CN105229943A - 具有灵活的基于光束的保护切换的自由空间光网络 - Google Patents

Abstract

一种系统包括具有多个网络节点(102-110)的网络，网络节点各配置用于自由空间光通信。各网络节点包括一个或多个孔径，经过其，通过光链路(112)来传送和接收光束。光链路包括：(i)业务链路(112a)，其在节点之间传输较高速率业务；以及(ii)获取/跟踪链路(112b)，其传输用来建立和保持其他节点的位置知识的较低速率信号。各网络节点还包括网络处理器，其配置成确定经过网络的一个或多个备用路径。各网络节点还包括光束控制单元(420)，其配置成把来自业务链路的光束重定向到获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

Description

具有灵活的基于光束的保护切换的自由空间光网络

技术领域

本公开一般针对光通信系统。更具体来说，本公开涉及具有灵活的基于光束的保护切换的自由空间光网络。

背景技术

自由空间光(FSO)系统包括网络节点，网络节点使用光束在光学上相互通信。FSO系统能够提供比射频(RF)通信系统要高许多的数据速率。FSO系统还常常没有与RF系统关联的光谱使用限制。另外，FSO系统通常提供比RF系统更低概率的检测和更高的抗干扰性。但是，在大气中使用时，FSO系统易受到云、雾和其他障碍物的阻碍，以及FSO系统甚至在清澈大气中也能因湍流遭受深度衰弱。

对这些问题的常规解决方案包括在光链路级、混合RF/光链路以及基于网络的保护方式的缓和技术。链路缓和技术通常涉及诸如自适应光学、前向纠错、交织和光学自动增益控制之类的特征。但是，即使通过这些缓和技术，FSO系统也常常难以提供可接受的性能，甚至在清澈空气中。混合RF/光链路在光通信出故障时回退到RF通信，但是RF链路具有比光链路明显小的范围和吞吐量，由此降低系统吞吐量。采用基于网络的方式来增进基于链路的缓和，基于网络的方式通常依靠大缓冲器、一旦恢复光链路时的重传以及使用机械光束控制的新光链路的建立。不幸的是，这些技术通常引入大的等待时间，并且具有到大网络的有限的可缩放性。另外，成本连同大小、重量和功率(SWaP)的考虑因素限制在网络节点能够使用的光终端的数量(并且因此限制光链路的数量)，特别是对于诸如飞机和地面交通工具之类的移动平台。这通常使在使用机械光束控制时保持备用路径是不切实际的。

发明内容

本公开提供一种具有灵活的基于光束的保护切换的自由空间光网络。尤其是，这种方式能够支持用于故障通信链路的基于网络的缓和技术，该基于网络的缓和技术克服上述问题之一、部分或全部。这种方式还可与诸如以上所述之类的基于链路的缓和技术结合使用。

在第一实施例中，一种系统包括具有多个网络节点的网络，网络节点各配置用于自由空间光通信。各网络节点包括一个或多个孔径，经过孔径，光束在光链路上被传送和接收。光链路包括：(i)业务链路，其在节点之间传输较高速率业务；以及(ii)获取/跟踪链路，其传输用来建立和保持其他节点的位置知识的较低速率信号。各网络节点还包括网络处理器，其配置成确定经过网络的一个或多个备用路径。各网络节点还包括光束控制单元，其配置成把来自业务链路的光束重定向到获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

在第二实施例中，一种设备包括光通信终端，其配置成参与与网络节点的自由空间光通信。光通信终端包括一个或多个孔径，经过孔径，光束在光链路上来传送和接收，其中光链路包括：(i)业务链路，其传输较高速率业务；以及(ii)获取/跟踪链路，其传输用来建立和保持网络节点的位置知识的较低速率信号。该设备还包括网络处理器，其配置成确定经过网络的一个或多个备用路径。另外，该设备包括光束控制单元，其配置成把来自业务链路的光束重定向到获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

在第三实施例中，一种方法包括在第一网络节点与第二网络节点进行光学通信，并且通过在光业务链路上传送和接收第一光束与第二网络节点交换数据。该方法还包括通过在光获取/跟踪链路上传送和接收第二光束以光学方式在第一网络节点跟踪第三网络节点。该方法还包括确定经过网络的一个或多个备用路径。另外，该方法包括将第一光束从业务链路重定向到获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

从以下附图、描述和权利要求书，其他技术特征对于本领域的技术人员来说会容易明白。

附图说明

为了更全面地理解本公开及其特征，现在参照以下结合附图的描述，附图包括：

图1示出按照本公开的示例自由空间光(FSO)通信网络；

图2A示出按照本公开的FSO网络中的示例通信路径并且图2B示出按照本公开的关联射频/微波网络中的示例通信路径；

图3示出按照本公开的FSO网络中的保护切换的示例；

图4示出按照本公开、具有FSO和RF/微波能力的示例网络节点；

图5A和图5B示出按照本公开的FSO光具座的示例；

图6示出按照本公开的光学孔径的示例布置；

图7示出按照本公开、用于计算要被用于FSO网络中的保护切换的备用路径的示例方法；以及

图8示出按照本公开、用于FSO网络中的保护切换的示例方法。

具体实施方式

以下所述的图1至8以及用来说明本专利文档中本发明的原理的各个实施例只是作为说明，而绝不应被理解为限制本发明的范围。本领域的技术人员将会理解，本发明的原理可通过任何类型的适当布置的装置或系统来实现。

