DE19755646A1 - Kabellose Infrarot-Datenübertragungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kabellose Infrarot-Datenüber­ tragungsanlage mit mindestens einer in einem Datenübertragungs­ bereich, insbesondere in einem Raum, angeordneten Basisstation und mehrere in unterschiedlichen Bereichen des Datenüber­ tragungsbereichs angeordneten Terminalstationen, wobei Basis- und Terminalstationen mittels Sende- und Empfangselementen kommunizieren.

Derartige Anlagen dienen z. B. zum Datenaustausch zwischen Computern, deren Peripherie sowie allen anderen Informationen austauschenden Systemen, wie z. B. Steuerungsanlagen. Die Anlagen sind unter anderem in Großraumbüros, Messeständen, Produktionshallen und zu anderen Gelegenheiten einsetzbar, wo eine Datenübertragung per Kabel unerwünscht ist.

Entsprechende Anlagen sind aus der Literatur, z. B. aus dem Tagungsband der internationalen wissenschaftlichen Konferenz "PIMRC'97", Seite 179 ff: "Wireless Access to ATM-Networks based on Direct-Beam Infrared Links", sowie Seite 969ff: "High Speed Wireless IR-LANs Using Spatial Addressing", bekannt.

Im wesentlichen wird hier unterschieden zwischen einer von Basis- und Terminalstationen diffus erfolgenden Abstrahlung der Infrarot-Strahlung, einer gerichteten Abstrahlung (Narrow Line of Sight, NLOS), sowie einer sogenannten zellulären Ausleuchtung (Wide Line of Sight, WLOS) eines Datenüber­ tragungsbereiches durch die Basisstation mittels einer speziell hergestellten holographischen Linse. Hierbei befindet sich eine Basisstation z. B. an der Decke eines Büroraumes, wobei die Terminalstationen innerhalb des Büros verteilt angeordnet sind.

Zwar überwinden die diffusen Systeme die Nachteile eines NLOS- oder WLOS-Systems dadurch, daß durch diffuse Strahlung eine Abschattung des Übertragungsweges zwischen Basis- und Terminalstation weitgehend vermieden wird, jedoch bewirkt die diffuse Streuung des IR-Signals eine deutliche Herabsetzung der Leistungsdichte und eine dadurch hervorgerufene Störanfälligkeit gegenüber Streulicht, z. B. aufgrund von Sonnenlichteinstrahlungen in ein Büro.

Weitere Nachteile diffus arbeitender Systeme sind unerwünschte Mehrfachstreuungen und dadurch hervorgerufene Signaldispersion am Empfängerelement, geringe Datenübertragungsraten sowie die benötigten Empfänger, die eine ausgesprochen hohe Dynamik aufweisen müssen. Ebenfalls erfordern diffuse Systeme aufgrund der weiten Streuung eine hohe Sendeleistung.

Darüber hinaus ist bei Basisstationen mit nur einem Sende-/Empfangselement selbst bei asynchroner Datenübertragung (Asynchronous Transfer Mode, ATM) die Anzahl der gleichzeitig betriebenen Terminalstationen beschränkt, sofern zu jeder Terminalstation eine zufriedenstellende Datenrate gewährleistet bleiben soll. Diffus arbeitende Systeme sind daher nur in kleinen Räumen mit einem entsprechend kleinen Datenüber­ tragungsbereich einsetzbar.

LOS-Systeme mit einer direkten Richtverbindung zwischen Basis- und Terminalsstation, bei denen der gerichtete Infrarotstrahl einer Bewegung der Terminalstation ("Tracking"-System) nachgeführt wird, sind sehr aufwendig, da die Systeme zur Positionssteuerung eine hohe Dynamik und aufwendige Nachführalgorithmen aufweisen müssen. Derartige Systeme sind nicht universell einsetzbar.

Zelluläre Systeme bieten hier zwar einen Kompromiß zwischen den diffusen und den LOS-Systemen, jedoch sind die ausgeleuchteten Raumbereiche nicht genügend definiert, so daß es zwangsläufig zu Überlappungen einzelner unabhängiger Sendebereiche einer Basisstation kommt, wodurch Interferenzen hervorgerufen werden, die eine sichere Datenübertragung verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Infrarot-Datenübertragungs­ anlage der eingangs genannten Art, so zu verbessern, daß eine flächendeckende Datenübertragung innerhalb eines beliebigen räumlichen Datenübertragungsbereiches gewährleistet ist, wobei Überlappungen benachbarter Sendebereiche vermieden werden. Die Anlage soll bei größtmöglicher Mobilität der Terminalstationen innerhalb der ausgeleuchteten Datenübertragungsbereiche eine hohe Datenübertragungsrate erzielen, universell einsetzbar und einfach zu steuern sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Basisstation mehrere Sende- und Empfangselemente aufweist, die in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei Gruppen gleicher Sende- und Empfangsfrequenz einander zeitlich abwechselnd und Gruppen verschiedener Sende-/Empfangsfrequenz gleichzeitig oder einander zeitlich abwechselnd die zu übertragenden Daten senden und/oder empfangen.

