JP2017513432A - 光通信レーザーリレーのためのマルチファンクションビーコン - Google Patents

光通信レーザーリレーのためのマルチファンクションビーコン Download PDF

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Abstract

自由空間光通信ネットワークにおけるレーザーリレーモジュールは、ソース光ノードの通信チャネルを、受信光ノードの通信チャネルに合わせるために、光ビーコン信号を生成するビーコンソースと、光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードするビーコン挿入部と、エンコードされた光ビーコン信号を、受信光ノードへ送信するテレスコープと、変調された光ビーコン信号から、受信したスイッチング情報を検出するビーコンディテクタであって、受信光ノードは、エンコードされた光ビーコン信号を利用して、受信光ノードの通信チャネルを、ソース光ノードの通信チャネルに合わせるビーコンディテクタと、受信したデータを、自由空間光通信ネットワークにおける次の光ノードへ方向付けるように、検出されたスイッチング情報を利用して、光スイッチマトリクスの構成を変更するプロセッサとを有する。

Description

本発明は自由空間光通信に関連し、特に、光通信レーザーリレーのためのマルチファンクションビーコン信号に関連する。
高速データ送受信に関する増大する世界的な需要に起因して、光ネットワーク及びそのようなネットワークのノード間の光通信に関する需要は益々増えつつある。そのような光通信システムは、双方向見通し線(line-of-sight)制御を提供しかつ光受信機を正確に特定するためにビーコン光信号を必要とする。従来の光ビーコン信号/ビームは、時間をかけて一定量のエネルギを放出する。ビーコンビームが、望まれるように調整される場合、同じ量のエネルギが、ビーコンビームの受信端で受信される。従って、従来の光ビーコンビームは、信号スイッチング/ルーティング情報のような情報を搬送することはできない。
広帯域幅スペースネットワークを構築する従来の試みは、TSAT(Transformational Satellite Communications System)であり、これは、インターネットプロトコル(IP)環境においてRF及びレーザーリンク双方に関して5つのGEO衛星を含む。これは、パケットスイッチングプロトコルを使用し、各々のパケットが目的地に関する情報を含むこととなっていた。しかしながらこのプロジェクトは中断され実現には至らなかった。広帯域幅スペース通信ネットワークを構築するための過去の他のプロジェクトは、必要に応じて再構築される専用の静的なリンクを利用することを予定していた。
しかしながら、地上の広帯域幅通信ネットワークとは異なり、透過的な自由空間光通信システムは、宇宙船において光信号から電気信号へ変換しない。広帯域幅データの光-電気-光(O-E-O)変換を回避することは極めて望ましく、その理由は、システムの複雑さ、サイズ、重量及びパワーを最小化するからである。光信号は単に増幅され、次のノードに送信されるように適切なパスに切り替えられる。ルーティング及びスケジューリング情報は、ネットワークオペレーションセンター(NOC)により生成される。広帯域幅信号は決して電気に変換されないので、各データパケットからヘッダ情報を抽出することは実現的でない。本発明は、スイッチング情報(及び他のデータ)を分配する代替的な方法をもたらす。
一実施形態において、本発明は、全てのノード対の間でポインティングを維持するように既に要求されているビーコンレーザーデータストリームを変調し、より低い周波数における平均信号強度を変更することなく、適切に広帯域幅信号を搬送する。本発明は、ビーコンレーザーソース及びビーコンディテクタを利用して、光スイッチ又はネットワーク内の次のノードにスイッチングコマンドを送る制御チャネルを提供する。
一実施形態において、本発明は、複数の光ノードを有する自由空間光通信ネットワークで光データをスイッチングする方法を提供する。本方法は、ソース光ノードの通信チャネルを、受信ノードの通信チャネルに合わせるために、光ビーコン信号を生成するステップ；前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードするステップ；変調された光ビーコン信号を、前記ソース光ノードから前記受信光ノードへ送信するステップ；前記受信光ノードが、エンコードされた光ビーコン信号から前記スイッチング情報を検出するステップ；前記受信光ノードが、前記エンコードされた光ビーコン信号を利用して、前記受信光ノードの通信チャネルを、前記ソース光ノードの通信チャネルに合わせるステップ；前記ソース光ノードから受信したデータを、前記自由空間光通信ネットワークにおける次の光ノードへ方向付けるように、前記受信光ノードが、検出されたスイッチング情報を利用して、光スイッチマトリクスの構成を変更するステップ；を含む。