图1示出按照本公开的示例自由空间光(FSO)通信网络100。如图1所示，网络100包括相互进行光学通信的各种节点。在这个示例中，节点包括卫星102-104、飞行器106、陆上交通工具108和海上交通工具110。各卫星102包括围绕地球的对地静止轨道中的任何适当结构。各卫星104包括近地轨道和中地球轨道中的任何适当结构。各飞行器106包括能够对一时间周期保持航空的任何适当结构，例如有人驾驶飞机或无从驾驶飞行器(UAV)。各陆上交通工具108包括能够在陆地行驶的任何适当结构，例如坦克、人员输送车或装甲车。各海上交通工具110包括能够在水上或水下行驶的任何适当结构，例如船舶或潜水艇。

如图1所示，各种通信链路112存在于网络100的节点102-110之间。这些通信链路112包括光通信链路，允许节点102-110相互进行光学通信。这些通信链路112还可包括射频(RF)、微波或其他非光学电磁通信链路，从而允许节点102-110使用非光学电磁波相互通信。简言之，所有非光学电磁通信链路称作RF链路。通信链路112可支持以任何适当速率(一个或多个)的数据传输。

按照本公开，节点102-110对相互的RF通信范围之内的节点支持空间灵活的FSP光束与RF网格网络配合使用。空间灵活性表示FSO光束能够快速地(例如在小于大约0.5秒或以下)从一个方向重新指向另一个方向，而无需清除连接两个方向的路径。除了光束从光学孔径来传送的行为之外，空间灵活性也适用于从其中光学孔径能够接收进入光束的方向。节点102-110中的光终端使用光学相控阵(OPA)或其他适当元件以电子方式控制其发射光束和接收光束方向。这允许节点102-110将其光通信指向和重新指向，以便沿不同方向光学地发送和接收数据。在与一个节点的通信恶化恶化或者中断时，发射光束和接收光束方向能够快速改变(例如在一秒的一小部分)，以允许与另一个节点的通信。这允许节点102-110非常迅速地绕过恶化或中断通信链路112重新路由业务，从而显著降低通信停滞时间和丢失数据。在一些实施例中，业务能够在大约10ms或者甚至以下重新路由绕过单个有故障通信链路，这比使用机械控制来再定位光束的常规系统要快许多。这提供FSO网络100中的“保护切换”。保护切换表示一种网络功能，其中节点响应某种条件、例如第一通信路径中的故障而从第一通信路径切换到第二通信路径。

虽然图1示出FSO通信网络100的一个示例，但是可对图1进行各种变更。例如，网络100无需包括图1所示的所有类型的节点102-110。使用灵活光束控制来支持保护切换的光通信可与任何适当(一种或多种)类型的节点一起使用。作为特定示例，光通信可以仅在飞行器之间或者仅在飞行器与地面或海上交通工具之间发生。任何单个节点类型或者多个节点类型的组合可使用这种功能性。

图2A示出按照本公开的FSO网络中的示例通信路径并且图2B示出按照本公开的关联RF/微波网络中的示例通信路径。具体来说，图2A和图2B示出包括多个飞行器106的网络中的示例通信路径。当然，图2A和图2B所示的网络可包括如图1所示的其他或附加(一种或多种)类型的节点。

图2A示出通过多个飞机(节点106)之间的光业务链路112a和光跟踪链路112b所形成的光通信网络的示例。节点之间的光通信速率可达到1Gbps、10Gbps或者甚至更高。如图2B所示，节点106之间的RF通信链路112c利用相同节点106构成平行或覆盖网络。覆盖网络能够用来以较低数据速率来传输与光通信网络相关的信息(例如控制平面数据)，当光通信链路出故障时传输某些数据，或者传输仅仅意在要在RF网络上携带的数据。RF网络能够是专门意在支持FSO网络的系统或者最初意在作为独立系统提供RF通信的网络。

在具体实施例中，在涉及节点102-110的业务链路112a上的主要光数据通信使用那个节点中的通信孔径发生，而可能的备选光通信链路使用那个节点中的较小并且费用较低的获取/跟踪孔径来识别和保持。这些获取/跟踪孔径保持与相邻节点的光跟踪链路112b。获取/跟踪孔径支持在通信孔径所使用的主要光链路恶化或者中断的情况下能够使用的潜在备用光链路的识别。如果主要光链路的恶化或中断发生，电子光束控制用来将通信孔径重定向到使用获取/跟踪孔径所跟踪的备选节点，使得快速建立备用光链路。获取/跟踪孔径的复杂度能够比通信孔径要小，因此获取/跟踪孔径能够具有比通信孔径更低的成本和大小、重量和功率(SWaP)特性。获取/跟踪孔径还能够提供关于潜在通信链路的质量的信息，供输入到路由计算算法。但是，如以下所述，单个通信孔径能够用来支持在主要光链路上的数据的传递以及潜在备用光链路的识别。