Dadurch, daß die Basisstation mehrere Sende-/Empfangselemente aufweist ist gewährleistet, daß ein Datenübertragungsbereich, also z. B. ein Büroraum, flächendeckend mit Infrarot-Daten versorgt werden kann. Hierzu überdeckt der Sende-/Empfangs­ bereich eines jeden Sende-/Empfangselements einen bestimmten Bereich des Raumes, wobei es jedoch zu Überlappungen zwischen den Sende-/Empfangsbereichen benachbarter Sende-/Empfangselemente der Basisstation kommen kann. Um derartige Überlappungen und damit störende Signalinterferenzen zu vermeiden, werden die Sende-/Empfangselemente in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt. Die Sende-/Empfangselemente einer Gruppe arbeiten dabei alle mit derselben Sende-/Empfangs­ frequenz. Die verschiedenen Gruppen der Sende-/Empfangs­ elemente können jedoch sowohl gleiche als auch unterschiedliche Sende-/Empfangsfrequenzen aufweisen.

Jede Gruppe von Sende-/Empfangselementen wird so gebildet, daß sich zwischen den Sende-/Empfangsbereichen der zur Gruppe gehörenden Elemente keine oder nur unwesentliche Überlappungen ergeben. Eventuelle Überlappungen in der unmittelbaren Umgebung der Basisstation sind hier unschädlich, da sich in dieser Umgebung üblicherweise keine Terminalstationen befinden. Insofern werden störende Interferenzen beim Einzelbetrieb jeder Gruppe von Sende-/Empfangselementen verhindert.

Da die Sende-/Empfangsbereiche einer jeden Gruppe nur eine bestimmte Anzahl von Raumbereichen überdecken, werden Gruppen gleicher Infrarot-Frequenz zeitlich abwechselnd angesteuert, um sukzessive eine flächendeckende Datenübertragung ohne Interferenzen zu erreichen.

Werden in einer Basisstation Gruppen verschiedener Infrarot-Frequenzen betrieben, so ist es möglich, neben der obengenannten Art, diese Gruppen auch gleichzeitig zu betreiben, da selbst bei einer Überlappung der Sende-/Empfangs­ bereiche die übertragenen Daten anhand der verschiedenen Frequenzen voneinander diskriminiert werden können. Daher ist es möglich, daß selbst im Überlappungsgebiet der Sende-/Empfangsbereiche von Sende-/Empfangselementen, die verschiedenen Gruppen angehören und daher mit verschiedenen Frequenzen arbeiten, mehrere Terminalstationen stehen können, die selektiv auf die Frequenzen ansprechen.

Da Überlappungen zwischen den Sende-/Empfangsbereichen einer Gruppe vermieden werden, ist es vorteilhafterweise möglich, mit den verschiedenen Sende-/Empfangselementen einer Gruppe zur gleichen Zeit zueinander unterschiedliche Daten zu senden oder zu empfangen. Es können also gleichzeitig in einem Raumbereich andere Daten übertragen werden als in einem anderen Bereich.

Im Gegensatz zu diffus arbeitenden IR-Datenübertragungs­ systemen, wo sich alle Terminalstationen einen IR-Datenübertragungskanal teilen müssen, brauchen sich bei der erfindungsgemäßen IR-Datenübertragungsanlage nur die Terminalstationen eines Sende-/Empfangsbereiches einen Infrarot-Datenübertragungskanal zu teilen, so daß bei z. B. asynchroner Datenübertragung (ATM) in jedem Raumbereich hohe Datenübertragungsraten zwischen Basis- und mehreren Terminalstationen möglich sind.

Die Anzahl der betriebenen IR-Datenübertragungskanäle ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Anlage dementsprechend durch die erhöhte Anzahl der gebildeten Sende-/Empfangsbereiche wodurch insgesamt das Datenübertragungsvolumen, d. h. die Kapazität der Anlage, gesteigert wird.

Die mögliche Datenübertragungsrate pro Sende-/Empfangsbereich (Kanal) erhöht sich gegenüber herkömmlichen Anlagen noch dadurch, daß hier eine Signaldispersion aufgrund von Mehrfachstreuungen verhindert wird. Die Übertragungsrate wird insbesondere zusätzlich durch die Wahl der Modulationsfrequenz der verwendeten Sendeelemente bestimmt. Bei den verwendbaren IR-Laser- oder auch Leuchtdioden kann die Modulationsfrequenz z. B. 100 Mhz (entspricht 100 Mb/s) betragen.

Innerhalb des Sende-/Empfangsbereichs eines Sende-/Empfangselements einer Gruppe können sich die Terminalstationen frei bewegen, ohne daß ein Datenaustausch unterbrochen wird.

Terminalstationen können von einem Sende-/Empfangsbereich der Basisstation in einen anderen wechseln, wenn ein sogenanntes Handover-Protokoll in der Datenübertragung implementiert ist. In diesem Fall ist es auch möglich, daß Terminalstationen in den Sende-/Empfangsbereich einer nächsten Basisstation überwechseln. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Terminalstationen in einem Winkelbereich von 360° Daten empfangen und in dem gleichen Winkelbereich, oder aber gerichtet, Daten aussenden können.

