发射机210和光学接收机220。控制电路230还被配置为至少经由差分数据路径232和ID信号233引脚连接到USB OTG接口231。经由控制电路230，在差分数据路径232上接收的信号被路由到光学发射机210的输入端，并且在光学接收机220的输出端上接收的信号被路由到差分数据路径232上的输入端。控制电路230还被配置成负责与另一USB设备配对的“发现”过程。

图3示出了实现OFE模块200和终端设备150、160之间的连接的两种选项。在第一种选项中，OFE模块200完全集成在终端设备150中。因此，OFE模块永久地连接到终端设备150的USB OTG接口。替代地，OFE模块可以经由开关连接到USB OTG接口，并且因此物理连接是物理的，但是OFE也可以从OTG接口电断开。在第二种选项中，OFE模块200被组装为独立的USB加密狗或集成在USB加密狗中，并经由USB OTG接口连接到终端设备160。

图4示出了包括两个远程设备150、160的OWC***100。两个设备150、160被配置成利用根据本发明的OFE模块200来建立等效的USB链路，其中OWC链路取代了USB线缆，并且为***提供了更大的灵活性。

图5示出了示例性链路初始化过程的流程图。该机制基于一种“先听后说”的原则。默认情况下，OFE模块会将电话配置为USB外设，除非视野中没有其他“外设”设备。这是通过在加电一定的ID_DETECTION时段之后立即检测光学测试信号(同时保持OFE模块的其余部分被禁用)来实现的。如果检测到光学测试信号，则该OFE模块会将ID设置为GND，并将OTG设备配置为USB主机。如果在ID_DETECTION时段之后，没有检测到测试信号，则该OTG设备被配置为USB外设。因此，有效测试信号的检测被用作由USB外设发射的USB协议的“J状态”的等价物。USB外设使1.5kΩ上拉电阻器连接到D+链路，并在USB总线上施加J状态以指示其存在。

注意，ID检测结果被锁存，并且一旦被确定就不被任何其他USB事件清除。在当前的实施方式中，在ID检测过程(除了ID检测电路)和正常的USB操作过程(诸如USB复位和速度协商)之后，OFE电路被复位和启用。为了清除ID检测结果，OFE模块需要经历一个供电周期，即关闭并且然后再次打开整个OFE模块，这种供电周期可以由用户动作触发，诸如按压设备(智能电话)上的物理按钮或者来自用户软件的触发器。替代地，OFE模块可以被复位以经由复位接口(即，引脚)来清除ID检测结果，该复位接口由用户动作触发，诸如按压设备(智能电话)上的物理按钮或者来自用户软件的触发器。

图6示出了执行链路初始化过程的两个OFE模块的时序图，这两个OFE模块在视线内并且第一次正确地建立连接。如图中所示，假设连接到设备A或包含在设备A中的第一OFE模块首先加电，并且将发出如由“J”信号所指示的光学测试信号，而连接到设备B或包含在设备B中的第二OFE模块稍后加电，并且将在ID_DETECTION时间窗口期间检测“J”信号。因此，设备B将其自身配置为主机。仅作为示例，在图6中为RESET和ID_DETECTION信号绘制了低电平有效(active-low)逻辑。当RESET信号为低电平时，RESET有效，并使OFE电路保持在复位(电路禁用，但ID检测部分除外)，并且当RESET变为高电平时，它变成无效信号，并且OFE正常操作开始。类似地，当ID_DETECTION信号为低电平时，设备通过检测“J”信号执行ID检测，并且当信号变为高电平时，检测停止。

如表1中呈现的使用普通USB线缆的OTG用例映射到表2中的使用USB-LiFi互连的情形。主要区别在于两个USB设备之间缺少定义所连接设备的角色的线缆。用例1和用例2对于如图5中所示的建议方法都是可行的。然而，用例3需要额外的步骤才能使其工作。

表2

在用例1中，两个OTG智能电话经由OWC链路连接。两个OFE模块分别由两个电话供电。可以经由智能电话的电源管理电路来实现加电过程，在用户动作(诸如按压电话上的电源按钮)或者来自应用软件的指示试图访问USB接口的事件之后，该电源管理电路向OFE模块(VBUS和/或其他电力线)提供电力。替代地，可以使用单独的加电信号线(引脚)来触发加电程序。由于在实践中，两个远程OFE模块的加电序列(即，确切的时序)总是存在一些差异，因此用于确定主机和外设角色的机制将起作用。

