JP6141459B2 - 複数のノードを有するネットワーク及びデータ伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、自由空間光学通信システムに関し、より具体的には、自由空間光学メッシュネットワークに関する。

一般に、メッシュネットワークと称される、高接続性無線周波数およびマイクロ波通信ネットワークが、公知である。メッシュネットワークは、ノード間の高次の接続を維持することによって、高可用性を提供する。ＲＦ通信と比較して、自由空間光学（ＦＳＯ）通信は、より高いデータレートを提供し、検出の確率を低下させ、妨害を受けにくい。加えて、ＦＳＯ通信は、スペクトル使用限界を受けない。ＲＦメッシュネットワークは、戦術的状況において広く使用されるが、ＦＳＯシステムは、概して、２地点間リンクの集合のままである（ノード次数≦２）。そのような低接続システムは、いかなる単一の断絶光学リンクも、ネットワークを切断された区画に分割し得るため、長い待ち時間、低処理量、および低回復力を有し得る。

より高いノード次数を有するＦＳＯネットワークを達成するための試みがなされている。いくつかのシステムは、各ノードに複数の（Ｎ）光学端末を提供する（ノード次数＝Ｎ）。しかしながら、本アプローチは、実際は、ノード次数における各増加が追加の高速光学通信端末を要求し、したがって、コストおよびサイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）特性を有意に増加させるため、スケーラブルではない。小型航空機または車両は、最大２つの光学通信端末（ノード次数≦２）をサポートし得ることを理解されたい。他のシステムは、光学２地点間リンクに加え、ＲＦオーバーレイネットワークを提供することによって、可用性を増加させ得、ＲＦネットワークは、バックアップおよび制御能力を提供することができる。しかしながら、そのようなハイブリッドネットワークは、実際には、より高い光学ノード次数を達成せず、したがって、単一光学トラフィックリンクが断絶すると、劣化したデータレート、より高い検出確率、およびより低い妨害耐性に悩まされ得る。したがって、高ノード次数を伴い、各ノードに最小数の光学通信端末しか必要としないＦＳＯネットワークの必要性がある。

一側面によると、本開示は、３つ以上のノードを備える、自由空間光学ネットワークを提供する。各ノードは、光学ビーム空間ホッピング能力を提供し、光学リンクを使用して少なくとも２つの遠隔ノードに接続する、特殊光学開口を伴う通信端末を有する。ノードのうちの少なくとも２つは、第１の期間の間、第１のネットワーク化トポロジにおいて接続され、ノードのうちの少なくとも２つは、第２の期間の間、第２のネットワーク化トポロジにおいて接続される。第１のデータ経路は、第１の期間の間、ノード間に確立され、第２のデータ経路は、第２の期間の間、ノード間に確立される。したがって、本開示は、各ノードに単一光学端末を使用して、高動的ノード次数を伴う実践的自由空間光学メッシュネットワークを提供する。

別の側面によると、自由空間光学ネットワークにおいてデータを伝送する方法は、第１の期間の間、光学データビームを第１のノードから第２のノードにポインティングすることと、第１の期間の間、データを第１のノードから第２のノードに伝送することと、第２の期間の間、光学データビームを第１のノードから第３のノードにポインティングすることと、および第２の期間の間、データを第１のノードから第３のノードに伝送することとを含む。

本開示の前述の特徴ならびに本開示自体は、以下の発明を実施するための形態からより完全に理解され得る。
図１Ａは、例証的自由空間光学（ＦＳＯ）メッシュネットワーク内のノードおよびトラフィックリンクを示す、ネットワーク図である。 図１Ｂは、例証的ＦＳＯメッシュネットワーク内のノード、トラフィックリンク、および追跡リンクを示す、ネットワーク図である。 図１Ｃは、例証的ＦＳＯネットワーク内のＲＦオーバーレイネットワークを示す、ネットワーク図である。 図２は、例証的ＦＳＯメッシュネットワーク内の光学端末を示す、ネットワーク図である。 図３は、図１Ａおよび１Ｂのネットワーク内で使用するための例証的光学端末を示す、ブロック図である。 図４は、図３の光学端末内で使用するための例証的光学ベンチを示す、ブロック図である。 図５Ａ−５Ｃは、集合的に、例証的ＦＳＯメッシュネットワーク内のトラフィックおよび追跡リンクの再構成を示す、図である。 図６は、図５Ａ−５ＣのＦＳＯメッシュネットワーク内の１つのノードにおけるトラフィックリンクの再構成を図示する、フロー図である。

