JP2019517745A - モジュール式無線光アンテナ - Google Patents

Abstract

光通信ネットワークのためのモジュール式ノードは、複数の送受信機モジュールのうちの１つ以上の送受信機モジュールと、最大で複数の送受信機モジュールをノードコアに電気的に接続するための複数の電気コネクタを含むノードコアとを含む。送受信機モジュールの少なくともいくつかは、人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有する。ノードコアに電気的に接続された最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するために空間的に分離されている。またノードコアは、１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワーク内に再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装するように構成されたスイッチング回路をさらに含む。【選択図】図３

Description

本開示は一般に光通信に関し、特に発散ビーム光通信に関する。

光無線通信システムは、今日では非常により高い帯域幅を提供しているにも関わらず、見通し線動作の必要性、特に霧の中での無線チャネルにおける高い大気減衰、毎ワット基準で高コストのレーザ、ならびに高コストのポインティングおよび追跡システムの追加を必要とする位置ずれ許容度の欠如により、ニッチ用途にしか適用されていない。位置ずれ問題を克服するために、モバイルアドホックネットワーク（すなわちＭＡＮＥＴ）において機能するオムニアンテナなどの全方向の光無線信号を送信および受信する無指向性光無線アンテナ（「オムニアンテナ」）が提案されている。最新のオムニアンテナは、幅広い送信機広がり角および広視野受信機を達成するために多くの場合ＬＥＤを用いる低出力レベルなもので想定されている。但し、そのような実施形態は限られた範囲しか提供せず、スループットを制限する限られた変調速度を有する部品と共に提案されるため、屋内のローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または他の限定空間などの限られた用途のみを有する。

他の教示は、鏡による３６０°の送信範囲を想定しているが検出器の視野には取り組んでいない。他の教示は、ＩＲ送信機および受信機対を有するための装置を提供しているが、ネットワークをマスタ／スレーブ構成において静的なものとして想定している。

従って、上記問題の少なくとも一部ならびに場合により他の問題を考慮して解決するシステムおよび方法を有することが望ましい。

これらの欠点のいくつかを解決するために、光無線通信のための高出力モジュール式オムニ対応（ｏｍｎｉ−ｃａｐａｂｌｅ）ノードが提供される。ＰＣＴ特許出願の国際公開第２０１５／１０６１１０号において提案されている種類の高出力発散ビームシステムおよびその対応する米国特許出願公開第２０１６／０２９４４７２号（その両方のそれぞれの内容全体が参照により本明細書に組み込まれる）は、その明細書においてノード上に単一のパネルとして表されており、１つのノード上に複数のパネルの合成を用いてオムニ対応にさせるものである。本ノードはモジュール式であり（例えば、用途に応じて異なる規格のパネルに対処し）、移動性をサポートし、かつ他のノードの存在下にある場合にはメッシュネットワークまたはＭＡＮＥＴとして機能するように設計されている。本ノードは、ノードがパネルカバレッジエリア間を移動する際のネットワークの動的再構成に対処する。パネル自体は、様々な出力レベル、様々な異なるエミッタ源、様々な広がり角および受光角、ならびに様々な変調速度および方式を有していてもよい。無指向性構成では本ノードは、モジュールの設計距離内の本ノードの周囲全域をカバーし、それによって角度公差問題を全く引き起こさず、メッシュネットワーク経路の冗長性と組み合わせられる複数のノードの安価な配備により見通し線問題に対してより低コストの解決法を与え、高出力送信機および広視野受信機により減衰に対処し、かつメッシュネットワークカバレッジエリアを通って移動するモバイルノードのための連続的な接続性を可能にする。

例示的な実施形態は、各種形態で構成された場合に高度なメッシュネットワーク機能をサポートする、少なくとも１つの高受光角受信機に加えて高い変調速度を有する１つ以上のより高出力の高度に発散されるレーザビームによる無指向性能力を有するモジュール式無線通信ノードを提供する。これは先行技術の減衰、距離および速度限界に対処するのを助ける。また例示的な実施形態は、コストを下げるのを助け、かつ自由空間光リンクに遭遇することが多い見通し線限界に対処するためにノードのより頻繁な安価な配備を可能にする、単一のノードおよび複数のモジュール（パネルとも呼ぶ）を含むモジュール設計を提供する。