用例2指的是USB-LiFi电话和主机(PC、TV等)之间的USB连接。在这种情况下，附接到TV的OFE模块优选地是具有标准A型插头的USB加密狗的形式因子，并且被***到TV上的标准A型插座中。由于带有A型插座的TV只能充当主机，因此在本例中，加密狗内的OFE模块将被“硬连线”作为主机OFE。事实上，标准A型插头中没有ID引脚，并且TV有固定的主机角色。由于主机OFE在加电后不发射信号，因此不管TV和电话之间的加电序列如何，图5中的方法都将自动工作。TV OFE模块总是“等待”来自电话的光学信号来启动USB链路。

在用例3中，USB设备的角色将取决于加电序列进行分配。这里，电话需要连接到纯外设设备(例如，扬声器)。扬声器可能已经连接了USB OFE加密狗。电话必须承担主机角色，并且图5中所示的方法仅在扬声器比电话更早加电时起作用。

为了处理用例3，图7中示出了进一步开发的示例。定义了第二超时CONNECTION_WAIT，或者连接等待时段。在电话首先被加电、并且在ID_DETECTION时间窗口内没有检测到光学测试信号的情况下，它承担外设的角色(这在该用例中是错误的假设)。然后，电话等待CONNECTION_WAIT时间，并发现没有它可以连接到的主机。然后，在该CONNECTION_WAIT超时之后，OFE模块关闭发射机，并且“发现”过程重新开始。这个过程可以继续，直到扬声器加电并担任外设的角色，并且然后电话将充当主机。

图8示出了根据图7的进一步开发的方法的时序图。设备最初将自己配置为外设，并且未能找到主机。在CONNECTION_WAIT超时或连接等待时段之后，它重试该过程，直到发现外设。CONNECTION_WAIT可以用定时器或延迟电路来实现，当达到预定时间段时，该定时器或延迟电路产生脉冲。CONNECTION_WAIT定时器的超时脉冲复位OFE模块RESET和ID_DETECTION信号，并且再一次开始新的检测时段。

到目前为止，已经假设两个OFE模块在加电后相互处于视线内。然而，情况可能不总是如此。例如，可以是以下情形：一个设备在另一个设备的视野之外时被加电，并且然后移动到该设备的视野之内。这意味着在开始未能检测到光学测试信号时，OFE模块需要嗅探是否有另一个设备进入范围内。希望在等待时段期间减少OFE模块的功耗。由于连接到OFE模块的终端设备被设置为外设，因此OFE模块需要发出另一个测试信号，诸如忙音或带有虚拟数据的数据包。优选地，发送测试信号的持续时间短于ID_DETECTION超时持续时间，否则当另一个设备正加电时可能检测不到它。因此，我们可以在这里定义J状态等效信号的短脉冲串，其重复率高于ID_DETECTION超时持续时间的倒数(为了最快地建立链路)，或者至少其重复率基本上不同于ID_DETECTION超时持续时间的倒数(在这种情况下，在检测到光学信号之前可能需要几个监听周期)。这个过程可以重复，直到另一个设备进入视线。然而，也可能是视野内不存在其他配对设备的情形。为了防止OFE模块的不必要的/无休止的操作，定义了一个SNIFF超时来中止该过程，以防止过度功耗。

为了进一步降低功耗，图9中示出了执行链路初始化过程的OFE模块的另一示例性时序图。在几次重试之后，设备决定停止“发现”过程并进入低功率模式。为了重新开始该过程，用户可以采取行动，诸如通过按压物理按钮或来自应用软件的触发器。优选地，为了省电，发射“J”的持续时间明显短于两个连续ID检测时段之间的间隔，如图9中所示。

将光学测试信号或信号“J”分成一组短脉冲以进一步降低功耗也可以是一个选项，如图10中所示。

图11示出了OFE模块的另一示例性框图。开关S1可以用于电力循环。S1可以通过设备上的物理开关或通过来自用户软件的触发信号来控制。该方法中使用的时序常数可以经由到控制电路的输入来配置，这允许用户通过控制这样的时序常数来进一步调节检测过程。时序常数可以基于功耗和检测速度之间的权衡来导出。这不仅适用于等待时间或超时设置，而且适用于相对于模块中其他区块的电源管理。这样的参数(不限于图11中列出的那些参数)可以由用户配置。