一実施形態において、本発明は、複数の光ノードを含む自由空間光通信ネットワークで光データをスイッチングする(例えば、衛星又は地上局における)レーザーリレーモジュールである。レーザーリレーモジュールは、ソース光ノードの通信チャネルを、受信光ノードの通信チャネルに合わせるために、光ビーコン信号を生成するビーコンソース；前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードするビーコン挿入部；エンコードされた光ビーコン信号を、前記受信光ノードへ送信するテレスコープ；変調された光ビーコン信号から、受信したスイッチング情報を検出するビーコンディテクタであって、前記受信光ノードは、エンコードされた光ビーコン信号を利用して、前記受信光ノードの通信チャネルを、前記ソース光ノードの通信チャネルに合わせるビーコンディテクタ；受信したデータを、前記自由空間光通信ネットワークにおける次の光ノードへ方向付けるように、検出されたスイッチング情報を利用して、光スイッチマトリクスの構成を変更するプロセッサ；を含む。
前記スイッチング情報は、ステータス情報、システム管理情報、及び/又はテレメトリ情報を、宛先ノードへ送信されるように包含してよい。ビーコンをスイッチング情報でエンコードすることは、様々な変調方式を利用して、スイッチング情報でビーコンビームを変調することを含んでよい。
本発明についての更に完全な理解、及び、多くのそれに付随する特徴及び形態は更に明らかになり、その理由は図面を考慮しながら以下の詳細な説明を参照することにより本発明は更に理解されるからである。図中、同様な参照記号は同様な要素を示す。
本発明の一実施形態による例示的なプロセスフローを示す図。
本発明の一実施形態によるクロスリンク及びアップ/ダウンテレスコープを含む衛星ペイロードの例示的なレイアウト図。
本発明の一実施形態による例示的なレーザーリレーモジュールの概略ブロック図。
本発明の一実施形態によるビーコンインサーション/コレクションシステムの概略ブロック図。
本発明の一実施形態による光ビーコンソースの概略ブロック図。
本発明の一実施形態によるマルチファンクションビーコン受信機の概略ブロック図。
本発明の一実施形態による光ビーコン信号の例示的な2つのエンコード方式を示す。
本発明の実施形態が図示されている添付図面を参照しながら、本発明は十分に説明される。しかしながら、本発明は多種多様な形式で実施されてよく、本願で説明される実施形態に限定されるようには解釈されるべきでない。むしろこれらの実施形態は、本開示が十分であり且つ完全であり、本発明の概念を当業者に十分に伝えるように提供されている。
一実施形態において、本発明は、ビーコン信号を変調することにより、光ネットワークを介して中継される時間のタグが付されたスイッチングコマンドを、所望の目的地へ送信する。このように、比較的簡易な電子回路で、LOSスイッチング及び制御コマンドの個々の信号を取り出すことができる。
一実施形態では、本発明は、自由空間光通信のためのレーザー中継モジュール(laser relay module：LRM)に関連する。本発明は、光ビーコン信号を新規な方法で変調し、ネットワークオペレーションセンター(NOC)、衛星及び地上ノード(1つ以上のLRMを含む)の間でスイッチングコマンド及びテレメトリ情報を提供する。一実施形態において、本発明は、低周波(例えば、＜1kHz)の見通し線(LOS)制御信号及び中程度に高い帯域幅(例えば、〜32Mbps)のTT＆Cデータストリームの明確な分離を可能にする。一実施形態において、マルチファンクションビーコンは、光ネットワークにおける全空間及び地上ノードの共通する特徴であり、単独のNOCが、ほぼリアルタイムでネットワーク全体を制御できるようにする。
一実施形態において、本発明はビーコンレーザービームを変調し、ビーコンレーザービームは、適切な高帯域幅の自由空間レーザー通信ネットワークの伝送媒体として、双方向見通し線コントロール/ポインティングの機能を提供するように提示される必要がある。本発明は、ビーコンレーザーソース及びビーコンディテクタを利用して、光スイッチへ又はネットワーク内の次のノードへスイッチングコマンドを渡すように制御チャネルを提供する。ネットワークにおける次のノードが最終的な目的地ノードではない場合、スイッチングコマンドを利用して、そのデータをネットワーク内の次のノードへ送信する。
一実施形態において、その中程度に高い帯域幅は、他の波長/チャネルにより搬送される真に高い帯域幅データに匹敵する。ビーコンレーザーにより搬送される信号の減縮された帯域幅に起因して(〜32Mbps)、意図された目的地に情報をルーティングするのに使用されるデータの各ブロックに対するパケットヘッダとともに、各ノードにおけるビーコン信号の光-電気-光(O-E-O)変換を実行することが可能である。
一実施形態では、ビーコンにより搬送される情報が、タグ付けされた時間と、ノードアドレススイッチコンフィギュレーションと、他のコマンドとを含み、これらは、地上の単独のNOCが、全ての衛星及び地上のネットワークを制御することを可能にする。例えば、この情報は次のようなものであってもよい：