Der Sendebereich eines jeden Sendeelements weist annähernd die Keulenform eines Lambertstrahlers auf. Hierbei kann der keulenförmige Sendebereich eines jeden Sendeelements einen Öffnungs-Halbwertswinkel von Φ_1/2 = 5 bis 45 Grad und der Empfangsbereich eines jeden Empfangselements einen Öffnungs-Halb­ wertswinkel von Φ_1/2 = 5 bis 90 Grad aufweisen. Unter dem Öffnungs-Halbwertswinkel versteht man hierbei den Winkel, unter dem im Vergleich zur Hauptstrahlungsrichtung die Strahlungsintensität/Empfangsempfindlichkeit auf die Hälfte abgefallen ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedes Sendeelement mehrere Einzelstrahler umfaßt, deren keulenförmige Sendebereiche zueinander verschieden sind. In diesem Fall ist es möglich, daß mehrere Einzelstrahler gleichzeitig betrieben werden und sich der effektive keulenförmige Sendebereich durch die Überlagerung der einzelnen Sendebereiche ergibt. Somit ist der Sendebereich eines jeden Sendeelements individuell gestaltbar, so daß auch die Sende-/Empfangsbereiche der einzelnen Sende-/Empfangs­ elemente einer Gruppe verschieden sein können und daher an die verschiedensten Geometrien der auszuleuchtenden Datenübertragungsbereiche anpaßbar sind.

Es ist daher möglich, auch unsymmetrische Räume und Gänge auszuleuchten. Zwar wird eine Unsymmetrie eines Raumes in erster Linie durch die Anordnung der Sende-/Empfangselemente berücksichtigt, jedoch ist es durch eine Zuschaltung weiterer Einzelstrahler möglich, die Sende-/Empfangsbedingungen gezielt zu beeinflussen. Weiterhin kann die Überlagerung mehrerer Einzelstrahler eines Sendeelements zeitlich variabel gestaltet werden. So kann dann z. B. die Ausleuchtungsgeometrie geändert werden, wenn sich ein mobiles Hindernis durch den Datenübertragungsbereich bewegt.

Ebenfalls ist es hierdurch möglich die Reichweite und den Abstrahlwinkel eines Sendelements zu beeinflussen, wodurch der effektive Sendebereich z. B.. vergrößert wird, um auch bei Terminalstationen, die sich am Rand eines Sendeempfangsbereiches befinden, die Datenübertragung zu sichern.

Um eine gute Flächendeckung der Ausleuchtung eines Datenübertragungsbereiches, z. B. eines Büroraumes zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Richtung des keulenförmigen Sende-/Empfangsbereichs jedes Sende-/Empfangselements, bezogen auf die Befestigungsfläche der Basisstation, einen Winkel von α = 0 bis 90° aufweist.

Als Befestigungsfläche für die Basisstation ist insbesondere die Decke eines Raumes geeignet. Es ist aber auch jede andere Befestigungsmöglichkeit, wie z. B. an Wänden, in Ecken oder Schrägen denkbar. Durch die genannten Winkel ist gewährleistet, daß der keulenförmige Sende-/Empfangsbereich der einzelnen Sende-/Empfangselemente in die Richtung zeigt, wo sich im Datenübertragungsbereich (Raum) die Terminalstationen befinden.

Diese können z. B. auf dem Boden, auf Schreibtischen oder an sonstigen Orten des Datenübertragungsbereiches angeordnet sein.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn eine Gruppe mindestens ein, vorzugsweise 3 oder 4 Sende-/Empfangselemente aufweist. So ist es im bevorzugten Fall möglich, einen auszuleuchtenden Raum bei Verwendung von 2 Gruppen in 6 bis 8 Bereiche aufzuteilen, von denen sich jeweils die zu einer Gruppe zusammengefaßten Bereiche nicht überlappen. Selbstverständlich ist es möglich mehr als 2 Gruppen von Sende-/Empfangselementen zu bilden, die jeweils eine beliebige Anzahl von Sende-/Empfangselementen aufweisen können, deren jeweilige Sende-/Empfangsbereiche zueinander verschieden sein können.

Bei der Auswahl der Winkel für die Richtung der Sen­ de-/Empfangsbereiche bezogen auf die Befestigungsfläche der Basisstation kann es vorkommen, daß direkt unterhalb der Basisstation, ein toter Winkelbereich entsteht, der nicht genügend durch die einzelnen Gruppen abgedeckt wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Basisstation wenigstens ein zusätzliches Sende-/Empfangselement aufweist, das gleichzeitig oder in zeitlicher Folge mit einer oder mehreren Gruppen betreibbar ist. Dieses zusätzliche Sende-/Empfangselement wird auf den toten Winkelbereich ausgerichtet. Je nachdem, ob der Sende-/Empfangsbereich eine Überlappung mit dem Sende-/Empfangsbereich einer anderen Gruppe zeigt, wird das zusätzliche Element zeitgleich oder in zeitlicher Folge mit der entsprechenden Gruppe betrieben, um eventuelle Interferenzen zu vermeiden.

Da es vorkommen kann, daß das Datenaufkommen in einem Raumbereich gegenüber einem anderen Bereich sehr hoch ist, ist es von Vorteil, wenn die Betriebsdauer der Sen­ de-/Empfangselemente einer Gruppe lastabhängig steuerbar ist. Die Dauer des Datenaustausches in diesem Bereich könnte dann verlängert werden, bevor auf die nächste Gruppe umgeschaltet wird.

Zur Unterdrückung von eventuellen Störlichteinflüssen, wie z. B. durch Sonnenlicht, ist es vorgesehen, die Sendeleistung der Sendeelemente und gegebenenfalls auch die Empfangsempfindlichkeit der Empfangselemente zu steuern. Ebenfalls ist es möglich, durch eine Veränderung der Sendeleistung die Reichweite der Sendeelemente einzustellen, bzw. Störungen des Datenaustausches zu unterbinden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Basis- und Terminalstationen neben den IR-Sende-/Empfangselementen auch noch zusätzliche Hochfrequenz-Sende-/Empfangselemente aufweisen.