图12示出了OFE模块200的方法600的流程图。一种由用于在光学无线通信(OWC)***100中使用的光学前端(OFE)模块200执行的方法600，该方法包括OFE模块200：在步骤S601中，由光学发射机210发射光学信号；在步骤S602中，由光学接收机220接收光学信号；在步骤S603中，连接到包括差分数据路径232和ID信号233的USB On-The-Go(OTG)接口231；在步骤S604中，将在差分数据路径232上接收的信号路由到光学发射机210的输入端；在步骤S605中，将在光学接收机220的输出端上接收的信号路由到差分数据路径232；以及在步骤S606中，控制加电序列；其中加电序列定义了在步骤S607中通过首先给光学接收机220加电以在ID检测时段内检测光学测试信号来初始化OFE模块200；以及在步骤S608中，当在ID检测时段内接收到光学测试信号时，将ID信号233设置为GND，并且锁存ID信号233；以及在步骤S609中，当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将ID信号233设置为Float，并且锁存ID信号233。

可选地，方法600还可以包括OFE模块200：在步骤S610中，当在ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，经由光学发射机210发送另一光学测试信号；在步骤S611中，在发送另一光学测试信号之后，由光学接收机220在连接等待时段内检测来自远程设备150、160的光学信号；在步骤S612中，基于检测到的光学信号来标识远程设备150、160是否被配置为USB OTG主机；在步骤S613中，当远程设备150、160被标识为USB OTG主机时，执行USB OTG通信；以及在步骤S614中，当在连接等待时段内没有检测到光学信号或者远程设备150、160没有被标识为主机时，关闭光学发射机210并复位OFE模块200以重新开始加电序列。

根据本发明的方法可以作为计算机实施的方法在计算机上实施，或者在专用硬件中实施，或者在两者的组合中实施。

根据本发明的方法的可执行代码可以存储在计算机/机器可读存储装置上。计算机/机器可读存储装置的示例包括非易失性存储器设备、光学存储介质/设备、固态介质、集成电路、服务器等。优选地，计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的非暂时性程序代码部件，用于当所述程序产品在计算机上执行时执行根据本发明的方法。

还可以提供方法、***和计算机可读介质(暂时性和非暂时性)来实施上面描述的实施例的选定方面。

Claims (15)

1.一种用于在光学无线通信OWC***(100)中使用的光学前端OFE模块(200)，所述OFE模块(200)包括：

-包括光源(211)的光学发射机(210)，其中所述光学发射机(210)被配置成发射光学信号；

-包括光传感器(221)的光学接收机(220)，其中所述光学接收机(220)被配置成接收光学信号；

-控制电路(230)，其被配置为：

o连接到包括差分数据路径(232)和ID信号(233)的USB On-The-Go OTG接口(231)；

o将在所述差分数据路径(232)上接收的信号路由到所述光学发射机(210)的输入端；

o将在所述光学接收机(220)的输出端上接收的信号路由到所述差分数据路径(232)；

o控制所述OFE模块(200)的加电序列；其中所述加电序列定义了通过首先给所述光学接收机(220)加电以在ID检测时段内检测光学测试信号来初始化所述OFE模块(200)；

o当在所述ID检测时段内接收到光学测试信号时，将所述ID信号(233)设置为GND并锁存所述ID信号(233)；

o当在所述ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将所述ID信号(233)设置为Float并锁存所述ID信号(233)。

2.根据权利要求1所述的OFE模块(200)，其中所述OFE模块(200)完全集成在终端设备(150)中，并且连接到所述USB OTG接口(231)。

3.根据权利要求1所述的OFE模块(200)，其中所述OFE模块(200)被集成在独立的USB加密狗设备中，所述独立的USB加密狗设备被布置成经由所述USB OTG接口(231)连接到终端设备(160)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的OFE模块(200)，其中当在所述ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，所述加电序列还定义了在锁存所述ID信号(233)之后，给所述光学发射机(210)加电以发送另一个光学测试信号。

5.根据权利要求4所述的OFE模块(200)，其中所述光学发射机(210)被配置成在比所述ID检测时段更短的时段内发送所述另一个光学测试信号。

6.根据权利要求4或5所述的OFE模块(200)，其中在所述光学发射机(210)发送所述另一个光学测试信号之后，所述光学接收机(220)还被配置成在连接等待时段内检测来自远程设备(150，160)的光学信号，并且所述控制电路(230)还被配置成：