如图2A和图2B所示，节点106之间存在多种类型的光链路112。图2A中，光链路包括业务链路112a和跟踪链路112b。在能够建立业务链路112a之前，跟踪链路112b能够存在，以保持两个节点之间的准确指向方向。链路112a-112b和节点106的集合形成FSO网络，其是较大通信系统的子网络。在这个FSO网络中，光学相控阵(OPA)控制能够用于快速灵活的光束重新指向。业务链路112a通过光连接来传输高速率数据，并且表示用于在节点之间交换数据的光路径。跟踪链路112b表示如果现有通信链路恶化或丢失则可能潜在地转换为通信链路的路径。在一些实施例中，FSO网络中的各节点包括至少一个光终端。在具体实施例中，每个光终端可在任何时刻支持业务链路112a和多个跟踪链路112b。如以下所述，还有可能建立到当前没有使用链路112b来跟踪的节点的备用通信链路。

如图2B所示，各种RF链路112c也可存在于作为FSO网络的组成部分的相同节点106之间。链路112c表示节点之间的RF、微波或其他无线通信。链路112c和节点106形成同一较大通信系统的RF子网络。在具体实施例中，RF相控阵能够用来在每个孔径生成多个光束或者用于灵活控制以在多个节点之间跳跃光束，以便形成相互的范围之内的所有节点的网格网络。RF子网络可用作用于携带光链路状态信息(例如现在业务链路112a的状态、如跟踪链路112b所监测的潜在备用链路的预计性能以及RF范围之内不是经由任何链路112b以光学方式来跟踪的节点的位置和状态信息)的控制平面。RF子网络还可由没有光连接的节点用来保持相互接触。在一些实施例中，RF子网络可实现成专门支持FSO网络。在其他实施例中，RF子网络可以是现有RF网络或者其主要目的是携带RF通信业务的其他网络。

图3示出按照本公开的FSO网络中的保护切换的示例。在图2A和图2B所示的网络中，各节点包括至少一个主要路径(业务链路112a)和至少一个被监测的潜在备用路径(跟踪链路112b)。如果在业务链路112a上检测到故障，则节点的通信孔径能够使用电子控制来重新配置，以通过由跟踪链路112b所监测的路径来建立新业务链路112a。由于通过跟踪链路112b所连接的节点能够实时地保持其相对位置(指向方向)以及它们之间的路径的条件，所以其通信孔径朝彼此的重新指向以及它们之间的活动业务链路的建立能够很快地发生。

这个方面的示例在图3中示出，其中两个障碍物302-304已经干扰或中断各种节点之间的两个活动业务链路112a。结果，受影响节点使用由其跟踪链路112b所监测的一个或多个备选路径来建立新业务链路。在这个示例中，通过两个业务链路112a的阻碍所引起的中断能够通过建立单个新业务链路112a'来修复，从而有效地将环形网络的内容转换为线性网络。但是，情况不一定是这样，并且多个阻碍常常可要求更复杂的光束重定向以建立多个备用链路。一般来说，任何适当数量的备用业务链路112a'能够沿由跟踪链路112b所监测的路径来建立，以便保持FSO网络中的节点之间的通信。

在一些实施例中，专用获取/跟踪孔径能够在节点中用来连续跟踪并且向其他节点提供信标或其他信号，为了空间获取或者定位其他节点，并且随后保持那些节点之间的跟踪链路112b。这甚至在那些节点之间没有建立业务链路112a时也能够发生。由于光跟踪器可要求信标或其他信号进行跟踪(其能够处于通信波长)，所以在跟踪链路112b两端的节点是相互知道的，表示两个节点均能够指向它们彼此的信标，并且同时保持准确的相对位置。

在其他实施例中，跟踪功能性使用通信孔径，而不需要专用获取/跟踪孔径。在这些实施例中，能够通过在用以保持业务链路112a的节点与对潜在备用光链路112b所跟踪的那些节点之间暂时跳跃通信孔径的发射和接收方向，来更新跟踪数据。这可涉及极快的光束重新指向，以便保持业务链路112a上的高信息吞吐量。它还可涉及时间协调，使得信标源和信标接收器在适当时间相互瞄准。

如上所述，RF子网络能够用来在节点之间传送控制平面信息。控制平面信息根据实现能够包括多种信息。例如，控制平面信息能够包括用于在空间和时间上协调节点之间的短暂交互光束指向，表示允许节点将其光系统相互重新指向并且交换信标信号或其他信号。这个信息能够用来预先计划经过网络的活动光路径的备用路由。由于潜在链路的光学状态连续变化，保护路径计算能够连续执行。如果光业务链路112a不可用，则RF子网络也能够用来传输有限的优先级业务。RF子网络还能够用来传输与被监测的链路112a-112b有关的性能信息，并且提供与没有跟踪链路112b的节点有关的状态信息，使得跟踪链路112b在需要时能够迅速建立。在具体实施例中，节点包括RF相控阵天线，以生成/接收多个光束或者在多个节点之间跳跃单个光束。这提供RF终端硬件和较大数量的同时RF链路的有效使用。在其他实施例中，能够使用机械控制的RF定向天线。在又一些实施例中，能够使用全向RF定向天线。

在具体实施例中，节点可如下操作以操控业务链路112a中的退出：

(1)节点经由其在链路112a-112b上的现有光连接并且经由其RF链路112c来交换与其业务链路112a上的使用和备用容量有关的信息。能够对于仅使用现有业务链路112a上的备用容量的情况来计算用于重新路由被阻隔链路的业务的第一组计划。这是网络操作，因为对被阻隔业务存在端对端路径。为了支持这个方面，节点能够在任何中断之前交换信息并且聚合在备用路径上(例如按照与IP路由协议的操作相似的方式)。