従って、本開示は限定されるものではないが以下の例示的な実施形態を含む。

いくつかの例示的な実施形態は、光通信ネットワークのためのモジュール式ノードを提供しており、そのモジュール式ノードは、その少なくともいくつかが人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有する複数の送受信機モジュールのうちの１つ以上の送受信機モジュールと、最大で複数の送受信機モジュールをノードコアに電気的に接続するための複数の電気コネクタを含むノードコアであって、ノードコアに電気的に接続された最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するように空間的に分離されている、ノードコアと、を備え、そのノードコアは、１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワーク内に再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装するように構成されたスイッチング回路をさらに含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、光送受信機は、０．１°超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出し、かつ放出された光ビームを検出するように構成されており、光子効率は、検出可能な光子の数を光ビームの放出された光子の数に関連づけたものである。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールは、名目上の角度、データ転送速度または距離に関して異なる規格を有する光送受信機を含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールは、少なくとも部分的に重なり合い、それによってノードコアに接続されている場合に送受信機モジュールによってカバーされる領域を定めるそれぞれの視野を有する送受信機モジュールを含み、かつ送受信機モジュールのそれぞれは、時分割もしくは波長分割多重技術によりその視野にある１つ以上の他のモジュール式ノードの１つ以上の送受信機モジュールへの通信をサポートし、かつスイッチング回路は、送受信機モジュールを動的に選択して送受信機モジュールの両方または全てによってカバーされる領域に対するカバレッジを提供するようにさらに構成されている。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、ノードコアに接続された１つ以上の送受信機モジュールの少なくとも１つは複数の電気コネクタのうちの２つ以上に跨っている。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、ノードコアに接続された１つ以上の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、機械的動作、ビームステアリングまたは液体レンズによって実行される能動追跡をさらに有する。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、ノードコアに接続された１つ以上の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、送受信機モジュールを制御するかノードコアによる２つ以上の送受信機モジュール間での通信を容易にするように構成されたプロセッサをさらに有する。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、プロセッサおよびロジックは、ノードコアに接続された隣接する送受信機モジュールに向けられた光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、隣接する送受信機モジュールの活動に基づいてその光送受信機のその配向、出力レベルまたは周波数を修正するようにさらに構成されている。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールは、データを伝搬する光ビームを放出および検出するように構成された光送受信機を含む送受信機モジュールと、１メガヘルツ（ＭＨｚ）〜１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲の帯域でデータを伝搬する電磁波を送信および受信するように構成された電磁波送受信機を含む別の送受信機モジュールとを含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、ノードコアは、ノードコアに接続された送受信機モジュールのうちの１つ以上からの光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、ノードコアに接続された送受信機モジュールのうちの１つ以上の配向、出力レベルまたは周波数を修正するように構成されたプロセッサおよびロジックをさらに有する。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、ノードコアは、モジュール式ノードを光通信ネットワークとは異なる別のネットワークにリンクさせるためのネットワーク接続をさらに含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態のモジュール式ノードまたはそれらの任意の組み合わせからなるいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを接続するように構成されているスイッチング回路は、１つ以上の送受信機モジュールをスイッチ可能に接続して、モジュール式ノードおよびそのモジュール式ノードが通信するように構成されている１つ以上の他のモジュール式ノードを含む光通信ネットワークのメッシュもしくはモバイルアドホックネットワークトポロジをサポートするように構成されていることを含む。

いくつかの例示的な実施形態は、光通信ネットワーク内に再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装する方法を提供しており、その方法は、１つ以上であって最大で複数の送受信機モジュールをノードコアに電気的に接続することであって、複数の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有し、ノードコアは最大で複数の送受信機モジュールを電気的に接続するための複数の電気コネクタを有し、かつノードコアに電気的に接続された最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するように空間的に分離されていることと、ノードコアのスイッチング回路によって１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワークに再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装することと、を含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、光送受信機は、０．１°超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出し、かつ放出された光ビームを検出するように構成されており、光子効率は、検出可能な光子の数を光ビームの放出された光子の数に関連づけたものである。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、名目上の角度、データ転送速度または距離に関して異なる規格を有する光送受信機を含む１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、少なくとも部分的に重なり合い、それによってノードコアに接続されている場合に送受信機モジュールによってカバーされる領域を定めるそれぞれの視野を有する１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含み、送受信機モジュールのそれぞれは、時分割もしくは波長分割多重技術によりその視野にある１つ以上の他のモジュール式ノードの１つ以上の送受信機モジュールへの通信をサポートし、かつ１つ以上の送受信機モジュールを接続することは、送受信機モジュールを動的に選択して送受信機モジュールの両方または全てによってカバーされる領域のためのカバレッジを提供することをさらに含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、そのうちの少なくともいくつかが送受信機モジュールを制御するかノードコアによる２つ以上の送受信機モジュール間での通信を容易にするように構成されたプロセッサをさらに有する１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、プロセッサおよびロジックは、ノードコアに接続された隣接する送受信機モジュールに向けられた光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、隣接する送受信機モジュールの活動に基づいてその光送受信機のその配向、出力レベルまたは周波数を修正するようにさらに構成されている。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、データを伝搬する光ビームを放出および検出するように構成された光送受信機を含む送受信機モジュールと、１メガヘルツ（ＭＨｚ）〜１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲の帯域でデータを伝搬する電磁波を送信および受信するように構成された電磁波送受信機を含む別の送受信機モジュールとを含む１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む。

任意の上記もしくは任意の下記例示的な実施形態の方法またはそれらの任意の組み合わせのいくつかの例示的な実施形態では、１つ以上の送受信機モジュールを接続することは、１つ以上の送受信機モジュールをスイッチ可能に接続して、モジュール式ノードおよびそのモジュール式ノードが通信するように構成されている１つ以上の他のモジュール式ノードを含む光通信ネットワークのメッシュもしくはモバイルアドホックネットワークトポロジをサポートすることを含む。