At 2019-Dec-23，UT 13:45:00.000，衛星3は以下を指すように指示され： U/D-link LRM #4 at WGS coordinates 13° 45’ 17.431” N，45° 26’09.131” E，altitude 253 m，LOSロックを設定し、追跡を継続する
At 2019-Dec-23，UT 13:45:00.000，Lightway 23，LTG#2は、次の軌道要素の衛星を指すように指示され、LOSロックを設定し、それを追跡し続ける
{a=16，730.240 km，e=0.000000，i=0.001，...}
NOCは一群のコマンドを生成し、それらのコマンドはネットワークを介して新たな通信パスを設定し、それらのコマンドは影響を受けるノードに配信され、ノード全てが各自のコマンドを同時に実行できるようにする。除外される通信パスを維持するために最早不要となった任意のハードウェア要素は、新たなパスが設定されるや否や自由化される。
更に、ビーコンにより搬送される情報は、NOCに返送される、時間タグ付けされ及びノードラベルが付されたテレメトリ情報；及び、ネットワークノードからNOCへ返送される地上又はオンボードセンサー(例えば、クラウドモニタ)からの(適切なデータレートの)信号を含む。
一実施形態において、本発明は、各リンクの後にデータについての完全な3R(再増幅、再整形及び再位相の)再生を実行し、これにより、最終的な目的地に到達するために複数のリンクを通過しなければならないパケットに対する信号強度を増やす必要無しに、データの完全性が維持されることが可能になる。
一実施形態において、LRMは自立型又は自己充足型の装置であり、光信号の伝送内容を取得して追跡すること、ビーコン信号を含む光信号を受信すること、光信号を増幅すること、それらをフィルタリングして光ルータに送ること(スイッチング情報により制御され、情報の全部又は一部はビーコン信号を介して受信される)、及び、スイッチング情報を利用して、意図された宛先に光信号を送信することを行うことが可能である。
図1は本発明の一実施形態による例示的なプロセスフローを示す。ブロック102に示されるように、光ビーコン信号は、ソースレーザーリレーモジュール(LRM)の通信チャネルを、受信LRMの通信チャネルに調整するために生成される。ブロック104において、光ビーコン信号はスイッチング情報で変調される(あるいは、エンコードされる)。スイッチング情報は、データを最終的な(LRM)目的地(又は宛先)へ送信するためのスイッチング情報を含む。一実施形態において、光ビーコン信号は、ステータス(又は状態)、システム管理(情報)、及び/又は、他のLRMに関するテレメトリデータを包含するように変調されてもよい。
ブロック106において、変調された光ビーコン信号は、ソース光ノードから受信光ノード(LRM)へ送信される。変調された光ビーコン信号中のスイッチング情報は、受信光ノードにより検出される。一実施形態において、LOS制御及び通信の双方が、単独のディテクタの設計を利用して実行される。例えば、ビーコンは、先ず、2つの帯域幅のうちの高い方(例えば、32Mbps)で検出され、その後に、より低いレート(例えば、1MHz)でフィルタリング又はアグリゲートされる。
既知の方法に従って、受信光ノードの通信チャネルをソース光ノードの通信チャネルに合わせるために、ブロック108において、変調された光ビーコン信号は受信光ノードにより使用される。追加的に、検出されたスイッチング情報は、スイッチング情報がそのノードに関して意図されていた場合、ソース光ノードから受信したデータを、自由空間光通信ネットワークの次のノードに方向付けるように、受信光ノードが光スイッチマトリクス構成を変更するために使用される(ブロック110)。衛星及び地上ネットワークにおける何らかの他のノードに意図されているスイッチング情報は、経路に沿う変調光ビーコン信号を利用して、最も直接的な経路に沿って渡される。
図2は、例えば複数の衛星の集まりの中にある本発明の一実施形態による衛星ペイロード200の例示的なレイアウト図である。図示されるように、複数の衛星間(inter-satellite)(又はクロスリンク)テレスコープ204aないし204d(この図では4つが示されている)が、衛星間光通信のために各衛星の外側部分に設けられている。この図では、テレスコープ204a及び204bは、衛星の右側に配置され、右側で最も近くの周辺の衛星のうちの1つ以上と通信する。例えば、204aはその側で最も近接する衛星(即ち、隣接する衛星)を指し示して通信し、204bはその側で次に近接する衛星(即ち、そこから離れた2つの衛星)を指し示して通信する。同様に、テレスコープ204c及び204dは、左側に配置され、左側で最も近くの周辺の衛星のうちの1つ以上と通信する。クロスリンクテレスコープの各々は、隣接する衛星との光通信を較正するように選択的にステアリングされることが可能であり、及び/又は、新たな生成がコンステレーションに追加される場合、新たな衛星との新たな光通信を確立する。すなわち、衛星間光リンクは、冗長ネットワーク内の各衛星を接続する。
