CN1318236A

CN1318236A - 通过自由空间发送和接收数据的光通信系统

Info

Publication number: CN1318236A
Application number: CN99811004A
Authority: CN
Inventors: C·G·阿马顿; A·D·克罗宁; C·S·埃利奥特; R·D·拉利森; J·C·斯特文斯; K·兹坎; J·舒斯特尔; M·普拉特; J·怀尔; J·维布
Original assignee: TERABEAM NETWORKS Inc
Current assignee: TERABEAM NETWORKS Inc
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-10-17
Also published as: PL346368A1; WO2000004660A8; AU773035B2; WO2000004660A9; BR9912826A; AU5213099A; WO2000004660A2; CA2337763A1; EP1095473A2; ID28657A; KR20010071931A; WO2000004660A3; TR200100102T2; IL140896A0; JP2002521856A

Abstract

描述了用于通过自由空间联网的高速数据通信的系统和方法。该系统包括一个或多个中央网络，它包含用高速数据调制的一个或多个激光器，用激光照射中央网络周围的、其中有一个或多个用户网络的区域。来自中央网络的激光产生辐射方向图，它被分割成水平的和垂直的扇区，还被分成用于每个波长的信道。来自用户网络的数据调制激光器，后者以准直的光束通过自由空间发送返回到中央网络，并被中央网络接收。通信可以是点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点方式，以及点对多点通信可以是广播、联播、或多址传播。

Description

通过自由空间发送和接收数据的光通信系统

技术领域

本发明总的涉及数据通信系统，具体地，涉及自由空间光数据通信系统。

发明背景

现有的电信系统对于提供传统的电信业务是有用的，但一般被限于相对地低速度、低容量的应用。例如，标准电话线被限制于每条电话线大约每秒60千比特(1kbps)的数据率，公知的综合业务数字网(ISDN)业务提供高达128kbps的数据率，以及非对称数字用户线(ADSL)业务被限制于每秒8兆比特(Mbps)的数据率。同样地，传统的卫星网络可以以高达每个卫星30Mbps传送数据到最终用户，以及本地多点分布业务(LMDS)呈现为具有每2公里小区的大约每秒4到8千兆比特(Gbps)的上限。这些数据率，特别是在多个用户之间被划分时，立即被证明不足以供许多现代应用(诸如视频电视会议和多媒体应用)使用。

因为典型的个人计算机可以通过以太网以超过100Mbps的数据率发送和接收数据，所以个人和商业等可以找到令人感兴趣的适应这种数据率的电信业务。例如，许多顾客可能希望高速数据通信，以便用于互联网和万维网、高分辨率视频电视会议、视频电话、多个千兆字节的大型文件传送等等。这意味着，电信业务提供者为了今天的全球竞争环境兴旺繁荣，必须使任何未来的电信系统以合理的成本来满足这些要求。

附图简述

图1A是适合于实施一个实施例的通信系统的方框图。

图1B是显示图1A的通信系统的一侧的立体图。

图2是使用图1B的通信系统的、用于下行链路传输的示例性中央网络部件的方框图。

图2A是示例性中央系统控制器发送功能的流程图。

图3是示例性用户网络下行链路部件的方框图。

图3A是示例性用户系统控制器发送功能的流程图。

图3B是示例性用户系统控制器接收功能的流程图。

图4是示例性中央下行链路信号处理器部件的方框图。

图5是示例性用户下行链路信号处理器部件的方框图。

图6是示例性下行链路数据发送和接收处理过程的流程图。

图7是示例性用户网络上行链路发送部件的方框图。

图8是示例性中央网络上行链路接收部件的方框图。

图9是示例性用户上行链路信号处理器部件的方框图。

图10是示例性中央网络上行链路部件的方框图。

图11是上行链路数据发送和接收处理过程的流程图。

图12是适用于图1A的通信系统的数据分组。

图13显示示例性的具有扇区化的传输点。

图14显示在图2的示例性中央网络部件中的中央发送天线产生的各种适用的辐射方向图的例子。

图15显示由图13的扇区化产生的示例性地形结构。

图16是显示示例性多址传播处理过程的流程图。

图17显示示例性中央输入/输出接口。

图18是显示图1A和1B的通信系统的替换实施例的方框图。

在图上，相同的参考数字是指相同的单元。此外，在参考数字中最高位数字是指首先介绍该单元的图(例如，单元204是首先在图2上介绍的)。

示例性实施例详细说明

这里描述通信系统，特别是用于自由空间中光通信的系统和方法。在以下的说明中，阐述了用于发送、接收、和处理高速度数据的各种具体细节，诸如，特定的符号和关系、特定的方法和结构等等。然而，本领域技术人员将容易看到，本发明可以不用一个或多个特定的细节，或用其它方法和结构等实施。在其它情况下，公知的结构或操作不再详细地显示，以免遮盖了本实施例的说明。

本发明的实施例是针对用于通过自由空间的、联网的、高速双向数据通信的系统、方法和互联的设备，它具有一个或多个位于中央的发送/接收站，它们使用以加密的高速(10Mbps-10Gbps)数据和控制信号调制的一个或多个激光器，以便用激光照射围绕位于中央的发送/接收站的部分或全部区域。围绕位于中央的发送/接收站的、照射的区域包括一个或多个用户光接收机，后者具有光收集与滤波单元、有源跟踪装置、光检测器、和解复用和译码电路，它们接收和选择部分的位于中央的发送/接收站激光高速数据流，以便将其输出到用户光收发信机接口输出端，后者进而可以通过高速网络连接而被连接到用户设备。

从100Mbps的兆比特以太网上的用户设备进来的数据被送到用户光收发信机接口输入端，以及用来调制在用户光收发信机中所配置的激光器。用户光收发信机把准直的激光束通过自由空间发送回中央发送/接收站，其中准直的激光束被光收集与滤波单元和有源跟踪矩阵检测器接收，在此，对数据进行检测并送到数据路由电路去。数据路由电路把数据通过高速的自由空间光骨干网络-网络链路而路由到位于一个中央发送/接收站区域内或位于其它中央发送/接收站区域内的节点地址，或者把数据送到连接到中央发送/接收站路由电路的其它网络上的任何地方。

中央发送/接收站路由电路通过把该数据编码成由各自的用户光收发信机检测的、特定的中央发送/接收站激光器的高速数据流，也把进入的寻址的数据路由到任何的或所有的光收发信机。激光束以各种辐射图案对准中央发送/接收站周围的区域。辐射图案在水平方向上(或径向上)或垂直方向上(或仰角上)分成扇区。扇区可进一步被再分成几个波长信道。当然，本领域技术人员将会看到，本发明并不限于本实施例。而是，本发明支持各种实施例，其中某些实施例将在下面更详细地加以描述。

通信系统

图1A是适合于实施一个实施例的通信系统100的方框图。通信系统100可被认为是具有一组互联的网络的分级系统，其中每个网络是通信系统100的一个节点，以及其中每个网络被互联。例如，通信系统100可包括作为节点的一个或多个中央网络102、用户网络104、和/或外围网络105。

数据在网络之间交换。在本发明的一个实施例中，数据通过使用成形的和发散的相干光束(或光锥)106从中央网络102发送到用户网络104，以及数据通过使用准直的光束108从用户网络104发送到中央网络102。每个单独的网络也可包括与较低级别节点(或网络单元)互相有关的子系统的分级结构。数据在网络之间点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点地交换，以及点对多点通信可以是广播，多址传播，或联播。

例如，在点对点通信期间，中央网络102或它们的较低级别节点中的任一个节点可以把数据从本身发送到用户网络104或外围网络105中的任一个节点。同样地，中央网络102或它们的较低级别的节点中的任一个节点可以接收来自用户网络104或它们的较低级别的节点中的任一个节点的数据、以及来自外围网络105或它们的较低级别的节点中的任一个节点的数据。

在点对多点通信期间，中央网络102或它们的较低级别的节点中的任一个节点可以基本上同时地把数据从本身发送到几个用户网络104或它们的较低级别节点。中央网络102或它们的较低级别节点中的任一个节点可以基本上同时地把数据从本身发送到几个外围网络105或它们的较低级别节点。同样地，中央网络102或它们的较低级别节点中的任一个节点可以基本上同时地接收来自用户网络104或它们的较低级别节点中的任一个节点的数据，以及基本上同时地接收来自外围网络105或它们的较低级别节点中的任一个节点的数据。

通信系统100的分级结构可以以彼此互联的网络为特征，如图1A所示。该实施例不需要外围网络105与用户网络104被互联或中央网络102被连接到外围网络105和用户网络104。而且，中央网络102可以彼此互联，以使得数据在各个中央网络102之间传输，而不传送通过外围网络105或用户网络104。这个特定的实施例通过允许中央网络载送它们自己的骨干业务而减小运行的费用，而不像无线网将它们所有的带宽提供给用户网络。

在本发明的一个实施例中，用户网络104由预订了外围网络105和/或中央网络102的用户操作，以便在客户机-服务器环境中发送和接收数据。用户可以位于制造厂、多国公司、金融研究所或例如具有安放网络部件的建筑物的大学。在这种情况下，中央网络102、用户网络104、和外围网络105使“客户机”系统与“服务器”系统相连接，以使得服务器系统可以响应于客户机系统的请求执行计算、检索文件、或针对特定的项目搜索数据库。具体类型的客户机-服务器环境对于实施例是不重要的。本领域技术人员将会看到，这些实施例可被实施于其它的客户机-服务器环境，诸如，航空公司航班定票系统、汇票设施等。