本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下に簡単に説明されている添付の図面と共に以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。本開示は、そのような特徴または要素が本明細書中の具体的な実施形態の説明において明示的に組み合わせられているかそれ以外の方法で列挙されているか否かに関わらず、本開示に記載されている２つ、３つ、４つまたはそれ以上の特徴または要素のあらゆる組み合わせを含む。本開示は、その態様および実施形態のいずれかにおける本開示のあらゆる分離可能な特徴または要素が、本開示の文脈が明らかにそれ以外を指示していない限り組み合わせ可能なものとみなされるように、全体論的に解釈されるものとする。

従って、上記概要は、本開示のいくつかの態様の基本的な理解を与えるための単にいくつかの例示的な実施形態を要約するために提供されていることが分かるであろう。従って、当然のことながら、上記例示的な実施形態は、単にいくつかの実施形態の例であり、決して本開示の範囲または趣旨を狭めるものと解釈されるべきではない。当然のことながら、本開示の範囲は、本明細書において要約されているものに加えて多くの可能な例示的な実施形態を包含し、それらの一部について以下でさらに説明する。さらに、本明細書に開示されている例示的な実施形態の他の態様および利点は、一例として記載されている実施形態の原理を示す添付の図面と共に考察される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

以上、本開示について上記一般的な用語で説明してきた。次に添付の図面を参照するが、これらは必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。

本開示の各種例示的な実施形態に係る各種構成の多方向性ノードを示す。 本開示の各種例示的な実施形態に係る各種構成の多方向性ノードを示す。 例示的な実施形態に係るモジュール式ノードを示す。 例示的な実施形態に係る異なる数、配置および接続の送受信機モジュール（「パネル」ともいう）を含む図３のモジュール式ノードの構成を示す。 例示的な実施形態に係る異なる数、配置および接続の送受信機モジュール（「パネル」ともいう）を含む図３のモジュール式ノードの構成を示す。 例示的な実施形態に係る異なる数、配置および接続の送受信機モジュール（「パネル」ともいう）を含む図３のモジュール式ノードの構成を示す。 例示的な実施形態に係る異なる数、配置および接続の送受信機モジュール（「パネル」ともいう）を含む図３のモジュール式ノードの構成を示す。 メッシュネットワークトポロジ内にモジュール式ノードを含む光通信ネットワークを示す。 本開示の例示的な実施形態に係るメッシュネットワークを他の光および高周波ネットワークと比較する。 本開示の例示的な実施形態に係るメッシュネットワークを他の光および高周波ネットワークと比較する。 本開示の例示的な実施形態に係るメッシュネットワークを他の光および高周波ネットワークと比較する。 例示的な実施形態に係る、モジュール式ノードが異なる出力またはデータ転送速度のパネルを含む図８のメッシュネットワークを示す。 例示的な実施形態に係る方法における各種動作を含むフローチャートである。

以下、本開示についてその例示的な実施形態を参照しながらより完全に説明する。本開示を徹底的かつ完全なものにし、かつ当業者に本開示の範囲を完全に伝えるために、これらの例示的な実施形態について説明する。実際には、本開示は多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載されている例示的な実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではなく、むしろ本開示が適用可能な法的要件を満たすように、これらの実施形態を提供する。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されている、例えば単数形の「一」、「一つ」、「その」および同様のものは、文脈が明らかに別の意を示していない限り複数の指示物を含む。また例えば本明細書では定量的尺度、値、関係などを参照する場合がある。特に明記しない限り、これらの全てではないとしてもいずれか１つ以上は、絶対的なものであっても製作公差などにより生じ得るような許容変動を計上するために近似的なものであってもよい。

以下に説明するように、本開示の例示的な実施形態は光通信に関し、より詳細には発散ビーム光通信に関する。本開示の例示的な実施形態について、主に自由空間光通信（ＦＳＯ）との関連で説明する。但し当然のことながら、例示的な実施形態は、従来的にＦＳＯ通信に関連する状況以外、すなわち空気、外部空間、真空などを介した通信にも等しく適用可能であってもよい。例えば、例示的な実施形態は、水またはあらゆる他の液体、溶液または懸濁液、および光ビームが光ファイバケーブル、導波管または伝送線路がない状態で伝播することができるあらゆる他の物質または媒体を介した通信にも等しく適用可能であってもよい。これらおよび他の同様の人工の閉じ込め手段は、光ビームを伝搬するかそれ以外の方法で案内するためにその中へのモード閉じ込めを引き起こす屈折率において対照性を示し得る。従って、例示的な実施形態は、より一般には光ファイバケーブル、導波管、伝送線路などの人工の閉じ込めがない状態で送信機と受信機との間の光ビームの伝播を含む光通信に適用可能なものとみなすことができる。