一実施形態では、クロスリンクテレスコープ204aないし204dは、コンステレーション中の隣接する衛星(のうちの個々のテレスコープ)を追跡及び指定するために調節可能なエレベーション設定(又は仰角設定)を有する。一実施形態では、2つの最も近接するもの及び2つの次に近接するものが、衛星間通信に使用される。一実施形態では、4つ又はそれより多い信号群が同じくロスリンクテレスコープを共有してもよい。
追加的に、グランド通信及びサイトダイバーシティのために各生成の外側部分に設けられた複数のアップ/ダウンリンクテレスコープ206aないし206g(この図では6つが示されている)が存在している。同一の衛星又は接続された衛星の何れかにおいて別のアップ/ダウンリンクテレスコープが、コネクションの他方端のために使用される。一実施形態では、各々のグランドサイトとの双方向の広帯域幅リンクを提供するために、高密度波長分割多重(Dense Wavelength Diversity Multiplexing：DWDM))方式が使用される。
一実施形態では、各衛星の光オンボードハードウェア(ペイロード)は、複数の光プレアンプ212、光スイッチマトリクス208、1つ以上のメインアンプ210、複数のパワーアンプ216、コマンド制御テレメトリ(Command, Control, And Telemetry：CC&T)サブシステム214、及び、電源218を含む。一実施形態では、光プレアンプ212及びパワーアンプ216は、一定数の(例えば、10個の)独立したチャネルを各受信機でサポートする。
複数の衛星の各々は、光信号を電気信号に変換することなく、進入及び進出する光信号を光学的に処理及びスイッチングするための光回路/ハードウェアを含む。オンボードハードウェアは、地上及び/又は1つ以上の近隣の衛星から到来する光データを受信し、選択的にそれを再生成し、1つ以上の光スイッチにより、光ビーコンから導出されたスイッチング情報を利用して、光データストリームを所望の(選択された)出力経路に方向付け、それを最終的な目的地(地上及び/又は1つ以上の近隣の衛星)の方へ送る。到来する光データの再生成は、すべて光ドメインにおける(光パワー増幅器212、メイン増幅器210及びパワー増幅器216による)再増幅を含む。すなわち、光データストリームについての処理は、各々の衛星ペイロードの中で電気信号に変換せずに、データ変調方式に関して透過的に達成される。
光スイッチマトリクス208は、各々の光入力が、何らかの他の出力チャネルに光学的に結合されることを可能にする。一実施形態では、光スイッチマトリクス208は、各入力で受信した信号が、一群のチャネル全体を含む場合は常に、ビーコン信号から抽出したスイッチング情報を利用して、スイッチングすることが可能である。ビーコン信号から取り出したこの情報を利用して、オンボード光スイッチマトリクス208は、衛星コンステレーションが地上側と通信する場合に、光経路を設定及び更新することを可能にする。典型的には、光スイッチマトリクスにおける所与の入力と出力ポートとの間のコネクションは、40分又はそれ以上長く続き、従って、新たなコンフィギュレーションコマンドが処理されるペースは実現可能な程度に遅い。1つ以上のブースターレーザー210は、各衛星で光信号に関する増幅チェーン(増幅信号経路)の一部分として各衛星で使用される。
図3は本発明の一実施形態による例示的なレーザーリレーモジュール(LRM)の概略ブロック図である。1つ以上の例示的なレーザーモジュールは、例えば、衛星、空挺部隊、地上及び/又は水上輸送プラットフォーム等における光通信ネットワークのネットワークノードとして使用されてよい。ここで、明確化のため、2つのLRMが示されている。LRM#1は送信を行うLRMとして使用され、LRM#2は受信を行うLRMとして使用される。2つのLRMは構造的には同一であるので、LRM#1のみに着目して詳細に説明する。図示されるように、例えば、光ビーム301a及び301bをそれぞれ受信及び送信するための1つ以上のジンバル(gimbal)のようなステアリング可能な(操作可能な)マウント部312に設けられる。光ダイプレクサ308は送信する光信号及び受信した光信号を分離し、光増幅器310は、受信した光ビームの信号レベルを、送信ビームに関する所定のレベルまで復元する。
一実施形態において、光ダイプレクサ308は、偏波、波長及びビーム伝搬方向の組み合わせを利用して、送信する光ビーム及び受信した光ビームを分離するように構成される。一実施形態において、光増幅器310は、光増幅のための複数のステージ、又は、低雑音増幅及びレーザー信号増幅に関して最適化された個別的な光増幅器(群)を含む。
