CN106341184B - 自由空间光通信网络及用于中继节点的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及自由空间光通信网络及用于中继节点的方法。一种自由空间光通信网络,包括串行光学通信中的中继节点的星群以形成光学路径。该中继节点被配置为将多个依赖于波长的光学弯管信道波长多路复用至光学路径中以及从光学路径中被波长多路复用出来。

Description

自由空间光通信网络及用于中继节点的方法
技术领域
本公开涉及自由空间光通信网络(free space optical communicationsnetwork)及用于自由空间光通信中继网络中的中继节点的方法。
背景技术
在具有弯管架构的自由空间光(FSO)通信网络中,经由光空间链路在中继节点之间传递数据。在每个中继节点处,数据被重新放大而不被调制或解调。
传统地,网络可包括第一中继节点、近邻中继节点(a near neighbor relaynode)以及次近邻中继节点(a next near neighbor relay node)。由第一交叉链路建立从第一中继节点到近邻节点的第一弯管信道(bent pipe channel),并且由第二交叉链路建立第一节点到次近邻节点的第二弯管信道。
发明内容
根据本文中的实施方式,自由空间光通信网络包括串行光学通信的中继节点的星群(constellation)以形成光学路径。该中继节点被配置为将多个依赖于波长(wavelength-dependent)的光学的弯管信道波长多路复用(wavelength-multiplex)至光学路径以及从光学路径中被波长多路复用出来。
根据本文中的另一实施方式,用于自由空间光通信中继网络的节点包括第一光学孔径(optical aperture)和第二光学孔径以及光学电路,该光学电路用于提供第一孔径与第二孔径之间的光学路径。光学电路包括光学分插多路复用器(optical add-dropmultiplexer),该光学分插多路复用器用于向光学路径添加具有特定波长的上行链路弯管信道并且从光学路径移开具有特定波长的弯管信道。
根据本文中的另一实施方式,一种用于自由空间光通信中继网络中的中继节点的方法包括在近邻之间形成光学路径。该光学路径包括被波长多路复用的多个依赖于波长的光学弯管信道。该弯管信道的第一子集的弯管信道根据波长而被从光学路径移开并且被向下链接。弯管信道的具有不同波长的第二子集经由上行链路被接收并且被添加至光学路径。
这些特征和功能可在各种实施方式中独立实现或者可结合在其他实施方式中。参考以下说明和附图能够看到这些实施方式的更多细节。
附图说明
图1是串行光学通信的包括中继节点的星群的自由空间光通信网络的图示。
图2是自由空间光通信网络中的弯管信道的光分插多路复用的图示。
图3是自由空间光通信网络中的数据重路由的图示。
图4A和图4B示出了具有每一中继节点的用户数量比图1的网络的用户数量多的自由空间光通信网络。
图5是用于自由空间光通信网络的中继节点的图示。
具体实施方式
参考图1,图1示出了自由空间光通信网络100。网络100包括中继节点120的星群110。优选地,中继节点120包括卫星,但是不限于此。例如,该中继节点120可包括高海拔飞机或气球或卫星或其任意组合。
诸如卫星的中继节点120不限于特定轨道。例如,卫星可处于低地球轨道(lowerearth orbit)(LEO)。然而,高海拔通常导致较长的接触时间和较少的配置。对地同步的地球轨道(geosynchronous earth orbit)(GEO)处的卫星通常具有最长的接触时间和最少重新配置。
星群110中的中继节点120不限于任意特定数量,但是应大于两个以实现下面所描述的优势。
每个中继节点120与一个或多个用户130通信。用户指的是向星群110上行传输和/或下行传输的任意实体。用户的实例包括但不限于地面站、机载平台、海基平台(sea-basedplatform)以及空基平台(space-based platform)(例如,星群110外部的卫星)。
对于每个中继节点120,它的用户130以不同波长向上传输,并且它们以不同波长向下传输。波长是分离的。网络100可使用来自国际电信同盟(ITU)网格的波长。