以下にさらに詳細に説明するように、本開示の例示的な実施形態は、無指向性能力を提供するための最大で複数の送受信機モジュール（「パネル」と呼ばれることが多い）を有する高出力モジュール式光無線通信ノードを提供する。先に引用され、かつ組み込まれている国際公開第２０１５／１０６１１０号および米国特許出願公開第２０１６／０２９４４７２号に提案されている種類の高出力発散ビームシステムは、その明細書においてノード上に単一のパネルとして表されており、１つのノード上に複数のパネルの合成を用いて多方向性ノードにさせるものである。本ノードはモジュール式であり（例えば、用途に応じて異なる規格のパネルに対処し）、移動性をサポートし、かつ他のノードの存在下にある場合にはメッシュネットワークとして機能するように設計されている。本ノードは、ノードがパネルカバレッジエリア間を移動する際のネットワークの動的再構成に対処する。パネル自体が様々な出力レベル、様々な異なるエミッタ源、様々な広がり角および受光角ならびに様々な変調速度および方式を有していてもよい。無指向性構成の場合、本ノードは、角度公差問題を全く引き起こさない領域をカバーし、複数のノードの安価な配備およびメッシュネットワークにおける冗長性により見通し線問題に対してより低コストの解決法を提供し、かつ高出力および広視野受信機により減衰に対処する。

図１は、３６０°の水平カバレッジおよび１°から最大で１０°の垂直角度範囲を提供する８枚のパネルを有する無指向性構成の多方向性ノード１００を示す。但し、ノードは、当業者に容易に知られる僅かな機械的変化によって１枚のパネルから半球状または完全に球状になるまでの任意の角度範囲のために構成されていてもよい。図２は、各形状の面が単一のパネルに対応する完全に球状のカバレッジのための他の実施形態を示す。コスト効率は、パネルの数、従って各パネルおよびそれによってノードの角度カバレッジエリア（受信および送信）を決める。パネルカバレッジエリアは一方の寸法を他方よりも大きくすることができる。

他のポイントツーマルチポイント解決法は、前もって所与のポイント（すなわちノード）が有する接続数を知る必要がある。そのような解決法は、接続方向も知る必要があったり、それに広範囲の配向オプションを与えるために機械システムを有するための装置を必要としたりもする。例示的な実施形態は、ノード自体を修正することなくほとんどの状況で使用することができる十分な柔軟性を有するノードを提供する。

この空間的柔軟性に対処するための他の方法は、本質的に無指向性であるノードを作り出すことであった。そのようなカバレッジを提供することによりコストは静的に上昇し、そのため、設計はその上昇の釣り合いを取るために多くの場合に部品（光学部品、フォトニック部品または電子部品）を共有することを必要とする。従って、ポイントツーポイントまたはポイントツーマルチポイントが必要とされる場合には、これらのシステムは桁違いの費用がかかり、かつオムニ構成では異なる空間的領域間で送受信機の特性を変更するための柔軟性が得られない。

ノードおよびパネル
図３は、本開示の例示的な一実施形態に係るモジュール式ノード３００を示す。図示のように、ノードは多くのパネル３０４をサポートすることができるノードコア３０２を含む。コアに取り付けられるパネルの数は、必要とされるパネルの所望の用途または特定の性能またはサイズによって異なってもよい。ノードは異なる規格のパネルをサポートする能力を有し、そのうちの２つがパネル３０４ａおよび３０４ｂとしても示されている。ノードは必要に応じてパネルのサブセットのみをサポートする能力も有する。図４および図５は異なる数のパネルを有するノードコアを示す。より少ないパネルにより、より密集していない領域において費用対効果を高めてもよく、あるいはノードに中継のみを実施させることができるようにしてもよい。

図３にも示すように、各パネル３０４はカバレッジエリア３０６を有する。パネルは互いに異なるか重なり合うことができるカバレッジエリアを有するように設計されていてもよい。重なり合っている場合、ノード３００またはパネル３０４電子機器は、どのパネルが重なり合っている領域内のノードまたはエンドポイントとの通信を維持しているかを動的に選択する。

各パネル３０４は、その通信カバレッジエリア内に１つ以上の他のノード３００の１つ以上のパネルを有していてもよい。カバレッジエリアに２枚以上のパネルが存在する場合（すなわち、一対多）、パネルは時分割もしくは波長分割多重技術を利用してそのカバレッジエリア内の全ての装置への能動リンクをサポートする能力を有し、これが電子的または機械的に達成されるか否かは問わない。逆に、そのリンクの他方側によって必要とされる場合には他のパネルとカバレッジエリアを共有するパネル（すなわち、多対一）も時分割もしくは波長分割多重技術を利用する。

ノードおよびパネルは固定されていても移動可能であってもよい。

パネルの特徴
パネル３０４は必ず１つ以上の送信機と、１つ以上の光検出器と、ノードへの再接続方法とを有する。カバレッジ角度、データ転送速度および距離に関するパネルの規格はパネルの部品および構成のバランスを決める。パネルは距離に応じて光学利得を必要としても必要としなくてもよい。

パネル接続は、固体バックプレーンコネクタ、高速版イーサネットまたは場合によってはさらには低放射（ｌｏｗ−ｅ）ブルートゥースなどの低ノイズ誘導無線標準規格などの当業者に公知の様々な方法であってもよい。

パネルの特徴は能動追跡も含んでいてもよく、その追跡は送受信機の光集合の機械的動作、ビームステアリングまたは液体レンズ法のいずれによるものであるかは問わない。能動追跡は有向ビームによる時分割多重技術の実施形態もサポートしてもよい。