本開示を説明する前に、いくつかの導入概念および専門用語が、説明される。用語「ノード次数」は、本明細書では、ネットワーク内の所与のノードで終端するリンクの数を指すために使用される。用語「メッシュネットワーク」は、本明細書では、概して、２つを上回る高ノード次数を伴う任意のネットワークを指すために使用される。用語「光学端末」は、自由空間光学ビームを伝送および／または受信可能な任意の装置またはデバイスを指す。本明細書における光学端末はさらに、データを受信し、および／または遠隔光学端末を追跡可能であり得ることを理解されたい。用語「ホップ」、「ホッピング」、および「ビームホッピング」は全て、概して、伝送された自由空間光学ビームを第１の方向から第２の方向に再ポインティングする、および／またはそのようなビームを受信するように光学端末を再構成するプロセスを指す。用語「トラフィックリンク」は、高データレートでユーザデータを搬送可能である任意の通信リンクを指し、一方向性、または（より一般的な）双方向性のいずれかであり得る。用語「追跡リンク」は、それらの間の光学通信のために要求される精度まで、他の端末の位置を追跡するために主に使用される光学リンクを指す。用語「空間取得」は、追跡され得る十分な精度で現在追跡されていない別のノードの方向を決定する行為を指す。議論目的のために、具体的プラットフォーム上に位置する端末の特性は、離れたプラットフォーム上に位置する、遠隔端末と称される別の端末とのその相互作用の観点から言及され得る。この専門用語は、相対的であり、両端末は、概して、同一の能力を有するであろうことに留意されたい。用語「光学開口」は、端末に入射し、そこから出射する光学ビームを制御する、端末の部分を指す。本明細書では、「ＲＦオーバーレイネットワーク」が参照されるが、しかしながら、そのようなオーバーレイネットワークは、無線周波数（ＲＦ）通信および／またはマイクロ波通信のいずれかを利用し得ることを理解されたい。

ここで、本開示の実施形態が、図面を参照して詳細に説明される（類似参照番号は、類似または同じ要素を識別する）。

図１Ａを参照すると、例証的自由空間光学（ＦＳＯ）メッシュネットワーク１００は、ノード１０２、１０４、１０６、１０８、および１１０と、アクティブトラフィックリンク１１２と、非アクティブトラフィックリンク１４０とを含む。図１Ａでは、ノード１０２−１１０は、航空機として示されるが、しかしながら、各ノードは、本明細書に説明されるような光学通信端末をサポート可能な任意の構造であり得ることを理解されたい。例えば、各ノードは、衛星等の地球の周囲の静止軌道、有人航空機または無人空中乗り物（ＵＡＶ）等の空中乗り物、タンク、人員運搬車、または装甲車両等の地上ベースの乗り物、あるいは船舶または潜水艦等の海上ベースの乗り物内の構造であり得る。

ノード１０２−１１０の各々は、概して、ネットワーク１００内の他の全てのノードと同一の光学通信能力を有する。したがって、任意のノードの議論は、概して、他の全てのノードに適用されるであろう。説明の便宜上、ノード１０２の能力および構造が、ここでは論じられるであろう。

ノード１０２は、少なくとも１つの光学通信開口１０２ｂを有する、少なくとも１つの光学端末１０２ａを含む。光学通信端末１０２ａは、１Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓ、またはそれ以上の高レートデータ転送をサポートし得る。いくつかの実施形態では、光学端末１０２ａはまた、図１Ｂに関連して以下に論じられるように、複数の取得および追跡（ａｃｑ／ｔｒｋ）開口を含み得る。