外围网络105可以是由公共运载者运行的任何互联的网络，包括公共交换电话网(PSTN)、提供本地电信业务的本地交换机载体(LEC)网络、提供长途电信业务的交换局运载者(IXC)网络、卫星网、增值网络(例如，提供拨号股票市场报价业务、电子邮件业务等等)。替换地，外围网络105可以是用作为虚拟网络的网络集合，包括互联网，万维网等等。外围网络105也包括数据通信网络，诸如局域网(LAN)、城域网(MAN)、或宽域网(WAN)。当然，本领域技术人员将会看到，本实施例不需要特定类型的外围网络105。相反，可以使用任何类型的外围网络105。

在一个实施例中，中央网络102、用户网络104、和外围网络105利用同步光网络(SONET)技术，它是一种允许来自多个零售商的传输产品的交互工作的光接口标准。也就是，当通信系统100实施SONET技术时，网络的互联使得能够进行全世界范围的数据通信。而且，当通信系统100实施SONET技术时，可以实现理想地适用于管理基于光纤的信号、并且同时允许容易提取较低速率的信号的、新的数字分级结构。这些包括统一的操作和维护以及考虑到用于提供未来业务的灵活性。

在一个替换的实施例中，中央网络102、用户网络104、和外围网络105利用千兆比特以太网(Gigabit Ethernet)技术，它是一种允许来自多个零售商的传输产品的交互工作的光接口标准。也就是，当通信系统100实施Gigabit Ethernet技术时，网络的互联使得能够进行全世界范围的数据通信，特别是实时话音和视频以及高终端服务器支持。而且，当通信系统100实施Gigabit Ethernet技术时，可以实现理想地适用于管理基于光纤的信号、并且同时允许容易提取较低速率的信号的、新的数字分级结构。这些包括统一的操纵和维护以及提供允许未来业务的灵活性。

图1B是显示通信系统100的一侧的立体图，其中数据通过使用光锥106a-c和准直的光束108a-c在自由空间在中央网络102与用户网络104之间交换。在一个实施例中，光锥106a-c是成形的和发散的相干光束，诸如辐射的模拟发射的光放大，或“激光”束。激光束是定向的，它可以工作在电磁频谱的“光”区域中的波长范围内，包括可见光、近红外光和红外光。当光锥106a-c是激光束时，光锥106a-c适应高比特速率、高功率、高耦合效率、直接高频调制、和长的距离运行。在一个实施例中，光锥106a-c是符合美国国家标准局(ANSI)标准的、对眼睛安全的、第一类激光束。在替换的实施例中，光锥106a-c是按照其它ANSI标准运行的。

特定波长的激光束的使用提供了具有在大气层中的非常低的衰减(或功率损耗)的高的带宽。而且，使用激光束，允许与SONET结构互联，以高速度在当前可提供的、流行的数据传输设备的、典型的中央网络102之间运行。而且，在本实施例中，使用SONET协议允许在T-1容量的已知的部分的任意带宽分配。也就是，当通信系统100利用SONET来使用激光束时，它可以使具有1.544Mbps容量的数字传输链路适应远距离的许多不同的用户。

通信系统100的一个实施例使用具有大约1550nm波长的红外激光器。当然，本领域技术人员将会看到，在电磁频谱的光区域中的一个具体的波长并是本实施例所要求的。相反，可以使用光域中的任何波长。

光锥106a-c和准直的光束108a-c可以通过使用任何可适当地成形、滤光和发散或对准光的公知全息摄影光元件而产生。例如，光束成形可以通过使用衍射光栅、透镜、全息摄影光元件、或其它标准光束成形光学器件而完成。在各种信道化方案中使用的、波长过滤也可以通过使用各种标准的光元件(诸如干涉滤光器、衍射光栅或棱镜)而达到。

正如下面更充分地描述的，在一个实施例中的光锥106a-c比特速率可以是在10Mbps和10Gbps之间(含10Mbps和10Gbps)。当然，本领域技术人员将会看到，特定的数据速率对于本实施例并不是必须的。也就是，本发明的实施例支持任何数目的数据速率。

正如对于光锥106a-c的情况，准直的光束108a-c也可以是激光束或在电磁频谱的“光”域中的波长的任何光束，包括可见光、近红外光和红外光。对准可以以公知的方式，诸如通过使用衍射光栅、透镜、或其它标准波束成形光学器件而被完成。

当然，本领域技术人员将会看到，虽然通信系统100内的多种通信涉及极高速度的广播数字数据的无线交换，但通信网络100也支持传统的数据通信方法，诸如电话线。例如，中央网络102可以通过使用光锥106a以极高的速度发送互联网视频数据到用户网络104，并且经过标准电话线进行从用户网络104到中央网络102的返回传送。这可以是当互联网数据是图形和文本以及用户数据是信用卡信息时的情形。这也可以是当互联网数据是图形和文本以及用户数据是用户鉴权信息时的情形。

而且，本领域技术人员将会看到，虽然通信系统100可以涉及极高速度的广播数字数据的无线交换，但通信系统100也可以使用其它数据速率。也就是，通信系统100可以以与所提供的业务类型、请求的业务的质量、被发送的和/或接收的信息的类型等相当的数据速率进行通信。

下行链路发送和接收结构

图2是示例性中央网络102下行链路发送部件的方框图。在本实施例中，外围网络105通过中央路由器/交换机204、中央下行链路信号处理器206、和中央发送天线208发送用于传输的数据到用户网络104。中央系统控制器210控制中央路由器/交换机204、中央下行链路信号处理器206的运行。通常地，数据沿着粗的互联线行进，虽然其它命令、控制信号等沿着细的互联线行进。数据和其它命令、控制信号等也可以分别在粗的和细的互联线上行进。

为了说明起见，对于图2的实施例的某些方面只描述了一个中央网络102。应当看到，本实施例预期一个或多个中央网络102。

中央路由器/交换机204把中央网络102连接到外围网络105和用户网络104，使得数据能够在它们之间进行交换。中央路由器/交换机204可以把网络接口控制器(NIC)、软盘控制器、图形显示适配器等等互联到中央网络102。例如，中央路由器/交换机204支持以由Packet Engines of Spokane,Washington提供的、适用于从830nm到1550nm的G-NIC网络接口卡的形式实施的NIC。

其它的示例性中央路由器/交换机204实施方案包括公知的、具有64比特外围部件互联(PCI)总线的10/100Mbps以太网NIC，它们支持视窗NTTM或数字UNIX操作系统。当外围网络105是互联网时，中央路由器/交换机204可以支持互联网存在点(POP)。

在一个实施例中的中央路由器/交换机204是互联在外围网络105或中央网络102中的低级别的网络单元的光纤主干。在该实施例中以及通信系统100是分组交换网络的情况下，中央路由器/交换机204是用于数据分组的主要路径。分组交换网络将在下面更充分地描述。

中央路由器/交换机204也互联用来发送光锥106和接收准直的光束108的部件。中央路由器/交换机204通过通信系统100管理数据的路由。例如，中央路由器/交换机204把中央网络102分成逻辑的、面向软件的子网络，使得数据业务能够更有效地被路由。中央路由器/交换机204也执行对数据业务的装载平衡、划分、和统计分析。中央路由器/交换机204也确定路由优先权，以及执行故障修理任务。中央路由器/交换机204也选择在通信系统100中对于从光束108来的数据或到光锥106的数据将采取的路径。中央路由器/交换机204可以根据所需要的业务质量或在中央网络102中的数据业务量动态地路由数据。

在一个实施例中，中央路由器/交换机204实施链路状态路由算法，该标准根据路由器的数目、传输速度、延时、和路由成本来计算路由。这个实施例可以通过使用在由Packet Engines提供的PowerRail 5200 Gigabit Ethernet路由交换机上运行的“首先开放最短的路径”(OSPF)协议而被实施。中央路由器/交换机204也包括用来保存等待路由的数据的几个队列。

中央下行链路信号处理器206接收要从中央路由器/交换机204发送到用户网络104的数据，以及编码、调制、加密、缓存和放大数据，以便产生其频率是在电磁频谱的可见光或接近红外的区域内的载波。具有这样的高频的载波在这里有时被称为“光信号”、“光载波”、“载波”、“‘载波信号”、“光波信号”、“光锥”、或“光束”。

中央下行链路信号处理器206也通过对载波信号进行成形，以便由中央发送天线208发送。下面将参照图4更详细地描述中央下行链路信号处理器206的结构和运行，包括对等待处理的数据的排队。中央发送天线208将载波发送到自由空间。为了说明起见，对于本发明的示例性实施例只描述了一个中央发送天线208。应当看到，本实施例可以预期每个本地中央网络的一个或多个中央发射天线和每个地理位置的一个或多个中央网络。

按照一个实施例，中央发送天线208通过几何光学器件(诸如折射、反射、衍射、或全息摄影光学器件)将载波发射到自由空间。成象几何光学器件(IGO)具有产生出目标的图象的能力。图象可以是“实像”或“虚像”。实像是呈现在屏幕上的像。虚像是能通过目镜观看到的。

为了完成这个任务，IGO具有两个性质：(1)穿过光学器件的平行光射线被聚焦到单个点(“焦点”)；以及(2)从不同的角度入射的光射线被聚焦到位于一个平面(焦平面)上的不同的焦点。望远镜、照相机镜头、投影仪、放大透镜、和凹透镜是成像几何光学器件的例子。

非成像几何光学器件(NGO)至少不满足IGO必须的准则之一。如果人们试图观察由NGO产生的图象，则图象或者“模糊不清”或者不存在。NGO的例子是在汽车头灯中使用的Fresnel(菲涅尔)透镜，或在需要保存隐私的地方在某些窗户上使用的起伏不平的“隐私”玻璃。

衍射光栅是适用于实施本发明的一个实施例的NGO的例子。当然，可以使用适用于聚焦想要的波长的任何衍射光栅，它能把光锥106聚焦成足够小的光点。在本实施例中，光锥106的直径是60微米。本领域技术人员将会看到，具体的直径取决于想要的数据速率。