In diesem Fall ist es möglich einen Hybridbetrieb zu realisieren, bei dem parallel IR- und HF-Daten übertragen werden. Ebenfalls können die HF-Elemente dazu dienen, bei einer Blockierung des optischen IR-Übertragungsweges, z. B. infolge einer Abschattung durch eine Person, hilfsweise die Datenübertragung aufrecht zu erhalten, da bei Hochfrequenzwellen üblicherweise eine Abschattung nicht auftritt. Die HF-Datenübertragung soll möglichst nur hilfsweise erfolgen, da die optische Übertragung der Daten eine höhere Datenrate und größere Bandbreite ermöglicht. Ebenfalls hat eine optische Datenübertragung wesentlich bessere Eigenschaften als Hochfrequenzübertragung hinsichtlich möglicher elektromagnetischer Störeinflüsse (EMI), was insbesondere bei der Datenübertragung in Krankenhäusern oder Produktionshallen relevant ist.

So kann mit Hilfe der HF-Datenübertragung auch die Übernahme einer Terminalstation von einem Sende-/Empfangsbereich der Basisstation in einen anderen Bereich koordiniert werden (Handover).

Zusätzlich können die HF-Elemente dazu dienen, eine erstmalige Verbindungsaufnahme zwischen einer Basis- und einer Terminalstation zu initiieren, d. h. zur Systemanmeldung und der anschließenden Einfügung einer Terminalstation in eine Infrarot-Datenverbindung.

Neben der geometrischen Aufteilung der Datenübertragungswege mittels der erfindungsgemäßen Unterteilung mehrerer Sen­ de-/Empfangselemente der Basisstation in verschiedene Gruppen erfolgt die räumliche und zeitliche Steuerung des Datenaustausches zwischen den Basis- und Terminalstationen einer erfindungsgemäßen IR-Daten-Übertragungsanlage dadurch, daß eine Gruppe von Sende-/Empfangselementen innerhalb einer Zeitphase betrieben und anschließend auf eine andere Gruppe gleicher Sende-/Empfangsfrequenz umgeschaltet wird.

Eine solches Infrarot-Datenübertragungssystem, bei dem zur gleichen Zeit auf einer Frequenz mehrere Verbindungen zwischen Basis- und Terminalstationen in verschiedenen Bereichen eines Raumes aufrecht erhalten werden, wird als SDMA (Space division multiple access) - System bezeichnet.

Nur wenn die Sende-/Empfangselemente der Basisstation in Gruppen mit verschiedenen Sende-/Empfangsfrequenzen aufgeteilt wird, erfolgt gleichzeitiger Betrieb der Gruppen, da störende Interferenzen zwischen den verschiedenen Frequenzen unterbleiben.

Wie bereits erwähnt, wird das zusätzliche Sende-/Empfangs­ element gleichzeitig oder aber in zeitlicher Folge mit einer oder mehreren Gruppen betrieben, je nachdem, ob die entsprechenden Sende-/Empfangsbereiche ein Überlappung zeigen oder nicht.

Wird eine Gruppe von Sende-/Empfangselementen innerhalb einer Zeitphase aktiviert, so kann für den Datenaustausch zwischen Basis- und Terminalstationen diese Zeitphase im Sende- und Empfangsbereich eines jeden Sende-/Empfangselements der im Betrieb befindlichen Gruppe in weitere Zeitintervalle unterteilt werden, in denen jeweils abwechselnd die sich im entsprechenden Sende-/Empfangsbereich befindlichen Terminalstationen mit der Basisstation Daten austauschen.

Innerhalb dieser Zeitintervalle werden dann die Daten jeder Terminalstation z. B. paketweise und asynchron versendet. In diesem asynchronen Übertragungsmodus (ATM) ist gewährleistet, daß sich mehrere Terminalstationen einen Infrarot-Da­ tenübertragungskanal zum Datenaustausch teilen können. Die Verteilung der einzelnen Zeitintervalle, in denen die Versendung der einzelnen ATM-Pakete erfolgt, wird über ein MAC (Medium Access Control) - Protokoll gesteuert. Für den asynchronen Übertragungsmodus können bekannte Datenüber­ tragungsprotokolle (z. B. DSA++, Dynamic Slot Assignment) eingesetzt werden, die nicht Gegenstand dieser Patentanmeldung sind. Selbstverständlich können auch andere Verfahren zur Datenübertragung gewählt werden.

Vorteilhafterweise wird die Reihenfolge, in der der Betrieb der einzelnen Gruppen abwechselt, um sukzessive eine Datenübertragung in gesamten Raumbereich zu ermöglichen, lastabhängig oder auch prioritätsabhängig gesteuert.

Ist das Datenaufkommen in einem Raumbereich besonders groß, so wird als nächste Gruppe z. B. diejenige in Betrieb genommen, die den genannten Raumbereich abdeckt. Die entsprechende Steuerung könnte über den IR- oder HF-Datenaustausch vorgenommen werden.