(2)如果使用现有业务链路112a上的备用容量对一个或多个主要链路112a的潜在故障无法发现适当备用路径，则基于来自连接没有业务链路112a的节点的现有跟踪链路112b的信息来计算备用业务路径的第二组计划。这个控制平面信息能够直接在光连接上或者由RF子网络来提供。

(3)如果通过具有现有跟踪链路112b的路径不能发现适当备用路径，则结合仅使用RF链路112c所连接的节点来计算第三组计划。该第三组计划可要求一个或多个节点将其跟踪链路112b重定向到其他节点，直到能够建立与在上述步骤(2)所讨论的第二组计划对应的全网络范围的备用计划。没有通过跟踪链路112b所连接的节点的位置和状态能够由RF子网络来提供，RF子网络包括在那个时刻没有或者具有有限光连接的节点。

(4)为了保护切换，能够忽略短退出(例如小于0.1秒)。链路级缓和能够补偿这种类型的退出的部分或全部。最终用户能够忽略数据的丢失或者重传丢失数据。

(5)对于中间持续时间(例如从0.1秒至1秒)的退出，业务能够使用如在上述步骤(1)所计划的现有业务链路112a上的备用容量来重新路由。如果备用容量不充分但是备用路径存在，则能够丢弃较低优先级业务，以及较高优先级业务能够利用可用备用容量。如果没有备用路径对一些链路存在，则该过程能够转移到步骤(6)。

(6)对于超过所设置持续时间(例如1秒)的长退出或者对于没有现有备用路径的中间退出，业务链路能够重定向到如在上述步骤(2)或步骤(3)所确定的新路径上。虽然在极端情况下可需要步骤(3)的计划，但也许是备用路径的连续重新计算将允许使用来自步骤(2)的第二组计划而不是来自步骤(3)的第三组计划。理想地，现有跟踪链路112b上的备用业务路径的使用以及业务链路112a的切换能够以最小数据丢失快速地发生。

虽然图2A和图2B示出FSO网络中的通信路径的示例，但是可对图2A和图2B进行各种变更。例如，FSO网络可包括按照任何适当配置的任何数量和(一种或多种)类型的节点。另外，节点之间的链路112a-112c能够改变，并且可根据诸如环境条件、物理障碍物、业务条件和节点位置之类的各种因素不断变化。虽然图3示出FSO网络中的保护切换的一个示例，但是可对图3进行各种变更。再次，FSO网络可包括按照任何适当配置的任何数量和(一种或多种)类型的节点。另外，链路中断可在网络中在(一个或多个)任何位置并且按照优先级组合发生，从而需要与所示不同的业务链路的不同重新配置。此外，除了业务链路112a的任何变化之外，无论对业务链路112a或者跟踪链路112b的光路径的阻隔还可触发一个或多个跟踪链路112b的重新配置。

图4示出按照本公开、具有FSO和RF/微波能力两者的示例网络节点。具体来说，图4示出可位于FSO网络的网络节点的示例混合“光加RF”光终端400。终端400在这里可用于图1的FSO网络100的节点102-110的任一个中。终端400还可用于任何其他适当节点或者任何其他适当系统中。

如图4所示，终端400包括网络节点控制器402、RF系统或终端404、一个或多个光系统或终端406和网络处理器408。控制器402控制节点的整体操作，包括位于节点的终端404-406的操作。例如，控制器402可控制RF终端404和光终端406，以控制由终端400对数据的传输和接收。控制器402负责诸如终端的启动和关机、终端和链路状态的监测和报告、配置终端以及在由网络处理器408所指示时运行所计算并且存储在网络处理器408中的主要和备用路由计划之类的功能。控制器402包括用于控制通信终端的任何适当结构，例如包括至少一个微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路的处理系统。

网络处理器408进行操作以保持网络的拓扑以及节点和链路的状态。网络处理器408还参与备用路由的分布式计算并且存储结果。备用路由的计算可表示在多个节点400之间使用节点之间的协作和信息交换所执行的分布式过程。网络处理器408还判定在中断(其可以是本地或远程的)的情况下将要实现的缓和过程。另外，网络处理器408在RF终端404与可位于那个节点的一个或多个光终端406之间分配业务。处理器408包括用于支持网络组织的任何适当结构，例如包括至少一个微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路的处理系统。

RF终端404使用通过链路112c的RF通信来提供与其他节点的通信。RF终端404可专门设计成支持FSO网络的操作，或者它也可以是RF通信网络的一部分，其用来偶尔提供对FSO网络的支持。在这个示例中，RF终端404包括RF电子器件410、RF天线412和发现天线414。RF电子器件410执行用于生成供无线传输的信号或者用于处理无线接收的信号的各种功能。作为具体示例，RF电子器件410可包括滤波器、放大器、混合器、调制解调器或者用来生成和接收RF信号的其他组件。也可支持其他功能，例如防止多径衰落或者支持相控阵天线的使用的信号组合。RF电子器件410还可包括移动自组网络(MANET)和公共数据链路(CDL)功能性，其支持与多个其他节点的数据交换。RF电子器件410包括促进使用RF或其他无线电磁信号来与其他节点进行通信的任何适当结构。