虽然IGO是适当的，但它们是昂贵的以及本实施例并不需要它们所有的能力。因此，一个实施例通过使用NGO从而使得系统的利用率最大化而同时使得发送和接收光学器件的成本最小化。工作在1550nm范围的适当的非成像几何光学器件可以由Richardson Labs,Meridian,Idaho提供。

中央系统控制器210控制中央路由器/交换机204和中央下行链路信号处理器206的运行。中央系统控制器210可以用硬件、软件、或硬件与软件的组合来实施。在使用软件来实施的情况下，软件可以被存储在计算机程序产品(诸如，光盘、磁盘、软盘等)或程序贮存装置(诸如，光盘驱动器、磁盘驱动器、软盘驱动器等)中。中央系统控制器210也可以是运行在复合计算机(或处理器)上的定制的软件。

图2A显示适合于实施运行在复合计算机上的定制的软件的、中央系统控制器210的发送功能200的流程图。发送功能200的运行从步骤211开始，在其中控制立即进到步骤212。在步骤212，发送功能200确定其数据队列中的哪个队列进到下一步发送数据到中央下行链路信号处理器206。在步骤214，发送功能200使编码和复用方案同步。在一个实施例中，用户系统控制器310(例如，参阅图3)把编码和多路复用方案与用户网络104同步。也就是，中央系统控制器210执行与用户网络104的信息交换，以便起动数据传送。

在步骤216，发送功能200确定所需要的特定的编码。典型地，用户网络104控制加密方案，而中央网络102控制多路复用和编码方案。这样，在一个实施例中，中央控制器210确定所需要的特定的编码。

在步骤218，发送功能200判决数据分组要在何时发送。在一个实施例中，中央系统控制器210作出这个判决。发送功能200的运行是在步骤218以后完成的，如步骤220所表示的。

在下行链路上的中央网络102的输出是光锥106，它们被发送到自由空间和被用户网络104接收。也就是，每个中央网络102将被调制在成形的、和发散的相干的或其它光束上的数据发送到自由空间。

图3是示例性用户网络104下行链路接收部件的方框图。用户天线302接收从中央网络102发送的数据，通过用户下行链路信号处理器304处理它，以及将数据发送到用户设备和装置308、用户系统控制器310和/或任何的外围网络105。为了说明起见，对于图3所示的实施例的某些方面，可以只描述一个用户网络。将会看到，本发明的实施例预期有一个或多个用户网络104。

如上所述，用户天线302接收来自自由空间的光锥106。用户天线302通过使用光接收天线接收光锥106，在一个实施例中，它使用全息摄影光学单元。一个实施例使用公知的望远镜来接收光锥106。例如，用户天线302可以是带有修改的目镜的反射望远镜，以便进一步限制接收光的光点尺寸。用户天线302将所接收的光锥106输出到用户下行链路信号处理器304。

用户下行链路信号处理器304接收光锥106，以及译码、解调、解密和缓存它，以便从载波中分开数据。下面将参照图5更详细地描述用户下行链路信号处理器304的结构和运行。

用户输入/输出接口306互联用户设备308、用户系统控制器310和外围网络105。回想起在一个实施例中，用户网络104由在顾客-服务器环境中预订要发送和接收数据的用户来进行操作，从而使得中央网络102、用户网络104、和外围网络105把“客户机”系统与“服务器”系统相连接。用户输入/输出接口306通过使用适当的信令和协议把顾客系统与服务器系统进行互联。一方面，用户输入/输出接口306支持公知的全双工运行和对于客户机-服务器环境共同的流程控制。在另一个方面，用户输入/输出接口306支持信令网络管理协议(SNMP)，它是一种公知的方法，通过这种方法，网络管理应用程序使用被支持的管理信息库(MIB)询问管理代理人。这个实施例虚拟地管理任何网络类型，以便包括非传输控制协议(非TCP)设备，诸如IEEE 802.1以太网网桥。

用户输入/输出接口306支持双向加密，并具有按需要改变密钥的能力。用户输入/输出接口306在设置密钥时也实施“质询”和“回答”鉴权。在本实施例中，用户输入/输出接口306具有独特的序列号，印使它没有独特的网络地址，其序列号可被使用于加密和其它安全特性。用户输入/输出接口306上的固件也被保护而不会有刻痕。

用户设备和装置308可以是各种各样的公知的设备的任一个，诸如网关、局域网、网桥等等。用户设备和装置308也可以是多种公知的用户设备的任一个，诸如打印机、图形显示适配器、电视机、电视机机顶盒、电信设备、电视会议设备、和音频/视频设备，诸如家庭影院电子设备等等。

用户系统控制器310的运行和结构类似于中央系统控制器210的运行和结构之处在于：用户系统控制器310控制用户下行链路信号处理器304和用户输入/输出接口306的运行。用户系统控制器310同样地可以用硬件、软件、或硬件与软件的组合来实施。在使用软件来实施的实施例中，软件可以被存储在计算机程序产品(诸如，光盘、磁盘、软盘等)或程序贮存装置(诸如，光盘驱动器、磁盘驱动器、软盘驱动器等)中。

用户系统控制器310也可以是定制的、运行在复合计算机(或处理器)上的软件。在一个实施例中，用户系统控制器310被实施在令牌环时分复用(TDM)系统中。

图3A显示在本实施例中适合于使用于用户系统控制器310的数据发送程序300的流程图。发送程序300从步骤311开始，在其中控制立即进到步骤312，在步骤312，发送程序300确定要被发送的数据的类型、数量和速率。

在步骤314，发送程序300把在步骤312收集的信息传送到中央系统控制器210。在步骤316，发送程序300在令牌的延续期间发送数据。在步骤317，发送程序300确定是否还有数据存在，以及在步骤318，返还一个令牌到中央系统控制器210。如果在步骤318不再有数据把令牌返回到中央系统控制器，则发送程序300返回到步骤312。

在步骤320，如果还有数据，发送程序300等待来自中央系统控制器210的下一个令牌，然后发送程序300返回到步骤312。

图3B是用户系统控制器310在令牌环TDM系统实施例中实施的接收程序350。例如，在步骤352，接收程序350接收数据分组和解调它。在步骤354，接收程序350检验数据分组头标，和确定数据分组地址是否与用户系统地址相一致。

在步骤356，接收程序350确定数据分组的地址是否与用户系统地址相一致。如果地址一致，则接收程序350的控制进到步骤358，其中接收程序350解密数据分组。在步骤360，接收程序350发送数据分组到用户的子网络。

另一方面，如果在步骤356确定数据分组的地址与用户系统地址不一致，则接收程序350的运行进到步骤362，其中接收程序350抛弃数据分组。

图4是示例性中央下行链路信号处理器206部件的方框图。示例性中央下行链路信号处理器206包括编码器402、调制器404、多路复用器406、和功率放大器408，它们把数据变换成载波和放大载波，以便将其通过自由空间发送到用户网络104。

编码器402按照一组规定如何形成、发送、接收和处理代表数据的信号的方式的转换规则或约定，把数据变换成数据的代表物。在一个方面，编码器402把数据和控制信号编码成高速数据流。示例性编码器402可以用Packet Engines G-NIC上的媒体接入控制器(MAC)芯片来实施。当然，编码器402可以用具有相同的编码能力的任何的以太网卡、交换机、或转发器来实施。

调制器404按照要在光锥106上发送的数据调制该光锥106。有几种类型的公知的、被使用于通信的调制方案(例如，频率调制、相位调制、移相键控调制、正交幅度调制等)，其中任一种适用于在通信系统100中实施通信。在一个实施例中，调制器404用公知的以太网外围部件接口(PCI)卡来实施，其输入和输出是通过光纤实现的。在这个实施例中，调制器404使用公知的通-断键控(OOK)幅度调制方案。OOK幅度调制方案是当前可提供的、成本最低的调制方案。当然，调制器404可以用具有相同的调制能力的任何的以太网卡、交换机、或转发器来实施。一个实施例使用Packet Engines G-NIC上的串行化/解串行化芯片来实施调制器任务以及驱动激光器。

一方面，复用器406是波分复用器(WDM)，它通过把波长(或颜色)组合到光锥106来建立光信道。也就是，复用器406复用不同波长的几个信道和输出外在同一个光束内的波长。在这个方面，复用器406可以是公知的无源组合器或选择组合器，在另一个方面，复用器406是光时分复用器(OTDM)，或高密度波分复用器(HDWDM)。替换地，复用器406可以通过使用相干多信道超外差或零拍检测技术来实施。事实上，执行组合信道的功能(诸如熔合的滤波器耦合器或Soliton复用器)的任何类型的光组合器也可被使用来实施复用器406。当然，本发明并不受限于特定类型的复用。例如，信道可以通过使用频率、极化、空间位置、极性、空间、代数变换方法等而被组合成光锥106。复用器406的实施例使用密集波分复用器(DWDM)来选择按国际电信联盟(ITU)标准的用于1530nm-1560nm范围的信道(信道之间大约为0.8nm的间隔)。

功率放大器408可以接收和放大在光锥106中存在的一个或多个波长。功率放大器408容许多个格式(或调制方案，诸如极性移位键控或幅度移位键控)或比特速率(高达多个Gbps)的光信号，例如，功率放大器408是透明的。在本发明的一个实施例中，一个地理位置包含三个中央网络站。来自每个这些中央网络站的信号被分成36个扇区。每个扇区能够载送多达8个信道，其每个信道处在100Mbps到10Gbps的范围，总的本地地理容量高达每秒8.650太拉比特(10¹²)(Tbps)(例如，3个站×36扇区×8信道×10Gbps)。在一个实施例中，功率放大器是可以同时放大一个或多个波长的铒掺杂光纤放大器(EDFA)，它由JDS Fitel公司(Nepean,Ontario,Canada)提供。

