JP2002521856A

JP2002521856A - 自由空間を通じてデータを送受信する光通信システム

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Publication number: JP2002521856A
Application number: JP2000560679A
Authority: JP
Inventors: アマドン，チャールズ・グレゴリー; クローニン，アレクザンダー・ダグラス; エリオット，キャメロン・エス; ラリソン，リチャード・ディ; スティーブンス，ジェイムズ・チャールズ; ジカン，カレル; シュスター，ジョン; プラット，マーク; ワイア，ジョラー; ウェブ，ジェイムズ
Original assignee: テラビーム・コーポレーション
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2002-07-16
Also published as: CA2337763A1; AU773035B2; TR200100102T2; WO2000004660A9; IL140896A0; WO2000004660A3; CN1318236A; ID28657A; AU5213099A; BR9912826A; KR20010071931A; WO2000004660A2; EP1095473A2; WO2000004660A8; PL346368A1

Abstract

(57)【要約】自由空間を通じた、ネットワーク化された高速データ通信のためのシステムおよび方法を提供する。このシステムは１つまたは複数の中央ネットワークを含み、これは、高速データで変調された１つまたは複数のレーザを含んで、レーザ光により、１つまたは複数のユーザ・ネットワークが位置する中央ネットワークの周囲の領域を照らす。中央ネットワークからのレーザが放射パターンを発生し、これが水平および垂直セクタに分割され、さらに各波長毎にチャネルに分割される。ユーザ・ネットワークから来るデータがレーザを変調し、これはコリメートされたビームとして自由空間を通じて中央ネットワークへ送信され戻され、そこで受信される。通信は、ポイント・トゥ・ポイント、ポイント・トゥ・マルチポイント、マルチポイント・トゥ・ポイント、またはマルチポイント・トゥ・マルチポイントにすることができ、ポイント・トゥ・マルチポイント通信は、ブロードキャスト、同時放送、またはマルチキャストにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、一般にデータ通信システムに関し、詳細には、自由空間光データ通
信ネットワークに関する。

【０００２】（発明の背景）既存の遠隔通信システムは、従来の遠隔通信サービスを提供するために有用で
あるが、一般に、比較的低速、低容量の応用例に限られる。たとえば、標準の電
話回線は、電話回線につきほぼ６０キロビット／秒（Ｋｂｐｓ）のデータ転送速
度に制限され、よく知られている総合サービス・デジタル網（ＩＳＤＮ）サービ
スは最大１２８Ｋｂｐｓのデータ転送速度を提供し、非対称デジタル加入者回線
（ＡＤＳＬ）サービスは８メガビット／秒（Ｍｂｐｓ）のデータ転送速度に制限
されている。同様に、従来の衛星ネットワークは、データをエンド・ユーザへ、
衛星につき最大３０Ｍｂｐｓで送ることができ、ローカル・マルチポイント配信
サービス（ＬＭＤＳ）は、２ｋｍセルにつき約４から８ギガビット／秒（Ｇｂｐ
ｓ）の上限を有すると思われる。これらのデータ転送速度は、特に多数のユーザ
の間で分割されるとき、テレビ電話会議およびマルチメディアの応用例など、多
数の現在の応用例には間もなく不十分となるであろう。

【０００３】典型的なパーソナル・コンピュータがイーサネットを介して１００Ｍｂｐｓを
超過するデータ転送速度でデータを送受信することができるので、個人および企
業は同様に、これらのデータ転送速度に対応する魅力のある遠隔通信サービスを
発見することができる。たとえば、多数の顧客が、インターネットおよびＷｏｒ
ｌｄＷｉｄｅＷｅｂで使用するための高速データ通信、高解像度のテレビ電
話会議、テレビ電話技術、大規模マルチギガバイト・ファイル転送などを望むで
あろう。これは、遠隔通信サービス・プロバイダが今日の世界的な競争環境にお
いて成功するために、いかなる将来の遠隔通信システムも、過度のコストなしに
これらの要求を満たさなければならないということを意味する。

【０００４】図において、同様の参照番号は類似の要素を指す。加えて、参照番号における
最上位の桁は、その要素が最初に導入される図を指す（たとえば、要素２０４は
最初に図２において導入される）。

【０００５】（例示された実施形態の詳細な説明）通信システム、および、詳細には、自由空間における光通信のためのシステム
および方法が本明細書に記載される。以下の説明において、特定の記号および関
係、高速データを送信、受信および処理するための特定の方法および構造など多
数の特定の詳細が述べられて、本発明の実施形態を十分に理解できるであろう。
しかし、１つまたは複数の特定の詳細なしに、あるいは、他の方法および構造な
どにより本発明を実施できることは、関連分野の当業者には容易に理解されよう
。他の例では、実施形態の説明を不明瞭にすることを避けるため、よく知られた
構造または動作は詳細に図示されない。

【０００６】本発明の実施形態は、１つまたは複数の中央に位置する送信／受信局を有する
、自由空間を通じた、ネットワーク化された高速で双方向のデータ通信のための
システム、方法、および相互接続されたデバイスを対象とする。中央に位置する
送信／受信局は、暗号化された高速（１０Ｍｂｐｓ〜１０Ｇｂｐｓ）データと制
御信号で変調された１つまたは複数のレーザを使用する。その中央に位置する送
信／受信局の領域の一部またはすべてがレーザ光の照射範囲内である。中央に位
置する送信／受信局の周囲の照射される領域は、１つまたは複数のユーザ光受信
器を包含する。これは光収集およびフィルタリング要素、能動追跡デバイス、光
検出器、および、逆多重化および復号回路を有し、これが、中央に位置する送信
／受信局のレーザ高速データ・ストリームの一部をユーザ光トランシーバ・イン
タフェース出力への出力のために受信し、選択する。それが高速ネットワーキン
グ接続を介してユーザ装置へ接続される。

【０００７】ユーザ装置から１００Ｍｂｐｓメガビット・イーサネット上で来るデータが、
ユーザ光トランシーバ・インタフェース入力へ行き、ユーザ光トランシーバに配
置されたレーザを変調する。ユーザ光トランシーバがコリメートされたレーザ・
ビームを、自由空間を通じて、中央に位置する送信／受信局へ送信して戻し、そ
こでコリメートされたレーザ・ビームが光収集およびフィルタリング要素、およ
び能動追跡マトリックス検出器によって受信され、そこでデータが検出されてデ
ータ経路指定回路へ向けて送られる。データ経路指定回路がデータをノード・ア
ドレスへ、高速自由空間光中枢網とネットワークの間のリンク、または、中央に
位置する送信／受信局経路指定回路に接続された他のネットワーク上のどこかを
介して経路指定する。ノード・アドレスは１つの中央に位置する送信／受信局領
域内、あるいは、他の中央に位置する送信／受信局領域内のいずれかにすること
ができる。

【０００８】中央に位置する送信／受信局経路指定回路は、ユーザ光トランシーバのいずれ
かまたはすべてにアドレス指定された入力データも、そのデータを、それぞれの
ユーザ光トランシーバによって検出されている特定の中央に位置する送信／受信
局レーザの高速データ・ストリームに符号化することによって、経路指定する。
レーザ・ビームは、中央に位置する送信／受信局の周囲の領域を様々な放射パタ
ーンで照らす。放射パターンは、水平に（あるいは放射状に）かつ／または垂直
に（あるいは仰角により）セクタ化される。セクタをさらにいくつかの波長チャ
ネルに細分することができる。ネットワークは、チャネルを使用してデータを送
受信する。

【０００９】もちろん、本発明がこの実施形態に限定されないことは、当業者には理解され
よう。その代りに、本発明は様々な実施形態をサポートし、そのうちのいくつか
が以下でより十分に記載される。

【００１０】通信システム図１Ａは、一実施形態を実施するために適した通信システム１００のブロック
図である。通信システム１００は、１組の相互接続されたネットワークを有する
階層システムと見ることができ、各ネットワークが通信システム１００における
ノードであり、各ネットワークが相互接続されている。たとえば、通信システム
１００が、ノードとして、１つまたは複数の中央ネットワーク１０２、ユーザ・
ネットワーク１０４、および／または周辺ネットワーク１０５を含むことができ
る。

【００１１】データがネットワークの間で交換される。本発明の一実施形態では、整形され
た発散するコヒーレント光ビーム（または光円錐）１０６を使用して、データが
中央ネットワーク１０２からユーザ・ネットワーク１０４へ送信され、コリメー
トされた光ビーム１０８を使用して、データがユーザ・ネットワーク１０４から
中央ネットワーク１０２へ送信される。個々の各ネットワークも、より低いレベ
ルのノード（またはネットワーク要素）を有する相互関係のあるサブシステムの
階層を含むことができ、これについては以下でより十分に記載される。データは
ネットワークの間で、ポイント・トゥ・ポイントで、ポイント・トゥ・マルチポ
イントで、マルチポイント・トゥ・ポイントで、あるいはマルチポイント・トゥ
・マルチポイントで交換され、ポイント・トゥ・マルチポイント通信はブロード
キャスト、マルチキャスト、あるいは同時放送することができる。

【００１２】たとえば、ポイント・トゥ・ポイント通信中に、中央ネットワーク１０２また
はそれらのより低いレベルのノードのいずれか１つが、データを、それ自体から
、ユーザ・ネットワーク１０４または周辺ネットワーク１０５におけるいずれか
１つのノードへ送信することができる。同様に、中央ネットワーク１０２または
それらのより低いレベルのノードのいずれかが、ユーザ・ネットワーク１０４ま
たはそれらのより低いレベルのノードのいずれか１つから、ならびに、周辺ネッ
トワーク１０５またはそれらのより低いノードのいずれか１つからデータを受信
することができる。

【００１３】ポイント・トゥ・マルチポイント通信中に、中央ネットワーク１０２またはそ
れらのより低いレベルのノードのいずれか１つが、データを、それ自体から、い
くつかのユーザ・ネットワーク１０４またはそれらのより低いレベルのノードへ
、実質的に同時に送信することができる。中央ネットワーク１０２またはそれら
のより低いレベルのノードのいずれか１つが、データを、それ自体から、いくつ
かの周辺ネットワーク１０５またはそれらのより低いレベルのノードへ、実質的
に同時に送信することができる。同様に、中央ネットワーク１０２またはそれら
のより低いレベルのノードのいずれかが、データを、ユーザ・ネットワーク１０
４またはそれらのより低いレベルのノードのいずれかから実質的に同時に、なら
びに、周辺ネットワーク１０５またはそれらのより低いレベルのノードのいずれ
かから実質的に同時に受信することができる。

【００１４】通信システム１００の階層は、図１Ａが例示するように、互いに相互接続され
たネットワークを特徴とすることができる。この実施形態は、周辺ネットワーク
１０５およびユーザ・ネットワーク１０４が相互接続されること、または、中央
ネットワーク１０２が周辺ネットワーク１０５およびユーザ・ネットワーク１０
４の両方に接続されることを必要としない。さらに、中央ネットワーク１０２は
、データが周辺ネットワーク１０５またはユーザ・ネットワーク１０４を通過す
ることなく個々の中央ネットワーク１０２の間で送信されるように、互いに相互
接続することができる。この特定の実施形態は、たとえば、すべての帯域幅をユ
ーザ・ネットワーク専用にする他の無線ネットワークとは異なり、中央ネットワ
ークがそれら自体のバックボーン・トラフィックを搬送できるようにすることに
よって、動作のコストを削減する。

【００１５】本発明の一実施形態では、ユーザ・ネットワーク１０４が、周辺ネットワーク
１０５および／または中央ネットワーク１０２に加入するユーザによって操作さ
れて、クライアント・サーバ環境においてデータが送受信される。ユーザは、た
とえば、ネットワーク構成要素を収容する建築物を有する、製造設備、多国籍企
業、金融機関、または大学に位置することができる。この例では、中央ネットワ
ーク１０２、ユーザ・ネットワーク１０４、および周辺ネットワーク１０５が、
「クライアント」システムを「サーバ」システムと接続し、サーバ・システムが
クライアント・システムによる要求に応答して計算を実行し、ファイルを検索し
、特定のエントリを求めてデータベースを探索することができるようにする。特
定のタイプのクライアント・サーバ環境はこの実施形態に必須ではない。これら
の実施形態が、航空便予約システム、通信販売設備など、他のクライアント・サ
ーバ環境において実施できることは、当業者には明らかになるであろう。

【００１６】周辺ネットワーク１０５は、電信電話会社によって操作されたいかなる相互接
続されたネットワークにすることもでき、公衆電話網（ＰＳＴＮ）、ローカル遠
隔通信サービスを提供する地域電話会社（ＬＥＣ）、長距離遠隔通信サービスを
提供する中継電話会社（ＩＸＣ）、衛星ネットワーク、付加価値ネットワーク（
たとえば、ダイアルアップ株式市況サービス、電子メール・サービスなどを提供
する）が含まれる。別法として、周辺ネットワーク１０５を、インターネット、
ＷｏｒｌｄＷｉｄｅＷｅｂなどを含む、仮想ネットワークとして機能するネ
ットワークの集まりにすることができる。周辺ネットワーク１０５は、ローカル
・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、メトロポリタン・エリア・ネットワーク（
ＭＡＮ）、または広域ネットワーク（ＷＡＮ）など、データ通信ネットワークを
含むこともできる。もちろん、特定のタイプの周辺ネットワーク１０５がこの実
施形態によって必要とされないことは、当業者には理解されよう。その代りに、
いかなるタイプの周辺ネットワーク１０５も使用することができる。

【００１７】一実施形態では、中央ネットワーク１０２、ユーザ・ネットワーク１０４、お
よび周辺ネットワーク１０５が、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）技術を利用
する。これは、多数のベンダからの送信製品のインターネットワーキングを可能
にする光インタフェース規格である。つまり、通信システム１００がＳＯＮＥＴ
技術を実施するとき、ネットワークの相互接続が世界中のデータ通信を可能にす
る。さらに、通信システム１００がＳＯＮＥＴ技術を実施するとき、ファイバ・
ベースの信号を処理すること、および、同時により低いレートの信号の容易な抽
出を可能にすることに理想的に適した、新しいデジタル階層が実施される。これ
らは、一体化された操作および保守、および、将来のサービス提供物を可能にす
る柔軟性を含む。

【００１８】代替実施形態では、中央ネットワーク１０２、ユーザ・ネットワーク１０４、
および周辺ネットワーク１０５がギガビット・イーサネット技術を利用する。こ
れは、多数のベンダからの送信製品のインターネットワーキングを可能にする光
インタフェース規格である。つまり、通信システム１００がギガビット・イーサ
ネット技術を実施するとき、ネットワークの相互接続が世界中のデータ通信、特
にリアルタイム音声およびビデオ、およびハイエンド・サーバのサポートを可能
にする。さらに、通信システム１００がギガビット・イーサネット技術を実施す
るとき、ファイバ・ベースの信号を処理すること、および、同時により低いレー
トの信号の容易な抽出を可能にすることに理想的に適した、新しいデジタル階層
が実施される。これらは、一体化された操作および保守、および、将来のサービ
ス提供物を可能にする柔軟性を含む。