不同的用户130可处于不同的地理位置,或者多个用户130可处于大概相同的地理位置。波长的分离使得用户130能够几乎共同位于相同的地理位置上。
尽管图1示出每一中继节点120的四个用户130,但是用户130的数目不限于四个。每一中继节点120的用户130的实际数量取决于可获得的频谱和波长间隔。
星群110中的中继节点120处于串行光学通信中以形成光学路径140。该光学路径140包括中继节点120之间的光学链路。可经由激光通信(lasercom)建立两个中继节点120之间的每个光学链路。
星群110中的每个中继节点120具有至少一个近邻(near neighbor)和一个次近邻(next near neighbor)。每个中继节点120交叉链接至其一近邻(多个近邻)而不是其一次近邻(多个次近邻)。
图1示出串行光学通信的中继节点120以形成环结构。在该环结构中,每个中继节点120具有两个近邻和两个次近邻,但是仅交叉链接至两个近邻。
然而,该网络100不限于环结构。例如,中继节点120可处于串行光学通信中以形成线网络。在线网络中,并非所有中继节点120都具有两个近邻和两个次近邻。例如,每个端节点仅具有单个近邻和单个次近邻。此外,线网络的端节点不交叉链接。
中继节点120被配置为将多个光学弯管信道波长多路复用至光学路径140,并且将多个光学弯管信道从该光学路径140中波长多路复用出来。在每个弯管信道中,数据被重新放大而不是被调制或解调。
弯管信道是依赖于波长的。数据以特定波长被向上传输至中继节点120,并且沿着光学路径140的光学传输依赖于该波长。根据其波长,弯管信道可由中继节点120添加(add)、移开(drop)或通过(pass)中继节点120。每个中继节点120可使用光学分插多路复用器(OADM),以便向光学路径140添加弯管信道、从光学路径140移开弯管信道以及沿着光学路径140经过弯管信道。OADM被配置为根据弯管信道的波长添加、移开或通过该弯管信道。
OADM是无源设备。在替代方式中,可使用有源设备。
光学路径140中的多路复用的弯管信道的数目可为常量(constant)。例如,如果中继节点120从光学路径140移开弯管信道,则它还向光学路径140添加弯管信道。
在一些配置中,中继节点120可添加大量的弯管信道,而不移开相同数量的弯管信道。然而,光学路径140中的弯管信道的数目的增加将增加更高信号功率和/或更大孔径尺寸的总体终端需要。
光学路径140可以是双向的(bi-directional),由此弯管信道中的一些在一个方向上传送数据,并且其他弯管信道在反方向上传送数据。对于激光通信,在反方向上移动的光信号可用于对准(pointing)、捕获和跟踪。
上行链路的波长可确定弯管信道的波长。例如,每个中继节点120被配置为接收特定波长的上行链路并且添加该特定波长的弯管信道。
将特定弯管信道添加至光学路径140以及移开该弯管信道的中继节点120被预配置。一个中继节点120被配置为通过特定波长的上行链路接收数据。弯管信道被添加该特定波长的光学路径140,数据经由预配置跳数的弯管信道被发送至另一中继节点120,并且其他中继节点120被配置为通过下行链路发送数据。
考虑图1的实例。在该实例中,中继节点120包括星群110中的八个卫星SAT1至SAT8,并且用户130包括每一卫星的四个地面站(GS)。光学路径140包括八个光学链路,该光学路径140为双向并且光学路径140中的波长的数目恒定为六。奇数波长(λ1、λ3、λ5)在一个方向上(由点线表示)传播,并且偶数波长(λ2、λ4、λ6)在反方向上(由短划线表示)传播。这些波长可根据波长计划而被预分配。
每个卫星SAT1至SAT8具有两个近邻和两个次近邻。例如,卫星SAT2和SAT7是卫星SAT1的近邻,并且卫星SAT3和SAT6是卫星SAT1的次近邻。
现在考虑地面站GS2,该地面站GS2通过波长λ3的上行链路向卫星SAT1传输数据。卫星SAT1包括被配置为向光学路径140添加数据的OADM,由此添加具有波长λ3的弯管信道。数据以顺时针方向传输至卫星SAT2,该卫星SAT2的OADM被配置为传送数据。数据继续以顺时针方向传输至卫星SAT3,该卫星SAT3包括被配置为移开具有波长λ3的弯管信道的OADM。来自该移开的弯管信道的数据经由地面站(GS15)中继,该地面站被配置为以波长λ3向下传输。