ビーコン(レーザー)ソース304のような概略的な形式で示される変調された(又はエンコードされた)ビーコンレーザーは、通信する複数のリモートネットワークノードの見通し線制御のために使用され、かつ、スイッチング情報、ステータス、システム管理及びテレメトリデータの他のネットワークノード及び地上サイトへの光送信のために使用される。一実施形態では、各々のLRMは、各送信パスに関するビーコンソース、及び、各受信パスに関するビーコンディテクタを含む。ビーコンソース(レーザー)は、直接的に変調されてもよいし、あるいは、(不図示の)外部要素により変調される連続波レーザーとして使用されてもよい。既知の距離及び角速度を利用してオフセット角を決定するルックアヘッドミラー(Look-Ahead mirror)を利用して、ビーコンレーザーソースは、ビームの伝搬後に他のノード(LRM)が占める空間内の場所に指定される。一実施形態では、CWレーザーソースを利用して、各ビーコンは、NOCにて発せられるコマンド及びNOCにて終端するテレメトリとともに、ノード間の情報を搬送する。
更に、ビーコンビームディテクタ304は、光テレスコープの見通し線制御のための到来するビーコン信号を検出し、スイッチング情報、ステータス、システム管理及びテレメトリデータを他のネットワークノードから受信する。スイッチング情報は、光データを次の宛先へ方向付けるために、1つ以上の光スイッチマトリクス316によって使用される。一実施形態において、ビーコンビームディテクタ304は、クワドラントディテクタ(quadrant detector)、焦点面アレイ(focal plane array)又は光学章動(optical nutation)を利用して、受信したビーコンビームの到来角を判定する。
ビーコン挿入/収集モジュール306は、例えば図示のLRM#2のような他のネットワークノードへの送信のために、変調されたビーコンレーザーの出力を光テレスコープ302に挿入する。ビーコン挿入/収集モジュール306は、光テレスコープにおいて到来するビーコン光ビーム301aを収集し、到来するビーコン光ビームをビーコンディテクタ304に転送する。一実施形態において、ビーコン挿入/収集モジュール306は、自由空間ファイバ光要素の組み合わせを利用して、送信する光ビーコンを光テレスコープに挿入し、受信した光ビーコンを光テレスコープから取り出す。一実施形態において、ビーコン挿入/収集モジュール306からの信号は、受信したビーコンビームを、挿入/収集モジュール306に集中させるビームステアリングミラー(Beam Steering Mirror：BSM)を制御するために使用される。BSMの動きは、信号を(低雑音)光増幅器310へ運ぶファイバ又は他の光要素へ、受信した通信ビームを集中させる。
光スイッチマトリクス316は、一群の入力ポート314と、同様な一群の出力ポート318とを有する。各LRMは、ファイバを介して入力ポートに接続される到来するレーザー信号を有する。光スイッチマトリクス316それ自体は所与の入力ポートを特定の出力ポートへ内的に接続する。スイッチングコンフィギュレーションは、何れの入力ポートが何れの出力ポートに接続されるかについての詳細なリストである。各々の出力ポートは、ファイバを通じて各LRM(ネットワークノード)に接続される。
ペイロードはビーコンレーザーを含み、ビーコンレーザーは見通し線制御のためのビーコンビームを生成する。ビーコンビームは、スイッチング情報、コマンド及び制御情報の光送信にも使用される。一実施形態では、通信信号はレーザービームを変調することにより生成される。一実施形態において、ビーコン及びプライマリコマンド信号は、カプラで結合され、コリメータにルーティングされ、コリメータはビームを自由空間トランスポート(free space transport)に変換する。送信/受信のラウンドトリップの間にプラットフォームが動く距離を考慮に入れるために、リードアヘッドミラー(lead ahead mirror)が使用されてもよい。ビーコンビームは、光ダイプレクサで受信機ビームに合わせられ、テレスコープにより自由空間に送出される。
一実施形態において、衛星及びレーザーグランドターミナル(Laser Ground Terminal：LGT)における各LRM又は類似するトランシーバ又は地上ノードにおける類似するトランシーバは、LOS制御を維持するために、ビーコンレーザーソース及びビーコンディテクタの双方を含む。
図4Aは、本発明の一実施形態によるビーコン挿入/収集システムの概略ブロック図である。ルゲイト(Rugate)又は他のノッチフィルタ406は、変調ビーコンにより使用されるスペクトルバンドを、他のLRM(又はビーコンソース402)から到来するビームの中から取り出し、このLRMにより送信される変調ビーコンを挿入する。一実施形態において、送信及び受信されるビーコンは隣接するチャネルにおけるものであり、ノッチフィルタの設計を複雑にすることなく、何らかのスペクトル分離をもたらす。偏波ビームスプリッタ404は、2つの信号について使用される直交する直線偏光とともに、送信ビーコン及び受信ビーコンの間で追加的なアイソレーションをもたらす。以後、送信されるビーコンは、他のLRMのビーコンディテクタ408により受信される。