【００１９】図１Ｂは、通信システム１００の側面を図示する等角図であり、光円錐１０６
ａ〜ｃおよびコリメートされた光ビーム１０８ａ〜ｃを使用して、データが、自
由空間において中央ネットワーク１０２とユーザ・ネットワーク１０４の間で交
換される。一実施形態では、光円錐１０６ａ〜ｃが、励起誘導放射による光増幅
、すなわち「レーザ」ビームなど、整形された発散するコヒーレント光ビームで
ある。レーザ・ビームは指向性があり、可視光、近赤外光、および赤外光を含む
、電磁スペクトルの「光」領域における波長の範囲において動作することができ
る。光円錐１０６ａ〜ｃがレーザ・ビームであるとき、光円錐１０６ａ〜ｃは、
高ビット・レート、高出力、高結合効率、直接の高い周波数変調、および長期間
の動作に対応する。一実施形態では、光円錐１０６ａ〜ｃが、米国規格協会（Ａ
ＮＳＩ）の規格に従って、目に安全なクラス１レーザ・ビームである。代替実施
形態では、光円錐１０６ａ〜ｃが、他のＡＮＳＩ規格に従って動作する。

【００２０】レーザ光の特定の波長の使用は高帯域幅を提供し、大気における減衰（または
出力損失）が非常にわずかである。さらに、レーザ光を使用することにより、現
在入手可能なオフザシェルフ・データ送信装置の典型である、中央ネットワーク
１０２の間で高速で動作するＳＯＮＥＴアーキテクチャによる相互接続が可能と
なる。さらに、この実施形態では、ＳＯＮＥＴプロトコルを使用することにより
、Ｔ−１容量のよく知られた部分において任意の帯域幅の割り振りが可能となる
。つまり、通信システム１００がＳＯＮＥＴによりレーザ光を使用するとき、遠
隔距離に渡る多数の異なるユーザへの、１．５４４Ｍｂｐｓの容量を有するデジ
タル送信リンクに対応することができる。

【００２１】通信システム１００の一実施形態は、ほぼ１５５０ｎｍの波長を有する赤外レ
ーザを使用する。もちろん、電磁スペクトルの光領域における特定の波長がこの
実施形態によって必要とされないことは、当業者には理解されよう。その代りに
、光領域におけるいかなる波長も使用することができる。

【００２２】光円錐１０６ａ〜ｃおよびコリメートされた光ビーム１０８ａ〜ｃは、光を適
切に整形し、フィルタリングし、かつ分岐し、あるいはコリメートする、よく知
られたいかなるホログラフィック光学要素を使用しても発生することができる。
たとえば、ビーム整形は、回析格子、レンズ、ホログラフィック光学要素、また
は他の標準のビーム整形光学系を使用して実施することができる。様々なチャネ
ル化スキームにおいて使用される波長フィルタリングも、干渉フィルタ、回析格
子、またはプリズムなど、様々な標準の光学構成要素を使用して達成することが
できる。

【００２３】以下でより十分に記載されるように、一実施形態における光円錐１０６ａ〜ｃ
のビット・レートを、１０Ｍｂｐｓと１０Ｇｂｐｓを含めてその間にすることが
できる。もちろん、特定のデータ転送速度がこの実施形態には必要とされないこ
とは、関連分野の当業者には理解されよう。つまり、本発明の実施形態は、いか
なる数のデータ転送速度もサポートする。

【００２４】光円錐１０６ａ〜ｃの場合のように、コリメートされた光ビーム１０８ａ〜ｃ
も、レーザ・ビーム、または、可視光、近赤外光、および赤外光を含む、電磁ス
ペクトルの「光」領域における波長のいかなる光ビームにすることができる。コ
リメートは、回析格子、レンズ、または他の標準のビーム整形光学系を使用する
ことによるなど、よく知られた方法において実施することができる。

【００２５】もちろん、通信システム１００内の通信の多くが非常に高速のブロードキャス
ト、デジタル・データの無線交換を含むが、通信ネットワーク１００が電話回線
など従来のデータ通信の方法もサポートすることは、当業者には理解されよう。
たとえば、中央ネットワーク１０２が、光円錐１０６ａを使用してインターネッ
ト・ビデオ・データを非常に高速でユーザ・ネットワーク１０４に送信すること
ができ、ユーザ・ネットワーク１０４から中央ネットワーク１０２へ戻る通信が
標準の電話回線を介することができる。これは、たとえば、インターネット・デ
ータがグラフィックスおよびテキストであり、ユーザ・データがクレジット・カ
ード情報の場合もあり、たとえば、インターネット・データがグラフィックスお
よびテキストであり、ユーザ・データがユーザ許可情報の場合もあろう。

【００２６】さらに、通信システム１００が非常に高速のブロードキャスト、デジタル・デ
ータの無線交換を含むことができるが、通信ネットワーク１００が他のデータ転
送速度を使用できることは、当業者には理解されよう。つまり、通信システム１
００が、提供されているサービスのタイプ、要求されたサービスの品質、送信お
よび／または受信された情報のタイプなどと釣り合ったデータ転送速度で通信す
ることができる。

【００２７】ダウンリンク送受信構造図２は、例示的中央ネットワーク１０２のダウンリンク送信構成要素のブロッ
ク図である。この実施形態では、周辺ネットワーク１０５は、中央ルータ／交換
機２０４、中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６、および中央送信アンテナ２
０８を介してユーザ・ネットワーク１０４へデータを送信する。中央システム・
コントローラ２１０が、中央ルータ／交換機２０４および中央ダウンリンク信号
プロセッサ２０６の動作を制御する。一般に、データは厚い相互接続回線に沿っ
て移動し、他のコマンド、制御信号などは、薄い相互接続回線に沿って移動する
。データおよび他のコマンド、制御信号などは、それぞれ薄い相互接続回線およ
び厚い相互接続回線上を移動することもできる。

【００２８】説明のため、図２の実施形態のある態様に関して、ただ１つの中央ネットワー
ク１０２が記載されている。この実施形態が１つまたは複数の中央ネットワーク
１０２を企図することを理解されたい。

【００２９】中央ルータ／交換機２０４が、中央ネットワーク１０２を周辺ネットワーク１
０５へ、かつユーザ・ネットワーク１０４へ接続し、データをそれらの間で交換
できるようにする。中央ルータ／交換機２０４は、ネットワーク・インタフェー
ス・コントローラ（ＮＩＣ）、ディスク・コントローラ、グラフィック表示アダ
プタなどを中央ネットワーク１０２へ相互接続することができる。たとえば、中
央ルータ／交換機２０４は、Ｓｐｏｋａｎｅ，ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎのＰａｃｋ
ｅｔＥｎｇｉｎｅｓから入手可能な、８３０ｎｍから１５５０ｎｍまで適合さ
れる、Ｇ−ＮＩＣネットワーク・インタフェース・カードにおいて実施されたＮ
ＩＣをサポートする。

【００３０】他の例示的中央ルータ／交換機２０４の実施は、６４ビットＰｅｒｉｐｈｅｒ
ａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ（ＰＣＩ）バスを有する
、よく知られた１０／１００ＭｂｐｓのイーサネットＮＩＣを含み、これはＷｉ
ｎｄｏｗｓＮＴ^TMまたはＤｉｇｉｔａｌＵＮＩＸ（登録商標）オペレーティ
ング・システムのいずれかをサポートする。周辺ネットワーク１０５がインター
ネットであるとき、中央ルータ／交換機２０４がインターネットの存在点（ＰＯ
Ｐ）をサポートすることができる。

【００３１】一実施形態における中央ルータ／交換機２０４は、周辺ネットワーク１０５ま
たは中央ネットワーク１０２におけるより低いレベルのネットワーク要素を相互
接続する光ファイバ・バックボーンである。この実施形態では、および、通信シ
ステム１００がパケット交換網である場合、中央ルータ／交換機２０４がデータ
・パケットのための主要パスである。パケット交換網については、以下でより十
分に記載される。

【００３２】中央ルータ／交換機２０４は、光円錐１０６を送信し、かつコリメートされた
光ビーム１０８を受信する構成要素も相互接続する。中央ルータ／交換機２０４
は、通信システム１００を通じたデータの経路指定を管理する。たとえば、中央
ルータ／交換機２０４が、中央ネットワーク１０２を論理的ソフトウェア指向サ
ブネットワークに分割し、データ・トラフィックをより効率的に経路指定できる
ようにする。中央ルータ／交換機２０４は、ロード・バランシング、分割、デー
タ・トラフィックについての統計的分析も実行する。中央ルータ／交換機２０４
は、経路指定の優先順位も決定し、トラブルシューティング作業も実行する。中
央ルータ／交換機２０４は、通信システム１００において、光ビーム１０８から
のデータまたは光円錐１０６へのデータが取る経路も選択する。中央ルータ／交
換機２０４は、中央ネットワーク１０２において、要求されたサービスの品質ま
たはデータ・トラフィックの量に基づいて、データを動的に経路指定することが
できる。

【００３３】一実施形態では、中央ルータ／交換機２０４がルータの数、伝送速度、遅延、
および経路コストに基づいて経路を計算するリンク状態経路指定アルゴリズムを
実施する。この実施形態は、ＰａｃｋｅｔＥｎｇｉｎｅｓから入手可能なＰｏ
ｗｅｒＲａｉｌ５２００ギガビット・イーサネット経路指定スイッチ上で動作し
ている「ｏｐｅｎｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈｆｉｒｓｔ」（ＯＳＰＦ）プ
ロトコルを使用して、実施することができる。中央ルータ／交換機２０４は、経
路指定されるのを待っているデータを保持するいくつかの待ち行列も含む。

【００３４】中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６は、中央ルータ／交換機２０４からユ
ーザ・ネットワーク１０４へ送信されるデータを受信し、そのデータを符号化し
、変調し、暗号化し、バッファに入れ、増幅して、周波数が電磁スペクトルの可
視または近赤外領域にある搬送波を発生する。このような高い周波数を有する搬
送波は、時として本明細書で「光信号」、「光搬送波」、「搬送波」、「搬送波
信号」、「光波信号」、「光円錐」または「光ビーム」と呼ばれる。

【００３５】中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６は、中央送信アンテナ２０８による送
信のために搬送波信号の整形も行う。中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６の
構造および動作については、処理されることを待機中のデータのキューイングを
含めて、以下で図４を参照してより詳細に記載される。

【００３６】中央送信アンテナ２０８は、搬送波を自由空間に送信する。説明のため、例示
された本発明の実施形態に関しては、ただ１つの中央送信アンテナ２０８が記載
されている。この実施形態が、ローカルの中央ネットワークにつき１つまたは複
数の中央送信アンテナ、および地理的位置につき１つまたは複数の中央ネットワ
ークを企図できることを理解されたい。

【００３７】一実施形態によれば、中央送信アンテナ２０８が、屈折、反射、回析、または
ホログラフィック光学系などの幾何光学を使用して、搬送波を自由空間に送信す
る。イメージング幾何光学系（ＩＧＯ）は、対象の画像を作成する能力を有する
。画像は、「実画像」または「仮想画像」のいずれかにすることができる。実画
像は、たとえば、画面上のキャストであるものである。仮想画像は、接眼レンズ
を通じて見られる。

【００３８】この作業を実施するため、ＩＧＯは２つの特性を有する。すなわち、（１）光
学系を通過する平行の光線が単一点（「焦点」）に集束され、（２）異なる角度
から入射する光線が異なる焦点に集束され、そのすべてが平面（「焦点面」）に
存在する。望遠鏡、カメラ・レンズ、シェード・プロジェクタ、拡大レンズ、お
よびコンタクト・レンズが、イメージング幾何光学系の例である。

【００３９】非イメージング幾何光学系（ＮＧＯ）は、ＩＧＯに必要な少なくとも１つの基
準を満たさない。ＮＧＯによって作成された画像を観察しようと試みる場合、画
像が「ぼやける」または存在しないようになる。ＮＧＯの例は、自動車のヘッド
ライトの前で使用されているフレネル・レンズ、または、プライバシーが必要と
されるある窓で使用されている波状の「プライバシー」ガラスである。

【００４０】回析格子は、本発明の一実施形態を実施するために適したＮＧＯの一例である
。もちろん、光円錐１０６を十分小さい点に集束することができる所望の波長を
集束するために適した、いかなる回析格子も使用することができる。この実施形
態では、光円錐１０６の直径が６０ミクロンである。特定の直径が所望のデータ
転送速度に依存することは、当業者には理解されよう。

【００４１】ＩＧＯは適切であるが、これらは高価であり、この実施形態はそれらの能力を
すべて必要とするわけではない。したがって、一実施形態ではＮＧＯを使用して
、システムの有用性を最大にし、送信および受信光学系のコストを最小にする。
１５５０ｎｍの範囲において動作する適切な非イメージング幾何光学系は、Ｍｅ
ｒｉｄｉａｎ，ＩｄａｈｏのＲｉｃｈａｒｄｓｏｎＬａｂｓから入手可能であ
る。

【００４２】中央システム・コントローラ２１０が、中央ルータ／交換機２０４および中央
ダウンリンク信号プロセッサ２０６の動作を制御する。中央システム・コントロ
ーラ２１０は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアおよびソフト
ウェアの組み合わせにおいて実施することができる。ソフトウェアを使用して実
施される態様では、ソフトウェアをコンピュータ・プログラム製品（光ディスク
、磁気ディスク、フロッピー・ディスクなど）またはプログラム記憶デバイス（
光ディスク・ドライブ、磁気ディスク・ドライブ、フロッピー・ディスク・ドラ
イブなど）に格納することができる。中央システム・コントローラ２１０は、コ
ンピュータ（またはプロセッサ）の複合体上で動作するカスタム・ソフトウェア
にすることもできる。

【００４３】図２Ａは、コンピュータの複合体上で動作するカスタム・ソフトウェアを実施
するために適した、中央システム・コントローラ２１０の送信機能２００の流れ
図を例示する。送信機能２００の動作はステップ２１１で開始し、制御が直ちに
ステップ２１２へ移る。ステップ２１２で、送信機能２００は、そのデータ待ち
行列のどれが次に進んでデータを中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６へ送信
するかを決定する。ステップ２１４で、送信機能２００が符号化および多重化ス
キームを同期化させる。一実施形態では、ユーザ・システム・コントローラ３１
０（たとえば、図３を参照）が符号化および多重化スキームをユーザ・ネットワ
ーク１０４と同期化させる。つまり、中央システム・コントローラ２１０がユー
ザ・ネットワーク１０４とのハンドシェーキングを実行して、データ転送を開始
する。