RF天线412和发现天线414支持向/从其他节点的RF信号的传输/接收。在一些实施例中，RF天线412用来与其他节点进行通信，并且交换数据、例如控制平面信息，以及发现天线414用来定位和识别进入天线414的RF范围的新节点，为了建立RF通信。RF天线412包括用于向/从其他节点传递数据的任何适当结构，例如相控阵天线。发现天线414包括用于接收来自新节点的信号的任何适当结构，例如全向辐射器结构。注意，天线、例如相控阵天线的使用能够支持其他功能、例如光束形成，以便沿不同方向同时传送多个RF光束。

光终端406使用通过链路112a-112b的光通信来提供与其他节点的通信。在这个示例中，光系统406包括光收发器416、光具座418和电子光束控制组合件420。光收发器416一般进行操作以将数据转换为供传输的光信号，并且将所接收光信号转换为供进一步处理的数据。光收发器416包括用于将数据转换成光信号或者从光信号转换数据的任何适当结构，例如光调制解调器。注意，虽然在这里示出集成的光收发器，但是光收发器416可使用光发射器和独立光接收器来实现。

光具座418执行各种功能，以便处理向/从光收发器416所发送的光束。例如，光具座418可包括用于准直光线并且将光线定向到电子光束控制组合件420的组件。光具座418还可包括用于执行与获取/跟踪链路112b相关的跟踪功能的组件。光具座418包括用于改变向/从光收发器所发送的光束的任何适当结构。光具座418的示例实施例在图5A和图5B中示出，其如以下所述。

电子光束控制组合件420配置成控制外出发射束和进入接收束。电子光束控制组合件420因此能够改变发射光束方向和接收光束方向。发射光束方向表示外出光束背离终端400来传送的方向。接收光束方向表示进入光束在终端400被接收的方向。电子光束控制组合件420包括用于定向和重定向进入和外出光束的任何适当结构，例如一个或多个光相控阵和一个或多个衍射光栅。在美国专利No.7215472、美国专利No.7428100和美国专利发表No.2012/0081621(通过引用将其结合于此)中提供了用于电子光束控制组合件的可能设计。能够使用提供迅速灵活光束重新指向的任何其他光束控制设备。

图5A和图5B示出按照本公开的FSO光具座418的示例。如图5A和图5B所示，光具座418在光学上耦合到光收发器416中的一个或多个光发射器502和一个或多个光接收器504。如果波分复用(WDM)用于给定业务链路，则能够采用多个光发射器和接收器。每个光发射器502一般进行操作以生成供外出通信的光信号，以及每个光接收器504一般进行操作以将进入光信号转换为另一种形式(例如电信号)供进一步处理。附加组件可用于光收发器416中，例如光发射器502与光具座410之间的掺铒光纤放大器(EDFA)或者光接收器504与光具座418之间的光学自动增益控制(OAGC)放大器或低噪声光放大器。

图5A是适合提供通过业务链路112a的光通信(其经过通信孔径发生)的光具座418的示例，而光跟踪链路112b经过如上所述的独立获取/跟踪孔径来操作。在这个实施例中，电子光束控制组合件420A仅用于光业务链路112a，以及电子光束控制组合件420B仅用于跟踪链路112b。电子光束控制组合件420A-420B可具有相同或不同设计，这取决于例如对特定应用的成本和性能要求。

图5A中，光具座418包括一个或多个发射光纤准直仪506。准直仪506将来自光发射器502的在光纤中传播的光转换成自由空间中的准直光束。在一些实施例中，一个或多个差分控制元件508将(一个或多个)在适当方向的外出的准直光束定向到光双工器/复用器510。差分控制元件508的目的是补偿用于传输和接收的指向角的偏移。在其他实施例中，相同功能能够通过将差分控制元件508放置在接收器路径中来执行。差分控制元件508可包括任何类型的准确控制组件，例如微调控制镜或OPA。双工器/复用器510将发射和接收光束分离，以及如果使用WDM，则分离(用于接收)和组合(用于传送)不同波长信道。双工器/复用器510将(一个或多个)外出光束定向到电子光束控制组合件420A。

一个或多个进入光束在光双工器/复用器510从电子控制组合件420A来接收。双工器/复用器510将(一个或多个)进入光束定向到一个或多个接收光纤准直仪512。准直仪512将(一个或多个)进入光束的光线聚焦到光纤中，光纤将(一个或多个)光束传导到(一个或多个)光接收器504。

各准直仪506、512包括用于准直光线的任何适当结构。差分控制元件508包括用于沿预期方向定向光线的(一个或多个)任何适当结构。双工器/复用器510包括用于基于诸如极化、波长和传播方向之类的性质来为不同光束提供不同光路径的任何适当结构。在这个示例中，发射光束从控制元件508定向到控制组合件420A，而接收光束从控制组合件420A定向到准直仪512。在具体实施例中，双工器/复用器510包括WDM复用器/解复用器。