图5是示例性用户下行链路信号处理器304部件的方框图。用户下行链路信号处理器304的实施例包括光锥检测器502、用户解调器504、用户解复用器506、和用户译码器508，它们在由接收天线302从自由空间接收载波以后，从光锥106中的载波中检测和分出数据。

光锥检测器502检测光锥106并将其聚焦到一个光检测器(未示出)上。光锥检测器502可以包括聚集器(未示出)，它聚集光锥106，和无损耗地聚焦光锥。在检测和聚焦以后，在光锥106上的数据由预放大器(未示出)放大、用串行化器变换成串行形式、以及通过使用协议转换器(未示出)进行协议转换。预放大器、串行化器、和协议转换器都是在由Packet Engines制造的GNIC网络接口卡中可提供的，正如以上参照调制器404描述的。在本实施例中，协议转换器可以或者把光锥106的调制转换到千兆比特以太网格式或者把它降低到100Mbit格式。检测器也包括公知的图案掩膜，诸如衍射光栅。光锥检测器502把光锥106输出到用户解调器504。示例性光锥检测器502在MRV Communications公司(20415 Nordhoff Street,Chatsworth,California 91311)制造的、流行的1550nm收发信机单元中是以PIN二极管实施的。

用户解调器504通过使用与由调制器404使用的调制方案相兼容的公知的解调技术解调载波。例如，在一个实施例中，用户解调器504是用Ethernet(以太网)PCI板的形式实施的。

用户解复用器506通过使用与复用器406相兼容的技术把不同的波长分离开，使其返回到频率分开的独立的光信道。解复用器506可以是公知的无源分路器或选择性分路器。

用户译码器508根据由编码器402所建立的数据代表物来对数据进行变换。例如，用户译码器508根据高速数据流来译码数据和控制信号。一个实施例以在Packet Engines G-NIC上的MAC芯片的形式来实施。当然，用户译码器508可以以具有相同的编码能力的任何的以太网卡、交换机、或转发器的形式来实施。用户译码器508将译码数据输出到用户输入/输出接口306，它然后使得数据可提供给外围网络105。

图2和4或图3和5上的实施例中的任何的或所有的部件可以分别在单个卡上实施。在本发明的一个实施例中，图2和4上的部件可以以来自Packet Engines的单个卡的形式来实施。同样地，图3和5上的部件可以以来自Packet Engines的单个卡的形式来实施。当然，本领域技术人员将会看到，图2和4或图3和5上的部件的特定的物理位置对于实施实施例是不重要的。

下行链路发送和接收运行

图6是由中央网络102的下行链路发送部件、用户网络104的下行链路接收部件和外围网络105执行的下行链路发送和接收处理过程600的流程图。处理过程600从步骤602开始，在其中控制立即进到步骤604。在步骤604，中央路由器/交换机204接收来自外围网络105的、被分配用于在用户网络104或其它中央网络102中的接收者的数据。在步骤606，中央路由器/交换机204把数据路由到中央下行链路信号处理器206，其中，在步骤608，使用编码器402、调制器404、复用器406、和功率放大器408来处理数据，以便进行发送。在编码、调制、复用、和放大以后，在步骤610，中央发送天线208在光锥106上发送数据到自由空间。

在步骤612，用户天线302接收光锥106。用户下行链路信号处理器304处理光锥106，以便从载波中分离数据，以及分离出一个或多个信道。在步骤614，如果适当的话，用户输入/输出接口306将该数据发送到外围网络105，如步骤616所表示的，和/或发送到用户设备和装置308，如步骤618所表示的。在步骤616和618之后，处理过程600的运行完成，如步骤620所表示的。

上行链路发送和接收结构

图7是示例性用户网络104上行链路发送部件的方框图。外围网络105通过用户输入/输出接口306和/或用户设备与装置308发送用于传输的数据到中央网络102。上行链路信号处理器702在准直的光束108上输出用于传输到用户天线302的数据到自由空间，以便由中央网络102接收。下面参照图9更全面地描述用户上行链路信号处理器702。

图8是示例性中央网络102的上行链路接收部件的方框图。中央天线802接收从用户网络104发送的数据、通过使用中央上行链路信号处理器804对其进行处理、以及通过中央路由器/交换机204把数据路由到外围网络105。中央系统控制器210控制中央路由器/交换机204和中央上行链路信号处理器804的运行。下面参照图10更全面地描述中央上行链路信号处理器804。

图9是示例性用户上行链路信号处理器702的各部件的方框图。示例性用户上行链路信号处理器702包括用户复用器902、用户调制器904、和用户光发射机906。复用器类似于中央下行链路信号处理器206中的复用器406一样运行，在其中复用器902可以通过使用WDM、OTDM、HDWDM、相干多信道超外差或零拍检测技术来组合信道，诸如熔合的滤波器耦合器或Soliton复用器。

用户调制器904类似于中央下行链路信号处理器206的调制器404一样地运行。例如用户调制器904可以以几种类型的公知的、使用于通信的调制方案来实施。在本发明一个方面，用户调制器904用公知的以太网PCI卡的形式来实施，其输入和输出是通过光纤的。用户光发射机906在数据输出到用户天线302以前对数据进行公知的光信号处理。示例性光发射机906包括激光器、放大器、和望远镜。这个实施例使用由Meade(Irvine,California)制造的望远镜，其目镜头被修改成允许光纤元件插入到其中(以使得激光可被发送到望远镜，从而发送到自由空间)。

用户光发射机906的输出被发送到用户天线302，后者把复用的和调制的数据作为准直的光束108发送到中央网络102。中央网络102接收准直的光束108、通过使用中央上行链路信号处理器804来对它进行处理、以及将该数据发送到任何的外围网络105。

图10是示例性中央网络102的上行链路部件的方框图。如图10所示，中央接收天线802从自由空间接收准直的光束108。中央接收天线802通过使用光接收天线接收准直的光束108，它在本发明的一个实施例中使用全息摄影光学元件。

中央上行链路信号处理器804包括准直的光束检测器1002、中央解调器1004、和中央解复用器1006。准直的光束检测器1002检测和聚焦准直的光束108，以及提供空间偏移，以便在空间上分离开和分开地检测每个准直的光束108是相同的波长还是不同的波长。准直的光束检测器1002可以是类似于二维阵列的光检测器，其中的每个光检测器接收来自不同的用户网络104或较低级别节点的准直的光束108。准直的光束检测器1002输出相应于不同的准直的光束108的信号。中央接收天线802输出相应于不同的接收的准直的光束108的信号给中央解调器1004。在一个实施例中，准直的光束检测器1002把准直的光束108聚焦到1500nm检测器上，后者检测超过10Mbps的速率的数据。这样的检测器是由MRV Communications公司可提供的。

中央解调器1004通过使用与用户调制器902所使用的调制方案相兼容的公知的解调技术来解调载波。例如，在一个实施例中，中央解调器1004以公知的Ethernet(以太网)PCI卡的形式实施。

中央解复用器1006通过使用与复用器406相兼容的技术来分离不同的波长以便使之返回到空间上独立的光信道。这样，中央解复用器1006可以是公知的无源分路器或选择性分路器。中央解复用器1006输出数据到中央路由器/交换机204，后者可以使得数据可提供给外围网络105。

上行链路发送和接收运行

图11是由中央网络102的上行链路接收部件、用户网络104的上行链路发送部件和外围网络105执行的上行链路数据发送和接收处理过程1100的流程图。处理过程1100从步骤1102开始，在其中控制立即进到步骤1104。在步骤1104，用户输入/输出接口306接收来自外围网络105的数据以及把数据路由到用户上行链路信号处理器702。

在步骤1106，用户上行链路信号处理器702使用用户复用器902、用户调制器904、和用户光发射机906来处理用于发送的数据。在步骤1108，用户天线302以准直的光束108发送数据到自由空间。在步骤1110，中央接收天线802接收来自自由空间的准直的光束108。

在步骤1112，用中央上行链路信号处理器804调用用户系统控制器310的接收功能350的步骤352到358(例如，参阅图3B)以及处理准直的光束108，以便从载波中取出数据，以及分离出一个或多个信道。

在步骤1114，中央路由器/交换机204将该数据发送到外围网络105，如步骤1114所表示的，和/或用户中央网络102，如步骤1116所表示的，如果适当的话。在步骤1114和1116之后，处理过程1100的运行完成，如步骤1118所表示的。

应当指出，通过使用准直的光束从用户网络104发送到中央网络102，比起用成形的和发散的光锥106从中央网络102发送到用户网络104，其成本会比较便宜。例如，准直的光束108需要较少的功率。而且，使用准直的光束108进行发射可以确保：在中央网络102与用户网络104之间的双向光传输之间几乎没有干扰。

回想起通信系统100(例如，参阅图1)也支持传统的数据通信方法。因此，通信网络100可以以与通信媒体相当的数据速率进行通信。例如，通信系统100可以以一个数据速率向自由空间进行发送和以不同的(例如，较低的)数据速率通过电话线进行接收。

数据分组结构

如上所述，通信系统100使用分组交换技术，在其中数据在发送以前被分成数据分组，以及被路由经过不同的网络单元，所以可以以不同的时间或不按顺序地到达。如果没有按顺序被接收，则各个数据分组在预期的目的的处要被重新组装。

图12显示适用于通信系统100的数据分组1200。数据分组1200包括有用负载1202，它典型地是数据内容。例如，数据内容可以是股市报价、用于电视会议的视频/音频等等。本领域技术人员将会看到，具体的有用负载可以随应用项而变化，以及它可以包括对于实行重新组装数据分组为原先的数据序列所需要的信息。