地面站GS1、GS2、GS3以及GS4被配置为向上链接至卫星SAT1。地面站GS1仅可经由卫星SAT1、SAT8和SAT7以波长λ4向地面站GS37发送数据。地面站GS2仅可经由卫星SAT1、SAT2和SAT3以波长λ3向地面站GS15发送数据。地面站GS3仅可经由卫星SAT1和SAT8以波长λ2向地面站GS44发送数据。地面站GS4仅可经由卫星SAT1和SAT2以波长λ1向地面站GS10发送数据。
在地面站GS3和GS4处开始的弯管信道分别覆盖至附近的卫星SAT8和SAT2的单跳(single hop)。在地面站GS1和GS2处开始的弯管信道各自分别覆盖至近邻卫星SAT7和SAT3的两跳(two hops)。
网络100使得每个卫星SAT1至SAT8能够沿着单个光学路径140向其近邻和次近邻传递数据,而不必与次近邻建立交叉链路。因为从卫星到其近邻的链路范围小于从该卫星到其次近邻的链路范围,并且因为该近邻用作放大横跨至次近邻的信号的转发器(repeater),所以光学孔径尺寸可从用于直接交叉链接至次近邻所必需的尺寸降低,由此降低有效载荷尺寸、重量和电力。例如,用于交叉链接至卫星SAT2的SAT1的尺寸、重量和电力比用于交叉链接至卫星SAT3所必需的尺寸、重量和电力低。
图1的网络100中的其他弯管信道根据相同原理被添加和移开。现在考虑地面站GS22,该地面站以波长λ6通过上行传输向卫星SAT4传输数据。卫星SAT4包括被配置为向光学路径140添加具有波长λ6的弯管信道的OADM。弯管信道以逆时针方向传播至卫星SAT3,该卫星SAT3的OADM被配置为向卫星SAT2传送弯管信道。卫星SAT2的OADM被配置为移开具有波长λ6的弯管信道,并且将移开的弯管信道传输至地面站(GS7),该地面站被配置为用于波长λ6的下行链路。
表1总结了用于图1的网络100的弯管信道。表1中的每行表示弯管信道。信源和目的地指的是弯管信道开始和结束的地面站。
表1
Figure DA00010314015160525
Figure BDA0001031401510000071
Figure BDA0001031401510000081
Figure DA00010314015160544
图1的网络配置是静态的。每个弯管信道始终具有相同的信源和目的地。
在该实例中,利用了六个波长。光学路径140始终具有在一个方向上多路复用的三个弯管信道(奇数波长)以及在反方向上多路复用的另外三个弯管信道(偶数波长)。
在该实例中,弯管信道传播一跳或两跳。然而,在网络100的另一配置中,光学电路可被配置为使得某些弯管信道传播得多于两跳。
现在参考图2,其示出了将弯管信道光学分插多路复用至光学路径和将弯管信道从光学路径中光学分插多路复用出来。中继节点120经由第一光学链路210与其西边的近邻(未示出)通信,并且中继节点120经由第二光学链路220与其东边的近邻(未示出)通信。第一中继节点120包括第一OADM 230,该第一OADM经由第一光学链路210接收具有波长λ1、λ3和λ5的弯管信道。第一OADM 230被配置为移开具有波长λ1的弯管信道,并且添加具有波长λ1的弯管信道。第一OADM 230向第二光学链路220发送具有波长λ1、λ3和λ5的弯管信道。因此,数据从西流向东。
第一中继节点120包括第二OADM 240,该第二OADM经由第二光学链路220接收具有波长λ2、λ4和λ6的弯管信道。第二OADM 240被配置为移开具有波长λ4的弯管信道,并且添加具有波长λ4的弯管信道。第二OADM 240向第一光学链路210发送具有波长λ2、λ4和λ6的弯管信道。因此,数据从东流向西。
再次参考图1。在图1的网络中,每个信源经由弯管信道向目的地发送数据。然而,网络100的另一配置可使用备份弯管信道(backup bent pipe channel)。备份弯管信道可用于地面站故障时的数据再路由。