在图5A所示的实施例中，光具座418还包括获取/跟踪传感器514、跟踪信标源516和信标/传感器双工器518。信标能够使用电子光束控制组合件420B来定向到其他节点。获取/跟踪传感器514用来基于从另一个网络节点所接收的光束在光学上定位并且与那个节点建立链路112b。这通常经过称作空间获取(其经过准确闭环跟踪从方向的近似确定转变)的相互过程进行。一旦建立跟踪，将它作为跟踪链路112b来保持。可选地，业务链路112a能够使用控制组合件420A来添加到同一节点。空间获取和跟踪功能能够由同一传感器514或者由独立传感器514来执行。这类传感器514的示例包括象限检测器、焦平面阵列或者其他光位置或角度传感器。

跟踪信标源516生成信标，以便提供定向到远方节点的光束，以使远方节点能够获取和跟踪本地节点。信标源516可包括任何适当信标源，例如激光器，并且它可生成调制信号，以通过链路112b向远方节点提供低数据速率信息。这种信息的示例可包括本地节点的状态及其携带附加业务的能力。信标/传感器双工器518可用来按照与光双工器/复用器510相似的方式将外出信标与进入信标分离/组合。在其他实施例中，不需要信标/传感器双工器518，以及获取/跟踪传感器514和跟踪信标516各具有其自己的电子光束控制组合件420B。

在图5B所示的实施例中，光业务链路112a和跟踪链路112b均共享同一电子光束控制组合件420。如上所述，在这些实施例中，保持与多个节点的跟踪链路112b涉及使用电子光束控制组合件420迅速改变与业务链路112a关联的节点与对其将要保持(一个或多个)跟踪链路112b的(一个或多个)节点之间的通信孔径的发射/接收方向。虽然这涉及通信与跟踪功能之间的控制组合件420的时间共享，但是它减少所使用的组合件数量。电子光束控制组合件420能够在远方节点之间足够迅速地跳跃，以保持链路112b的准确跟踪信息，同时仍然保持(一个或多个)链路112a的充分业务携带容量。

在图5B的实施例中，业务链路112a的组合件和功能与图5A中差不多相同。一个差别是分束器/组合器520的引入，其用来将获取/跟踪传感器514和跟踪信标516耦合到控制组合件420所控制的单个孔径。分束器/组合器520分离进入光束(来自业务链路112a或跟踪链路112b)的一小部分，并且将它定向到获取/跟踪传感器514，其按照如图5A中相同的方式执行。分束器/组合器520还获取跟踪信标源516的输出，并且将它插入光束路径中供传送给远方节点。跟踪信标源516按照与图5A的实施例相似的方式执行，并且可被调制以提供数据。

在其他实施例(例如图5A或图5B的任一个的实施例)中，可从与业务链路112a关联的节点中省略信标源516。这是因为所传送的业务光束能够用于这个目的。

又一些实施例涉及图5A和图5B的组合，其中将图5B的分束器/组件器520添加到图5A的实施例。在这个配置中，电子光束控制组合件420B仅用来获取节点，并且支持没有经由业务链路112a与其进行通信的节点的跟踪链路112b。终端400使用业务链路112a的光束(经由分束器/组合器)，以用于跟踪与其进行通信的节点，以及它的发射业务光束用作信标。在这个实施例中，不需要跟踪信标源516与分束器/组合器520之间的连接，这释放一个获取/跟踪孔径以支持附加跟踪链路112b。

图6示出与终端400关联的孔径的示例布置600。如图6所示，布置600包括通信孔径602和多个获取/跟踪孔径604。孔径602表示经过其发送和接收包含业务链路112a的数据的光束的孔径。孔径604表示经过其发送和接收包含获取/跟踪链路112b的信标或其他信号的光束的孔径。

如这里所示，通信孔径602大于获取/跟踪孔径604。这是典型状况，因为高数据速率业务链路112a要求较大孔径和较高传输功率的组合，而跟踪链路112b因为它们采用窄带电子器件所以能够具有较小孔径和信标传输功率。孔径602-604的最佳大小能够根据特定应用而改变。孔径604的典型大小的范围可从1cm至5cm，而各孔径602的典型大小的范围可从2cm至30cm。美国专利发表No.2012/0081621(通过引用结合)提供电子光束控制组合件的很紧凑的设计，其使图6的孔径能够被紧密地装配。

虽然图4至图6示出FSO网络中的节点的示例细节，但是可对图4至图6进行各种变更。例如，图4至图6所示的功能划分仅为了便于说明。各图中的各种组件可重新排列、组合、进一步细分或者省略，以及附加组件可按照特定需要来添加。作为具体示例，电子光束控制组合件420可结合扩束能力，或者作为光具座418的一部分。

虽然图4至图7示出FSO网络中的节点的示例细节，但是可对图4至图7进行各种变更。例如，图4至图7所示的功能划分仅为了便于说明。各图中的各种组件可重新排列、组合、进一步细分或者省略，以及附加组件可按照特定需要来添加。作为具体示例，光束控制组合件422可结合到扩束望远镜420和/或光具座418中并且形成其一部分。

图7示出按照本公开、用于计算用于FSO网络中的保护切换的备用路径的示例方法700。为了帮助更有效地保持网络连通性并且使数据丢失降低或者为最小，方法700可连续迭代，以适应网络拓扑、业务模式和链路条件的变化。方法700的至少一个迭代可在保护切换能够执行之前完成。