数据分组1200也包括头标1204。头标1204典型地包括目的地地址1206，它规定数据要被路由到的目标网络单元(或接收者)。也就是，地址1206规定中央网络102、用户网络104、外围网络105、或其它较低级别节点中的哪一个是该特定的数据分组1200的指定的接收者。当接收者认出数据分组1200中它们的特定的地址1206时，接收者接受附属于该地址1206的有用负载1202。

数据分组1200也包括循环冗余检验(CRC)1208，它被使用来检测数据分组1200的传输中的错误。为了替代CRC1208或除了CRC1208以外，可以使用其它形式的检错和纠错。数据分组1200也可以包括在任何传统纠错方法下得到的纠错数据。数据分组1200也包括用于各种各样的控制或数据信息(诸如用于多址传播和广播进程)的各种各样的部分1210。一个示例性数据分组1200是SONET数据分组结构。另一个数据分组是标准国际协议(IP)数据分组(例如，具有IEEE以太网802.3组帧的Ipv.4(Ipv.6)数据分组)。

扇区划分

回想起在一个实施例中，数据是使用光锥106从中央网络102发送到用户网络104的，以及光锥106是成形的和发散的相干光束。几个成形的和发散的相干光束106以基本上圆形的辐射方向图的形式进行辐射，它照射中央网络102的周围区域的任何部分或所有部分，非常像剧院的点光束照射舞台。部分的被照射的区域可被加强或造成比其它区域“更亮”，以便传送更大的信号强度到选择的区域。正如剧院的点光束的情形下，光锥106可被设计成任何形状。辐射方向图半径可以是从四分之一米到大于3公里的任何数值。

每个中央网络102使得激光辐射方向图在光学上被成形为窄的、包含仰角扇区的径向扇区，红外激光的波长被发射到这些扇区中。在一个实施例中，中央下行链路信号处理器206使得激光束被成形为所需要的辐射方向图，它具有的径向(水平)扇区和/或仰角(垂直)扇区被进一步划分成几个信道。每个信道被分配特定的波长。一个用户可以被分配以一个波长，以使得中央网络102在分配的波长上发送高速数据流给每个用户或每组用户。每个垂直扇区和每个水平扇区可以具有不同的波长的一个或多个信道。每个信道可以载送至少10G的数据。这种安排可以容纳超过20Tbps的数据传输容量，以及可以服务于几千个用户。

图13显示具有扇区划分1300的示例性发射点1301。按照本发明，具有几个水平扇区,表示为1302a,1302b，和1302c。每个扇区可以具有垂直扇区，表示为1306a和1306b。每个垂直或水平扇区可以进一步被划分成另一个子扇区。每个水平子扇区1302a-c和/或每个垂直子扇区1306a-c可以具有一个或多个波长信道(未示出)。

当通信系统100通过使用带有扇区划分的方向图1300的发射点1301进行通信时，在数据分组1200中的地址规定适当的扇区1302和波长信道。

应当指出，在使用通信系统100的情况下可精确地控制的成形的光束使得波长(或频率)复用不成问题。通信系统100中的扇区被严格地空间分开，所以任何的信道可被使用于任何扇区。这种空间复用技术比普通的非光学系统给出截然不同的优点。因为由公知的正确的表达法的辐射方向图副瓣干扰，传统的频率复用方案是必须的。扇区划分和成形与发散相干光束的实施方案避免了副瓣干扰问题，因此避免了对于频率复用方案的需要。为了达到这一点，中央发送天线208使用中央几何天线，它们按工作波长来说是非常大的(例如，大约80倍波长)。相反，传统的射频天线近似为与载波波长相同的尺寸，所以它们不能将几何光学用于它们的发送扇区。

带有扇区划分方向图1300的发送点1301可以产生几种类型的“照射覆盖区域(footprint)”，在此，这被规定为由发射点1301辐射的光束投射在容纳用户网络104的建筑物上的一个覆盖区域。在一个实施例中，发射点1301所具有的成形的扇区化可以被设计成在容纳用户网络104的建筑物上投射出大致呈圆形的照射覆盖区域。

当然，本发明并不受照射覆盖区域的形状的限制。图14显示由中央发送天线208产生的各种适当的照射覆盖区域1402a-f。虽然在某些情形下，对于发送的每组光锥106只显示一个中央发送天线208，但应当看到，例如，中央发送天线208a包括几个望远镜，其中每个能够产生独特的成形的辐射方向图。例如，当中央发送天线208c的一个望远镜产生一个能提供出基本上呈圆形的照射覆盖区域1402d的光锥106d时，中央发送天线208c的另一个望远镜产生一个能提供给基本上呈七边形的照射覆盖区域1402c的光锥(未示出)。

其它的照射覆盖区域包括椭圆、六边形、圆环形、方形等等。例如，参照图13，子扇区1302a产生椭圆形覆盖照射区域。子扇区1306a产生六边形照射覆盖区域。子扇区1306b产生圆环形照射区域。

重叠辐射方向图的一个目的是：以不同的数据速率或容量传送数据到同一个建筑物。当然，所使用的特定的辐射方向图由多个因素确定，包括安放用户网络的建筑物的尺寸和形状，以便确保光信号的功率有效地被利用。

通信系统100也包括光转发器1404，它接收、重新构建和/或单向地或者双向地放大光锥106，以及将它们重新发送到用户网络104。光转发器1404补偿发送辐射方向图上的盲点。光转发器1404因此起到各个中央网络102之间的延伸的作用。光转发器1404虽然被描绘成单个单元，但可以包含多个发射机对，它在以上参照图2-6讨论的部件作用下检测、重新构建、放大、和重新发送光锥106。

图15显示由扇区化图案1300形成的在中央网络102周围的示例性地形结构1500。地形结构1500中描绘的实施例包括三个六边形光传播图案1502a、1502b和1502c。在这个实施例中，每个扇区化图案1300具有36个扇区，其中在每个扇区化图案1300中的一个扇区分别用扇区1502a₁、1502b₁和1502c₁表示。另一个实施例具有60个径向扇区，每个具有6度方位角，以及5个仰角扇区，每个具有8个信道，容纳从10Mbps到10Gbps的数据速率。再一个实施例把辐射方向图分成120个3度的扇区，每个扇区传送10Mbps到10Gbps的数据到用户网络104。

图15也描绘了通过超宽带宽光骨干链路1510互联起来的几个中央网络102。光骨干链路1510也允许与互联网POP、主要载波、PSTN、或其它外围网络105互联。

这里描述的用于通过自由空间的、联网的高速双向数据通信的系统、方法、和互联装置特别适合于有雾天气的条件下光信号受到衰减的情形下使用。在英格兰的伦敦有一项点对多点激光通信产生的可靠度方面的数据的研究，当它与历史数据库组合时，产生了具有按每一小时而收集的四十年的数据的天气数据库。利用这种信息，通信系统100的参量可被加以修改以便补偿某些大气条件。例如，中央发送天线208和/或用户天线302的功率输出、小区的半径、检测器的灵敏度和/或数据速率可被增加或减小，如果适当的话。同样地，天线的尺寸可被加以调节以便补偿信号的任何预期的衰减。

由中央发送天线208产生的辐射方向图的覆盖区域也可由预测大气条件的设计而被预先确定。例如，在华盛顿州的西雅图，它以典型地导致强衰减的多雾条件而闻名，辐射方向图可被减小为四分之一公里，这与适合于晴天状况时的2公里辐射方向图形成了对照。

其它适当的修改包括广播光锥106的形状、改变光束/光锥发送通过的窗口的色度(tint)、改变光放大器强度等等。

广播和多址传播运行

回想起通信系统100广播和多址传播来自中央网络102的数据。在广播运行期间，数据被从中央网络102或较低级别的节点发送到所有的用户网络104和/或所有的外围网络105和/或它们的较低级别节点。任何公知的广播寻址方案适合于实施这个实施例。

在点对多点的多址传播通信期间，被选择的用户网络104、外围网络105和/或它们的较低级别节点接收数据。这个实施方案是在希望同一个数据内容基本上同时地(例如，在视频远端会议期间)被发送到特定的组的用户网络104和/或外围网络105的情形下理想的方案。

在本实施例中，图12描绘的数据分组1200的各种各样部分1210包括多址传播进程识别符(未示出)，它标识一个多址传播进程以及一组是在该特定的多址传播进程期间的发送的接收者的用户。多址传播进程组的一个成员所接收的发送的内容基本上是与在特定的多址传播进程期间该多址传播进程组的另一个成员所接收的高速数据相同的。

每个多址传播进程识别符是与一组独特的地址相联系的。对于多址传播数据的每个接收者有一个独特的地址。中央网络102发送多址传播进程识别符给接收者，他们利用这种关系来确定对于与独特地址组相联系的每个接收者的独特的地址。在把接收的数据分组1200发送到特定的接收者组以前，中央网络102把对于接收者的独特的地址添加到从其它互联的网络接收的每个数据分组1200上。

每个中央网络102也可以包括多个多址传播进程识别符转换表，以便把多址传播进程识别符转换成用于用户的独特的地址。可以有由多址传播进程识别符标识的一个或多个多址传播进程。每个多址传播进程识别符与代表一组用户的一组独特的地址相联系。中央网络102包括至少一个转换表，以用于把多址传播进程识别符与对于选择的接收者组的每组独特的地址相联系起来。

表1是适用于本发明的一个实施例的多址传播进程识别符表的例子。表1列出多址传播进程(1到4)、对于与特定的多址传播进程有关的功能组的功能组识别符(A到D)、对于特定的功能组中的特定的接收者的地址组、以及与在特定的多址传播进程期间被分配来接收所发送的特定的地址有关的接收者。应当指出，多址传播进程可以具有重叠的接收者，以使得一个接收者可被包括在多址传播进程“1”和多址传播进程“2”中。应当指出，接收者被分配以104a到104d，以便代表几个用户网络104或几个它们的较低级别的节点。