パネルが機能するカバレッジエリア距離は、期間当たりのカバレッジエリアを狭めるが長くするように調整されてもよく、その調整は機械的または液体レンズのいずれによるものであるかは問わない。パネル３０４は、出力を保存することが有利であり得る場合に出力を減少させ、このようにしてカバレッジエリアを減少させることもできる。

パネル３０４は、（ａ）同じノード上の隣接するパネルに向けられた信号を無視、ブロックまたは濾過する能力、（ｂ）隣接するパネルの活動に基づいてその送受信機のその配向、出力レベルまたは周波数を修正する能力などの、ノードコア３０２および同様にノード上にある他のパネルによる最適なパフォーマンスを可能にするさらなる特徴を有する。特定の実施形態では、これを達成するためにパネル内にプロセッサおよびロジックを有し、他の実施形態では、これがパネルに送られる命令と共にノードコアにおいて解釈されると有利である。

パネル３０４上のプロセッサは、場合によっては個々のパネルに対する制御機能を果たすことが望ましい。他の場合には、プロセッサはノードコア３０２を介した２つ以上のパネル間の通信を容易にする。このパネル／ノードコア通信を利用して、ノード３００内でのスイッチングの待ち時間を短縮することができる。パネルは隣接するパネルと共に信号強度の変化を利用して、いつ変化が生じ得るかをノードコアに予測させることができる。

この構成および他の構成では、パネル３０４はノードコア３０２を介して互いに通信するかネットワーク上の他の装置と通信することができる。場合によっては、パネルはノード上のパネル構成を含む完全なネットワークのネットワークトポロジの知識を有する。パネルによる通信を使用して、ネットワークトポロジを変更および／または最適化することができる。この通信を使用して、そのリンクの特性またはそのパネルの視野にある他のパネルの数および種類に関するステータスを報告することもできる。これらの統計は監視および制御アプリケーションに伝達してもよく、そのアプリケーションは各ノードに分散されているか、集中型もしくはクラウドベースのサーバによって管理されている。

ノードコアの特徴
ノードコア３０２は、パネル３０４またはパネルコネクタを保持してそれらを接続するための機械的インタフェースと、パネルの通信およびそれらの他のノードへの各種接続を容易にする電子機器とを含む。機械的インタフェースは２つ以上の任意の数であってもよく、かつパネルがノードコアから物理的に離れて位置し、かつケーブルを介して電子的に接続されるようなパネルコネクタのみのためのものであってもよい。ノードコアは、標準ネットワーク接続（例えば、ＧｉｇＥイーサネット、高周波無線、ミリ波無線、ファイバまたはその他）を介した接続もサポートする。この接続を使用して、ノードを既存のネットワーク、エンドポイントまたは複数の他のエンドポイント接続をサポートするために設計された別の無線アンテナにリンクさせることができる。

いくつかの例では、パネル３０４は全てコアに機械的に接続されている。そのような場合、コアの機械的コネクタは、機械的コネクタの全てが利用される場合に無指向性カバレッジを確保にするように構成されている。屋上の実施形態またはコアの位置決めが可能な見通し線経路を制限する他の実施形態などの他の例では、パネルはコアに機械的に接続されていなくてもよく、代わりにノードから離れて別々に装着され、各パネルのための最適な見通し線を達成するように位置決めされてもよい。これは図６に示されている。他の例では、単一のノードに機械的に接続されたパネルと機械的に接続されていないパネルの両方が存在する。これは図７に示されている。

ノードコア３０２は、ミリ波、無線ＬＡＮ（例えばＷｉ−Ｆｉ）などの高周波（ＲＦ）通信、テラヘルツ（ＴＨｚ）通信、または１メガヘルツ（ＭＨｚ）から１０ＴＨｚの範囲の他の通信をサポートするために適当な帯域の電磁波通信を利用するパネル３０４もサポートする。ノードコアは、パネルをサポートするセンサまたはパネルをサポートするメタ物質などの非通信装置も利用することができるような標準相互接続を有する。

ノードコア３０２は、ファイバ、イーサネットおよび／または他の接続を介して１つ以上の物理的ネットワークにも接続する能力を有する。これらの種類のノード接続の周波数は、所与のメッシュネットワーク設計のために必要な最適なレイアウトおよび信頼性によって決まる。

メッシュネットワーク
ノード電子機器（パネル３０４またはコア３０２またはいくつかの組み合わせ）は、ノードが同じノードの各種パネルカバレッジエリアを通って移動する際または異なるノードのカバレッジエリアにスイッチする際のネットワークの動的再構成をサポートする。図８は、メッシュネットワークトポロジ８００で接続されたノード３００を示す。メッシュネットワークトポロジにより、冗長性という利点およびより高い全体的ネットワークスループットという利点も得られる。各ノードは、エンドポイントによってサポートされている場合には光接続８０４を介して、あるいはＷｉ−Ｆｉまたは他の標準規格などのＲＦリンク８０６を介してエンドポイント８０２に接続することができる。動的再構成は広範囲の時間スケールで生じ得る。ＩＰなどの既存のプロトコルは数秒から数分の時間スケールでネットワークを構成（および再構成）する。このネットワークは、それらの時間スケールでそれらまたは同様のプロトコルを使用してもよい。また、このネットワークは数秒から数マイクロ秒の時間スケールでそれ自体を構成および再構成してもよい。最小の時間スケールはパケットサイズおよび所与のデータ転送速度によって設定される。高速の動的再構成により、ノードは静止から１０００ｋｍ／時間までの時間スケールで移動および回転することが可能になる。