光学端末１０２ａは、空間的に敏捷なＦＳＯビームを伝送および受信可能である。空間敏捷性とは、ＦＳＯビームが、２つの方向間に弧を掃引せず、ある方向から別の方向に高速で再ポインティングされ得ることを意味する。光学開口から伝送されるビームの挙動に加え、空間敏捷性はまた、光学開口が入射ビームを受信することができる方向にも適用される。実施形態では、光学端末１０２ａは、光学位相アレイ（ＯＰＡ）を使用して、その伝送ビームおよび受信方向を電子的に操向し得る。当技術分野において公知のように、ＯＰＡは、機械的操向開口によって要求されるわずかな時間内に伝送ビームを電子的に再ポインティングすることができる。電子操向は、ノード１０２−１１０が、異なる方向にデータを光学的に送信および受信するために、その光学通信を高速で再ポインティング（「ホップ」）することを可能にする。ここで重要なのは、ホッピング時間は、光学端末から見て、ホップが開始される遠隔端末と、それが終端する遠隔端末との間の角度に依存しない。本システムは、任意の波長で動作することができるが、ある実施形態は、１５５０ｎｍ標準光学通信波長で動作する。他の波長におけるＯＰＡ切り替え時間の最近の測定値は、１５５０ｎｍで約０．１ｍｓのビーム切り替え時間に対して外挿され得る。これらの切り替え時間では、ビームは、非常にわずかな再ポインティング時間で、高レートでホップされることができ、これらの変化する連続接続を伴うシステムは、多数の並列接続を伴うものに非常に近似する。

ある実施形態では、各アクティブトラフィックリンク１１２は、反対方向に伝搬する一対の共に整列させられた（ｃｏ−ａｌｉｇｎｅｄ）光学ビームによって形成される、双方向性通信リンクを表す。これらの実施形態では、１０２ｂおよび１０４ｂ等の単一通信開口は、光学通信ビームの伝送および光学通信ビームの受信の両方が可能であり得る。したがって、双方向性トラフィックリンク１１２ａは、光学開口１０２ｂを光学開口１０４ｂの方向にポインティングし、開口１０４ｂを開口１０２ｂにポインティングすることによって、ノード１０２と１０４との間に形成され得る。したがって、ノード１０２の伝送ビーム方向は、ノード１０４の受信方向にポインティングされ、ノード１０４の伝送ビームは、ノード１０２の受信方向にポインティングされ、したがって、双方向性通信リンクが、形成される。実施形態では、正確に操向可能なＯＰＡが、光学伝送ビームおよび受信方向を共に整列させるために使用され得る。

他の実施形態では、各アクティブトラフィックリンク１１２は、１つの遠隔受信方向と整列させられる１つの伝送ビームによって形成される、一方向性通信リンクを表す。これらの実施形態では、１０２ａおよび１０４ａ等の各光学端末は、データを伝送および受信するための別個の開口を有し得る。したがって、例えば、端末１０２ａは、端末１０４ａに整列させられる伝送開口を含み得、端末１０４ａは、端末１０２ａに整列させられる受信開口を含み得る一方、端末１０２ａは、端末１０４ａに整列させられる別個の受信開口を含み得、端末１０４ａは、端末１０２ａに整列させられる伝送開口を含み得る。代替として、端末１０２ａの受信開口および端末１０４ａの伝送開口は、異なる光学端末、例えば、１１０ａおよび１０６ａに整列させられ得る。

図１Ａに示される例示的ネットワーク１００では、各ノード１０２−１１０は、１０２ｂ等の１つの光学通信端末を含み、したがって、任意の所与の時間に、１１２ａ等の最大１つのアクティブトラフィックリンクを有し得る。各ノードは、２つ以上の光学端末を含み得、一般に、アクティブトラフィックリンクの数は、提供される通信端末の数によって決定されることを理解されたい。ノードあたり複数の端末は、各ノードが、同時に、複数の他のノードに接続されることを可能にする。これは、常時、ネットワークを通して完全経路を提供することができ、データバッファの必要性を排除または低減させる。それは、さらに以下に論じられるように、光学バースト伝送を可能にする。