Ebenso ist es möglich die Betriebs zeit der Gruppe und/oder eines Sende-/Empfangselements innerhalb der Gruppe lastabhängig oder nach einem anderen Kriterium zu steuern. Als einfachste Möglichkeit kann sich die Reihenfolge mehrerer Gruppen aber auch einfach nur periodisch wiederholen.

Einige mögliche Ausführungsformen der Erfindung werden in den nachfolgenden Abbildungen wiedergegeben. Es zeigen:

Fig. 1 Einige typische keulenförmige Sende-/Empfangsbereiche eines Sende-/Empfangselements mit verschiedene Halbwertswinkel,

Fig. 2 Ein Schnitt durch die X-Z-Ebene eines auszuleuchtende Raumes (X, Y, Z) mit an der Decke angebrachter Basisstation,

Fig. 3: Ein Schnitt durch die X-Y-Ebene eines auszuleuchtende Raumes (X, Y, Z) mit an der Decke angebrachter Basisstation,

Fig. 4 Ein Zeitprotokoll zur Steuerung der erfindungsgemäßen IR-Datenübertragungsanlage,

Fig. 5 Ein Schnitt durch die X-Y-Ebene eines rechteckigen Raumes (X, Y, Z) mit an der Decke angebrachter Basisstation,

Fig. 6 Ein Schnitt durch die X-Y-Ebene eines auszuleuchtenden Korridores,

Fig. 7 Perspektivische Ansichten der Sendebereiche einer Gruppe mit 4 Sende-/Empfangselementen und einem zusätzlichen zentralen Sende-/Empfangselement,

Fig. 8 Eine Änderung der Sendebereiche durch Überlagerung zusätzlicher Einzelstrahler.

Die Fig. 1 zeigt für verschiedene Halbwertsöffnungswinkel Φ_1/2 die sich ergebenden typischen keulenförmigen Sendebereiche jeweils eines Sendeelements, wie es in der Basisstation der erfindungsgemäßen IR-Datenübertragungsanlage eingesetzt wird. Die keulenförmigen Sendebereiche entsprechen denen von Lambertstrahlern. Die Halbwerts-Öffnungswinkel eines Sendebereiches werden üblicherweise nicht größer als 45° gewählt, da dies zu erheblichen Bereichsüberlappungen führen kann. Der Empfangsbereich ist ebenfalls keulenförmig, mit Öffnungswinkeln bis zu 90°, genügt aber nicht unbedingt der Charakteristik eines Lambertstrahlers.

Diese typischen keulenförmigen Sende-/Empfangsbereiche werden in den Fig. 2, 3, 5 und 6 jeweils in einer Schnittansicht in verschiedenen möglichen Raumgeometrien wiedergegeben.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Z-X-Ebene eines Raumes der Höhe Z und der Breite X. An der Decke (Z = 0) des Raumes befindet sich eine nicht dargestellte Basisstation 1 gemäß der Erfindung. Die Basisstation 1 weist mehrere Sen­ de-/Empfangselemente auf, die im vorliegenden Fall zu zwei Gruppen zusammengefaßt sind, was bei Betrachtung der zugehörigen Fig. 3 deutlich wird.

Jede der beiden Gruppen enthält 3 Sende-/Empfangselemente, die keulenförmige Sende-/Empfangsbereiche aufweisen. Die Sen­ de-/Empfangsbereiche bzw. Sektoren der einen Gruppe (S2, S4, S6) sind gestrichelt, die der anderen Gruppe (S1, S3, S5) mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Sende-/Empfangsbereiche haben einen Halbwertsöffnungswinkel von Φ_1/2 = 30° und haben innerhalb einer Gruppe einen gleichmäßigen Winkelabstand von 120° um eventuelle Überlappungen zu minimieren. Die erkennbaren Überlappungen in der unmittelbaren Umgebung der Basisstation 1 sind hier nicht schädlich, da in diesem Bereich üblicherweise keine Terminalstationen angeordnet sind.

Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Sende-/Empfangselemente der Basisstation 1 so eingerichtet sind, daß die Richtung der Sende-/Empfangsbereiche (Sektoren) unter einem Winkel von α = 25° zur Decke des Raumes liegt, um den Raum möglichst flächendeckend auszuleuchten. Der Winkel von 25° ist hier nur als ein mögliches Beispiel angegeben.

Durch die zu den Gruppen zusammengefaßten Sende-/Empfangs­ elemente wird im vorliegenden Fall jedoch ein Bereich direkt unter der Basisstation 1 nicht erfaßt. Dieser Sende-/Empfangsbereich C wird hier durch ein zusätzliches Sende-/Empfangselement abgedeckt. Insbesondere der gewählte Winkel α der Richtung der Sende-/Empfangsbereiche bezüglich der Decke des Raumes wirkt sich auf die Größe des nicht erfaßten Winkelbereiches unterhalb der Basisstation aus. Wäre zum Beispiel alternativ der Winkel α = 45° gewählt, so müßte der Sende-/Empfangsbereich des zusätzlichen Sende-/Empfangselements schmaler gewählt oder in zeitlicher Folge mit den anderen Gruppen betrieben werden.

Bei der Betrachtung der Fig. 3 wird deutlich, daß die einzelnen benachbarten Sende-/Empfangsbereiche (S1-S6) einander jeweils in den Bereichen 2 überlappen. Bei gleichzeitigem Betrieb aller Sende-/Empfangselemente auf einer Frequenz würde es in diesen Bereichen 2 zu Datenüberlagerungen kommen, die den Datenaustausch zwischen der Basisstation und den in den diesen Bereichen angeordneten Terminalstationen stören. So wäre es in diesem Bereich nicht mehr möglich, für die verschiedenen Terminalstationen eine eindeutige Datenzuordnung zu erhalten.