现在参考图3,其示出了具有备份弯管信道的网络100中的数据的再路由。考虑地面站GS2,该地面站GS2以波长λ3向卫星SAT1向上传输数据(该数据将经由卫星SAT2和SAT3达到地面站GS15)。如果在地面站GS2处出现故障,地面站GS2处的数据可复制且经由陆地装置310传递至地面站GS4。随后,地面站GS4以波长λ7将该传递的数据向上传输至卫星SAT1。卫星SAT2被配置为向卫星SAT3传递数据,该卫星SAT3被配置为移开具有波长λ7的弯管信道并且向地面站GS15发送移开的弯管信道。一旦已经建立具有地面站GS15的备份弯管信道,可终止地面站GS2与GS15之间的弯管信道。
现在考虑地面站GS1,该地面站GS1经由具有波长λ1的弯管信道向地面站GS10发送数据。如果地面站GS10将要引发故障,地面站GS10处的数据可复制且以波长λ9另外地向上传输至卫星SAT1。卫星SAT1和SAT2被配置为形成具有地面站GS8的备份弯管信道。一旦在地面站GS10处出现故障,数据经由陆地装置320从地面站GS8传递至地面站GS10。
每一中继节点120的用户数量不限于四个。图4A和图4B示出六个用户被分配至每一中继节点120的实例,因此,使得图4A和图4B的网络的容量比图1的网络的容量更高。
现在参考图4A和图4B,它们示出了配置为用于每一卫星SAT1至SAT8的六个用户的网络100。图4A和图4B的网络100一共利用了十个波长。偶数波长(λ2、λ4、λ6、λ8和λ10)沿光学路径140在第一方向上发送,并且奇数波长(λ1、λ3、λ5、λ7和λ9)沿光学路径140在第二反方向上发送。
现在参考图5,其示出了诸如卫星的中继节点120的光学有效载荷500。有效载荷500包括第一万向架光学孔径510和第二万向架光学孔径512(例如,万向架望远镜和光学器件)。每个光学孔径510和512保持与附近卫星的光学链接。
第一光学孔径510与第二光学孔径512之间的光学电路在相对的第一方向和第二方向上发送弯管信道。在第一方向上,由第一光学孔径510接收的光学链路由第一低噪声放大器(LNA)520放大,并且发送至第一OADM 530。包括多路复用的弯管信道的第一OADM 530的输出由高功率放大器(HPA)540放大,并且通过第二光学孔径512传输。在第二方向中,由第二光学孔径512接收的光学链路通过第二LNA 522放大,并且发送至第二OADM 532。第二OADM 532的输出通过第二HPA 542放大,并且通过第一光学孔径510传输。可使用标准LNA520和522以及HPA 540和542,除了它们被配置为用于比单个波长放大器更宽的频谱。可通过拓宽光学滤波器带宽或提供匹配ITU电网信道间隔的梳状滤波器而使频谱变宽。
有效载荷(payload)500进一步包括:第三光学孔径514,该第三光学孔径用于将信号向上传输至第一OADM 530并且由第一OADM 530移开向下传输的信号;以及第四光学孔径516,该第四光学孔径用于将信号向上传输至第二OADM 532,并且向下传输由第二OADM 532移开的信号。向上链接至第三光学孔径514的每个弯管信道可由第三LNA 524放大,并且在向下传输之前,由第一OADM 530移开的每个弯管信道可由第三HPA 544放大。相似地,向上传输至第四光学孔径516的每个弯管信道可由第四LNA 526放大,并且在向下传输之前,由第二OADM 532移开的每个弯管信道可由第四HPA 546放大。
在有效载荷500中,未执行光到电到光的转换(optical to electrical-to-optical conversion)。在没有电到光的转换的情况下,有效载荷500降低了硬件零件计数、尺寸、重量、电力和成本。
有效载荷500的光学端子比常规有效载荷的光学端子更少,常规有效载荷交叉链接至其近邻和次近邻。然而,常规有效载荷包括四个光学孔径,用于交叉链接至其近邻和次近邻,该有效载荷500仅具有两个光学孔径510和512以及相关联的光学电路,该光学电路用于交叉链接至其次近邻。用于交叉连接至次近邻的光学孔径通常大于光学孔径510和512,用于交叉链接至近邻。因此,有效载荷500比常规有效载荷更小、更轻且更便宜。
此外,本公开包括根据下列项的实施方式:
项1:一种自由空间光通信网络,包括串行光学通信中的中继节点的星群以形成光学路径,该中继节点被配置为将多个依赖于波长的光学弯管信道波长多路复用至光学路径中以及从光学路径中被波长多路复用出来。
项2:根据项1所述的网络,其中,该中继节点中的每一个与次近邻通信而没有交叉链接至次近邻。