【００４４】ステップ２１６で、必要とされた特定の符号化を送信機能２００が決定する。
典型的には、ユーザ・ネットワーク１０４が暗号化スキームを制御し、中央ネッ
トワーク１０２が多重化および符号化スキームを制御する。したがって、一実施
形態では、中央コントローラ２１０が、必要とされる特定の符号化を決定する。

【００４５】ステップ２１８で、データ・パケットが送信されるときを送信機能２００が判
断する。一実施形態では、中央システム・コントローラ３１０がこの判断を行う
。送信機能２００の動作は、ステップ２１８の後に続いて、ステップ２２０によ
って示されたように完了する。

【００４６】ダウンリンク上の中央ネットワーク１０２の出力が光円錐１０６であり、これ
らが自由空間に送信され、ユーザ・ネットワーク１０４によって受信される。つ
まり、各中央ネットワーク１０２が、自由空間を通じて、整形され、発散するコ
ヒーレントまたは他の光ビームを変調したデータを送信する。

【００４７】図３は、例示的ユーザ・ネットワーク１０４のダウンリンク受信構成要素のブ
ロック図である。ユーザ・アンテナ３０２が、中央ネットワーク１０２から送信
されたデータを受信し、ユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４を使用して
これを処理し、データをユーザ装置およびデバイス３０８、ユーザ・システム・
コントローラ３１０、および／または周辺ネットワーク１０５のいずれかへ送信
する。説明のため、図３に図示された実施形態では、ただ１つのユーザ・ネット
ワーク１０４を記載する。本発明の実施形態が１つまたは複数のユーザ・ネット
ワーク１０４を企図することを理解されたい。

【００４８】上述のように、ユーザ・アンテナ３０２が光円錐１０６を自由空間から受信す
る。ユーザ・アンテナ３０２が、光受信アンテナを使用して光円錐１０６を受信
する。一実施形態では、ホログラフィック光学要素を使用して受信する。一実施
形態では、よく知られた望遠鏡を使用して光円錐１０６を受信する。たとえば、
ユーザ・アンテナ３０２を、修正された接眼レンズを有する反射望遠鏡にして、
受信された光のスポット・サイズをさらに制限することができる。ユーザ・アン
テナ３０２が、受信された光円錐１０６をユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ
３０４へ出力する。

【００４９】ユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４が光円錐１０６を受信し、これを
復号し、復調し、解読し、バッファに入れて、データを搬送波から分離させる。
ユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４の構造および動作については、以下
で図５を参照してより詳細に記載される。

【００５０】ユーザ入力／出力インタフェース３０６が、ユーザ装置３０８、ユーザ・シス
テム・コントローラ３１０、および周辺ネットワーク１０５を相互接続する。一
実施形態では、ユーザ・ネットワーク１０４が、クライアント・サーバ環境にお
いてデータを送受信するために加入するユーザによって操作され、中央ネットワ
ーク１０２、ユーザ・ネットワーク１０４、および周辺ネットワーク１０５が「
クライアント」システムを「サーバ」システムと接続するようにすることを想起
されたい。ユーザ入力／出力インタフェース３０６が、適切な信号方式およびプ
ロトコルを使用して、クライアント・システムをサーバ・システムと相互接続す
る。一態様では、ユーザ入力／出力インタフェース３０６が、よく知られた全二
重の動作およびクライアント・サーバ環境に共通したフロー制御をサポートする
。別の態様では、ユーザ入力／出力インタフェース３０６が信号ネットワーク管
理プロトコル（ＳＮＭＰ）をサポートし、これは、ネットワーク管理アプリケー
ションがサポートされたＭａｎａｇｅｍｅｎｔＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＢａ
ｓｅ（ＭＩＢ）を使用して管理エージェントを照会するためのよく知られた方法
である。この実施形態は、実質的にいかなるネットワーク・タイプをも管理し、
ＩＥＥＥ８０２．１イーサネット・ブリッジなど、非伝送制御プロトコル（非Ｔ
ＣＰ）デバイスが含まれる。

【００５１】ユーザ入力／出力インタフェース３０６は、必要とされるようにキーを変更す
る能力を有する、双方向暗号化をサポートする。ユーザ入力／出力インタフェー
ス３０６は、キーを設定するときに「チャレンジ」および「リプライ」認証も実
施する。この実施形態では、ユーザ入力／出力インタフェース３０６が一意の通
し番号を有するが、これは一意のネットワーク・アドレスを有しておらず、この
通し番号を暗号化および他のセキュリティ機能のために使用することができる。
加入者入力／出力インタフェース３０６上のファームウェアは、ハッキングから
も保護される。

【００５２】ユーザ装置およびデバイス３０８は、ゲートウェイ、ローカル・エリア・ネッ
トワーク、ブリッジなど、よく知られた様々な装置のいずれにすることもできる
。ユーザ装置およびデバイス３０８は、プリンタ、ハード・ドライブ、グラフィ
カル表示アダプタ、テレビ（ＴＶ）、ＴＶセット・トップ・ボックス、遠隔通信
装置、テレビ会議装置、および、ホーム・シアター・エレクトロニクスなどのオ
ーディオ／ビジュアル装置など、いくつかのよく知られたユーザ・デバイスのい
ずれにすることもできる。

【００５３】ユーザ・システム・コントローラ３１０の動作および構造は、中央システム・
コントローラ２１０の動作および構造に類似しており、ユーザ・システム・コン
トローラ３１０がユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４およびユーザ入力
／出力インタフェース３０６の動作を制御する。ユーザ・システム・コントロー
ラ３１０は同様に、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアおよびソ
フトウェアの組み合わせで実施することができる。ソフトウェアを使用して実装
される実施形態では、ソフトウェアをコンピュータ・プログラム製品（光ディス
ク、磁気ディスク、フロッピー・ディスクなど）またはプログラム記憶デバイス
（光ディスク・ドライブ、磁気ディスク・ドライブ、フロッピー・ディスク・ド
ライブなど）に格納することができる。

【００５４】ユーザ・システム・コントローラ３１０は、コンピュータ（またはプロセッサ
）の複合体上で動作するカスタム・ソフトウェアにすることもできる。一実施形
態では、ユーザ・システム・コントローラ３１０が、トークン・リング時分割多
重化（ＴＤＭ）システムにおいて実施される。

【００５５】図３Ａは、この実施形態においてユーザ・システム・コントローラ３１０で使
用するのに適した、データ送信ルーチン３００の流れ図を例示する。送信ルーチ
ン３００はステップ３１１で開始し、制御が直ちにステップ３１２へ移り、送信
ルーチン３００が、送信されるデータのタイプ、量、および速度を決定する。

【００５６】ステップ３１４で、送信ルーチン３００が、ステップ３１２で収集された情報
を中央システム・コントローラ２１０へ送る。ステップ３１６で、送信ルーチン
３００が、トークンの寿命中にデータを送信する。ステップ３１７で、送信ルー
チン３００が、それ以上のデータが存在しないかどうかを決定し、ステップ３１
８でトークンを中央システム・コントローラ２１０へ戻す。ステップ３１８で、
それ以上のデータがトークンを中央システム・コントローラ２１０へ戻さない場
合、送信ルーチン３００がステップ３１２へ戻る。

【００５７】ステップ３２０で、さらにデータがある場合、送信ルーチン３００が、中央シ
ステム・コントローラ２１０からの次のトークンを待機し、次いで送信ルーチン
３００がステップ３１２へ戻る。

【００５８】図３Ｂは、ユーザ・システム・コントローラ３１０がトークン・リングＴＤＭ
システム実施形態で実施する受信ルーチン３５０である。たとえば、ステップ３
５２で、受信ルーチン３５０がデータ・パケットを受信してこれを復調する。ス
テップ３５４で、受信ルーチン３５０がデータ・パケット・ヘッダを検査し、こ
のデータ・パケット・アドレスがユーザ・システム・アドレスと合致するかどう
かを決定する。

【００５９】ステップ３５６で、受信ルーチン３５０が、データ・パケットのアドレスがユ
ーザのシステム・アドレスと合致するかどうかを決定する。アドレスが合致する
場合、受信ルーチン３５０の制御がステップ３５８へ移り、受信ルーチン３５０
がデータ・パケットを解読する。ステップ３６０で、受信ルーチン３５０がデー
タ・パケットをユーザのサブネットワークへ送信する。

【００６０】他方では、ステップ３５６で、データ・パケット・アドレスがユーザ・システ
ム・アドレスと合致しないと決定される場合、受信ルーチン３５０の動作がステ
ップ３６２へ移り、受信ルーチン３５０がデータ・パケットをダンプする。

【００６１】図４は、例示的中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６の構成要素のブロック
図である。例示的中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６は、符号器４０２、変
調器４０４、マルチプレクサ４０６、および電力増幅器４０８を含み、これらが
データを搬送波へ変換し、かつ自由空間におけるユーザ・ネットワーク１０４へ
の送信のために搬送波を増幅する。

【００６２】符号器４０２が、データを表現する信号を形成し、送信し、受信し、処理する
ことができる方法を指定する１組の規則または規定に従って、データをデータの
表現に変換する。一態様では、符号器４０２がデータおよび制御信号を高速デー
タ・ストリームに符号化する。例示的符号器４０２が、ＰａｃｋｅｔＥｎｇｉ
ｎｅｓのＧ−ＮＩＣ上の媒体アクセス・コントローラ（ＭＡＣ）チップにおいて
実施される。もちろん、符号器４０２を、同じ符号化機能を有するいかなるイー
サネット・カード、スイッチ、または中継器において実施することもできる。

【００６３】変調器４０４が、光円錐１０６で送信されるデータに従って光円錐１０６を変
調する。通信のために使用される、いくつかのタイプのよく知られた変調スキー
ムがあり（たとえば、周波数変調、位相変調、位相シフト・キーイング変調、直
交振幅変調など）、そのいずれもが通信システム１００において通信を実施する
のに適している。一実施形態では、変調器４０４が、よく知られたイーサネット
ＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ（ＰＣＩ）カ
ードにおいて実施され、この入力および出力は光ファイバを介する。この実施形
態では、変調器４０４が、よく知られたオンオフ・キーイング（ＯＯＫ）振幅変
調スキームを使用する。ＯＯＫ振幅変調スキームは、現在入手可能なもっとも低
コストの変調スキームである。もちろん、変調器４０４を、同じ変調機能を有す
るいかなるイーサネット・カード、スイッチ、または中継器において実施するこ
ともできる。一実施形態では、ＰａｃｋｅｔＥｎｇｉｎｅｓのＧ−ＮＩＣ上の
直列化／非直列化チップを使用して、変調作業を実施し、ならびにレーザを駆動
する。

【００６４】一態様におけるマルチプレクサ４０６は、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）
であり、これは、波長（または色）を光円錐１０６に結合することによって光チ
ャネルを確立する。つまり、マルチプレクサ４０６が、異なる波長のいくつかの
チャネルを混合し、これらの波長を同じ光ビーム上に出力する。この態様では、
マルチプレクサ４０６を、よく知られた受動結合器または選択結合器にすること
ができる。別の態様では、マルチプレクサ４０６が光時分割マルチプレクサ（Ｏ
ＴＤＭ）、または高密度波長分割マルチプレクサ（ＨＤＷＤＭ）である。別法と
して、マルチプレクサ４０６を、コヒーレント多重チャネル・ヘテロダインまた
はホモダイン検出技術を使用して実施することができる。実際に、融合フィルタ
・カプラまたはＳｏｌｉｔｏｎマルチプレクサなど、チャネルを結合する機能を
実行することができるいかなるタイプの光結合器を使用しても、マルチプレクサ
４０６を実施することができる。もちろん、本発明は特定タイプの多重化によっ
て限定されない。たとえば、周波数、分極化、空間位置、極性、空間、代数変換
方法などを使用して、チャネルを光円錐１０６に結合することができる。マルチ
プレクサ４０６の一実施形態では、稠密波長分割マルチプレクサ（ＤＷＤＭ）を
使用して、１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲について（チャンネルの間がほぼ
０．８ｎｍの分離）、国際電気通信連合（ＩＴＵ）規格でチャネルを選択する。

【００６５】電力増幅器４０８は、光円錐１０６に存在する１つまたは複数の波長を受信し
、増幅することができる。電力増幅器４０８は、多数の形式（または、極性シフ
ト・キーイングまたは振幅シフト・キーイングなどの変調スキーム）またはビッ
ト・レート（多数のＧｂｐｓまで）の光信号を許容し、たとえば、電力増幅器４
０８は透過的である。本発明の一実施形態では、１つの地理的場所が３つの中央
ネットワーク局を含む。これらの各中央ネットワーク局からの信号が３６セクタ
に分割される。各セクタは、それぞれ１００Ｍｂｐｓから１０Ｇｂｐｓまでの最
大８チャネルを搬送することができ、全体のローカルの地理的容量は最大８．６
５０テラビット／秒（Ｔｂｐｓ）である（たとえば、３局×３６セクタ×８チャ
ネル×１０Ｇｂｐｓ）。一実施形態では、電力増幅器がエルビウムがドープされ
た光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）であり、これは１つまたは複数の波長を同時に
増幅する。それは、Ｎｅｐｅａｎ，Ｏｎｔａｒｉｏ，ＣａｎａｄａのＪＤＳＦ
ｉｔｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。

【００６６】図５は、例示的ユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４の構成要素のブロ
ック図である。実施形態のユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４は、光円
錐検出器５０２、ユーザ復調器５０４、ユーザ・デマルチプレクサ５０６、およ
びユーザ復号器５０８を含み、これらがデータを、それが自由空間からユーザ・
アンテナ３０２によって受信された後に、光円錐１０６における搬送波から検出
して分離する。

【００６７】光円錐検出器５０２が光円錐１０６を検出して光検出器（図示せず）上に集束
させる。光円錐検出器５０２は、光円錐１０６を集中させて損失なしに集束させ
るコンセントレータ（図示せず）を含むことができる。検出および集束の後、光
円錐１０６上のデータがプリアンプ（図示せず）で増幅され、並直列変換器（図
示せず）で直列形式へ変換され、プロトコル変換器（図示せず）を使用してプロ
トコルが変換される。プリアンプ、並直列変換器、およびプロトコル変換器は、
変調器４０４を参照して上に記載したように、ＰａｃｋｅｔＥｎｇｉｎｅｓに
よって製造されたＧ−ＮＩＣネットワーク・インタフェース・カードにおいて入
手可能である。この実施形態では、プロトコル変換器が、光円錐１０６の変調を
ギガビット・イーサネット形式へ変換するか、あるいは、これを１００Ｍｂｉｔ
形式へ低減することができる。検出器は、回析格子など、よく知られたパターン
・マスクも含む。光円錐検出器５０２が、光円錐１０６をユーザ復調器５０４へ
出力する。例示的光円錐検出器５０２が、２０４１５ＮｏｒｄｈｏｆｆＳｔ
ｒｅｅｔ，Ｃｈａｔｓｗｏｒｔｈ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ９１３１１に位置す
るＭＲＶＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓによって製造された、既製の１５５０
ｎｍトランシーバ・ユニットにおけるＰＩＮダイオードにおいて実施される。