Daher werden bei der erfindungsgemäßen IR-Datenübertragungs­ anlage die Gruppen gleicher Frequenz zeitlich abwechselnd in Betrieb genommen. Das bedeutet, daß im vorliegenden Fall zunächst ein Datenaustausch in den Bereichen S1, S3 und S5 stattfindet und anschließend auf einen Betrieb in den Bereichen S2, S4 und S6 umgeschaltet wird.

Die Betriebsdauer der Sende-/Empfangselemente der beiden Gruppen kann dabei konstant sein, sie kann aber z. B. auch lastabhängig gesteuert werden, sofern z. B. in einem Bereich das Datenaufkommen besonders groß ist.

Aufgrund des großen Überlappungsbereichs 3 zwischen dem zusätzlichen Sende-/Empfangsbereich C und den Bereichen S1 bis S6 wird auch das dem Bereich C zugeordnete Sende-/Empfangs­ element zeitlich abwechselnd mit den anderen beiden Gruppen angesteuert. Dies ist jedoch nur dann nötig, wenn der Überlappungsbereich 3 so tief in den Raum hineinreicht, daß sich im Überlappungsbereich 3 z. B. auf Schreibtischen stehende Terminalstationen befinden. Anderenfalls wäre hier auch der zeitgleiche Betrieb möglich.

Da zwischen den gleichzeitig in Betrieb genommenen Sen­ de-/Empfangsbereichen S1, S3, S5 bzw. S2, S4, S6 keine wesentlichen Überlappungen vorliegen, ist es auch möglich in jeden der Bereiche unterschiedliche Daten zu übertragen, ohne daß es zu Störungen kommt. So ist es möglich, zeitgleich in dem Bereich S1 gänzlich anderen Daten zu senden oder zu empfangen als im Bereich S3.

Betrachtet man alternativ den Fall, daß die Sende-/Empfangs­ elemente der beiden Gruppen mit verschiedenen Sende-/Empfangs­ frequenzen arbeiten, so ist es möglich neben der genannten Betriebsart auch beide Gruppen gleichzeitig zu betreiben. Wegen der verschiedenen Frequenzen wird es selbst in den Überlappungsbereichen 2 nicht zu Störungen kommen. Hat auch das Sende-/Empfangselement, das den Bereich C abdeckt eine andere Frequenz, so ist dieses ebenfalls zeitgleich mit den beiden anderen Gruppen betreibbar.

Die Fig. 4 zeigt ein typisches Zeitprotokoll für die Datenübertragung mit einer IR-Datenübertragungsanlage, wie sie in den Fig. 2 und 3 gegeben ist. Der Figur ist zu entnehmen, daß in einer ersten Zeitphase (Phase 1) von der Basisstation in die 3 Bereiche S1, S3 und S5 hinabgesendet wird (Down). Nach Ablauf dieser zeitlichen Phase 1 folgt die Phase 2, in der von der Basisstation in die Bereiche S2, S4 und S6 gesendet wird. Erst anschließend wird in einer Phase 3 auch der zentrale Bereich C beleuchtet.

Nach Ablauf dieser 3 Phasen folgen die Empfangsphasen (Up) der Basisstation, in der von den einzelnen Terminalstationen in den entsprechenden Bereichen Daten an die Basisstation gesendet werden. Nach einer Periode T_p wiederholt sich der gesamte Ablauf.

Es ist hier ebenfalls möglich, daß nicht erst alle 3 Sendephasen der Basisstation durchlaufen werden. Es ist ebenso denkbar, daß nach jeder Sendephase in einem bestimmten Bereich sofort die Empfangsphase der Basisstation folgt. In der Fig. 4 zeigen die einzelnen Phasen alle die gleiche Zeitdauer. Auch dies ist nicht zwingend. So ist es möglich, daß je nach Datenaufkommen die Phasen verlängert oder verkürzt werden. Die den einzelnen Phasen 1-3 vor- und nachgeschalteten kürzeren Zeitintervalle, die z. B. mit P bezeichnet sind, betreffen die Steuerung des Datenaustausches und sind nicht erfindungs­ relevant.

Jede genannte Zeitphase wird, dem beispielsweise genannten asynchronen Datenaustausch (ATM) entsprechend, in weitere Zeitintervalle unterteilt, was in der vorliegenden Figur nicht dargestellt ist. Innerhalb dieser Zeitintervalle findet der abwechselnde Datenaustausch mit den einzelnen Terminalstationen statt, die sich in den Bereich S1 bis S6 befinden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen, daß die Sende-/Empfangsbereiche der einzelnen Sende-/Empfangselemente der Basisstation individuell gestaltbar sind. Die Sende- und Empfangsbereiche sind damit an jede gegebene Raumgeometrie anpaßbar, um eine optimale Ausleuchtung zu erreichen.

Die Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausleuchtung eines rechteckigen Datenübertragungsbereiches, z. B. eines Raumes. Im vorliegenden Fall haben die Bereiche B1, B2, B3, B4 jeweils einen Halb­ wert-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 35°, die Bereiche B5, B6, B7, B8 einen Halbwert-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 20° und die Bereiche B9, B10 einen Halbwert-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 15°.