図4Bは、本発明の一実施形態による光ビーコンソースの概略ブロック図である。一実施形態において、各々の衛星ノードは、ネットワークを介して別の衛星(又はNOC又は接続されている地上サイト)に至るパスの中で、好ましい次のステップを示すテーブル(図示せず)を維持する。テーブルは、その衛星のLRMがコマンドを転送すべきか否かを判定するために使用される。一実施形態では、コマンドは配信を保証するために複数の冗長的なパスを介して送信され、目的地のコマンドプロセッサは、時間タグを検査し、コマンドが未だ受信及び記録されていないことを保証する。各々の新たなコマンドは、適切に及び必要なヘッダ情報とともにフォーマットされ、リンクを介して送信されることを待機しているテレメトリ情報及びコマンドのキューに追加される。データフォーマット部424は、これらのコマンド及びテレメトリ(TT&Cデータ)をビットストリームに変換し、ビットストリームは、ビーコンレーザー420の出力を変調して変調されたビーコンレーザービームを生成するために変調部422により使用される。一実施形態では、コマンド及びテレメトリの別々のキューが存在し、送信の遅延を最小化するためにコマンドには一層高い優先度が付与され、テレメトリはコマンドキューが空(エンプティ)である場合に限って送信される。
図5は、本発明の一実施形態によるマルチファンクションビーコン受信機の概略ブロック図である。図示されるように、比較的高速な(例えば、(2-4)x(データレート))のクワッドセルリニアフォトダイオード(quad-cell linear photodiode)502は、4つの象限の各々S11，S12，S21，S22におけるビーコン信号を測定し、4つの象限の各々に対する電気信号を生成する。クワッドセルリニアフォトダイオード502は、各々の象限における相対的なビーコン信号強度を判定する。4つの低雑音電気増幅器504a，504b，504c，504dは4つの出力信号をブーストし、その後にそれらは各自のアナログディジタル変換器506a，506b，506c，506dに供給される。たとえ大気シンチレーション損失(atmospheric scintillation loss)がNOCからの初期信号アップリンクに影響したとしても、適切なLNAゲイン及びA/Dダイナミックレンジは適切なSNRを維持する。A/Dの出力は算術論理ユニット510に供給される。算術論理ユニットは簡易な加算器/減算器であってもよい。
算術論理ユニット510は、(増幅された)4つのクワドラント出力信号を、4つのクワドラント出力信号に関する加算及び/又は減算を実行することにより、3つの出力に変換する。算術論理ユニットの第1出力512は、4つのクワドラント出力信号すべての合計である。一実施形態において、第1出力512(合計信号512)は、適度なデータレート(例えば、32Mbps)の信号を、バイナリフェーズレベル(BPL)エンコーディング又は他の変調方式を利用して搬送し、その変調方式は、シンボルストリームが1又は0の長く続く系列を含む場合でも弱い信号をもたらす結果にはならない。適度な帯域幅合計信号は、NOCへ戻るネットワーク及びテレメトリ経路に、高SNRコマンド経路を提供する。合計信号512は、ディジタルデータがインターセプトされ且つ適切に使用される場合に、オンボードコンピュータ518に供給される。スイッチング情報である結果のデータは、制御信号として1つ以上の光スイッチに送信され、所望の次の光ノードにデータを切り替える。(例えば、32Mbpsの)データストリームは、オンボードコンピュータにより解釈される適切なコマンドディクショナリに忠実なディジタルコマンドワードを含む。
算術論理ユニットの第2出力514は、2つの上位象限(S11，S12)及び2つの下位象限(S21，S22)の間の差分に基づく垂直位置信号(vertical position signal)であり、差分は次のとおりである：
(S11+S12)-(S21+S22)
同様に、算術論理ユニットの第3出力516は、2つの右側象限(S12，S22)及び2つの左側象限(S11，S21)の間の差分に基づく水平位置信号(horizontal position signal)であり、差分は次のとおりである：
(S12+S22)-(S11+S21)
垂直及び水平位置信号は、より遅いレート(例えば、1kHz)で算出され、及び、受信したビーコンビームをディテクタに集めるようにBSM又はジンバルを制御するためにBSM又はジンバルコントローラ424により使用され、これにより、2つの通信するLRMのトランシーバーテレスコープを合わせる。BSMの動きは、受信した通信ビームを、信号を搬送するファイバ又はその他の光要素に集中させる。一実施形態では、位置信号は、例えば、1kHz又はそれより低い又は高い周波数でBSM又はジンバル制御に相応しい高SNR制御信号を生成するように、フィルタ520及び522によりフィルタリング(又は選別)される又は一体化される。