在步骤702识别第一组备用路径。这可包括例如节点中的网络处理器408使用所建立业务链路112a的状态来识别备用容量。通过现有业务链路112a的备用容量的使用可表示用于绕过出故障业务链路重新路由业务的最快机制。假定这个步骤在步骤704成功识别充分重新路由路径，该过程能够对另一个迭代进行循环。这里的成功能够按照任何适当方式来测量，例如确定所识别备用路径针对没有共享与主要链路相同风险的业务容量和备用链路是否足够完全保护系统。

如果不是的话，则在步骤706识别第二组备用路径。这可包括例如节点中的网络处理器408使用具有跟踪链路112b而不是业务链路112a的节点之间的连接。将业务链路112a重定向到跟踪链路112可表示恢复服务的第二最快机制。假定这在步骤708成功识别充分重新路由路径，该过程能够对另一个迭代进行循环。

如果不是的话，则在步骤710识别第三组备用路径。这可包括例如节点中的网络处理器408使用RF链路112c来识别备用路径。因为这个备用计划本身可能没有产生迅速保护切换，所以之后接着步骤712，其中重定向没有与业务链路112a关联的跟踪链路，使得备用路径由跟踪链路112b来保持。该过程然后能够对另一个迭代循环。

虽然图7示出用于计算将要用于SFO网络中的保护切换的备用路径的方法700的一个示例，但是可对图7进行各种变更。例如，虽然示为一系列步骤，但是图7中的各种步骤可重叠、并行发生、按照不同顺序发生或者在一个过程循环中多次发生。另外，各种步骤可按照特定需要和应用来省略或添加。作为具体示例，任何适当技术或算法可用来选择哪些相邻节点经由业务链路112a和跟踪链路112b来链接以用于备用路径和最佳网络拓扑。

图8示出按照本公开、用于FSO网络中的保护切换的示例方法800。但是要注意，用于保护切换的其他机制也能够用于FSO系统中。方法800支持业务的重新路由，这可包括业务链路112a和跟踪链路112b的再定位，以便在链路阻隔或节点故障的情况下恢复端对端网络连通性。为了获得特别是关于速度的增加或最大效能，方法700的至少一个迭代可在执行方法800之前完成或者至少部分完成。虽然方法800能够易于使用图2A和图2A的示例网络来可视化，但是它一般适用于易受到因任何损害、例如气候相关链路阻隔和节点故障引起的业务中断的所有网络。

方法800开始于在步骤802的稳态的网络的拓扑。在这里，光业务链路112a、光跟踪链路112b和RF链路112c被建立并且在网络的节点之间进行操作。方法800的进展然后通过任何业务中断的持续时间来确定。

能够比较频繁地发生的短退出(例如小于0.1秒)在步骤804通过使用基于链路的缓和技术(例如前向纠错、交织、自适应光学和光学自动增益控制)来操控。步骤804可以不要求基于网络的缓和(尽管它可能要求)。

如果中断超过第一阈值(例如0.1秒)，则方法800进入步骤806，其中现有光业务链路上的备用容量用来绕过损害、例如被阻隔链路或停用节点来重新路由业务。如果可用的容量不足以携带所有被阻隔业务，则较低优先级业务可丢弃或者排队以供以后传输。

如果中断超过第二阈值(例如1秒)，则系统进入步骤808，其使光业务链路被重定向到先前建立的跟踪链路，以建立备用业务路径。使用电子光束控制，能够迅速(例如在小于50毫秒)建立新业务链路112a。步骤808假定方法700中的步骤706的成功完成，表示步骤808使用在方法800期间所计算的第二组备用路径。如果情况不是这样，则方法800进入步骤810，其中它等待第二或第三组备用路径的生成，在这点上，它使用备用路径来使光业务链路被重定向到先前建立的跟踪链路上。

在完成方法800之后，网络再次处于稳态。如果触发方法800的损害结束或者节点的位置充分变化，则网络可基于方法700的路径计算和方法800的过程主动自行重新配置到更有利拓扑。虽然图8提供示例阈值(0.1秒和1秒)，但是最佳值能够基于例如网络实现的细节来设置。

虽然图8示出FSO网络中的保护切换的方法800的一个示例，但是可对图8进行各种变更。例如，虽然示为一系列步骤，但是图8中的各种步骤可重叠、并行发生、按照不同顺序发生或者多次发生。另外，各种步骤可按照特定需要和应用来省略或添加。作为具体示例，图8示出一种方式，其中系统尝试通过下列步骤来解决故障：首先使用光链路缓和，然后通过现有业务链路重新路由，并且然后形成新业务链路。例如在光链路缓和出故障之后建立新业务链路时，在没有首先通过现有业务链路重新路由或者等待跟踪链路被建立的情况下，不要求这种方式。

在一些实施例中，通过由计算机可读程序代码组成的并且包含在计算机可读介质中的计算机程序来实现或支持以上所述的各种功能。词语“计算机可读程序代码”包括任何类型的计算机代码，其中包括源代码、对象代码和可执行代码。词语“计算机可读介质”包括能够由计算机存取的任何类型的介质，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、密致光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或者任何其他类型的存储器。“非暂时”计算机可读介质不包括传输暂时电或其他信号的有线、无线、光或其他通信链路。非暂时计算机可读介质包括其中能够永久存储数据的介质以及其中能够存储并且以后重写数据的介质、例如可重写光盘或者可擦存储器装置。