Hier wäre es möglich, die Sende-/Empfangselemente zu den Bereichen (B1, B2), (B3, B4), (B5, B6) und (B7, B8) zu Gruppen zusammenzufassen.

Aufgrund der großen Überlappungen würden alle zu Gruppen gefaßten Bereiche zeitlich abwechselnd angesteuert, um eine ungestörte Datenübertragung in alle Bereiche zu gewährleisten.

Die zeitliche Reihenfolge der einzelnen Gruppen kann dabei einfach periodisch nacheinander, jedoch z. B. auch lastabhängig festgelegt werden. So ist es denkbar, daß bei entsprechenden Datenaufkommen z. B. von der Gruppe, die die Bereiche (B1, B2) abdeckt, auf die Gruppe für die Bereiche (B7, B8) umgeschaltet werden. Eine derartige Umschaltung kann auch aufgrund anderer Kriterien erfolgen, nämlich wenn z. B. eine Terminalstation vom Bereich B1 in den Bereich B7 wechselt und der Datenaustausch aufrecht erhalten bleiben soll. Die Aufforderung zur Umschaltung könnte z. B. durch ein HF-Signal erfolgen.

Aus der Fig. 5 wird insbesondere der Vorteil erkennbar, daß ein Sendeelement mehrere Einzelstrahler umfassen kann, deren keulenförmige Sendebereiche verschieden sind. Der effektive Sendebereich eines Sendeelements kann dann durch Überlagerung der Sendebereiche mehrerer Einzelstrahler eingestellt werden. Damit ist es möglich, z. B. den ursprünglichen Sendebereich (B3, B4) auf den Bereich (B9, B10) auszudehnen, um auch weiter hinten im Raum gelegene Terminalstationen zu erreichen. Da die weiteren Einzelstrahler eines Sendeelements sowohl zusätzlich als auch alternativ zu betreiben sind, kann der bislang ausgeleuchtete Nahbereich (B3, B4) durch die Ausleuchtung des Bereichs (B9, B10) ersetzt oder zusätzlich zu diesem erhalten bleiben.

Eine ähnliche Ausdehnung auf den Bereich (B9, B10) ist auch durch eine Erhöhung der Sendeleistung möglich. Auch so kann die Reichweite eines Sendeelements an verschiedene Bedingungen angepaßt werden, wie sie sich z. B. ergeben, wenn sich eine Terminalstation im Raum bewegt und die Verbindung abzureißen droht.

Unter der Annahme, daß die Bereiche (B3, B4) durch eine entsprechende obengenannte Maßnahme auf die Bereiche (B9, B10) ausgedehnt wurde, ist es auch möglich, aufgrund der geänderten Überlappungen, andere Gruppen zusammenzufassen.

So ist es dann möglich, z. B. (B1, B2, B9, B10) und (B7, B8) sowie (B5, B6) zusammenzufassen. Hier zeigt sich dann insbesondere an der Gruppe für die Bereiche (B1, B2, B9, B10), daß die Sende-/Empfangsbereiche der Sende-/Empfangselemente einer Gruppe zueinander verschieden sein können.

Die Fig. 6 zeigt die Möglichkeit, auch bei außergewöhnlichen Geometrien, durch die Variabilität der einzelnen Sende-/Empfangselemente eine zufriedenstellende Ausleuchtung z. B. eines um eine Ecke verlaufenden Korridores zu erreichen.

Die Fig. 7 zeigt zur Verdeutlichung perspektivische Ansichten der ausgeleuteten Sendebereiche einer erfindungsgemäßen IR-Datenübertragungsanlage, bei der zwei Gruppen mit je 4 Sende-/Empfangselementen zusammengefaßt sind. In der Figur ist nur eine zeitliche Phase dargestellt, bei der dementsprechend auch nur eine Gruppe in Betrieb ist. In Ergänzung zu den ausgeleuchteten Bereichen G1, G2, G3, G4 dieser Gruppe wird zeitgleich ein zusätzliches Sende-/Empfangselement in Betrieb genommen, das im vorliegenden Fall den Bereich C aus leuchtet, der von den Sende-/Empfangsbereichen nicht abgedeckt wird. Ein gleichzeitiger Betrieb des Bereichs C ist hier möglich, da es in der Ebene Z = 6 des Raumes, in der hier nicht dargestellte Terminalsstationen angeordnet sind, keinerlei Überlappungen der einzelnen Bereiche G1, G2, G3, G4 und C gibt.

Die Fig. 8 zeigt zur Verdeutlichung beispielhaft die möglichen Auswirkungen einer Überlagerung der Sendebereiche, wenn mehrere Einzelstrahler der Sendeelemente in Betrieb sind. Die hier dargestellte in Betrieb befindliche Gruppe besteht aus 3 Sendeelementen, die jeweils einen Sendebereich mit einem Halbwerts-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 25° aufweisen. Die Grundversorgung des Datenübertragungsbereiches ist demnach durch die 3 identischen Sendebereiche A1, A2 und A3 gegeben.

Punktiert angedeutet sind in der Figur mögliche Sendebereiche weiterer Einzelstrahler, die zusätzlich in Betrieb genommen werden können. Hier zeigt sich, daß sowohl die Reichweite, die Richtung als auch die Öffnungswinkel der Sendebereiche unabhängig voneinander variiert werden können. Im vorliegenden Fall wird der Sendebereich A1 durch einen Bereich a1 mit einem Halbwerts-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 20° überlagert, was zu einer größeren Reichweite führt.