アクティブトラフィックリンク１１２に加え、ネットワーク１００は、複数の「非アクティブ」トラフィックリンク１４０を含み、非アクティブトラフィックリンク１４０は、アクティブトラフィックリンクを確立するための２つのノードによる相互意図を表す。２つのノードがリンクを確立しようと互に計画し得る技法は、以下にさらに論じられる。ここで敢えて言うなら、各非アクティブトラフィックリンク１４０は、将来的に、アクティブリンクになり得、同様に、各アクティブトラフィックリンク１１２は、将来的に、非アクティブリンクになり得る。例えば、非アクティブトラフィックリンク１４０ａは、それらのそれぞれの伝送ビームおよび受信方向を再ポインティングすることによって、アクティブ（すなわち、実際の）トラフィックリンクを近い将来に確立するノード１０２および１０６による相互意図を表す。同様に、非アクティブリンク１４０ｂは、トラフィックリンクを確立するためのノード１０２および１０８による相互意図を表し、非アクティブリンク１４０ｃは、トラフィックリンクを確立するためのノード１０２および１１０による相互意図を表す。ある実施形態では、光学端末１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１０ａは、前述の時間スケールで高速伝送ビームおよび受信方向再ポインティング可能なＯＰＡを利用する。ここで、ノード１０２は、ノード１０４へのアクティブトラフィックリンク１１２ａをノード１０６、１０８、および１１０のいずれかへのアクティブトラフィックリンクに高速で切り替え可能であり得ることを理解されたい。したがって、以下にさらに論じられるある目的のために、アクティブトラフィックリンク１１２と非アクティブトラフィックリンク１４０との間に実質的差異は存在せず、ノード１０２−１１０の各々の動的ノード次数は、そのアクティブおよび非アクティブトラフィックリンクの和である。

ＦＳＯメッシュネットワーク１００は、各ノード１０２−１１０が、１つ以上の近隣ノードの位置、またはより具体的には、１０２ｂ等のそれらのノードの光学通信開口のうちの１つの位置を認知することを要求することを理解されたい。ある実施形態では、ノードの数および相対的位置は、概して、静的であり、したがって、各ノードの位置は、互のノードの制御システムの中に事前にプログラムされ得る。他の実施形態では、ネットワーク１００は、モバイルアドホックネットワーク（ＭＡＮＥＴ）であり、したがって、空間協調が、要求され、各ノードは、近隣ノードの存在および位置を動的に決定可能である。本明細書では空間取得と称される、本プロセスは、図２に関連して以下でさらに論じられる。

空間協調に加え、ノード１０２−１１０間の時間協調も、通信するノード間のポインティング方向の同期を可能にするために要求される。したがって、空間協調および時間協調の両方が、要求される。ある実施形態では、時空間分割多重化（ＳＴＤＭ）が、空間時間協調を提供するために使用される。ＳＴＤＭを使用して、各ノード１０２−１１０は、計画された期間（「タイムスロット」と称される）の間、その伝送ビームおよび受信方向を規定された近隣ノードにポインティングする。したがって、その近隣間にプログラムされた通信の進行が存在する。進行順序、通信が生じる時間、および通信の持続時間（滞在時間）を含む、この通信の進行は、通信サイクルまたはホッピングシーケンスと称される。典型的ホッピングシーケンスでは、各近隣ノードは、その近隣ノード上の通信ビームの滞在時間と一致するタイムスロットが割り当てられ、その間、トラフィックデータが交換される。例証的ＳＴＤＭホッピングシーケンスは、図５Ａ−５Ｃおよび６に示される。ＳＴＤＭは、前述のように、ピアネットワーク内で使用され、全ノードが、ホッピングスケジュールを認知することを要求する。関連技法である、空間時間分割多重化アクセス（ＳＴＤＭＡ）が、複数のクライアントノードが集約ノードを通してネットワークに接続される、アクセスネットワーク内で使用されることができる。ＳＴＤＭＡはさらに、米国特許第８，１１６，６３２号に説明される（参照することによって本明細書に組み込まれる）。

ある実施形態では、ホッピングシーケンスは、各ノードのネットワークプロセッサ（図３における３０８）の中に事前に計画および事前にプログラムされ得る。事前に計画されたシーケンスが、使用され得、その場合、ＦＳＯメッシュネットワーク１００が、概して、静的数のノードおよびノード位置を有し、リンク故障が、稀である。