光無線パネル３０４を有するモジュール式ノード３００は、他のメッシュ実施形態を上回る特定の利点を有する。例えば、空間的に異なるカバレッジエリアの数は高周波の場合よりも多くすることができる。広がり角＋／−０．５^ｏを有するパネル送受信機を含む単一のノードは、水平線の周りに３６０個の異なるカバレッジエリアを有することができる。１Ｇｂｐｓのスループットを有する単一の送受信機を採用することにより水平面のみで３６０Ｇｂｐｓのノードスループットが得られる。垂直方向にパネルを追加すると異なるカバレッジエリアの数が増加する。再度一例として、＋／−０．５^ｏの広がり角を有する送受信機で４πステラジアンをカバーするには最大で約４４，０００枚のパネルを必要とする。

メッシュネットワーク８００内のノード３００は、固定されていても移動可能であってもその両方の組み合わせであってもよい。例えば、適度な出力定格および適度なビットレートを有する小さいフォームファクタおよびパネル３０４と共に実装されているノードは、その車を他のモジュール式ノードに接続する接続される乗用車において使用するのに適しており、ここでは別の車両または固定されているノードのどちらがより幅広いメッシュネットワークに接続されているかは問わない。他の場合には、移動可能なノードは、バスまたは電車などの公共交通機関車両で使用するためにより高い出力およびより高いビットレートを有する。

また図９に示すように、先行技術の狭ビームＦＳＯノードシステムは、ノード間のポイントツーポイント通信のみを可能にする。他のポイントおよび動いているユーザは情報を受信または送信することはできない。これは通信回線上にないポイント「Ｘ」として図示されている。例示的な実施形態の広いビームはメッシュネットワーク内の全ての領域をカバーしているため、全てのポイント「Ｘ」は図１０に示すように通信ビーム上にある。従って、動いているユーザであっても連続的な通信状態にすることができる。また図１１に示すオムニ方向性高周波システムと比較して、本開示の例示的な実施形態はさらにより高い帯域幅および周波数の再使用を可能にする。メッシュ領域全体において任意のユーザへのリンクを達成することに加えて、例示的な実施形態はカバレッジの高い冗長性を可能にする。図１０に示すように、各ユーザ「Ｘ」は６つのノードのそれぞれと通信し、それによりリンクの信頼性および帯域幅を増加させることができる。また、複数の装置が故障している状態であっても各パネルおよび各ビームが機能し続けるように、各パネル上に複数のレーザおよび検出器を組み込むことができる。従って、より低コストで信頼性がより低い部品を使用することができる。

スイッチング
ノード３００は、データをメッシュネットワーク８００を通してルーティングするためにデータのスイッチングを行う。これらのスイッチングの決定はパネル３０４またはノードコア３０２において行うことができる。ノードコアは、任意の数のネットワークトポロジおよびスイッチングアルゴリズムを利用するスイッチによって決定されるＩＰレベルのスイッチングによるイーサネットスイッチを含んでもよい。場合によっては、高速スイッチング決定をパネルによって行ってノードコアに伝達してもよい。あるいは、パネルが全てのリンク性能および制御ステータスデータをノードコアにトランスペアレントに送ってもよく、そこでは所与のノードのために全てのスイッチング決定がなされる。他の構成も可能である。たとえ本明細書においてイーサネットおよびＩＰが使用されたとしても、本開示の例示的な実施形態はデータ形式およびルーティングプロトコルからは独立している。

場合によっては、パネル３０４は、待ち時間を短縮するためにノード３００のためのスイッチング変更を予測してもよい。これは、メッシュノードが移動可能であり、例えば動いている車両のための通信装置として機能している実施形態に対して特定の影響を有する。

モジュール設計によるメッシュネットワーク化の最適化
図１２は、メッシュ６００上の所与の位置においてより高出力またはより速いデータ転送速度のパネル３０４を有することが求められるか所望され得る構成を示す。そのような場合には、パネルをノード内でスイッチさせて、より速いデータ速度１００２またはより長距離の接続１００４が所望される一般的な経路ノードに対応させてもよい。そのような柔軟性はノードが固定されている状況において特に有用になる。

移動性が所望される場合には、パネル３０４は、消滅しつつある接続（通常はさらに遠くに移動しているノードによって示される）を検出した場合にパネルの範囲を広げるように設計することができる。この場合、パネルハードウェアをより低いデータ転送速度変調に動的にスイッチさせてノイズ耐性を高め、その結果その範囲を広げることができる。

パネルの粗いステアリング
ノード３００内のパネル３０４は、粗いステアリング能力により使用可能にしてもよい。パンおよびチルトにおけるこのステアリングは、多方向性であるがオムニではない構成においてエンドポイントまたは他のメッシュノードを接続するためにどのパネルが利用されるかを動的にスイッチする能力を提供する。このステアリングは、光フェーズドアレイ、液体レンズまたは他の方法を利用して機械的または電子的に達成することができる。