提出本专利文件中所用的单词和词语的定义会是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词表示无限制地包含。术语“或者”是包含在内的，表示和/或。词语“与…关联”以及其派生词可表示包括、包含在其中、与其互连、包含、包含在其中、连接到或者与其连接、耦合到或者与其耦合、与其可通信、与其协作、交织、并置、接近、绑定到或者与其绑定、具有、具有其性质、具有与其的关系等。词语“至少一个”在与项目列表配合使用时表示可使用所列项目的一个或多个的不同组合，并且可以仅需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C的至少一个”包括以下组合的任一个：A、B、C；A和B；A和C；B和C；以及A和B和C。

虽然本公开描述了某些实施例以及一般关联的方法，但是，本领域的技术人员将会清楚地知道这些实施例和方法的变更及置换。因此，示例实施例的以上描述不是限定或限制本公开。其他变更、替代和改变也是可行的，而没有背离以下权利要求书所定义的本公开的精神和范围。

Claims (22)

1.一种系统，包括：

网络，包括各配置用于自由空间光通信的多个网络节点；

其中各网络节点包括：

一个或多个孔径，经过其，通过光链路来传送和接收光束，所述光链路包括(i)在节点之间传输较高速率业务的业务链路以及(ii)传输用来建立和保持其他节点的位置知识的较低速率信号的获取/跟踪链路；

网络处理器，配置成确定经过所述网络的一个或多个备用路径；以及

光束控制单元，配置成把来自所述业务链路的光束重定向到所述获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

2.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点配置成通过所述业务链路和所述获取/跟踪链路向/从不同远程网络节点来传送和接收光束。

3.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点配置成通过较大量获取/跟踪链路和较少量业务链路进行通信。

4.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点配置成响应触发事件而重定向网络节点的业务链路和获取/跟踪链路的至少一个。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述触发事件包括所述网络节点的业务链路的阻隔或中断。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述网络节点之一中的所述触发事件包括那个网络节点中的所述网络处理器不能使用所述网络中的现有业务链路和现有获取/跟踪链路来识别充分备用路径。

7.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点中的所述光束控制单元配置成在大约50毫秒或更少之内把来自所述网络节点的业务链路的所述光束重定向到所述网络节点的获取/跟踪链路。

8.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点中的所述网络处理器配置成使用包括所述网络节点的多个节点之间的协作和信息交换的分布式过程来确定所述网络节点的所述一个或多个备用路径。

9.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点中的所述网络处理器配置成选择所述网络节点的业务链路和获取/跟踪链路的配置。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述获取/跟踪链路配置成携带网络节点之间的控制和状态信息。

11.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点的所述一个或多个孔径包括通信孔径，所述网络节点的业务链路的所述光束经过通信孔径。

12.如权利要求11所述的系统，其中，各网络节点的所述一个或多个孔径还包括至少一个获取/跟踪孔径，所述网络节点的获取/跟踪链路的所述光束经过获取/跟踪孔径。

13.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点的所述一个或多个孔径包括通信孔径，所述网络节点的业务链路和所述网络节点的获取/跟踪链路的所述光束经过其通信孔径。

14.如权利要求1所述的系统，其中，各网络节点还包括：

电磁通信系统，配置成使用非光学电磁波与其他网络节点进行通信；

其中各网络节点的所述电磁通信系统配置成传送和接收与光链路关联的信息以及其他网络节点的位置和状态信息。

15.如权利要求14所述的系统，其中，各网络节点中的所述电磁通信系统配置成与没有与网络节点进行光通信的其他网络节点进行通信。

16.一种设备，包括：

光通信终端，配置成参与与网络节点的自由空间光通信，所述光通信终端包括一个或多个孔径，经过孔径，通过光链路来传送和接收光束，所述光链路包括(i)传输较高速率业务的业务链路以及(ii)传输用来建立和保持所述网络节点的位置知识的较低速率信号的获取/跟踪链路；

网络处理器，配置成确定经过网络的一个或多个备用路径；以及

光束控制单元，配置成把来自所述业务链路的光束重定向到所述获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。

17.如权利要求16所述的设备，其中，所述设备配置成响应触发事件而重定向所述业务链路和所述获取/跟踪链路的至少一个。

18.如权利要求16所述的设备，其中，所述光束控制单元配置成在大约50毫秒或更少之内把来自所述业务链路的所述光束重定向到所述获取/跟踪链路上。

19.如权利要求16所述的设备，其中，所述一个或多个孔径包括所述业务链路的所述光束经过其的通信孔径。

20.如权利要求16所述的设备，其中，所述一个或多个孔径包括所述获取/跟踪链路的所述光束经过其的至少一个获取/跟踪孔径。

21.如权利要求16所述的设备，还包括：

电磁通信系统，配置成使用非光学电磁波与所述网络节点进行通信；

其中所述电磁通信系统配置成与没有与所述设备进行光通信的网络节点进行通信。

22.一种方法，包括：

在第一网络节点与第二网络节点进行光学通信，并且通过在光业务链路上传送和接收第一光束与所述第二网络节点交换数据；

在所述第一网络节点通过在光获取/跟踪链路上传送和接收第二光束以光学方式跟踪第三网络节点；

确定经过网络的一个或多个备用路径；以及

把来自所述业务链路的所述第一光束重定向到所述获取/跟踪链路上，以创建备用业务链路。