ネットワークプロトコル(例えば、TCP(Transmission Control Protocol)又はUDP(User Datagram Protocol))は、現在のノードが最終的な目的地であるか否か、あるいは、データパケットが転送されることを要するか否かを判定するのに使用されるヘッダ情報を含む。
一実施形態において、チェックサム又はその他の順方向誤り訂正(FEC)方式は、パケットが訂正可能な誤りを含んでいるか否かを判定するために使用されてよい。一実施形態において、各々の受信光ノードに対するコマンドは、おそらく実行されることが不可能なエラー又はコマンドをフォーマットしていることに関し、更に検査される。他のノードに対するコマンドは、ルーティングのためのオンボードルックアップテーブルを利用して、適切なLRMに方向付けられる。
一実施形態では、コマンド又はテレメトリの欠落は、シーケンス中のギャップにより識別され、影響を被ったノードから発信元へ再送要求が返送され、例えば、テレメトリに関してNOCから衛星又はライトウェイ(Lightway)へ、及び、コマンドに関して衛星又はライトウェイからNOCへ再送要求される。
全ての送信経路にビーコンソースを持たせ、全ての受信経路にビーコンディテクタを持たせることにより、全ての通信リンクは良好なLOS制御とともに維持される。例えば、バイナリフェーズレベル変調方式のような適切な変調方式は、送信されるビットストリームによらず、一定の平均電力レベルを保証する。
図6は、本発明の一実施形態による光ビーコン信号の2つの例示的なエンコーディング方式を示す。第1具体例602は、リターントゥゼロ(RZ)符号化によるオンオフキーイング(OOK)符号化方式を示す。オンオフキーイング(OOK)は、振幅シフトキーイング(AS)変調の最も簡易な形式であり、ディジタルデータを搬送波の有無として表現する。例えば、キャリアが特定の期間にわたって存在する場合、それは2進の1又は0を表現する。同様に、同じ期間内のキャリアの不存在は、2進の0又は1を表現する。更に複雑な何らかの方式は、追加的な情報を搬送するために、これらの持続時間を変化させる。ユニポーラ符号化は、正の電圧がバイナリ1を表現し、ゼロ電圧がバイナリ0を表現するラインコード方式である。(電気信号と同様に)光信号に拡張する場合、ユニポーラ符号化は、1を表現するために光の存在を利用し、ゼロを表現するために光の不存在を利用する。ユニポーラ符号化は、ビットストリームデータを直接的にエンコードし、これは、オンオフキーイング変調と同様である。第1の具体例602に示されるように、各々のビットは1ビット幅のパルスで表現される。このアプローチは、受信機の最小帯域幅を必要とする。しかしながら、時間経過とともに合計される振幅は、データストリームにおける1の数に依存してランダムに変化し、BSM又はジンバル見通し線制御信号を劣化させる。
第2の具体例604は、バイナリ位相レベル符号化方式を示す。バイナリ位相レベル符号化は、参照信号(搬送波)の位相を変化させる又は変調することにより、データを搬送するディジタル変調方式である。図示されるように、時間経過とともに合計される振幅は、一定であるように保証される。しかしながら、半分のビット幅パルスにより表現される各ビットは、より大きな受信帯域幅を要する。他の符号化方式も可能であるが、コヒーレント変調方式はコストを最小化する観点からは考慮されない点に留意を要する。
本願による広範囲に及ぶ飛躍的進歩から逸脱することなく、上記の本発明についての説明された及びその他の形態に様々な変形が施されてもよいことが、当業者に認められるであろう。従って、本発明は開示された特定の実施形態や構成に限定されず、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲及び精神の範囲に属する如何なる変更、適合又は変形をも包含するように意図されていることが、理解されるであろう。

Claims (18)

  1. 複数の光ノードを有する自由空間光通信ネットワークで光データをスイッチングする方法であって：
    ソース光ノードの通信チャネルを、受信光ノードの通信チャネルに合わせるために、光ビーコン信号を生成するステップ；
    前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードするステップ；
    変調された光ビーコン信号を、前記ソース光ノードから前記受信光ノードへ送信するステップ；
    前記受信光ノードが、エンコードされた光ビーコン信号から前記スイッチング情報を検出するステップ；
    前記受信光ノードが、前記エンコードされた光ビーコン信号を利用して、前記受信光ノードの通信チャネルを、前記ソース光ノードの通信チャネルに合わせるステップ；
    前記ソース光ノードから受信したデータを、前記自由空間光通信ネットワークにおける次の光ノードへ方向付けるように、前記受信光ノードが、検出されたスイッチング情報を利用して、光スイッチマトリクスの構成を変更するステップ；
    を有する方法。