【００６８】ユーザ復調器５０４が、変調器４０４によって使用された変調スキームと互換
性のある、よく知られた復調技術を使用して搬送波を復調する。たとえば、一実
施形態では、ユーザ復調器５０４はイーサネットＰＣＩカードに実装される。

【００６９】ユーザ・デマルチプレクサ５０６が、マルチプレクサ４０６と互換性のある技
術を使用して、波長を分離し、周波数分離された独立した光チャネルに戻す。デ
マルチプレクサ５０６は、よく知られた受動スプリッタまたは選択スプリッタに
することができる。

【００７０】ユーザ復号器５０８が、データを、符号器４０２によって確立されたデータの
表現から変換する。たとえば、ユーザ復号器５０８が、データおよび制御信号を
高速データ・ストリームから復号する。一実施形態が、ＰａｃｋｅｔＥｎｇｉ
ｎｅｓのＧ−ＮＩＣ上のＭＡＣチップに実装されている。もちろん、ユーザ復号
器５０８を、同じ符号化機能を有するいかなるイーサネット・カード、スイッチ
、または中継器に実装することもできる。ユーザ復号器５０８が、復号されたデ
ータをユーザ入力／出力インタフェース３０６へ出力し、次いでデータを周辺ネ
ットワーク１０５で使用可能にする。

【００７１】図２および図４または図３および図５における実施形態のいずれかまたはすべ
ての構成要素は、それぞれ単一のカードに実装することができる。本発明の一実
施形態では、図２および図４における構成要素がＰａｃｋｅｔＥｎｇｉｎｅｓ
からの単一のカードに実装されている。同様に、図３および図５における構成要
素がＰａｃｋｅｔＥｎｇｉｎｅｓからの単一のカードに実装されている。もち
ろん、図２および図４または図３および図５における構成要素のための特定の物
理的位置が、それぞれこの実施形態を実施するために必須でないことは、関連分
野の当業者には理解されよう。

【００７２】ダウンリンク送受信動作図６は、中央ネットワーク１０２のダウンリンク送信構成要素、ユーザ・ネッ
トワーク１０４のダウンリンク受信構成要素、および周辺ネットワーク１０５に
よって実行されるダウンリンク・データ送受信処理６００の流れ図である。処理
６００はステップ６０２で開始し、制御が直ちにステップ６０４へ移る。ステッ
プ６０４で、中央ルータ／交換機２０４が、ユーザ・ネットワーク１０４または
他の中央ネットワーク１０２における受信者向けに指定された、周辺ネットワー
ク１０５からのデータを受信する。

【００７３】ステップ６０６で、中央ルータ／交換機２０４がデータを中央ダウンリンク信
号プロセッサ２０６へ経路指定し、ステップ６０８で、データが、符号器４０２
、変調器４０４、マルチプレクサ４０６、および電力増幅器４０８を使用した送
信のために処理される。符号化、変調、多重化、および増幅の後に続いて、ステ
ップ６１０で、中央送信アンテナ２０８がデータを光円錐１０６として自由空間
に送信する。

【００７４】ステップ６１２で、ユーザ・アンテナ３０２が光円錐１０６を受信する。ユー
ザ・ダウンリンク信号プロセッサ３０４が光円錐１０６を処理して、データを搬
送波から除去し、１つまたは複数のチャネルから分離する。ステップ６１４で、
ユーザ入力／出力インタフェース３０６がこのデータを、ステップ６１８によっ
て示されたように周辺ネットワーク１０５へ、かつ／またはステップ６１６によ
って示されたようにユーザ装置およびデバイス３０８へ、適切なように、送信す
る。ステップ６１６および６１８の後に続いて、処理６００の動作が、ステップ
６２０によって示されたように完了する。

【００７５】アップリンク送受信構造図７は、例示的ユーザ・ネットワーク１０４のアップリンク送信構成要素のブ
ロック図である。周辺ネットワーク１０５がデータを、中央ネットワーク１０２
への送信のために、ユーザ入力／出力インタフェース３０６および／またはユー
ザ装置およびデバイス３０８を介して送信し、これをユーザ・アップリンク信号
プロセッサ７０２へ送信する。ユーザ・アップリンク信号プロセッサ７０２はデ
ータをユーザ・アンテナ３０２へ、コリメートされた光ビーム１０８として自由
空間への送信のために出力し、これが中央ネットワーク１０２によって受信され
る。ユーザ・アップリンク信号プロセッサ７０２については、以下で図９を参照
してより十分に記載される。

【００７６】図８は、例示的中央ネットワーク１０２のアップリンク受信構成要素のブロッ
ク図である。中央受信アンテナ８０２が、ユーザ・ネットワーク１０４から送信
されたデータを受信し、中央アップリンク信号プロセッサ８０４を使用してデー
タを処理し、中央ルータ／交換機２０４を介してデータを周辺ネットワーク１０
５へ経路指定する。中央システム・コントローラ２１０が、中央ルータ／交換機
２０４および中央アップリンク信号プロセッサ８０４の動作を制御する。中央ア
ップリンク信号プロセッサ８０４については、以下で図１０を参照してより十分
に記載される。

【００７７】図９は、例示的ユーザ・アップリンク信号プロセッサ７０２の構成要素のブロ
ック図である。例示的ユーザ・アップリンク信号プロセッサ７０２は、ユーザ・
マルチプレクサ９０２、ユーザ変調器９０４、およびユーザ光送信器９０６を含
む。マルチプレクサ９０２は、中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６における
マルチプレクサ４０６に類似した方法で動作し、マルチプレクサ９０２は、たと
えば、ＷＤＭ、ＯＴＤＭ、ＨＤＷＤＭ、コヒーレント多重チャネル・ヘテロダイ
ンまたはホモダイン検出技術、融合フィルタ・カプラまたはＳｏｌｉｔｏｎマル
チプレクサを使用して、チャネルを結合することができる。

【００７８】ユーザ変調器９０４は、中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６の変調器４０
４に類似した方法で動作する。たとえば、ユーザ変調器９０４は、通信のために
使用される、いくつかのタイプのよく知られた変調スキームを実施することがで
きる。本発明の一態様では、ユーザ変調器９０４が、よく知られたイーサネット
ＰＣＩカードにおいて実施され、この入力および出力は光ファイバを介する。ユ
ーザ光送信器９０６は、よく知られた光信号処理をデータ上で、ユーザ・アンテ
ナ３０２への出力の前に実行する。例示的光送信器９０６は、レーザ、増幅器、
および望遠鏡を含む。この実施形態では、Ｉｒｖｉｎｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
のＭｅａｄｅによって製造された望遠鏡を使用し、この接眼レンズは光ファイバ
要素を接眼レンズに挿入できるように（レーザ光を顕微鏡に送信できるように、
したがって、自由空間に送信できるように）適合されている。

【００７９】ユーザ光送信器９０６の出力がユーザ・アンテナ３０２へ送信され、これが、
多重化され変調されたデータを、コリメートされた光ビーム１０８として中央ネ
ットワーク１０２へ送信する。中央ネットワーク１０２がコリメートされた光ビ
ーム１０８を受信し、中央アップリンク信号プロセッサ８０４を使用してこれを
処理し、データをいずれかの周辺ネットワーク１０５へ送信する。

【００８０】図１０は、例示的中央ネットワーク１０２のアップリンク構成要素のブロック
図である。図１０のように、中央受信アンテナ８０２がコリメートされた光ビー
ム１０８を自由空間から受信する。中央受信アンテナ８０２が、光受信アンテナ
を使用してコリメートされた光ビーム１０８を受信し、これは、本発明の一実施
形態では、ホログラフィック光学要素を使用する。

【００８１】中央アップリンク信号プロセッサ８０４は、コリメート・ビーム検出器１００
２、中央復調器１００４、および中央デマルチプレクサ１００６を含む。コリメ
ート・ビーム検出器１００２がコリメートされた光ビーム１０８を検出して集束
し、空間オフセットを与えて、等しい波長上か異なる波長上かに関わらず、各コ
リメートされた光ビーム１０８を空間的に分離し、別々に検出する。コリメート
・ビーム検出器１００２は、２次元アレイの検出器に類似することができ、それ
ぞれが異なるユーザ・ネットワーク１０４またはより低いレベルのノードからの
コリメートされた光ビーム１０８を受信する。コリメート・ビーム検出器１００
２が、異なるコリメートされた光ビーム１０８に対応する信号を出力する。中央
受信アンテナ８０２が、異なった受信されたコリメート・光ビーム１０８に対応
する信号を中央復調器１００４へ出力する。一実施形態では、コリメート・ビー
ム検出器１００２が、コリメートされた光ビーム１０８を１５００ｎｍの検出器
上へ集束し、これがデータを１０Ｍｂｐｓを超過する速度で検出する。このよう
な検出器は、ＭＲＶＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓから入手可能である。

【００８２】中央復調器１００４が、ユーザ変調器９０４によって使用された変調スキーム
と互換性のある、よく知られた復調技術を使用して、搬送波を復調する。たとえ
ば、一実施形態では、ユーザ復調器１００４が、よく知られたイーサネットＰＣ
Ｉカードに実装されている。

【００８３】中央デマルチプレクサ１００６が、ユーザ・マルチプレクサ９０２と互換性の
ある技術を使用して、さらに波長を分離して、空間的に独立した光チャネルに戻
す。それ自体で、中央デマルチプレクサ１００６を、よく知られた受動スプリッ
タまたは選択スプリッタにすることができる。中央デマルチプレクサ１００６が
、データを中央ルータ／交換機２０４へ出力し、次いでデータを周辺ネットワー
ク１０５で使用可能にする。

【００８４】アップリンク送受信動作図１１は、中央ネットワーク１０２のアップリンク送信構成要素、ユーザ・ネ
ットワーク１０４のアップリンク受信構成要素、および周辺ネットワーク１０５
によって実行される、アップリンク・データ送受信処理１１００の流れ図である
。処理１１００はステップ１１０２で開始し、制御が直ちにステップ１１０４へ
移る。ステップ１１０４で、ユーザ入力／出力インタフェース３０６が周辺ネッ
トワーク１０５からのデータを受信し、データをユーザ・アップリンク信号プロ
セッサ７０２へ経路指定する。

【００８５】ステップ１１０６で、ユーザ・アップリンク信号プロセッサ７０２がデータを
、ユーザ・マルチプレクサ９０２、ユーザ変調器９０４、およびユーザ光送信器
９０６を使用した送信のために処理する。ステップ１１０８で、ユーザ・アンテ
ナ３０２がデータを自由空間に、コリメートされた光ビーム１０８として送信す
る。ステップ１１１０で、中央受信アンテナ８０２がコリメートされた光ビーム
１０８を自由空間から受信する。

【００８６】ステップ１１１２で、中央アップリンク信号プロセッサ８０４が、ユーザ・シ
ステム・コントローラ３１０の受信機能３５０のステップ３５２から３５８を呼
び出し（たとえば、図３Ｂを参照）、コリメートされた光ビーム１０８を処理し
てデータを搬送波から除去し、１つまたは複数のチャネルから分離する。

【００８７】ステップ１１１４で、中央ルータ／交換機２０４がこのデータを、ステップ１
１１４によって示されたように周辺ネットワーク１０５へ、かつ／またはステッ
プ１１１６によって示された他の中央ネットワーク１０２へ、適切なように、送
信する。ステップ１１１４および１１１６の後に続いて、処理１１００の動作が
、ステップ１１１８によって示されたように完了する。

【００８８】整形された発散光円錐１０６と反対に、中央ネットワーク１０２からユーザ・
ネットワーク１０４へ送信されるように、コリメートされた光ビーム１０８を使
用してユーザ・ネットワーク１０４から中央ネットワーク１０２へ送信すること
がより高価でない可能性があることに留意されたい。たとえば、コリメートされ
た光ビーム１０８はより少ない出力を必要とする。さらに、コリメートされた光
ビーム１０８を使用した送信により、中央ネットワーク１０２とユーザ・ネット
ワーク１０４の間の双方向光送信の間の干渉がほとんどなくなる。

【００８９】通信システム１００（たとえば、図１を参照）が従来のデータ通信の方法もサ
ポートすることを想起されたい。したがって、通信ネットワーク１００が、通信
の媒体と釣り合ったデータ転送速度で通信できる。たとえば、通信システム１０
０が自由空間へあるデータ転送速度で送信し、電話回線を介して異なる（たとえ
ば、より低い）データ転送速度で受信することができる。

【００９０】データ・パケット構造上述のように、通信システム１００がパケット交換技術を使用し、データが、
送信の前に個々のデータ・パケットに分割され、異なるネットワーク要素を通じ
て経路指定され、したがって、異なる時間に、あるいは順序を外れて到着するこ
とができる。順序を外れて受信された場合、個々のデータ・パケットが所期の宛
先で組み立て直される。

【００９１】図１２は、通信システム１００で使用するのに適したデータ・パケット１２０
０を例示する。データ・パケット１２００はペイロード１２０２を含み、これは
、典型的にはデータ内容である。たとえば、データ内容を、株式市況、電子会議
のためのビデオ／オーディオなどにすることができる。特定のペイロードが応用
例によって変わる可能性があり、データ・パケットを元のデータ・シーケンスに
組み立て直すことを容易にするために必要とされる情報を含むことができること
は、当業者には理解されよう。

【００９２】データ・パケット１２００はヘッダ１２０４も含む。ヘッダ１２０４は、典型
的には、データ・パケット１２００が経路指定される宛先ネットワーク要素（ま
たは受信者）を指定する宛先アドレス１２０６を含む。つまり、アドレス１２０
６が、どの中央ネットワーク１０２、ユーザ・ネットワーク１０４、または周辺
ネットワーク１０５、またはそれらのより低いレベルのノードが、特定のデータ
・パケット１２００の指定された受信者であるかを指定する。受信者が、データ
・パケット１２００におけるそれらの特定のアドレス１２０６を認識するとき、
受信者が、アドレス１２０６に追加されたペイロード１２０２を受け入れる。

【００９３】データ・パケット１２００は、巡回冗長検査（ＣＲＣ）１２０８も含む。これ
はデータ・パケット１２００の送信における誤りを検出するために使用される。
他の形式の誤り検出および訂正を、ＣＲＣ１２０８の代りに、あるいはそれに加
えて使用することができる。データ・パケット１２００は、いかなる従来の誤り
訂正方法による誤り訂正データをも含むことができる。データ・パケット１２０
０は、マルチキャスティングまたはブロードキャスティング・セッションのため
など、雑制御またはデータ情報のための雑部１２１０も含む。例示的データ・パ
ケット１２００はＳＯＮＥＴデータ・パケット構造である。代替物は、標準のイ
ンターネット・プロトコル（ＩＰ）データ・パケットである（たとえば、ＩＥＥ
Ｅイーサネット８０２．３フレーミングを有するＩＰｖ．４（ＩＰｖ．６）デー
タ・パケット）。