図１３は、例示的な実施形態に係る再配布ポイントまたは通信エンドポイントを光通信ネットワークに実装する方法１３００における各種動作を含むフローチャートである。ブロック１３０２に示されているように、本方法は１つ以上であって最大で複数の送受信機モジュールをノードコアに電気的に接続することを含む。複数の送受信機モジュールの少なくともいくつかは、人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有する。ノードコアは、最大で複数の送受信機モジュールを電気的に接続することのために複数の電気コネクタを有し、ノードコアに電気的に接続された最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するように空間的に分離されている。またブロック１３０４に示されているように、本方法は、ノードコアのスイッチング回路によって１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワークに再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装することを含む。

本開示の例示的な実施形態をハードウェアおよびソフトウェアのあらゆる組み合わせにより実装してもよい。コンピュータによって実行される装置として実装する場合、これらの例を、上記工程および機能のうちの一部または全てを実施する手段を用いて実装してもよい。

本開示の例示的な実施形態は、例えば、情報を格納することができる非一時的装置として１つの位置から別の位置に情報を伝搬することができる一時的電子信号などのコンピュータ可読伝送媒体と区別することができるコンピュータ可読記憶媒体を有する製品（例えば、１つ以上のコンピュータプログラム製品）に含めることができる。本明細書に記載されているコンピュータ可読媒体とは一般に、コンピュータ可読記憶媒体またはコンピュータ可読伝送媒体を指してもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、例示的な実施形態の機構を提供および容易にするためのコンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読プログラム符号手段をその中に組み込んでいる。この点に関しては、コンピュータ可読記憶媒体は、プロセッサ（ハードウェアプロセッサ）による実行に応答して、装置に本明細書に記載されている各種機能を実行させる、その中に格納されているコンピュータ可読プログラム符号部分を有していてもよい。当該製品を上記プロセッサを含むコンピュータシステムの一部として含めたり別々に提供したりすることができる。あるいは、いくつかの例では、当該製品をノード３００のノードコア３０２またはパネル３０４の電子機器の中に含めてもよい。

上記説明および関連する図面に示されている教示の利点を有する本開示が属する技術分野の当業者であれば、本明細書に記載されている本開示の多くの修正形態および他の実施形態を思い付くであろう。従って、当然のことながら、本開示は、開示されている具体的な実施形態に限定されるものではなく、修正形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることを意図している。さらに、上記説明および関連する図面は、要素および／または機能の特定の組み合わせの例との関連で例示的な実施形態について記述しているが、当然のことながら、添付の特許請求の範囲から逸脱しない他の実施形態により要素および／または機能の異なる組み合わせを提供してもよい。この点に関しては、例えば上に明示的に記載されているものとは異なる要素および／または機能の組み合わせも、添付の特許請求の範囲の一部に記載され得るものとして想定される。本明細書には具体的な用語が用いられているが、それらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用されており、限定のためのものではない。

Claims (20)