Die Überlagerung des Bereichs A2 mit dem Bereich a2, der einen Halbwerts-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 35° aufweist, führt im Beispiel zu einer Verbreiterung des Sendebereichs.

Im Fall der Überlagerung des Bereichs A3 mit dem Bereich a3 kommt es sowohl zu einer vergrößerten Reichweite als auch zu einer veränderten Richtung, da der Sendebereich a3 einen Halbwerts-Öffnungswinkel von Φ_1/2 = 20° aufweist und gegen die Richtung des Bereichs A3 um 10° verschwenkt ist.

Daher ist es möglich, durch Zuschaltung weiterer Einzelstrahler die Sendecharakteristik jedes Sendeelements gezielt zeitlich variabel und unabhängig voneinander zu beeinflussen, um die Sendebereiche an sich ändernde Bedingungen anzupassen.

Claims (22)

1. Kabellose Infrarot-Datenübertragungsanlage mit mindestens einer in einem Datenübertragungsbereich, insbesondere in einem Raum, angeordneten Basisstation und mehreren in unterschiedlichen Bereichen des Datenübertragungsbereichs angeordneten Terminalstationen, wobei Basis- und Terminalstationen mittels Sende- und Empfangselementen kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation mehrere Sende- und Empfangselemente aufweist, die in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei Gruppen gleicher Sende- und Empfangsfrequenz einander zeitlich abwechselnd und Gruppen verschiedener Sende-/Empfangsfrequenz gleichzeitig oder einander zeitlich abwechselnd die zu übertragenden Daten senden und/oder empfangen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Sende-/Empfangselementen einer Gruppe zur gleichen Zeit zueinander unterschiedliche Daten send- und/oder empfangbar sind.

3. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendebereich eines jeden Sendeelements annähernd die Keulenform eines Lambertstrahlers aufweist.

4. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendebereich eines jeden Sendeelements einen Öffnungs-Halbwertswinkel von Φ_1/2 = 5 bis 45 Grad und der Empfangsbereich eines jeden Empfangselements einen Öffnungs-Halbwertswinkel von Φ_1/2 = 5 bis 90 Grad aufweist.

5. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendeelement mehrere Einzelstrahler umfaßt, deren keulenförmige Sendebereiche zueinander verschieden sind.

6. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsbereiche der Sende-/Empfangselemente einer Gruppe zueinander verschieden sind.

7. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsbereiche der Sende-/Empfangselemente einer Gruppe einander nicht oder nur unwesentlich überlappen.

8. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des keulenförmigen Sende-/Empfangsbereichs jedes Sende-/Empfangselements, bezogen auf die Befestigungsfläche der Basisstation, einen Winkel α = 0 bis 90 Grad aufweist.

9. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe mindestens ein, vorzugsweise 3 oder 4 Sende-/Empfangselemente aufweist.

10. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisstation wenigstens ein zusätzliches Sende-/Empfangselement aufweist, das gleichzeitig oder in zeitlicher Folge mit einer oder mehreren anderen Gruppen betreibbar ist.

11. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsdauer der Sende-/Empfangs­ elemente einer Gruppe lastabhängig steuerbar ist.

12. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeleistung der Sendeelemente und die Empfangsempfindlichkeit der Empfangselemente steuerbar ist.

13. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Basis- und Terminalsstationen neben den IR-Sende-/Empfangselementen auch Hochfrequenz-Sen­ de-/Empfangselemente aufweisen.

14. Verfahren zur räumlichen und zeitlichen Steuerung des Datenaustauschs zwischen Basis- und Terminalsstationen einer Infrarot-Datenübertragungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von Sen­ de-/Empfangselementen innerhalb einer Zeitphase betrieben und anschließend auf eine andere Gruppe gleicher Sen­ de-/Empfangsfrequenz umgeschaltet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Sende-/Empfangselement gleichzeitig oder in zeitlicher Folge mit einer oder mehreren Gruppen betrieben wird.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenaustausch innerhalb einer Zeitphase im Sende- und Empfangsbereich eines jeden Sen­ de-/Empfangselements der im Betrieb befindlichen Gruppe in weitere Zeitintervalle unterteilt wird, in denen jeweils abwechselnd die sich im entsprechenden Sende-/Empfangsbereich befindlichen Terminalstationen mit der Basisstation Daten austauschen.

17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reichweite der Sendeelement einer Gruppe durch die Sendeleistung eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der effektive Sendebereich eines Sendeelements durch Überlagerung der Sendebereiche mehrerer Einzelstrahler des Sendeelements eingestellt wird.

19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge, in der der Betrieb der einzelnen Gruppen abwechselt, lastabhängig ermittelt wird.

20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebs zeit eines jeden Sen­ de-/Empfangselements einer Gruppe lastabhängig eingestellt wird.

21. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Störung des Datenaustauschs zwischen Basisstation und Terminalstation die Sendeleistung erhöht wird.

22. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Unterbrechung des Datenaustauschs zwischen Basis- und Terminalstation infolge einer Blockierung des Sende-/Empfangsweges die Verbindung hilfsweise über ein Hochfrequenzsignal aufgebaut wird.