【００９４】セクタ化一実施形態では、データが中央ネットワーク１０２からユーザ・ネットワーク
１０４へ、光円錐１０６を使用して送信されること、および、光円錐１０６が整
形された発散するコヒーレント光ビームであることを想起されたい。いくつかの
整形された発散するコヒーレント光円錐１０６が、実質的に円形の放射パターン
において放射され、それが、中央ネットワーク１０２の周囲の領域のいずれかま
たはすべての部分を、劇場のスポットライトがステージを照らすように、照らす
。より高い信号強度を選択領域に送るために、照らされた領域の一部を強調する
ことができ、あるいは他よりも「明るく」することができる。劇場のスポットラ
イトの場合のように、光円錐１０６をいかなる形状に構成することもできる。放
射パターンの半径を、４分の１メートルから３キロメートルを越えるいかなると
ころにすることもできる。

【００９５】各中央ネットワーク１０２は、レーザ放射パターンを、赤外レーザ光の波長が
送信される仰角セクタを含む狭い半径方向セクタに光学的に整形する。一実施形
態では、中央ダウンリンク信号プロセッサ２０６が、レーザ・ビームを所望の放
射パターンに整形し、半径方向（または水平の）セクタおよび／または仰角（ま
たは垂直）セクタがさらにいくつかのチャネルに分割される。各チャネルに特定
の波長が割り振られる。ユーザには、中央ネットワーク１０２が高速データ・ス
トリームを、割り当てられた波長上の各ユーザまたはユーザのグループへ送信す
るように、波長を割り当てることができる。各垂直セクタおよび各水平セクタが
、異なる波長の１つまたは複数のチャネルを有することができる。各チャネルが
少なくとも１０Ｇｂｐｓのデータを搬送することができる。この構成は、２０Ｔ
ｂｐｓを超過するデータ送信容量に対応し、数千名ものユーザにサービスするこ
とができる。

【００９６】図１３は、セクタ化１３００を有する例示的送信点１３０１を例示する。この
実施形態によれば、いくつかの水平サブセクタがあり、サブセクタ１３０２ａ、
１３０２ｂおよび１３０２ｃによって表される。各セクタが垂直サブセクタを有
することができ、サブセクタ１３０６ａおよび１３０６ｂによって表される。各
垂直または水平サブセクタをさらに、別のサブセクタに分割することができる。
各水平サブセクタ１３０２ａ〜ｃおよび／または垂直サブセクタ１３０６ａ〜ｃ
が、１つまたは複数の波長チャネル（図示せず）を有することができる。

【００９７】通信システム１００が、セクタ化パターン１３００を有する送信点１３０１を
使用して通信するとき、データ・パケット１２００のアドレスが適切なセクタ１
３０２および波長チャネルを指定する。

【００９８】高度に制御可能な整形ビームが、通信システム１００を使用して、波長（また
は周波数）の再利用を大して重要でない問題にすることに留意されたい。通信シ
ステム１００におけるセクタが厳密に空間的に分離され、そのためいかなるチャ
ネルをいかなるセクタにおいても使用することができる。この空間的再利用技術
は、一般の非光学システムに勝る異なる利点を提供する。従来の周波数再利用ス
キームは、よく知られている正しい位相調整によって引き起こされた放射パター
ンのサイド・ローブ干渉のために必要であった。セクタ化、および、整形された
発散するコヒーレント光ビーム１０６の実施により、サイド・ローブ干渉問題が
回避され、したがって、周波数再利用スキームの必要性を回避する。これを実施
するため、中央送信アンテナ２０８が、動作波長に関して非常に大きい中央形状
アンテナを使用する（たとえば、波長のほぼ８倍）。逆に、従来のラジオのアン
テナが搬送波の波長とほぼ同じ大きさであり、そのためこれらは幾何光学系をそ
れらの送信セクタのために使用することができない。

【００９９】セクタ化パターン１３００を有する送信点１３０１は、本明細書で、送信点１
３０１から放射されたビームによって、ユーザ・ネットワーク１０４を収容する
建築物上へ投射された受信可能範囲の領域として定義されるような、いくつかの
タイプの「フットプリント」を発生することができる。一実施形態では、送信点
１３０１が、ユーザ・ネットワーク１０４を収容する建築物上にラフな円形のフ
ットプリントを投射するように設計された、整形されたセクタ化を有している。

【０１００】もちろん、本発明はフットプリントの形状に限定されない。図１４は、中央送
信アンテナ２０８によって発生された様々な適切なフットプリント１４０２ａ〜
ｆの例を例示する。いくつかの場合では、ただ１つの中央送信アンテナ２０８が
、送信された光円錐１０６の組毎に例示されるが、たとえば、中央送信アンテナ
２０８ａがいくつかの望遠鏡を含み、それぞれが一意に整形された放射パターン
を発生することができることを理解されたい。たとえば、中央送信アンテナ２０
８ｃの１つの望遠鏡が、実質的に円形のフットプリント１４０２ｄを発生する光
円錐１０６ｄを発生するとき、中央送信アンテナ２０８ｃの別の望遠鏡が、実質
的に七角形のフットプリント１４０２ｃを発生する光円錐（図示せず）を発生す
る。

【０１０１】他のフットプリントには、楕円形、六角形、ドーナツ形、四角形などが含まれ
る。たとえば、図１３を再度参照すると、サブセクタ１３０２ａが楕円形のフッ
トプリントを発生する。サブセクタ１３０６ａが六角形のフットプリントを発生
する。サブセクタ１３０６ｂがドーナツ形のフットプリントを発生する。

【０１０２】放射パターンを重ねるための１つの目的は、データを、異なるデータ転送速度
または容量で同じ建築物へ送ることである。もちろん、使用される特定の放射パ
ターンは、ユーザ・ネットワークを収容する建築物の規模および形状を含む要素
の数によって決定され、たとえば、それにより、光信号における出力が効果的に
利用されるようになる。

【０１０３】通信システム１００が光中継器１４０４を含むこともでき、これは一方向ある
いは双方向で光円錐１０６を受信し、再構築し、増幅し、これらをユーザ・ネッ
トワーク１０４へ送信し直す。光中継器１４０４は、送信中の放射パターンにお
けるデッド・スポットを補償する。したがって、光中継器１４０４が、中央ネッ
トワーク１０２の間の拡張として動作する。光中継器１４０４は、単一の要素と
して示されるが、多数の受信器−送信器の組を含むことができ、これらが上で図
２ないし図６に関して論じられた構成要素のもとで、光円錐１０６を検出し、再
構築し、増幅し、送信し直す。

【０１０４】図１５は、セクタ化パターン１３００による、中央ネットワーク１０２の周囲
の例示的トポロジ１５００を示す。トポロジ１５００において示された実施形態
は、３つの六角形の光伝播パターン１５０２ａ、１５０２ｂ、および１５０２ｃ
を含む。この実施形態では、各セクタ化パターン１３００が３６個のセクタを有
し、各セクタ化パターン１３００における１つのセクタが、それぞれセクタ１５
０２ａ₁、１５０２ｂ₁、および１５０２ｃ₁によって表される。代替実施形態は
６０個の半径方向セクタを有し、それぞれが６度の方位角および５個の仰角セク
タを有し、それぞれが１０Ｍｂｐｓから１０Ｇｂｐｓまでのデータ転送速度に対
応する８チャンネルを有する。なお別の実施形態は、放射パターンを１２０個の
３度のセクタに分割し、各セクタが１０Ｍｂｐｓから１０Ｇｂｐｓをユーザ・ネ
ットワーク１０４へ送る。

【０１０５】図１５は、超広帯域幅光バックボーン・リンク１５１０によって相互接続され
た、いくつかの中央ネットワーク１０２も示す。光バックボーン・リンク１５１
０は、インターネットＰＯＰ、電信電話会社、ＰＳＴＮ、または他の周辺ネット
ワーク１０５との相互接続も可能にする。

【０１０６】本明細書で記載された、自由空間を通じたネットワーク化高速双方向データ通
信のためのシステム、方法、および相互接続されたデバイスは、特に、霧の立ち
込めた天候状態において、光信号が減衰を受けやすい際に使用するために適して
いる。英国ロンドンにおけるポイント・トゥ・ポイントのレーザ通信の研究で、
履歴データベースに結合されたときに、時間毎に収集された４０年間のデータに
よる天候データベースを発生した、信頼性についてのデータを発生した。この種
類の情報により、通信システム１００のパラメータを修正して、ある大気状態を
補償することができる。たとえば、ある中央送信アンテナ２０８および／または
ユーザ・アンテナ３０２の出力、セルの半径、検出器の感度および／またはデー
タ転送速度を、適切なように増減することができる。類似の方法で、アンテナの
大きさを調節して、予想される信号のいかなる減衰をも補償することができる。

【０１０７】中央送信アンテナ２０８によって発生された放射パターンの受信可能範囲を大
気状態を予想して設計によってあらかじめ決めておくこともできる。たとえば、
ワシントン州シアトル市は、霧の立ち込めた状態が典型的に強い減衰を引き起こ
すことで知られており、放射パターンを、晴れた位置に適した２キロメートルの
放射パターンとは反対に、４分の１キロメートルに低減することができる。

【０１０８】他の適した修正には、光円錐１０６の形状を変更すること、光ビーム／光円錐
が送信される窓の明度を変更すること、光増幅器の強度を変更することなどが含
まれる。

【０１０９】ブロードキャストおよびマルチキャスト動作通信システム１００がデータを中央ネットワーク１０２からブロードキャスト
し、マルチキャストすることを想起されたい。ブロードキャスト動作中に、デー
タが、たとえば、中央ネットワーク１０２またはそれらのより低いレベルのノー
ドのいずれか１つから、すべてのユーザ・ネットワーク１０４および／またはす
べての周辺ネットワーク１０５および／またはそれらのより低いレベルのノード
に送信される。よく知られたブロードキャスト・アドレッシング・スキームはい
ずれも、この実施形態を実施するために適している。

【０１１０】ポイント・トゥ・マルチポイントのマルチキャスト通信中に、選択されたユー
ザ・ネットワーク１０４、周辺ネットワーク１０５、および／またはそれらのよ
り低いレベルのノードがデータを受信する。この実施形態は、等しいデータ内容
が、ユーザ・ネットワーク１０４および／または周辺ネットワーク１０５の特定
のグループへ実質的に同時に送信されることが望ましい状況において理想的であ
る（たとえば、テレビ電話会議中）。

【０１１１】この実施形態では、図１２に示されたデータ・パケット１２００の雑部１２１
０が、マルチキャスト・セッション、および、特定のマルチキャスト・セッショ
ン中に送信の受信者であるユーザの組を識別するマルチキャスト・セッション識
別子（図示せず）を含む。マルチキャスト・セッション・グループの１メンバが
受信する送信の内容は、このマルチキャスト・セッション・グループの別のメン
バが特定のマルチキャスト・セッション中に受信するものと実質的に同じ高速デ
ータである。

【０１１２】各マルチキャスト・セッション識別子は、１組の一意のアドレスに関連付けら
れる。マルチキャストされたデータの各受信者ごとに一意のアドレスがある。中
央ネットワーク１０２がマルチキャスト・セッション識別子を受信者へ送信し、
これが関連付けを使用して、１組の一意のアドレスに関連付けられた受信者のそ
れぞれについて一意のアドレスを決定する。中央ネットワーク１０２は、受信さ
れたデータ・パケット１２００を指定された受信者の組へ送信する前に、他の相
互接続されたネットワークから受信された各データ・パケット１２００へ受信者
のための一意のアドレスを追加する。

【０１１３】各中央ネットワーク１０２は、マルチキャスト・セッション識別子を加入者に
ついての一意のアドレスに変換するために複数のマルチキャスト・セッション識
別子変換テーブルを含む。マルチキャスト・セッション識別子によって識別され
た、１つまたは複数のマルチキャスト・セッションがあってもよい。各マルチキ
ャスト・セッション識別子が、１組のユーザを表す１組の一意のアドレスに関連
付けられる。中央ネットワーク１０２は、マルチセッション識別子を選択された
受信者の組についての各組の一意のアドレスに相関させるために少なくとも１つ
の変換テーブルを含んでいる。

【０１１４】表１は、本発明の一実施形態で使用するために適した、マルチキャスト・セッ
ション識別子テーブルの一例である。表１は、例のマルチキャスト・セッション
（１ないし４）、特定のマルチキャスト・セッション関連付けられた機能グルー
プについての機能グループ識別子（ＡないしＤ）、特定の機能グループにおける
特定の受信者についてのアドレスの組、および、特定のマルチキャスト・セッシ
ョン中に送信を受信するように指定された一意のアドレスに関連付けられた受信
者をリストする。マルチキャスト・セッションは、ある受信者がマルチキャスト
・セッション「１」ならびにマルチキャスト・セッション「２」に含まれる可能
性があるように、重なり合う受信者を有する可能性があることに留意されたい。
受信者が１０４ａないし１０４ｄに指定されて、いくつかのユーザ・ネットワー
ク１０４またはそれらのより低いレベルのいくつかのノードを表すことに留意さ
れたい。

【表１】

【０１１５】図１６は、例示的マルチキャスト処理１６００を示す流れ図である。マルチキ
ャスト処理１６００はステップ１６０２で開始し、制御が直ちにステップ１６０
４へ移る。ステップ１６０４で、周辺ネットワーク１０５の１つが高速データお
よびマルチキャスト・セッション識別子を中央ネットワーク１０２へ送信する。
たとえば、表１に従って、第１のマルチキャスト・セッション中に、周辺ネット
ワーク１０５の１つが機能グループ識別子「Ａ」を中央ネットワーク１０２へ送
信する。

【０１１６】ステップ１６０６で、中央ネットワーク１０２が高速データおよびマルチキャ
スト・セッション識別子を受信する。ステップ１６０８で、中央ネットワーク１
０２が、その変換テーブルを見ることによって、そのマルチキャスト・セッショ
ンに関連付けられた機能グループを決定する。ステップ１６１０で、中央ネット
ワーク１０２が、機能グループにおける受信者の組を決定する。