1. 光通信ネットワークのためのモジュール式ノードであって、前記モジュール式ノードは、
   その少なくともいくつかが人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有する複数の送受信機モジュールのうちの１つ以上の送受信機モジュールと、
   最大で前記複数の送受信機モジュールを前記ノードコアに電気的に接続するための複数の電気コネクタを含むノードコアであって、前記ノードコアに電気的に接続された前記最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するように空間的に分離されている、ノードコアと、
   を備え、
   前記ノードコアは、前記１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワーク内に再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装するように構成されたスイッチング回路をさらに含む、モジュール式ノード。
2. 前記光送受信機は、０．１°超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出し、かつ放出された光ビームを検出するように構成されており、前記光子効率は、検出可能な光子の数を前記光ビームの放出された光子の数に関連づけたものである、請求項１に記載のモジュール式ノード。
3. 前記１つ以上の送受信機モジュールは、名目上の角度、データ転送速度または距離に関して異なる規格を有する光送受信機を含む、請求項１に記載のモジュール式ノード。
4. 前記１つ以上の送受信機モジュールは、少なくとも部分的に重なり合い、それによって前記ノードコアに接続されている場合に前記送受信機モジュールによってカバーされる領域を定めるそれぞれの視野を有する送受信機モジュールを含み、かつ前記送受信機モジュールのそれぞれは、時分割もしくは波長分割多重技術によりその視野にある１つ以上の他のモジュール式ノードの１つ以上の送受信機モジュールへの通信をサポートし、かつ
   前記スイッチング回路は、前記送受信機モジュールを動的に選択して前記送受信機モジュールの両方または全てによってカバーされる前記領域のためのカバレッジを提供するようにさらに構成されている、請求項１に記載のモジュール式ノード。
5. 前記ノードコアに接続された前記１つ以上の送受信機モジュールの少なくとも１つは前記複数の電気コネクタのうちの２つ以上に跨っている、請求項１に記載のモジュール式ノード。
6. 前記ノードコアに接続された前記１つ以上の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、機械的動作、ビームステアリングまたは液体レンズによって実行される能動追跡をさらに有する、請求項１に記載のモジュール式ノード。
7. 前記ノードコアに接続された前記１つ以上の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、前記送受信機モジュールを制御するか前記ノードコアによる２つ以上の前記送受信機モジュール間での通信を容易にするように構成されたプロセッサをさらに有する、請求項１に記載のモジュール式ノード。
8. 前記プロセッサおよびロジックは、前記ノードコアに接続された隣接する送受信機モジュールに向けられた光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、前記隣接する送受信機モジュールの活動に基づいてその光送受信機のその配向、出力レベルまたは周波数を修正するようにさらに構成されている、請求項７に記載のモジュール式ノード。
9. 前記１つ以上の送受信機モジュールは、データを伝搬する光ビームを放出および検出するように構成された光送受信機を含む送受信機モジュールと、１メガヘルツ（ＭＨｚ）〜１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲の帯域でデータを伝搬する電磁波を送信および受信するように構成された電磁波送受信機を含む別の送受信機モジュールとを含む、請求項１に記載のモジュール式ノード。
10. 前記ノードコアは、前記ノードコアに接続された前記送受信機モジュールのうちの１つ以上からの光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、前記ノードコアに接続された前記送受信機モジュールのうちの１つ以上の配向、出力レベルまたは周波数を修正するように構成されたプロセッサおよびロジックをさらに有する、請求項１に記載のモジュール式ノード。
11. 前記ノードコアは、前記モジュール式ノードを前記光通信ネットワークとは異なる別のネットワークにリンクさせるためのネットワーク接続をさらに含む、請求項１に記載のモジュール式ノード。
12. 前記１つ以上の送受信機モジュールを接続するように構成されている前記スイッチング回路は、前記１つ以上の送受信機モジュールをスイッチ可能に接続して、前記モジュール式ノードおよび前記モジュール式ノードが通信するように構成されている１つ以上の他のモジュール式ノードを含む前記光通信ネットワークのメッシュもしくはモバイルアドホックネットワークトポロジをサポートするように構成されていることを含む、請求項１に記載のモジュール式ノード。
13. 光通信ネットワーク内に再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装する方法であって、前記方法は、
    １つ以上であって最大で複数の送受信機モジュールをノードコアに電気的に接続することであって、
    前記複数の送受信機モジュールのうちの少なくともいくつかは、人工の閉じ込めがない状態でデータを伝搬する光ビームを放出し、かつ人工の閉じ込めがない状態で放出された光ビームを検出するように構成された光送受信機を有し、
    前記ノードコアは最大で前記複数の送受信機モジュールを電気的に接続するための複数の電気コネクタを有し、かつ前記ノードコアに電気的に接続された前記最大で複数の送受信機モジュールは、それらの数および配置に基づいて光通信のために構成可能なカバレッジを提供するように空間的に分離されていることと、
    前記ノードコアのスイッチング回路によって前記１つ以上の送受信機モジュールを接続して光通信ネットワークに再配布ポイントまたは通信エンドポイントを実装することと、
    を含む、方法。
14. 前記光送受信機は、０．１°超の広がり角および０．０５％未満の光子効率で光ビームを放出し、かつ放出された光ビームを検出するように構成されており、前記光子効率は、検出可能な光子の数を前記光ビームの放出された光子の数に関連づけたものである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、名目上の角度、データ転送速度または距離に関して異なる規格を有する光送受信機を含む１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、少なくとも部分的に重なり合い、それによって前記ノードコアに接続されている場合に前記送受信機モジュールによってカバーされる領域を定めるそれぞれの視野を有する１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含み、かつ前記送受信機モジュールのそれぞれは、時分割もしくは波長分割多重技術によりその視野にある１つ以上の他のモジュール式ノードの１つ以上の送受信機モジュールへの通信をサポートし、かつ
    前記１つ以上の送受信機モジュールを接続することは、前記送受信機モジュールを動的に選択して前記送受信機モジュールの両方または全てによってカバーされる前記領域のためのカバレッジを提供することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、そのうちの少なくともいくつかが前記送受信機モジュールを制御するか前記ノードコアによる２つ以上の前記送受信機モジュール間での通信を容易にするように構成されたプロセッサをさらに有する１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記プロセッサおよびロジックは、前記ノードコアに接続された隣接する送受信機モジュールに向けられた光ビームを無視、ブロックまたは濾過するか、前記隣接する送受信機モジュールの活動に基づいてその光送受信機のその配向、出力レベルまたは周波数を修正するようにさらに構成されている、請求項１７に記載の方法。
19. 前記１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することは、データを伝搬する光ビームを放出および検出するように構成された光送受信機を含む送受信機モジュールと、１メガヘルツ（ＭＨｚ）〜１０テラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲の帯域でデータを伝搬する電磁波を送信および受信するように構成された電磁波送受信機を含む別の送受信機モジュールとを含む１つ以上の送受信機モジュールを電気的に接続することを含む、請求項１３に記載の方法。
20. 前記１つ以上の送受信機モジュールを接続することは、前記１つ以上の送受信機モジュールをスイッチ可能に接続して、モジュール式ノードおよび前記モジュール式ノードが通信するように構成されている１つ以上の他のモジュール式ノードを含む前記光通信ネットワークのメッシュもしくはモバイルアドホックネットワークトポロジをサポートすることを含む、請求項１３に記載の方法。

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