  2. 前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードすることが、ユニポーラリターントゥゼロ(RZ)符号化によるオンオフキーイング(OOK)符号化方式を利用して、前記光ビーコン信号をスイッチング情報で変調することを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードすることが、バイナリフェーズレベル符号化方式を利用して前記光ビーコン信号をスイッチング情報で変調することを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記スイッチング情報は、ステータス情報、システム管理情報及びテレメトリ情報のうちの1つ以上を、宛先ノードへ送信するために包含する、請求項1に記載の方法。
  5. 前記受信光ノードが、最も直接的な光経路に沿って別の変調された光ビーコン信号を利用して、最も直接的な光経路に沿って、別の光ノードに、検出されたスイッチング情報を出力することを更に含む請求項1に記載の方法。
  6. 検出されたスイッチング情報を利用して、前記自由空間光通信ネットワークを再構成するステップを更に含む請求項1に記載の方法。
  7. 前記エンコードされた光ビーコン信号を利用して、通信チャネルを合わせることが、クワドラントディテクタ、焦点面アレイ又は光章動を利用して、受信したエンコードされた光ビーコン信号の到来角を判定することを含む請求項1に記載の方法。
  8. 前記エンコードされた光ビーコン信号を利用して、通信チャネルを合わせることが、 前記エンコードされた光ビーコン信号を利用して、ビームステアリングミラーを制御することを含む、請求項1に記載の方法。
  9. 発信元ノードから受信したエンコードされた光ビーコン信号のシーケンスにおけるギャップにより、スイッチング信号の欠落を確認するステップ、及び、前記受信光ノードから前記発信元ノードへ再送要求を送信するステップを更に有する請求項1に記載の方法。
  10. 各々の光ノードのうちの各光ノードにとって好ましい次のパスのテーブルを構成するステップ、及び、前記テーブルに含まれる各光ノードを利用して各光ノードに光データを送信するステップを更に有する請求項1に記載の方法。
  11. 前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードすることが、前記スイッチング情報をビットストリームに変換すること、及び、前記ビットストリームを利用して前記光ビーコン信号を前記スイッチング情報で変調することを含む、請求項1に記載の方法。
  12. 複数の光ノードを有する自由空間光通信ネットワークで光データをスイッチングするレーザーリレーモジュールであって：
    ソース光ノードの通信チャネルを、受信光ノードの通信チャネルに合わせるために、光ビーコン信号を生成するビーコンソース；
    前記光ビーコン信号をスイッチング情報でエンコードするビーコン挿入部；
    エンコードされた光ビーコン信号を、前記受信光ノードへ送信するテレスコープ；
    変調された光ビーコン信号から、受信したスイッチング情報を検出するビーコンディテクタであって、前記受信光ノードは、エンコードされた光ビーコン信号を利用して、前記受信光ノードの通信チャネルを、前記ソース光ノードの通信チャネルに合わせるビーコンディテクタ；及び
    受信したデータを、前記自由空間光通信ネットワークにおける次の光ノードへ方向付けるように、検出されたスイッチング情報を利用して、光スイッチマトリクスの構成を変更するプロセッサ；
    を有するレーザーリレーモジュール。
  13. 前記スイッチング情報は、ステータス情報、システム管理情報及びテレメトリ情報のうちの1つ以上を、宛先ノードへ送信するために包含する、請求項12に記載のレーザーリレーモジュール。
  14. 前記ビーコン挿入部は、ユニポーラリターントゥゼロ(RZ)符号化又はバイナリフェーズレベル符号化方式によるオンオフキーイング(OOK)符号化方式を利用して、前記光ビーコン信号をスイッチング情報で変調するように構成される、請求項12に記載のレーザーリレーモジュール。
  15. 光データを各光ノードに送信するために、各光ノードにとって好ましい次のパスを保存するテーブルを更に有する請求項12に記載のレーザーリレーモジュール。
  16. 前記通信チャネルを合わせるために、エンコードされた光ビーコン信号により制御されるビームステアリングミラーを更に有する請求項12に記載のレーザーリレーモジュール。
  17. 前記スイッチング情報をビットストリームに変換するデータフォーマット部を更に有し、前記ビーコン挿入部は、前記ビットストリームを利用して前記光ビーコン信号を前記スイッチング情報で変調する、請求項12に記載のレーザーリレーモジュール。
  18. 請求項12に記載のレーザーリレーモジュールを1つ以上含む衛星。

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