项3:根据项1所述的网络,其中,中继节点串行连接以形成环结构。
项4:根据项1所述的网络,其中,在每个弯管信道上传输的数据被重新放大但不被调制或解调。
项5:根据项1所述的网络,其中,中继节点被预配置为根据信道波长移开、添加和经过弯管信道,从而网络中的弯管信道的信源和目的地是静态的。
项6:根据项5所述的网络,其中,在弯管信道中的至少一些在被移开之前传播至少两跳。
项7:根据项1所述的网络,其中,每个中继节点与波长分离的多个用户通信。
项8:根据项7所述的网络,其中,每个中继节点被配置为以特定波长接收上行传输并且添加该特定波长处的弯管信道。
项9:根据项7所述的网络,其中,中继节点中的至少一些被配置为经由备份依赖于波长的弯管信道向用户发送数据。
项10:根据项1所述的网络,其中,该光学路径中的弯管信道是恒定的数量。
项11:根据项1所述的网络,其中,中继节点包括光学分插多路复用器,以便将该弯管信道添加至该光学路径中以及从该光学路径中移开该弯管信道。
项12:根据项1所述的网络,其中,光学路径是双向的,并且其中,弯管信道中的一些在第一方向上传送数据并且其他弯管信道在相反的第二方向上传送数据。
项13:根据项12所述的网络,其中,中继节点包括卫星,并且其中,每个卫星包括:第一光分插多路复用器(OADM),该第一光分插多路复用器用于在第一方向上沿光学路径发送数据;以及第二OADM,该第二OADM用于在第二方向上沿光学路径发送数据。
项14:根据项13所述的网络,其中,每个卫星进一步包括:第一孔径和第二孔径,该第一孔径和第二孔径分别与第一OADM和第二OADM进行光学通信,用于建立与近邻的光学链路;以及第三光学孔径和第四光学孔径,该第三光学孔径和第四光学孔径分别与第一OADM和第二OADM进行光学通信,用于建立地面站通信。
项15:一种用于自由空间光通信中继网络的节点,该节点包括:第一光学孔径和第二光学孔径;以及光学电路,该光学电路用于提供第一孔径与第二孔径之间的光学路径,该光学电路包括光分插多路复用器,该光分插多路复用器用于将具有特定波长的上行链路弯管信道添加至光学路径并且从光学路径移开具有特定波长的弯管信道。
项16:根据项15所述的节点,其中,光学路径是双向的。
项17:根据项15所述的节点,其中,光学分插多路复用器(OADM)是用于在第一方向上沿光学路径发送数据的第一OADM;并且其中,光学电路进一步包括用于在相反的第二方向上沿光学路径发送数据的第二OADM。
项18:根据项17所述的节点,其中,光学电路进一步包括:第三光学孔径,该第三光学孔径用于将信号向上传输至第一OADM并且向下传输由第一OADM移开的信号;以及第四光学孔径,该第四光学孔径用于将信号向上传输至第二OADM并且向下传输由第二OADM移开的信号。
项19:根据项15所述的节点,其中,该节点为卫星。
项20:一种用于自由空间光通信中继网络中的中继节点的方法,该方法包括在近邻之间形成光学路径,该光学路径包括被波长多路复用的多个依赖于波长的光学弯管信道,其中,该弯管信道中的第一子集的弯管信道根据波长而被从光学路径移开并且被向下链接,并且其中,该弯管信道的具有不同波长的第二子集经由上行链路被接收并且被添加至光学路径。

Claims (15)

1.一种自由空间光通信网络(100),包括串行光学通信中的中继节点(120)的星群(110)以形成光学路径(140),所述中继节点被配置为将多个依赖于波长的光学的弯管信道波长多路复用至所述光学路径中以及从所述光学路径中被波长多路复用出来,其中,每个所述中继节点包括第一光分插多路复用器,用于在第一方向上沿光学路径发送数据;以及第二光分插多路复用器,用于在第二方向上沿光学路径发送数据,其中,每个所述中继节点进一步包括第一孔径和第二孔径,所述第一孔径和所述第二孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立与近邻的光学链路;以及第三光学孔径和第四光学孔径,所述第三光学孔径和所述第四光学孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立地面站通信。
2.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,所述中继节点中的每一个在没有交叉链接至次近邻的情况下与所述次近邻通信。