表1

多址传播进程	功能组ID	独特的地址	接收者
多址传播进程	功能组ID	独特的地址	接收者	1	A	0112.3456.78900223.4567.89010334.5678.90120445.6789.0123	104a104b104c104d
2	B	0445.6789.01230223.4567.89010334.5678.9012	104d104b104c	1	A	0112.3456.78900223.4567.89010334.5678.90120445.6789.0123	104a104b104c104d
2	B	0445.6789.01230223.4567.89010334.5678.9012	104d104b104c	3	C	0445.6789.01230112.3456.7890	104d104a
4	D	0445.6789.01230334.5678.9012	104d104c	3	C	0445.6789.01230112.3456.7890	104d104a

图16是显示示例性多址传播处理过程1600的流程图。多址传播处理过程1600从步骤1602开始，在其中控制立即进到步骤1604。在步骤1604，外围网络105之一发送高速数据和多址传播进程识别符到中央网络102。例如，按照表1，在第一个多址传播进程期间，外围网络105之一发送功能组识别符“A”到中央网络102。

在步骤1606，中央网络102接收高速数据和多址传播进程识别符。在步骤1608，中央网络102通过查看其转换表来确定与多址传播进程有关的功能组。在步骤1610，中央网络102确定在功能组中的接收者组。

在步骤1612，中央网络102确定在功能组的接收者组中的每个接收者的独特的地址。例如，中央网络102查看其多址传播进程识别符转换表，以便确定对于与功能组识别符“A”有关的接收者组的独特的地址。在步骤1614，中央网络102把对于接收者组的独特的地址添加到从中央网络102接收的高速数据上，以及把所得到的高速数据发送到接收者104a-d。一旦高速数据从中央网络102被发送到接收者104a-d，就结束多址传播处理过程1600，如步骤1616表示的。

应当指出，由中央网络102使用的复用和分接方案与由用户网络104使用的复用和解复用方案的不同处在于：中央网络102的复用和解复用方案具有附加级别的地址转换，从而适应于把进入的IP地址路由到适当的地址。附加路由在中央路由器/交换机204中被实施。

这里描述的所有的光学器件可被包括在“黑盒”(诸如“法拉第笼”)中，以便把光学部件与外部干扰(诸如外来的光频率)隔离开。把光学器件包括在黑盒中，比起用于形成外部干扰的传统的方法更便宜和更简单。

回想起中央路由器/交换机204把中央网络102连接到外围网络105和用户网络104，从而使得数据能够在它们之间交换。回想起中央路由器/交换机204支持NIC在可由Packet Engines提供的G-NIC网络接口上实施。图17显示在G-NIC网络接口上实施的示例性中央路由器/交换机204。

本实施例中的中央路由器/交换机204包括一个千兆比特上行链路1702和多到两个服务器端口：一个任选的千兆比特服务器端口1704和一个10/100以太网服务器端口1706。中央路由器/交换机204还包括粘接(glue)逻辑和存储器中央处理器1707。千兆比特上行链路端口1702在其输入端接收数据分组1200，以及把数据分组1200发送到正在工作的无论哪一个服务器端口的输出端。同时，中央路由器/交换机204把在工作的服务器端口的输入端上接收的任何数据分组发送到千兆比特上行链路1702的输出端。

应当指出，来自任一个服务器端口1704和1706的所有的数据分组将被发送到千兆比特上行链路端口1702，但来自千兆比特上行链路端口1702的、其目的地为服务器端口1704、17066的数据分组1200将被该粘结逻辑和存储器控制处理器1707过滤。也就是说，只有满足了过滤要求的数据分组1200将被发送到适当的服务器端口1704和1706。至少，千兆比特上行链路端口1702通过只接受其目的地为特定的以太网地址的数据分组1200来过滤所接收的数据分组1200。在本实施例中，千兆比特上行链路端口1702也接受广播数据分组和多址传播数据分组。在一个实施例中，过滤过程可以由主计算机系统在用户网络104的管理权限下执行。

在另一个实施例中的中央路由器/交换机204从服务器端口之一直接连接到位于用户网络104的主计算机系统的一个匹配的端口。在本实施例中，如果千兆比特上行链路端口1702使用与主计算机系统的端口相同的以太网地址，则中央路由器/交换机204在千兆比特上行链路端口1702上只支持该主机。这是因为主计算机系统的以太网地址被编程到中央路由器/交换机204。

在另一个实施例中，中央路由器/交换机204可以从在服务器端口上看到的数据分组1200中“自动发现”它的以太网地址。替换地，中央路由器/交换机204用与分配给主计算机系统的以太网卡相同的以太网地址预先编程。

一些附加特性

通信系统100增加传统的通信系统的发送和接受通信容量。更大的容量是重要的，因为标准电话线正在被迫推向它们的极限以及只能提供大约60kbps的数据网络连接。其它的网络替换方案已被开发，但也有它们的极限。例如，一度被认为是宽域联网的供选择的解决方案的ISDN，被限制于128kbps。新推出的ADSL业务被限制于8Mbps，并且它是非对称的(只在一个方向(下行链路)上是快速的)。现有的个人计算机(PC)具有超过100Mbps的本地联网的能力，使得这些宽域网络技术显得很不够用。

打破带宽瓶颈的最普遍化的尝试引用低地球轨道(LEO)卫星。这些卫星网络可以得到从1.5到28Mbps的下行链路速率。然而部署这些系统的成本，大约为几十亿，以及需要几年来部署。

光纤和LMDS也是在电信市场上可提供的和计划的技术。虽然LMDS认为只需要构建光纤的基本投资的25％，但看来存在着每4公里宽的小区的总业务容量从4到6Gbps的上限，它给系统的发展设置了重大的限制。例如，在相当于西雅图市区商业中心的两倍的一个区域中，只有40到60个同时出现的顾客可以具有100Mbps的接入。相反，光通信系统100可能服务于几千个这样的同时连接。

通信系统100可能只需要LMDS基本投资的30％(或大约为光纤的8％)，而同时没有每个小区2Gbps的总的容量的限制。回想起通信系统100具有以每个信道2.5Gbps的双工或1.25单工的通信能力，每个系统总的容量可以是超过2Tbps。这个容量比LMDS高1000倍，以及转换为低得多的基础结构成本和削减竞争者价格和/或胜过竞争性提供的能力。

通信系统100通过组合无线、光纤、和联网概念形成具有以时间上和成本上非常经济的方式在世界范围内传送数太拉比特(terabit)的信息的能力的独特的网络，从而实现这样惊人的速度/容量。

通信系统100天线在尺寸和形状上类似于可在许多房顶上看到的小的碟形天线类型。然而，天线可以被放置在窗玻璃后面，使得其构建过程比仅仅房顶上的安装容易得多。

虽然通信系统100实施方案允许辐射方向图半径远超过3公里，然而，对于城市中心，中央网络102可能小得多，并且也取决于地区的地理情况以及建筑物尺寸和建筑物位置。而且，如上所述，通信系统100具有非常有利的信道复用性质，能实现低得多的成本花费、高得多的容量和更大的带宽。

可以使用非常简单的例子，假定一个中央网络102被扇区划分成120个3度扇区，每个扇区传送100Mbps到2.5Gbps。在这个非常简单的例子中，这个单个中央网络102具有向大量用户传送300Gbps的能力。通过加上每个扇区的附加信道，数据通过量可以大大地增加。通过使用每个扇区8个信道，光通信系统100具有在单个本地中央网络102上将数据通过量有效地提高到2.4Tbps的能力。这样的中央网络102可以提供100Mbps业务给24,000个同时出现的用户。这远超过传统的通信系统。唯一的接近的竞争者是LMDS，它当前限制于每个小区位置大约4Gbps。

通信系统100中的许多部件可以通过使用硬件、软件、或硬件与软件的组合来实施，硬件可以以计算机系统和其它处理系统的形式实施。在本发明通过使用硬件实施的情况下，硬件部件可以是专用集成电路(ASIC)或硬件状态机。在使用软件来实施的情况下，软件可以被存储在计算机程序产品(诸如，光盘、磁盘、软盘等)或程序贮存装置(诸如，光盘驱动器、磁盘驱动器、软盘驱动器等)中。也就是说，软件可以从可拆卸的软盘提供、或从下载到硬盘驱动器上的代码提供的。而且，软件可以包括被存储在模块(诸如只读存储器(ROM)，可编程ROM(PROM)或可擦除PROM(例如EPROM,EEPROM等))中的代码。

按照一个实施例，通信系统100使用公知的时分多址(TDMA)技术。在TDMA中，根据被分配的波长(或数据速率)每个用户网络104被分配以一个或多个TDMA时隙，以及在分配的TDMA时隙期间，各个网络互相进行通信。当通信系统100使用TDMA技术时，通信系统100可在一个TDMA信道上复用几个用户网络104，使用公知的衍射光栅(或图案掩膜)从每个用户网络104的数据流中只接收某些比特。

资源管理器(未示出)协调TDMA时隙的分配。资源管理器协商信道(例如，在特定的频率下的一个时隙)。

光锥106和准直的光束108在配置上的互联可以通过使用各种标准的互联协议来完成，这种互联协议诸如“首先打开最短的路径”(OSPF)，它是一种链路状态路由算法，被使用来根据路由器数目、传输速度、延时、和路由成本来计算路由。光锥106和准直的光束108的互联也可以通过使用其它公知的路由算法来完成。

图18显示了通信系统100的另一个实施例。这个另一个实施例使用用于发送和接收的多接入接收机/发射机(MART)1802。中央网络102通过传输链路1800被连接到MART1802。传输链路1800是硬连线链路，诸如电话线或光缆，但也有可能使用无线链路(例如，射频、激光等等)。另外，虽然图18把中央网络102和MART1802描述为分开的、远离的部件，但可以看到，MART1802可以是在中央网络102内。