【０１１７】ステップ１６１２で、中央ネットワーク１０２が、機能グループにおける受信
者の組における各受信者の一意のアドレスを決定する。たとえば、中央ネットワ
ーク１０２がそのマルチキャスト・セッション識別子変換テーブルを見て、機能
グループ識別子「Ａ」に関連付けられた受信者の組についての一意のアドレスを
決定する。ステップ１６１４で、中央ネットワーク１０２が、受信者の組につい
ての一意のアドレスを、中央ネットワーク１０２から受信された高速データへ追
加し、結果として生じる高速データを受信者１０４ａ〜ｄへ送信する。高速デー
タが中央ネットワーク１０２から受信者１０４ａ〜ｄへ送信された後、ステップ
１６１６によって示されたように、マルチキャスト処理１６００が終了する。

【０１１８】中央ネットワーク１０２によって使用された多重化および逆多重化スキームが
、ユーザ・ネットワーク１０４によって使用された多重化および逆多重化スキー
ムとは異なり、中央ネットワーク１０２の多重化および逆多重化スキームは追加
レベルのアドレス変換を有して、入力ＩＰアドレスを適切なアドレスへ経路指定
することに対応することに留意されたい。追加の経路指定は、中央ルータ／変換
器２０４において実施される。

【０１１９】本明細書で記載されたすべての光学系を、ファラデー箱などの「ブラック・ボ
ックス」に封入して、光学構成要素を、外側にある光周波数などの外側の干渉か
ら分離させることができる。光学系をブラック・ボックスに封入することは、外
側の干渉をなくするための従来の方法よりも高価でなく、より簡素である。

【０１２０】中央ルータ／交換機２０４が中央ネットワーク１０２を周辺ネットワーク１０
５およびユーザ・ネットワーク１０４へ接続し、データがその間で交換できるよ
うにすることを想起されたい。さらに、中央ルータ／交換機２０４が、Ｐａｃｋ
ｅｔＥｎｇｉｎｅｓから入手可能なＧ−ＮＩＣネットワーク・インタフェース
・カードにおいて実施されたＮＩＣをサポートすることを想起されたい。図１７
は、Ｇ−ＮＩＣネットワーク・インタフェース・カード上で実施された例示的中
央ルータ／交換機２０４を示す。

【０１２１】この実施形態における中央ルータ／交換機２０４は、ギガビット・アップリン
ク・ポート１７０２および最大２つのサーバ・ポートを含む。すなわち、任意選
択のギガビット・サーバ・ポート１７０４および１０／１００イーサネット・サ
ーバ・ポート１７０６である。中央ルータ／交換機２０４は、グルー・ロジック
およびメモリ制御プロセッサ１７０７も含む。ギガビット・アップリンク・ポー
ト１７０２は、データ・パケット１２００をその入力上で受信し、サーバ・ポー
トがアクティブである出力へデータ・パケット１２００を送信する。同時に、中
央ルータ／交換機２０４が、アクティブなサーバ・ポートの入力に受信されたい
ずれのデータ・パケット１２００をも、ギガビット・アップリンク・ポート１７
０２の出力へ送信する。

【０１２２】いずれかのサーバ・ポート１７０４、１７０６から入って来るすべてのデータ
・パケット１２００が、ギガビット・アップリンク・ポート１７０２へ送信され
るが、いずれかのサーバ・ポート１７０４、１７０６を宛先としたギガビット・
アップリンク・ポート１７０２から入って来るデータ・パケット１２００が、グ
ルー・ロジックおよびメモリ制御プロセッサ１７０７によってフィルタリングさ
れることに留意されたい。つまり、フィルタ要件を満たすデータ・パケット１２
００のみが、適切なサーバ・ポート１７０４、１７０６へ送信される。少なくと
も、ギガビット・アップリンク・ポート１７０２が、特定のイーサネット・アド
レスを宛先としたデータ・パケット１２００のみを受け入れることによって、受
信されたデータ・パケット１２００をフィルタリングする。この実施形態では、
ギガビット・アップリンク・ポート１７０２が、ブロードキャスト・データ・パ
ケットおよびマルチキャスト・データ・パケットも受け入れる。一実施形態では
、フィルタリングを、ユーザ・ネットワーク１０４の範囲においてホスト・コン
ピュータ・システムによって実行することができる。

【０１２３】別の実施形態における中央ルータ／交換機２０４が、サーバ・ポートの１つか
ら、ユーザ・ネットワーク１０４に位置するホスト・コンピュータ・システムで
合致するポートへ直接接続される。この実施形態では、ギガビット・アップリン
ク・ポート１７０２が、ホスト・コンピュータ・システムのポートと同じイーサ
ネット・アドレスを使用する場合、中央ルータ／交換機２０４がそのギガビット
・アップリンク・ポート１７０２のそのホストのみをサポートする。これは、ホ
スト・コンピュータ・システムのイーサネット・アドレスが、中央ルータ／交換
機２０４にプログラムされるからである。

【０１２４】別の実施形態では、中央ルータ／交換機２０４がそのイーサネット・アドレス
を、サーバ・ポート上で見られたデータ・パケット１２００から「自動発見」す
る。別法として、中央ルータ／交換機２０４が、ホスト・コンピュータ・システ
ムに割り当てられたイーサネット・カードと同じイーサネット・アドレスで、事
前にプログラムされる。

【０１２５】（いくつかの追加機能）通信システム１００は、従来の通信システムの送信および受信通信機能を向上
させる。標準の電話回線がそれらの制限まで押されており、ほぼ６０Ｋｂｐｓの
データ・ネットワーク接続しか提供できないので、より大きい容量に留意するこ
とが重要である。他のネットワーク代替物が開発されているが、それらも制限を
有する。たとえば、ＩＳＤＮは、広域ネットワーキングの選択の解決策と見なさ
れたが、１２８Ｋｂｐｓに制限される。新たに売り込まれたＡＤＳＬサービスは
８Ｍｂｐｓに制限され、非対称である（一方向−ダウンリンクでのみ高速である
）。既存のパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）は、１００Ｍｂｐｓを越えてロー
カルにネットワークする能力を有し、これらの広域ネットワーク技術が非常に不
十分のままである。

【０１２６】公表された、帯域幅のボトルネックを破ろうとする試みは、地球低軌道（ＬＥ
Ｏ）における衛星を組み込む。これらの衛星ネットワークは、１．５から２８Ｍ
ｂｐｓのデータ・ダウンリンク速度を得ることができる。しかし、これらのシス
テムを導入するためのコストは、数十憶ドルにも及び、導入に数年間を要する。

【０１２７】光ファイバおよびＬＭＤＳも、遠隔通信市場において入手可能であり、計画さ
れた技術である。ＬＭＤＳは光ファイバ導入の資本コストの２５パーセントのみ
を必要とすると思われるが、４キロメートル幅のセルごとに総トラフィック容量
の４から６Ｇｂｐｓまでの上限があると思われ、これが著しい制限をシステムの
成長に与える。たとえば、シアトルの中心街のビジネス中心部の２倍の規模の地
域では、４０から６０名のみの顧客が同時に１００Ｍｂｐｓのアクセスを持つこ
とができる。対照的に、光通信システム１００は、潜在的に最大数千ものこのよ
うな同時接続を供給することができる。

【０１２８】通信システム１００が、セルごとの総容量２Ｇｂｐｓの制限なしに、ＬＭＤＳ
の資本コストの３０パーセント（または、ファイバのほぼ８パーセント）のみを
必要とすることができる。通信システム１００が、チャネルごとに２．５Ｇｂｐ
ｓ二重または１．２５単信で通信できる能力を有し、システムごとのその全体の
容量が２Ｔｂｐｓを超過する可能性があることを想起されたい。この容量はＬＭ
ＤＳより１，０００倍高く、著しく低いインフラストラクチャのコスト、および
、競争相手の価格設定より価格を下げる能力および／または競争相手の提供物を
しのぐ能力に変換される。

【０１２９】通信システム１００は、無線、ファイバ、およびネットワーキングの概念を結
合して、数テラビットの情報を世界中に、非常に時宜を得た費用有効的な方法で
送る能力を有する、一意のネットワークを形成することによって、これらの圧倒
的な速度／量を実施する。

【０１３０】通信システム１００のアンテナは、多数の屋根上で見つけることができるタイ
プの小型の椀形アンテナとサイズおよび形状において類似する。しかし、アンテ
ナを、屋根上のみへの設置よりもはるかに容易な窓ガラスの後ろへ配置すること
ができる。

【０１３１】通信システム１００が実施する技術により、３キロメートルを十分に越える放
射パターンの半径が可能となるが、都市の中心部では、中央ネットワーク１０２
がはるかに小さくなり、地域の地理ならびに建築物の規模および建築物の位置に
依存する可能性がある。さらに、上述のように、通信システム１００は非常に有
利なチャネル再利用特性を有し、著しく低いコスト、著しく高い容量、およびよ
り大きい帯域幅を可能にする。

【０１３２】非常に簡素な例を使用すると、１つの中央ネットワーク１０２が１２０個の３
度のセクタに分割され、各セクタが１００Ｍｂｐｓから２．５Ｇｂｐｓを搬送す
ると仮定する。この非常に簡素な例では、この単一の中央ネットワーク１０２が
、３００Ｇｂｐｓを多数のユーザへ送る能力を有する。セクタごとの追加チャネ
ルの追加により、データ・スループットが著しく向上する。セクタごとに８チャ
ネルを使用することによって、光通信システム１００が、単一のローカルの中央
ネットワーク１０２のデータ・スループットを２．４Ｔｂｐｓへ効果的に向上さ
せる能力を有する。このような中央ネットワーク１０２は、１００Ｍｂｐｓのサ
ービスを２４，０００名のユーザへ同時に供給することができる。これははるか
に従来の通信システムを越える。唯一の近接した競争相手はＬＭＤＳであり、こ
れは現在、セル・サイトごとに約４Ｇｂｐｓに制限されている。

【０１３３】通信システム１００における構成要素の多数は、ハードウェア、ソフトウェア
、またはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを使用して実装すること
ができ、コンピュータ・システムまたは他の処理システムに実装することができ
る。本発明がハードウェアを使用して実装される態様では、ハードウェア構成要
素を特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、またはハードウェア・ステート・マシンに
することができる。ソフトウェアを使用して実装される態様では、ソフトウェア
をコンピュータ・プログラム製品（光ディスク、磁気ディスク、フロッピー・デ
ィスクなど）またはプログラム記憶デバイス（光ディスク・ドライブ、磁気ディ
スク・ドライブ、フロッピー・ディスク・ドライブなど）に格納することができ
る。つまり、ソフトウェアは、取外し可能ディスクから、あるいは、ハード・ド
ライブにダウンロードされたコードから使用することができる。さらに、ソフト
ウェアは、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラム可能ＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、
またはいかなる変形形態の消去可能ＰＲＯＭ（たとえば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲ
ＯＭなど）などのモジュールに格納されたコードを含むことができる。

【０１３４】一実施形態によれば、通信システム１００が、よく知られた時分割多元接続（
ＴＤＭＡ）技術を使用する。ＴＤＭＡでは、各ユーザ・ネットワーク１０４が、
割り振られた波長（またはデータ転送速度）に基づいて１つまたは複数のＴＤＭ
Ａタイム・スロットを割り当てられ、指定されたＴＤＭＡタイム・スロット中に
ネットワークが互いに通信する。通信システム１００がＴＤＭＡ技術を使用する
とき、通信システム１００が、よく知られた回析格子（またはパターン・マスク
）を使用して、各ユーザ・ネットワーク１０４のためのデータ・ストリームから
あるビットのみを受信して、いくつかのユーザ・ネットワーク１０４を１つのＴ
ＤＭＡチャネル上に多重化することができる。

【０１３５】リソース・マネージャ（図示せず）が、ＴＤＭＡタイム・スロットの割り当て
を調整する。リソース・マネージャがチャネルについて取り決める（たとえば、
特定の周波数のタイム・スロット）。

【０１３６】光円錐１０６およびコリメートされた光ビーム１０８の構成の相互接続を、「
ｏｐｅｎｓｈｏｒｔｅｓｔｐａｔｈｆｉｒｓｔ」（ＯＳＰＦ）など、標準
のインターネット・プロトコルを使用して行うことができ、これは、ルータの数
、送信速度、遅延、および経路コストに基づいて経路を計算するために使用され
るリンク状態経路指定アルゴリズムである。光円錐１０６およびコリメートされ
た光ビーム１０８の相互接続は、他のよく知られている経路指定アルゴリズムを
使用して実施することもできる。

【０１３７】図１８は、通信システム１００の代替実施形態を示す。この代替実施形態では
、送信および受信のための多重アクセス受信器／送信器（ＭＡＲＴ）１８０２を
使用する。中央ネットワーク１０２がＭＡＲＴ１８０２へ、送信リンク１８００
によって接続される。送信リンク１８００は、電話回線または光ファイバ・ケー
ブルなどのハードウェア・リンクであるが、無線リンク（たとえば、無線周波数
、レーザ光など）を使用することも可能である。加えて、図１８は、中央ネット
ワーク１０２およびＭＡＲＴ１８０２を、分離された、遠隔構成要素として示す
が、ＭＡＲＴ１８０２を中央ネットワーク１０２内に置くことができることを理
解されたい。

【０１３８】ＭＡＲＴ１８０２は、中央送信アンテナ２０８および中央受信アンテナ８０２
のアレイ１０４を含む。図１８の中央送信アンテナ２０８は、それらのそれぞれ
の中央受信アンテナ８０２の中心で同軸上に位置する。他の修正が可能である。
たとえば、中央送信アンテナ２０８は、同軸上に位置する代りに、それらのそれ
ぞれの中央受信アンテナ８０２の付近に（たとえば、そこから分離して）位置す
ることができる。送信された信号と受信された信号の間の波長の分離が十分であ
る場合、同じ光学デバイスを使用して送受信することも可能である。

【０１３９】中央ネットワーク１０２からユーザ・ネットワーク１０４および／または周辺
ネットワーク１０５へのダウンリンク送信は、単一のブロードキャスト・ビーム
をいくつかの光円錐１０６に分裂し、各光円錐１０６が単一のブロードキャスト
・ビームに存在する情報のすべてを有する概念を使用する。まず、ＭＡＲＴ１８
０２における、５００ｍＷＥＤＦＡなどの１つまたは複数の電力増幅器４０８
が、送信リンク１８００を通じて受信された単一のブロードキャスト・ビームを
分裂し、個々の信号をそれぞれの中央送信アンテナ２０８へ提供する。次いで、
中央送信アンテナ２０８が、個々の信号を光円錐１０６としてユーザ・ネットワ
ーク１０４および／または周辺ネットワーク１０５へ送信する。配列１８０４、
または個々の中央送信アンテナ２０８および中央受信アンテナ８０２を、たとえ
ば、１つまたは複数のジンバル構造上へ取り付けて、送信された光円錐１０６を
向ける。使用可能な光学系が使用されて、光円錐１０６を必要に応じて集束して
向ける。