-基于检测到的光学信号标识所述远程设备(150，160)是否被配置为USB OTG主机；

-当所述远程设备(150，160)被标识为USB OTG主机时，执行USB OTG通信；和

-当在所述连接等待时段内没有检测到光学信号或者所述远程设备(150，160)没有被标识为主机时，关闭所述光学发射机(210)并且复位所述OFE模块(200)以重新开始所述加电序列。

7.根据权利要求6所述的OFE模块(200)，其中所述控制电路(230)还被配置成在所述加电序列被重新开始预定义次数或者预定义超时时段已经失效之后，将所述OFE模块(200)保持在睡眠模式中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的OFE模块(200)，其中所述控制电路(230)还被配置为当经由所述光学发射机(210)或所述光学接收机(220)的正在进行的光学链路断开时，复位所述OFE模块(200)并重新开始所述加电序列。

9.根据前述权利要求中任一项所述的OFE模块(200)，其中所述OFE模块(200)的电源经由开关S1连接到所述控制电路(230)，用于控制所述OFE模块(200)的电力循环。

10.根据前述权利要求中任一项所述的OFE模块(200)，其中所述光源(211)包括下述各项中的一个：发光二极管、超辐射发光二极管、激光二极管、垂直腔面发射激光器和边缘发射激光二极管。

11.根据前述权利要求中任一项所述的OFE模块(200)，其中所述光传感器(221)包括下述各项中的一个：光电二极管、光电晶体管、光电倍增器和雪崩光电二极管。

12.一种光学无线通信OWC***(100)，包括：

-包括根据权利要求2所述的第一OFE模块(200)的第一设备(150，160)，或者连接到根据权利要求3的第二OFE模块(200)的第一设备(150，160)；和

-包括根据权利要求2所述的第三OFE模块(200)的远程第二设备(150，160)，或者连接到根据权利要求3所述的第四OFE模块(200)的远程第二设备(150，160)；

其中所述第一设备(150，160)和所述远程第二设备(150，160)被配置成执行OWC通信。

13.一种由用于在光学无线通信OWC***(100)中使用的光学前端OFE模块(200)执行的方法(600)，所述方法包括所述OFE模块(200)：

-由光学发射机(210)发射(S601)光学信号；

-由光学接收机(220)接收(S602)光学信号；

-连接(S603)到包括差分数据路径(232)和ID信号(233)的USB On-The-Go OTG接口(231)；

-将在所述差分数据路径(232)上接收的信号路由(S604)到所述光学发射机(210)的输入端；

-将在所述光学接收机(220)的输出端上接收的信号路由(S605)到所述差分数据路径(232)；

-控制(S606)加电序列；其中所述加电序列定义了通过首先给所述光学接收机(220)加电以在ID检测时段内检测(S607)光学测试信号来初始化所述OFE模块(200)；

-当在所述ID检测时段内接收到光学测试信号时，将所述ID信号(233)设置(S608)为GND，并且锁存所述ID信号(233)；

-当在所述ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，将所述ID信号(233)设置(S609)为Float，并且锁存所述ID信号(233)。

14.根据权利要求13所述的方法(600)，其中所述方法(600)还包括所述OFE模块(200)：

-当在所述ID检测时段内没有接收到光学测试信号时，经由所述光学发射机(210)发送(S610)另一光学测试信号；

-在发送所述另一光学测试信号之后，由所述光学接收机(220)在连接等待时段内检测(S611)来自远程设备(150，160)的光学信号；

-基于检测到的光学信号标识(S612)所述远程设备(150，160)是否被配置为USB OTG主机；

-当所述远程设备(150，160)被标识为USB OTG主机时，执行(S613)USB OTG通信；和

-当在所述连接等待时段内没有检测到光学信号或者所述远程设备(150，160)没有被标识为主机时，关闭(S614)所述光学发射机(210)并且复位所述OFE模块(200)以重新开始所述加电序列。

15.一种包括代码部件的计算程序，当该程序由包括处理部件的、根据权利要求1所述的OFE模块(200)执行时，所述代码部件使所述处理部件执行根据权利要求13或14所述的方法。