MART1802包括中央发送天线208和中央接收天线802的阵列1804。图18上的中央发送天线208是同轴地放置在它们各自的中央接收天线802的中心。可以有其它的各种修改。例如，中央发送天线208可以放置成靠近(例如，分离开)它们各自的中央接收天线802，而不是同轴地放置。也有可能使用同一个光器件来进行发送和接收，如果在发送和接收信号之间的波长隔离很适当的话。

从中央网络102到用户网络104和/或外围网络105的下行链路发送使用把单个广播波束分成几个光锥106的概念，每个光锥106具有在单个广播波束中存在的全部信息。首先，在MART1802中的一个或多个功率放大器输出电路408(例如500毫瓦EDFA)分路通过传输链路1800接收的单个广播波束，并且将各个单独的信号提供给各自的中央发送天线208。中央发送天线208然后将各个单独的信号作为光锥106发送到用户网络104和/或外围网络105。阵列1804或各个单独的中央发送天线208和中央接收天线802可被安装在一个或多个万向架构件上，以便对准发送的光锥106。如有必要的话，可以使用商业上可提供的光学器件来聚焦和对准光锥106。

图18所示的实施例允许一个或多个光锥106被聚焦到用户网络104或外围网络105中的特定的接收机上。也就是说，分开的光锥106不是被发送到整个建筑物，而是可被发送到建筑物中的特定的接收机。而且，分开的光锥106可以具有不同的功率，以使得具有较大的功率的光锥106被发送到较远的接收机或者安置在深色的窗户背后的接收机，以及具有较小的功率的光锥106被发送到较近距离的接收机。另外，MART1802可发送到一个以上的建筑物，从而使得某些光锥106被发送到一个建筑物以及其它的光锥106被发送到其它的建筑物。通过调整发送的功率电平和把中央发送天线208指向适当的方向，因此有可能以离开同一个MART1802较大的距离来“链接”几个建筑物。为了使得效率最大化，功率放大器408的给定的功率输出可以在各个光锥106之间分摊，以使得需要较少功率的光锥106在功率上被减小和需要较多功率的光锥106相应地在功率上被增加。

而且，MART1802的传输覆盖范围通过调节功率放大器408中的分路器的数目而容易改变。通过用功率放大器408来分路单个广播信号和在每个象限中配置中央发送天线208，有可能得出高达整个半球形的扇区。

MART1802也可以接收来自用户网络104和/或外围网络105的准直的光束108。从用户网络104和/或外围网络105中的各个单独的发射机发送出的多个准直的光束108被MART1802中的中央接收天线802接收。像上述的来自MART1802的传输一样，准直的光束108从用户网络104和/或外围网络105到MART1802的上行链路的传输允许多个信号在MART1802被链接。

许多可能的设计参量可被使用于图18所示的实施例。例如，一个12°扇区可以在500米的距离上投射出直径100米的光锥106。一个3mrad(毫弧度)波束可以在500米的距离上投射出具有直径1.5米的光锥106。通过使用相同的发射功率和假定在分路期间为零损耗，一个3mrad的波束可以按每4.444个顾客来进行投射以及具有与12°扇区相同的功率密度。替换地，业务可被提供给100个顾客，每个顾客有16dB的链路裕量。提高了的链路裕量可使用来减小每个顾客的接收机的尺寸和成本。

虽然这里是为了说明的目的描述本发明的特定的方面和例子，但在本发明的范围内的各种等同的修改都是可能的，以及可以作出这些修改而不背离本发明的精神和范围，正如本领域技术人员将会看到的那样。例如，虽然在这里激光器被描述为用来产生各种光束和进行光发送，但可以使用其它的产生光的器件，诸如发光二极管(LED)。另外，虽然在这里描述的实施例中，准直的光束108被使用于网络上行链路部件(例如，参阅图7-10)和光锥106被使用于网络下行链路部件(例如，参阅图2和3-5)，但可以看到，在某些实施例中，网络上行链路部件可以使用光锥106，或者网络下行链路部件可以使用准直的光束108。而且，在用户与中央节点之间适当的协调的情况下，在上行链路中也可以使用几个信道(例如，频域)。

这里给出的本发明的实施例的教导可被应用到在功能上通过任何标准的网络互联作出的光链路。例如，G-NIC网络接口卡(例如，参阅图2)可以在PC中实施。而且，通信系统100的一个或多个部件或功能可以用计算机网络，计算机可读的媒体(诸如，磁带、数字视盘、CD-ROM、Bernoulli卡、随机存取存储器(RAM)、ROM、智能卡等)以及它们的相关的装置来实现。通信系统100的一个或多个部件或功能可以用计算机可读的或计算机可执行的指令(诸如程序模块)或由微处理器或由计算机可执行的宏指令来实现。本领域技术人员可以根据这里给出的详细说明理解如何实施这些类型的特性。

从以上所述的说明看来，可以对于本发明作出这些和其它的改变。一般地，在以下的权利要求中，所使用的术语不应当被认为是把本发明限制于在说明书和权利要求中揭示的特定的方面，而是应当被认为包括在权利要求下运行的、特别是提供高速光数据通信的所有的光通信系统。因此，本发明并不被公开内容限制，相反，本发明的范围完全由以下的权利要求来确定，它们被认为是按照所确定的权利要求说明的原则的。

Claims

1．一个通信系统，包括：

外围节点，用来发送至少一个信息信号和接收第二信息信号；

至少一个中央节点，用来从外围节点接收第一信息信号和将被调制在第一光束上的所接收的第一信息信号发送到自由空间，用来发送第二信息信号到外围节点，以及用来从自由空间接收被调制在第二光束上的至少一个第三信息信号；以及

至少一个用户节点，用来接收第一光束和解调来自自由空间的已调制的第一信息信号，和用来发送被调制在第二光束上的第三信息信号到自由空间。

2．权利要求1的通信系统，其特征在于，其中第一光束包括成形的和发散的激光束以及第二光束包括准直的光束。

3．权利要求1的通信系统，其特征在于，其中至少一个中央节点包括：

形成中央网络的多个中央节点，每个中央节点用来将多个被调制在成形的和发散的相干光束上的第一信息信号发送到自由空间；以及

其中至少一个用户节点包括形成用户网络的多个用户节点，每个用户节点用来通过自由空间接收多个被调制在成形的和发散的相干光束上的第一信息信号；以及

其中中央节点用来以点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点方式向用户节点进行发送。

4．一种用于在中央点与至少一个用户之间传输数据的方法，该方法包括：

在中央点处，把数据和至少一个用户地址调制到光束上；

在中央点处，将光束发送到自由空间；

解调光束以及恢复数据和至少一个用户地址；

按照用户地址将数据路由到用户；以及

把数据从用户发送到中央点。

5．权利要求4的方法，其特征在于，其中被数据和至少一个用户地址所调制的所述光束包括成形的和发散的光束。

6．权利要求4的方法，其特征在于，其中被数据和至少一个用户地址所调制的所述光束包括成形的、发散的和相干的光束。

7．权利要求4的方法，其特征在于，其中被数据和至少一个用户地址所调制的所述光束包括激光束。

8．权利要求4的方法，其特征在于，还包括：

把数据和几个用户地址调制到光束上；

把数据路由到几个用户地址；以及

通过自由空间或通过至少一条电话线把数据从至少一个用户发送到中央点。

9．权利要求4的方法，其特征在于，还包括通过自由空间以点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点方式将光束发送到几个用户地址。

10．一个通信系统，包括：

中央节点，用来通过自由空间发送被调制在发散的相干光束上的信息信号；以及

用户节点，用来从自由空间接收发散的相干光束和自动处理已调制的信息信号，其中发散的相干光束，当它在用户节点处被接收时，具有与在中央节点处发散的相干光束不同的尺寸。

11．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括：

多个中央节点，其每个用来通过自由空间发送被调制在多个发散的光束上的多个信息信号；以及

多个用户节点，其每个用来从自由空间接收被调制在发散的光束上的信息信号，其中中央节点用来以广播、联播、或多址传播的方式发送到用户节点。

12．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中中央节点用来通过自由空间以广播或多址传播的方式之一发送到用户节点。

13．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括外围节点，它用来发送信息信号到中央节点以便进行调制。

14．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括公共运载者、虚拟节点、或地区节点，它们用来发送信息信号到中央节点以便进行调制。

15．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中中央节点和用户节点通过使用同步光网络(SONET)结构来进行互联。

16．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括外围节点，其中中央节点和外围节点通过使用同步光网络(SONET)结构来进行互联。

17．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中中央节点和用户节点通过使用千兆比特以太网结构来进行互联。

18．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括外围节点，其中中央节点和外围节点通过使用千兆比特以太网结构来进行互联。

19．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中发散光束包括工作在约1550nm波长的、成形的相干红外激光。

20．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中发散光束包括成形的相干红外激光、近红外、或可见光激光束。