【０１４０】図１８に示された実施形態では、１つまたは複数の光円錐１０６を、ユーザ・
ネットワーク１０４または周辺ネットワーク１０５における特定の受信器上に集
束させることができる。つまり、建築物全体へ送信する代りに、分離した光円錐
１０６を建築物における特定の受信機へ送信することができる。さらに、分離し
た光円錐１０６が異なる出力を有して、より大きい出力を有する光円錐１０６が
、さらに遠く離れているかあるいは暗い色付きの窓の後ろにある受信器へ送信さ
れ、より小さい出力を有する光円錐１０６が、より近い範囲の受信器へ送信され
るようにすることができる。また、ＭＡＲＴ１８０２が複数の建築物へ送信して
、いくつかの光円錐１０６がある建築物へ送信され、他の光円錐１０６が他の建
築物へ送信されるようにすることができる。送信の出力レベルを調節し、中央送
信アンテナ２０８を適切な方向に向けることによって、したがって、いくつかの
建築物を「リンク」することが可能であり、同じＭＡＲＴ１８０２からより長距
離であることが可能となる。効率を最大にするため、電力増幅器４０８の所与の
出力を様々な光円錐１０６の間に配分して、より少ない出力を必要とする光円錐
１０６の出力が低減され、より多くの出力を必要とする他の光円錐１０６の出力
が相応じて増加されるようにすることができる。

【０１４１】さらに、ＭＡＲＴ１８０２の送信可能範囲の範囲が、電力増幅器４０８におけ
る分裂の数を調節することによって容易に変更される。単一のブロードキャスト
信号を電力増幅器４０８で分裂し、中央送信アンテナ２０８を各四分円に設ける
ことによって、最大で完全な半球状のセクタが可能である。

【０１４２】ＭＡＲＴ１８０２は、コリメートされた光ビーム１０８をユーザ・ネットワー
ク１０４および／または周辺ネットワーク１０５から受信することもできる。ユ
ーザ・ネットワーク１０４および／または周辺ネットワーク１０５における個々
の送信器から送信された、複数のコリメートされた光ビーム１０８が、ＭＡＲＴ
１８０２における中央受信アンテナ８０２によって受信される。上述のＭＡＲＴ
１８０２からの送信と同様に、ユーザ・ネットワーク１０４および／または周辺
ネットワーク１０５からＭＡＲＴ１８０２へのコリメートされた光ビーム１０８
のアップリンク送信により、多数の信号をＭＡＲＴ１８０２でリンクさせること
ができる。

【０１４３】多数の可能な設計パラメータを図１８に示した実施形態に使用することができ
る。たとえば、１２°のセクタが、５００メートルの距離の直径１００メートル
の光円錐１０６を投射することができる。３ｍｒａｄのビームが、５００メート
ルの距離の直径１．５メートルを有する光円錐１０６を投射することができる。
同じ送信出力を使用し、分裂中に損失がないと仮定すると、３ｍｒａｄのビーム
が、４，４４４名の各顧客に投射することができ、１２°のセクタと同じ出力密
度を有することができる。別法として、サービスを１００名の顧客に、それぞれ
につき１６ｄＢのリンク・マージンで提供することができる。増大されたリンク
・マージンを使用して、各顧客の受信器の大きさおよびコストを低減することが
できる。

【０１４４】本発明の特定の態様および例が、例示のために本明細書に記載されるが、様々
な均等の修正が本発明の範囲内で可能であり、本発明の精神および範囲から逸脱
することなく行うことができることは、関連分野の当業者には理解されよう。た
とえば、本明細書で、様々な光ビームおよび光送信を発生するものとしてレーザ
が記載されたが、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの他の光発生デバイスを使用す
ることができる。本明細書に記載された実施形態では、コリメートされた光ビー
ム１０８がネットワーク・アップリンク構成要素（たとえば、図７ないし図１０
を参照）で使用され、光円錐１０６がネットワーク・ダウンリンク構成要素（た
とえば、図２および図３ないし図５を参照）で使用されるが、いくつかの実施形
態では、ネットワーク・アップリンク構成要素が光円錐１０６を使用することが
でき、あるいは、ネットワーク・ダウンリンク構成要素がコリメートされた光ビ
ーム１０８を使用することができることも理解されたい。さらに、ユーザと中央
ノードの間に適切な調整を有して、いくつかのチャネル（たとえば、周波数領域
）をアップリンクでも使用することができる。

【０１４５】本明細書で提供された、本発明の実施形態の教示は、いかなる標準のネットワ
ーク相互接続によって機能的にされた光リンクにも適用することができる。たと
えば、Ｇ−ＮＩＣネットワーク・インタフェース・カード（たとえば、図２を参
照）をＰＣにおいて実施することができる。さらに、通信システム１００の１つ
または複数の構成要素または機能を、コンピュータ・ネットワーク、コンピュー
タ可読媒体（磁気カセット、デジタル・ビデオ・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、Ｂｅ
ｒｎｏｕｌｌｉカートリッジ、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、ＲＯＭ
、スマート・カードなど）およびそれらの関連デバイスにおいて、実施すること
ができる。通信システム１００の１つまたは複数の構成要素または機能を、マイ
クロプロセッサによって、あるいは、コンピュータによって実行可能なプログラ
ム・モジュールまたはマクロなど、コンピュータ可読またはコンピュータ実行可
能命令において実施することができる。これらのタイプの機能を実施する方法は
、本明細書で提供された詳細な説明に基づいて、当業者には理解されよう。

【０１４６】これらの変更および他の変更を、上記の詳細な説明に鑑みて、本発明に行うこ
とができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用された用語は、本発
明を本明細書および特許請求の範囲において開示された特定の態様に限定するよ
うに解釈されるべきでないが、特許請求の範囲のもとで動作して、なかんずく、
高速光データ通信を提供するすべての光通信システムを含むように解釈されるべ
きである。したがって、本発明は開示によって限定されないが、その代りに、本
発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって完全に決定され、これは、特許請
求の範囲の解釈の確立された教示に従って解釈されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】一実施形態を実施するために適した通信システムのブロック図である。