3.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,所述中继节点串行连接以形成环结构。
4.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,在每个所述弯管信道上传输的数据被重新放大但不被调制或解调。
5.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,所述中继节点被预配置为根据信道波长移开、添加和经过所述弯管信道,从而所述自由空间光通信网络中的所述弯管信道的信源和目的地是静态的。
6.根据权利要求5所述的自由空间光通信网络,其中,在所述弯管信道中的至少一些在被移开之前传播至少两跳。
7.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,每个所述中继节点与波长分离的多个用户(130)通信。
8.根据权利要求7所述的自由空间光通信网络,其中,每个所述中继节点被配置为以特定波长接收上行传输并且添加该特定波长处的弯管信道。
9.根据权利要求7所述的自由空间光通信网络,其中,所述中继节点中的至少一些被配置为经由备份依赖于波长的弯管信道向用户发送数据。
10.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,所述光学路径中的所述弯管信道是恒定的数量。
11.根据权利要求1所述的自由空间光通信网络,其中,所述光学路径是双向的,并且其中,所述弯管信道中的一些在第一方向上传送数据并且其他所述弯管信道在相反的第二方向上传送数据。
12.一种用于自由空间光通信中继网络的节点,所述节点包括:第一光学孔径和第二光学孔径;以及光学电路,所述光学电路用于提供所述第一光学孔径与所述第二光学孔径之间的光学路径,所述光学电路包括光分插多路复用器,所述光分插多路复用器用于将具有特定波长的上行链路弯管信道添加至所述光学路径并且从所述光学路径移开具有特定波长的弯管信道,所述光分插多路复用器包括第一光分插多路复用器,用于在第一方向上沿光学路径发送数据;以及第二光分插多路复用器,用于在第二方向上沿光学路径发送数据,其中,所述第一光学孔径和所述第二光学孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立与近邻的光学链路;其中,所述节点还包括第三光学孔径和第四光学孔径,所述第三光学孔径和所述第四光学孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立地面站通信。
13.根据权利要求12所述的节点,其中,所述第三光学孔径用于将信号向上传输至所述第一光分插多路复用器并且向下传输由所述第一光分插多路复用器移开的信号;以及所述第四光学孔径用于将信号向上传输至所述第二光分插多路复用器并且向下传输由所述第二光分插多路复用器移开的信号。
14.根据权利要求12所述的节点,其中,所述节点为卫星。
15.一种用于自由空间光通信中继网络(100)中的中继节点(120)的方法,其中,所述中继节点包括第一光分插多路复用器,用于在第一方向上沿光学路径发送数据;以及第二光分插多路复用器,用于在第二方向上沿光学路径发送数据,其中,每个所述中继节点进一步包括第一孔径和第二孔径,所述第一孔径和所述第二孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立与近邻的光学链路;以及第三光学孔径和第四光学孔径,所述第三光学孔径和所述第四光学孔径分别与所述第一光分插多路复用器和所述第二光分插多路复用器进行光学通信,用于建立地面站通信,所述方法包括在近邻之间形成光学路径(140),所述光学路径包括被波长多路复用的多个依赖于波长的光学弯管信道,其中,所述弯管信道的第一子集的弯管信道根据波长而被从所述光学路径移开并且被向下链接,并且其中,所述弯管信道的具有不同波长的第二子集经由上行链路被接收并且被添加至所述光学路径。
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