21．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中光束包括成形的和相干的发散光束。

22．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括衍射光栅、光束成形透镜、或全息摄影光元件。

23．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括水平地成形发散的光束的光束成形光学器件。

24．权利要求10的通信系统，其特征在于，还包括垂直地成形发散的光束的光束成形光学器件。

25．权利要求10的通信系统，其特征在于，其中信息信号包括至少一个具有头标和有用负载的数据分组，该头标规定至少一个用户节点，以及该有用负载包括高带宽的数据。

26．一个通信系统，包括：

至少一个用户节点，用来通过自由空间发送被调制在光束上的信息信号；以及

中央节点，用来从自由空间接收光束和从光束中解调信息信号，以及将信息信号发送到外围节点。

27．权利要求26的通信系统，其特征在于，其中光束包括准直的光束。

28．权利要求26的通信系统，其特征在于，其中光束包括成形的和发散的光束。

29．权利要求26的通信系统，其特征在于，其中用户节点用来发送被调制在准直的激光束上的信息信号，以及中央节点用来接收被调制在准直的激光束上的信息信号。

30．权利要求260的通信系统，其特征在于，其中用户节点还包括具有衍射光栅、光束成形透镜、或全息摄影光元件的天线。

31．权利要求26的通信系统，其特征在于，其中所述光束包括工作在约1550nm的光谱的区域内的光束。

32．一个用来通过自由空间发送光载波到多个用户节点的设备，包括：

输入端口，用来接收信息信号；

辐射能量产生器，用来产生光载波；

信号处理器，被耦合到辐射能量产生器和输入端口，用来处理和光载波并使其与信息信号相组合；以及

天线，被耦合到信号处理器，用来产生成形的和发散的辐射能量，和把在成形的和发散的辐射能量上的、组合的光载波与信息信号发送到自由空间。

33．权利要求32的通信系统，其特征在于，还包括一个多路复用器，用来把来自几个波长信道的几个信息信号组合到光载波中。

34．权利要求32的通信系统，其特征在于，还包括光时分复用器(OTDM)、高密度波分复用器(HDWDM)、相干多信道超外差检测器、相干多信道零拍检测器、熔合的滤波器耦合器、Soliton复用器、频率组合器、极性组合器、或代数变换组合器，用来把来自几个信道的几个信息信号组合到光载波中。

35．权利要求32的通信系统，其特征在于，还包括用来放大光载波的功率放大器、铒掺杂光纤放大器、或铒掺杂光纤放大器。

36．权利要求32的通信系统，其特征在于，还包括用来把数据与控制信号编码成信息信号的编码器。

37．一种用于通过一个中央点在用户点与多个外围点中的一个外围点之间发送和接收数据的方法，方法包括：

在用户点处，把数据和至少一个外围点地址调制到准直的光束上；

在用户点处，通过自由空间发送准直的光束到中央点；

在中央点处，解调准直的光束以及恢复数据和外围点地址；以及

把数据路由到外围点地址。

38．权利要求37的方法，其特征在于，还包括把数据和外围点地址调制到准直的激光束。

39．权利要求37的方法，其特征在于，还包括：

把数据和几个外围点地址调制到几个准直的光束上；以及

把数据路由到几个外围点地址。

40．权利要求37的方法，其特征在于，还包括通过自由空间以点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点方式发送光束到外围点。

41．一种用于发送数据的方法，包括：

把几个数据信道组合成数据流；

把数据流调制到至少一个发散的光束上；

通过自由空间发送发散的光束；

解调发散的光束以及恢复数据流；以及

从数据流中分离出几个数据信道。

42．权利要求41的方法，其特征在于，还包括：

把数据流调制到成形的和发散的光束上；以及

把几个数据信道路由到几个用户设备。

43．权利要求41的方法，其特征在于，还包括把数据流调制到成形的、发散的和相干光束上。

44．权利要求41的方法，其特征在于，还包括把数据流调制到至少两个具有不同的波长的激光束上，该激光束通过自由空间基本上在同一个发散的光锥上被发送。

45．权利要求41的方法，其特征在于，还包括通过自由空间以点对点、点对多点、多点对点、或多点对多点方式发送发散的光束到几个用户。

46．权利要求41的方法，其特征在于，还包括在几个数据信道上加密数据。

47．权利要求41的方法，其特征在于，还包括编码在几个数据信道上的数据。

48．一个用于接收信息信号的设备，包括：

天线，用来从自由空间接收具有被调制在成形的和发散的相干光束上的信息信号的光载波；

信号处理器，被耦合到天线，用来处理和解调成形的和发散的相干光束，以便从光载波中分离出信息信号；以及

输出端口，被耦合到信号处理器，用来发送信息信号到至少一个装置。

49．权利要求48的通信系统，其特征在于，其中天线包括至少一个全息摄影光元件或望远镜。

50．权利要求48的通信系统，其特征在于，其中信号处理器包括至少一个成形的和发散的相干光束检测器、解调器、分接器、或译码器。

51．权利要求48的通信系统，其特征在于，其中所述接口用来发送信息信号到以下装置之一：信令节点管理协议(SNMP)装置、传输控制协议(TCP)装置、网关、局域节点、网桥、打印机、硬盘驱动器、图形显示适配器、电视机、电视机机顶盒、电信设备、电视会议设备、音频/视频设备、或家庭影院电子设备。

52．一种发送和接收数据的方法，方法包括：

接收编码数据和多址传播进程识别符，所述多址传播进程识别符表示从用来接收编码数据的多个用户节点中间选择的一组接收用户点；

通过自由空间在成形的和发散的光束上把编码数据和多址传播进程识别符发送到多个用户节点；

从自由空间接收成形的和发散的光束；以及

译码已编码的数据。

53．权利要求52的方法，其特征在于，还包括把分别代表接收用户节点组的一组独特的用户节点地址附加到编码数据上。

54．权利要求52的方法，其特征在于，还包括把编码数据和独特的用户节点地址组调制到成形的和发散的光束上。

55．一个数据通信系统，包括：

发射机，用来通过自由空间发送被调制在成形的和发散的相干光束上的信息信号，其中相干光束是足够发散的，以便被多个空间上分开的接收机接收；以及

从多个接收机中间选择的一组接收机，用来从自由空间接收成形的和发散的相干光束以及译码调制的信息信号。

56．权利要求55的系统，其特征在于，其中该接收机组中的每个接收机具有独特的接收机地址，以及发射机用来在发送信息信号到接收机组以前把独特的接收机地址附加到信息信号上。

57．权利要求55的系统，其特征在于，其中发射机用来通过使用具有与高速数据和一组选择的接收机有关的多址传播进程识别符的数据分组来发送信息信号。

58．权利要求55的系统，其特征在于，还包括一个贮存装置，它被耦合到发射机，用来存储多址传播进程识别符转换表，以便把第一和第二多址传播进程识别符分别转换成第一和第二组接收机的独特的接收机地址。

59．一种用于自由空间光数据通信的方法，包括：

在天线上接收通过自由空间发送的成形的和发散的相干光束，其中该光束具有被调制在其上的信息信号，以及其中当在天线处接收时所述接收的发散的相干光束的截面面积显著地大于天线的面积；以及

从成形的和发散的相干光束中解调和恢复信息信号。

60．权利要求59的方法，其特征在于，其中信息信号包括至少一个视频信号、音频信号或数据信号。

61．权利要求59的方法，其特征在于，其中高速数据信号包括至少一个第一数据速率的视频信号、第二数据速率的音频信号、或第三数据速率的数据信号。

62．一种数据通信系统，包括：

发送节点，它具有至少一个辐射能量产生器，用于在几个扇区上产生信息承载的辐射能量光束，

其中每个子扇区包括一个信道，以及

其中每个信道运行在几乎相同的波长。

63．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中扇区包括径向扇区。

64．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中扇区包括仰角扇区。

65．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中扇区包括径向扇区，其中每个扇区包括至少两个子扇区，以及其中子扇区包括仰角子扇区。

66．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中扇区包括至少一个椭圆形扇区、六边形扇区、环形状区、椭圆形子扇区、六边形子扇区、或环形子扇区。

67．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中每个信道工作在大约1550nm波长。

68．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中第一信道工作在第一波长，以及第二信道工作在第二波长。

69．权利要求62的数据通信系统，其特征在于，其中发送节点包括望远镜。

70．一种发送数据的方法，包括：

把至少一个信息信号调制在至少一个载波上；以及

沿着多个在垂直方向上区分开的扇区基本上同时地发送调制的信息信号。

71．权利要求70的发送数据的方法，其特征在于，还包括沿着多个在水平方向上区分开的扇区基本上同时地发送调制的信息信号。

72．权利要求70的发送数据的方法，其特征在于，还包括在每个多个在垂直方向上区分开的扇区的每一个上发送多个信道波长。

73．权利要求70的发送数据的方法，其特征在于，其中多个垂直方向上区分开的扇区中的至少两个具有不同截面的波束形状。

74．权利要求70的发送数据的方法，其特征在于，其中多个垂直方向上区分开的扇区中的每一个包括被调制在同一个波长上的信息。

75．权利要求70的发送数据的方法，其特征在于，其中该至少一个载波包括沿着多个在垂直方向上区分开的扇区发送的、多个发散的相干光束。

76．一个通信系统，包括：

中央节点，用来把输入信号分开成多个基本上相同的输出信号；

被设置在中央节点中的多个发射机，用于将多个输出信号作为光信号发送到用户节点；以及

被设置在中央节点中的多个接收机，用于接收来自用户节点的多个用户信号。

77．权利要求76的系统，其特征在于，其中多个用户信号包括光信号。

78．权利要求76的系统，其特征在于，其中多个输出信号包括与输入信号基本上相同的信息内容。

79．一个设备，包括：

具有输入端口的放大器，用于接收输入信号和用来把输入信号分成多个输出信号；

多个发射机，发送多个输出信号；以及

与相应的多个发射机相关的多个接收机，用于接收用户信号。

80．权利要求79的设备，其特征在于，其中输出信号和用户信号包括光信号。

81．权利要求79的系统，其特征在于，其中多个输出信号包括与输入信号基本上相同的信息内容。

82．一种发送和接收的方法，所述方法包括：

把输入信号分成多个输出信号；

把多个输出信号发送到用户节点的多个相应的接收机；以及

接收从用户节点光信号发送的多个用户信号。

83．权利要求82的方法，其特征在于，其中发送多个输出信号包括发送光信号。

84．权利要求82的方法，其特征在于，还包括对多个输出信号中的每一个提供与输入信号基本上相同的信息内容。