【図１Ｂ】図１Ａの通信システムの側面を図示する等角図である。

【図２】図１Ｂにおける通信システムを使用したダウンリンク送信のための例示的中央
ネットワーク構成要素のブロック図である。

【図２Ａ】例示的中央システム・コントローラの送信機能の流れ図である。

【図３】例示的ユーザ・ネットワーク・ダウンリンク受信構成要素のブロック図である
。

【図３Ａ】例示的ユーザ・システム・コントローラの送信機能の流れ図である。

【図３Ｂ】例示的ユーザ・システム・コントローラの受信機能の流れ図である。

【図４】例示的中央ダウンリンク信号プロセッサ構成要素のブロック図である。

【図５】例示的ユーザ・ダウンリンク信号プロセッサ構成要素のブロック図である。

【図６】例示的ダウンリンク・データ送受信処理の流れ図である。

【図７】例示的ユーザ・ネットワーク・アップリンク送信構成要素のブロック図である
。

【図８】例示的中央ネットワーク・アップリンク受信構成要素のブロック図である。

【図９】例示的ユーザ・アップリンク信号プロセッサ構成要素のブロック図である。

【図１０】例示的中央ネットワーク・アップリンク構成要素のブロック図である。

【図１１】アップリンク・データ送受信処理の流れ図である。

【図１２】図１Ａの通信システムで使用するために適したデータ・パケットを例示する図
である。

【図１３】セクタ化を有する例示的送信点を例示する図である。

【図１４】図２の例示的中央ネットワーク構成要素における中央送信アンテナによって発
生された、様々な適切な放射パターンの例を例示する図である。

【図１５】図１３のセクタ化によって発生された例示的トポロジを例示する図である。

【図１６】例示的マルチキャスト処理を例示する流れ図である。

【図１７】例示的中央入力／出力インタフェースを示す図である。

【図１８】図１Ａおよび図１Ｂの通信システムの代替実施形態を示すブロック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者クローニン，アレクザンダー・ダグラスアメリカ合衆国・98015・ワシントン州・シアトル・ブルックリンアベニュノースイースト・3801・アパートメントビイ −124−３ (72)発明者エリオット，キャメロン・エスアメリカ合衆国・98102・ワシントン州・シアトル・ブロードウェイイースト・ 323 (72)発明者ラリソン，リチャード・ディアメリカ合衆国・84328・ユタ州・パラダイス・サウス 400 ウエスト・8501・ボックス 142 (72)発明者スティーブンス，ジェイムズ・チャールズアメリカ合衆国・98115・ワシントン州・シアトル・35ティエイチアベニュノースイースト・9707 (72)発明者ジカン，カレルアメリカ合衆国・98103・ワシントン州・シアトル・サニーサイドアベニュノース・4640 (72)発明者シュスター，ジョンアメリカ合衆国・98005・ワシントン州・ベルビュー・139ティエイチアベニュサウスイースト・2680・15番 (72)発明者プラット，マークアメリカ合衆国・98129・ワシントン州・イッサクゥー・サウスイーストクラハニー・25025・ジイ104 (72)発明者ワイア，ジョラーアメリカ合衆国・98102・ワシントン州・シアトル・イーストロイ・301・アパートメント 63 (72)発明者ウェブ，ジェイムズアメリカ合衆国・98119・ワシントン州・シアトル・ウエストエトゥルインストリート・15・９番Ｆターム(参考） 5K002 BA13 DA02 DA09 DA31 FA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの第１の情報信号を送信するように構成され
、第２の情報信号を受信するように構成された周辺ノードと、前記第１の情報信号を前記周辺ノードから受信し、前記受信された第１の情報
信号で第１の光ビームを変調した信号を自由空間を通じて送信するように構成さ
れ、前記第２の情報信号を前記周辺ノードへ送信するように構成され、少なくと
も１つの第３の情報信号で変調された第２の光ビームを自由空間から受信するよ
うに構成された少なくとも１つの中央ノードと、前記第１の光ビームを受信し、自由空間からの前記変調された第１の情報信号
を復調するように構成され、前記第３の情報信号で変調した前記第２の光ビーム
を自由空間を通じて送信するように構成された少なくとも１つのユーザ・ノード
とを含む通信システム。
【請求項２】前記第１の光ビームが整形された発散レーザ・ビームを含み
、前記第２の光ビームがコリメートされた光ビームを含む請求項１に記載の通信
システム。
【請求項３】前記少なくとも１つの中央ノードが、中央ネットワークを形成する複数の中央ノードを含み、各中央ノードは、自由
空間を通じて、整形された発散するコヒーレント光ビームを変調した複数の前記
第１の情報信号を送信するように構成され、前記少なくとも１つのユーザ・ノードが、ユーザ・ネットワークを形成する複
数のユーザ・ノードを含み、各ユーザ・ノードは、自由空間を通じて、整形され
た発散するコヒーレント光ビームを変調した前記複数の第１の情報信号を受信す
るように構成され、前記中央ノードが前記ユーザ・ノードへ、ノード・トゥ・ノード、ノード・ト
ゥ・マルチポイント、マルチポイント・トゥ・ノード、またはマルチポイント・
トゥ・マルチポイントの方法で送信するように構成される請求項１に記載の通信
システム。
【請求項４】データを中心点と少なくとも１人のユーザの間で送信するた
めの方法であって、前記中心点で、データおよび少なくとも１つのユーザ・アドレスで光ビームを
変調すること、前記中心点で、自由空間を通じて前記光ビームを送信すること、前記光ビームを復調し、前記データおよび前記少なくとも１つのユーザ・アド
レスを検索すること、前記データを前記ユーザへ、前記ユーザ・アドレスに従って経路指定すること
、およびデータを前記ユーザから中心点へ送信することを含む方法。
【請求項５】前記データおよび前記少なくとも１つのユーザ・アドレスが
変調されている前記光ビームが、整形された発散光ビームを含む請求項４に記載
の方法。
【請求項６】前記データおよび前記少なくとも１つのユーザ・アドレスが
変調されている前記光ビームが、整形された発散するコヒーレント光ビームを含
む請求項４に記載の方法。
【請求項７】前記データおよび前記少なくとも１つのユーザ・アドレスが
変調されている前記光ビームが、レーザ・ビームを含む請求項４に記載の方法。
【請求項８】前記データおよびいくつかのユーザ・アドレスで光ビームを
変調すること、前記データを前記いくつかのユーザ・アドレスへ経路指定すること、およびデータを少なくとも１人の前記ユーザから中心点へ、自由空間を通じて、ある
いは、少なくとも１つの電話回線を介して送信することをさらに含む請求項４に
記載の方法。
【請求項９】前記光ビームを、自由空間を通じていくつかのユーザ・アド
レスへ、ポイント・トゥ・ポイント、ポイント・トゥ・マルチポイント、マルチ
ポイント・トゥ・ポイント、またはマルチポイント・トゥ・マルチポイントの方
法で送信することをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項１０】自由空間を通じて、発散するコヒーレント光ビームを変調
した情報信号を送信するように構成された中央ノードと、自由空間から前記発散するコヒーレント光ビームを受信し、前記変調された情
報信号を自動的に処理するように構成されたユーザ・ノードとを含み、前記発散
するコヒーレント光ビームが、前記ユーザ・ノードで受信されたとき、前記中央
ノードでの発散するコヒーレント光ビームとは異なる寸法を有する通信システム
。
【請求項１１】自由空間を通じて、複数の発散光ビームを変調した複数の
情報信号を送信するようにそれぞれ構成された複数の中央ノードと、自由空間から、発散光ビームを変調した前記情報信号を受信するようにそれぞ
れ構成された複数のユーザ・ノードとをさらに含み、前記中央ノードが前記ユー
ザ・ノードへ、ブロードキャスト、同時放送、またはマルチキャストの方法で送
信するように構成される請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１２】前記中央ノードが、自由空間を通じて前記ユーザ・ノード
へ、ブロードキャストまたはマルチキャストの方法のうちの１つで送信するよう
に構成される請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１３】前記情報信号を前記中央ノードへ、変調のために送信する
ように構成された周辺ノードをさらに含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１４】前記情報信号を前記中央ノードへ、変調のために送信する
ように構成された、電信電話会社、仮想ノード、またはエリア・ノードをさらに
含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１５】前記中央ノードおよび前記ユーザ・ノードが、同期光ネッ
トワーク（ＳＯＮＥＴ）アーキテクチャを使用して相互接続される請求項１０に
記載の通信システム。
【請求項１６】周辺ノードをさらに含み、前記中央ノード、ユーザ・ノー
ド、および周辺ノードが、同期光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）アーキテクチャを
使用して相互接続される請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１７】前記中央ノードおよび前記ユーザ・ノードが、ギガビット
・イーサネット・アーキテクチャを使用して相互接続される請求項１０に記載の
通信システム。
【請求項１８】周辺ノードをさらに含み、前記中央ノード、ユーザ・ノー
ド、および周辺ノードが、ギガビット・イーサネット・アーキテクチャを使用し
て相互接続される請求項１０に記載の通信システム。
【請求項１９】前記発散光ビームが、ほぼ１５５０ｎｍの波長で動作する
、整形されたコヒーレント赤外レーザを含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２０】前記発散光ビームが、整形されたコヒーレント赤外、近赤
外、または可視光レーザ・ビームを含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２１】前記光ビームが、整形されたコヒーレント発散光ビームを
含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２２】回析格子、ビーム整形レンズ、またはホログラフィック光
学要素をさらに含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２３】前記発散光ビームを水平に整形するビーム整形光学系をさ
らに含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２４】前記発散光ビームを垂直に整形するビーム整形光学系をさ
らに含む請求項１０に記載の通信システム。
【請求項２５】前記情報信号が、ヘッダおよびペイロードを有する少なく
とも１つのデータ・パケットをさらに含み、前記ヘッダは少なくとも１つの前記
ユーザ・ノードを指定し、前記ペイロードは高帯域幅データを含む請求項１０に
記載の通信システム。
【請求項２６】自由空間を通じて情報信号で変調された光ビームを送信す
るように構成された少なくとも１つのユーザ・ノードと、前記光ビームを自由空間から受信し、前記情報信号を前記光ビームから復調し
、前記情報信号を周辺ノードへ送信するように構成された中央ノードとを含む通信システム。
【請求項２７】前記光ビームがコリメートされた光ビームを含む請求項２
６に記載の通信システム。
【請求項２８】前記光ビームが、整形された発散光ビームを含む請求項２
６に記載の通信システム。
【請求項２９】前記ユーザ・ノードが、コリメートされたレーザ・ビーム
を変調した前記情報信号を送信するように構成され、前記中央ノードが、コリメ
ートされたレーザ・ビームを変調した前記情報信号を受信するように構成される
請求項２６に記載の通信システム。
【請求項３０】前記ユーザ・ノードが、回析格子、ビーム整形レンズ、ま
たはホログラフィック光学要素を有するアンテナをさらに含む請求項２６に記載
の通信システム。
【請求項３１】前記光ビームが、光スペクトルの実質的に１５５０ｎｍの
領域における光ビームを含む請求項２６に記載の通信システム。
【請求項３２】自由空間を通じて光搬送波を複数のユーザ・ノードへ送信
するように構成された装置であって、情報信号を受信するように構成された入力ポートと、光搬送波を発生するように構成された放射エネルギー発生器と、前記放射エネルギー発生器および前記入力ポートに結合され、前記光搬送波を
処理して前記情報信号と結合するように構成された信号プロセッサと、前記信号プロセッサに結合され、整形された発散放射エネルギーを発生し、前
記整形された発散放射エネルギー上で前記結合された光搬送波および情報信号を
自由空間に送信するように構成されたアンテナとを含む装置。
【請求項３３】いくつかの波長チャネルからのいくつかの情報信号を前記
光搬送波に結合するように構成されたマルチプレクサをさらに含む請求項３２に
記載の通信システム。
【請求項３４】いくつかのチャネルからのいくつかの情報信号を前記光搬
送波に結合するように構成された、光時分割マルチプレクサ（ＯＴＤＭ）、高密
度波長分割マルチプレクサ（ＨＤＷＤＭ）、コヒーレント多重チャネル・ヘテロ
ダイン検出器、コヒーレント多重チャネル・ホモダイン検出器、融合フィルタ・
カプラ、Ｓｏｌｉｔｏｎマルチプレクサ、周波数結合器、極性結合器、空間結合
器、または代数変換結合器をさらに含む請求項３２に記載の通信システム。
【請求項３５】前記光搬送波を増幅するように構成された、電力増幅器、
エルビウムがドープされたファイバ増幅器、またはイッテルビウムがドープされ
たファイバ増幅器をさらに含む請求項３２に記載の通信システム。
【請求項３６】データおよび制御信号を前記情報信号に符号化するように
構成された符号器をさらに含む請求項３２に記載の通信システム。
【請求項３７】データをユーザ点と複数の周辺点の１つの間で中心点を介
して送受信する方法であって、前記ユーザ点で、コリメートされた光ビームをデータおよび少なくとも１つの
周辺点アドレスで変調すること、前記ユーザ点で、自由空間を通じて、前記コリメートされた光ビームを前記中
心点へ送信すること、前記中心点で、前記コリメートされた光ビームを復調し、前記データおよび前
記周辺点アドレスを検索すること、および前記データを前記周辺点アドレスへ経路指定することを含む方法。
【請求項３８】コリメートされたレーザ・ビームを前記データおよび前記
周辺点アドレスで変調することをさらに含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】前記データおよびいくつかの周辺点アドレスでいくつかの
コリメートされた光ビームを変調すること、および前記データを前記いくつかの周辺点アドレスへ経路指定することをさらに含む
請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】前記光ビームを、自由空間を通じて前記周辺点へ、ポイン
ト・トゥ・ポイント、マルチポイント・トゥ・ポイント、またはマルチポイント
・トゥ・マルチポイントの方法で送信することをさらに含む請求項３７に記載の
方法。
【請求項４１】いくつかのデータ・チャネルをデータ・ストリームに結合
すること、前記データ・ストリームで少なくとも１つの発散光ビームを変調すること、前記発散光ビームを、自由空間を通じて送信すること、前記発散光ビームを復調し、前記データ・ストリームを検索すること、および前記いくつかのデータのチャネルを前記データ・ストリームから分離すること
を含むデータを送信する方法。
【請求項４２】前記データ・ストリームで整形された発散光ビームを変調
すること、および前記いくつかのデータ・チャネルをいくつかのユーザ・デバイスへ経路指定す
ることをさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】前記データ・ストリームで整形された発散するコヒーレン
ト光ビームを変調することをさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】前記データ・ストリームで、自由空間を通じて実質的に同
じ発散錐体を介して送信された、異なる波長を有する少なくとも２つのレーザ・
ビームを変調することをさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】前記発散光ビームを、自由空間を通じていくつかのユーザ
へ、ポイント・トゥ・ポイント、ポイント・トゥ・マルチポイント、マルチポイ
ント・トゥ・ポイント、またはマルチポイント・トゥ・マルチポイントの方法で
送信することをさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】いくつかのデータ・チャネル上のデータを暗号化すること
をさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】いくつかのデータ・チャネル上のデータを符号化すること
をさらに含む請求項４１に記載の方法。
【請求項４８】自由空間から、整形された発散するコヒーレント光ビーム
を変調した情報信号を有する光搬送波を受信するように構成されたアンテナと、前記アンテナに結合され、前記整形された発散するコヒーレント光ビームを処
理し、復調して、前記情報信号を前記光搬送波から分離するように構成された信
号プロセッサと、前記信号プロセッサに結合され、前記情報信号を少なくとも１つのデバイスへ
送信するように構成された出力ポートとを含む、情報信号を受信するための装置
。
【請求項４９】前記アンテナが少なくとも１つのホログラフィック光学要
素または望遠鏡を含む請求項４８に記載の通信システム。
【請求項５０】前記信号プロセッサが、少なくとも１つの整形された発散
するコヒーレント光ビーム検出器、復調器、デマルチプレクサ、または復号器を
含む請求項４８に記載の通信システム。
【請求項５１】インタフェースが、前記情報信号を、信号ノード管理プロ
トコル（ＳＮＭＰ）デバイス、伝送制御プロトコル（ＴＣＰ）デバイス、ゲート
ウェイ、ローカル・エリア・ノード、ブリッジ、プリンタ、ハード・ディスク・
ドライブ、グラフィカル表示アダプタ、テレビ、テレビ・セット・トップ・ボッ
クス、遠隔通信装置、テレビ会議装置、オーディオ／ビジュアル装置、またはホ
ーム・シアター・エレクトロニクスのうち１つに送信するように構成される請求
項４８に記載の通信システム。
【請求項５２】符号化されたデータおよびマルチキャスティング・セッシ
ョン識別子を受信することを含み、前記マルチキャスティング・セッション識別
子は、前記符号化されたデータを受信するように構成された複数のユーザ・ノー
ドの間から選択された受信者ユーザ点のグループを指示し、さらに前記符号化されたデータおよびマルチキャスティング・セッション識別子を、
整形された発散光ビームで自由空間を介して前記複数のユーザ・ノードへ送信す
ること、前記整形された発散光ビームを自由空間から受信すること、および前記符号化されたデータを復号することを含むデータを送受信する方法。
【請求項５３】前記符号化されたデータに、前記受信者ユーザ・ノードの
グループをそれぞれ表す一意のユーザ・ノード・アドレスのグループを追加する
ことをさらに含む請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】前記符号化されたデータおよび前記一意のユーザ・ノード
・アドレスのグループで整形された発散光ビームを変調することをさらに含む請
求項５２に記載の方法。
【請求項５５】整形された発散するコヒーレント光ビームを情報信号で変
調して、自由空間を通じて送信するように構成された送信器を含み、前記コヒー
レント光ビームが、複数の空間的に分離された受信器によって受信されるように
に十分に分岐しており、さらに前記複数の受信器の間から選択され、前記整形された発散するコヒーレント光
ビームを自由空間から受信し、前記変調された情報信号を復号するように構成さ
れた１組の受信器を含むデータ通信システム。
【請求項５６】前記１組の受信器における各受信器が一意の受信器アドレ
スを有し、前記送信器が、情報信号を前記１組の受信器へ送信する前に、前記一
意の受信器アドレスを前記情報信号へ追加するように構成される請求項５５に記
載のシステム。
【請求項５７】前記送信器が、高速データおよび１組の選択された受信器
に関連付けられたマルチキャスティング・セッション識別子を有するデータ・パ
ケットを使用して、前記情報信号を送信するように構成される請求項５５に記載
のシステム。
【請求項５８】前記送信器に結合され、マルチキャスティング・セッショ
ン識別子変換テーブルを格納して、第１および第２のマルチキャスティング・セ
ッション識別子を第１および第２の組の受信器の一意の受信器アドレスにそれぞ
れ変換するように構成された記憶デバイスをさらに含む請求項５５に記載のシス
テム。
【請求項５９】アンテナで、自由空間を通じて送信された、整形された発
散するコヒーレント光ビームを受信することを含み、前記光ビームを変調した情
報信号を有し、前記アンテナで受信されたときの前記受信された発散するコヒー
レント光ビームの断面領域が、前記アンテナの領域よりも実質的に大きく、さら
に前記情報信号を前記整形された発散するコヒーレント光ビームから復調し、回
復させることを含む、自由空間光データ通信のための方法。
【請求項６０】前記情報信号は、少なくとも１つのビデオ信号、オーディ
オ信号またはデータ信号を含む請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】前記高速情報信号が、少なくとも１つのビデオ信号を第１
のデータ転送速度で、オーディオ信号を第２のデータ転送速度で、あるいはデー
タ信号を第３のデータ転送速度で含む請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】いくつかのセクタで放射エネルギー・ビームを持つ情報を
発生する、少なくとも１つの放射エネルギー発生器を有する送信ノードを含み、各サブセクタがチャネルを含み、各チャネルが実質的に同じ波長で動作するデータ通信システム。
【請求項６３】前記セクタが半径方向セクタを含む請求項６２に記載のデ
ータ通信システム。
【請求項６４】前記セクタが仰角セクタを含む請求項６２に記載のデータ
通信システム。
【請求項６５】前記セクタが半径方向セクタを含み、各セクタが少なくと
も２つのサブセクタを含み、前記サブセクタが仰角サブセクタを含む請求項６２
に記載のデータ通信システム。
【請求項６６】前記セクタが、少なくとも１つの楕円形セクタ、六角形セ
クタ、ドーナツ形セクタ、楕円形サブセクタ、六角形サブセクタ、またはドーナ
ツ形サブセクタを含む請求項６２に記載のデータ通信システム。
【請求項６７】各チャネルがほぼ１５５０ｎｍの波長で動作する請求項６
２に記載のデータ通信システム。
【請求項６８】第１のチャネルが第１の波長で動作し、第２のチャネルが
第２の波長で動作する請求項６２に記載のデータ通信システム。
【請求項６９】前記送信ノードが望遠鏡を含む請求項６２に記載のデータ
通信システム。
【請求項７０】少なくとも１つの情報信号で少なくとも１つの搬送波を変
調すること、および前記変調された情報信号を、複数の垂直に分化されたセクタに沿って実質的に
同時に送信することを含むデータを送信する方法。
【請求項７１】前記変調された情報信号を、複数の水平に分化されたセク
タに沿って実質的に同時に送信することをさらに含む請求項７０に記載のデータ
を送信する方法。
【請求項７２】複数のチャネル波長を、前記複数の垂直に分化された各セ
クタを介して送信することをさらに含む請求項７０に記載のデータを送信する方
法。
【請求項７３】前記複数の垂直に分化されたセクタの少なくとも２つが、
異なる断面ビーム形状を有する請求項７０に記載のデータを送信する方法。
【請求項７４】前記複数の垂直に分化された各セクタが、同じ波長で変調
された情報を含む請求項７０に記載のデータを送信する方法。
【請求項７５】前記少なくとも１つの搬送波が、前記複数の垂直に分化さ
れたセクタに沿って送信された複数の発散するコヒーレント光ビームを含む請求
項７０に記載のデータを送信する方法。
【請求項７６】入力信号を実質的に類似の複数の出力信号に分裂するよう
に構成された中央ノードと、前記中央ノードに配置されて、前記複数の出力信号をユーザ・ノードへ光信号
として送信する複数の送信器と、前記中央ノードに配置されて、複数のユーザ信号を前記ユーザ・ノードから受
信する複数の受信器とを含む通信システム。
【請求項７７】前記複数のユーザ信号が光信号を含む請求項７６に記載の
システム。
【請求項７８】前記複数の出力信号が、前記入力信号と実質的に同じ情報
内容を含む請求項７６に記載のシステム。
【請求項７９】入力信号を受信し、前記入力信号を複数の出力信号に分割
する入力ポートを有する増幅器と、前記複数の出力信号を送信する複数の送信器と、ユーザ信号を受信するための、複数の各送信器に関連付けられた複数の受信器
とを含む装置。
【請求項８０】前記出力信号およびユーザ信号が光信号を含む請求項７９
に記載の装置。
【請求項８１】前記複数の出力信号が、前記入力信号と実質的に同じ情報
内容を含む請求項７９に記載の装置。
【請求項８２】入力信号を複数の出力信号に分割すること、前記複数の出力信号を複数の対応するユーザ・ノードの受信器へ送信すること
、および前記ユーザ・ノード光信号から送信された複数のユーザ信号を受信することを含む送受信する方法。
【請求項８３】前記複数の出力信号を送信することが、光信号を送信する
ことを含む請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】前記複数の各出力信号に、前記入力信号と実質的に同じ情
報内容を提供することをさらに含む請求項８２に記載の方法。