実施形態では、ホッピングシーケンスは、適応的であり、いくつかのＲＦＭＡＮＥＴのために使用されるものと類似するアプローチおよび技法を使用して、リアルタイムまたは略リアルタイムで算出される。適応ホッピングシーケンスが、使用され得、その場合、ＦＳＯメッシュネットワーク１００は、モバイルネットワーク、すなわち、ＭＡＮＥＴであり、および／または、リンク故障が、一般的である。適応ホッピングシーケンスは、トラフィック要件、ノード状態、リンク状態、および／または環境条件に基づき得る。トラフィック負荷ならびにノードおよびリンク状態は、ＲＦオーバーレイネットワーク（図１Ｃにおける１２２）を介して通信され得、各ノードのネットワークプロセッサ３０８は、ネットワークのトポロジを維持するように動作し得、主要およびバックアップルートの分散計算に関与し、結果を記憶する。例えば、トラフィックリンクのトポロジおよびその滞在時間は、トラフィックパターンの変更あるいはノードの場所または数の変更に対応するように改変されることができる。リンクまたはノード動作不能状態が検出される場合、ノードネットワークコントローラは、障害を迂回してトラフィックを再ルーティングし得る。残りの損なわれていないリンクの能力が、全ての遮断されたトラフィックを搬送するために適正ではない場合、より低い優先順位のトラフィックは、廃棄されるか、または後の伝送のために待ち行列に入れられ得る。ネットワークプロセッサ３０８の動作は、図３に関連して以下にさらに論じられる。任意の所与のホッピングシーケンスは、全ての可能なノードに対するアクティブトラフィックリンクを含まないこともあり、あるノード間に複数のトラフィックリンクを含み得る。

いくつかの実施形態では、ネットワーク１００内の一部または全ノードは、任意の期間の間、一緒に同期させられ、ネットワークを通してトラフィックをバーストするための長データ経路を提供し得る。したがって、ＦＳＯメッシュネットワーク１００は、ホッピングシーケンスに加え、バーストモード伝送を提供する。

当技術分野において公知のように、ネットワーク性能は、一般に、その平均処理量／帯域幅、平均待ち時間、およびジッタによって測定される。高処理量、および短い待ち時間および低ジッタの達成は、概して、望ましいが、多くの場合、ＳＴＤＭシステムにはこれらの評価基準間のトレードオフが存在し、具体的用途は、他方より一方を要求し得ることを理解されたい。例えば、バッファされるビデオストリーミングは、概して、比較的に高処理量および低ジッタを要求するが、比較的に長い待ち時間に耐え得る。

ＳＴＤＭの性能コストの１つは、ノードの伝送／受信設備が、固定データレートを有し、全近隣間で共有されるため、有効トラフィックリンクあたりの平均帯域幅、したがって、処理量は、近隣数が増加するにつれて低下することである。これは、多重アクセスネットワーク（例えば、ケーブルインターネットアクセスおよびファイバトゥザホーム）において一般的状況であり、リソーススケジューリングを用いたポリシーベースのサービスの品質（ＱｏＳ）管理を通して解決され得る。波長分割多重化（ＷＤＭ）もまた、若干のコストおよびＳＷａＰの増加を伴って、伝送／受信設備の帯域幅、それによって、有効トラフィックリンクあたりの帯域幅を増加させるために使用されることができる。別の性能コストは、ノードが他の近隣との通信に費やす時間によって産生される待ち時間である。遠隔端末間でビームを再ポインティングするために１０ミリ秒以上を要求するビーム制御開口の場合、これは、帯域幅効率と待ち時間とバッファサイズとの間のトレードオフをもたらす。このトレードオフは、ＱｏＳポリシーネゴシエーションの一部として、近隣あたりベースで動的に調節されることができる。しかしながら、最近のＯＰＡの高速切り替えサブミリ秒時間は、この問題を大幅に排除し、高処理量が、短滞在時間を使用して、短い待ち時間で得られることを可能にする。

端末の総帯域幅は、近隣ノードの数の間で共有されることを理解されたい。いくつかの帯域幅非効率は、各遠隔端末上でビームを整定および再形成するために、ある程度の時間がかかるため、ホッピング（空間分割）動作に固有である。この時間は、操向機構に依存する。機械的に操向されるビームは、望遠鏡の視野、典型的には、≦２°を上回るホップに対して遅すぎるであろう。一実施形態では、電子ビーム操向は、その速度および開ループ精度のため使用される。現世代ネマティック液晶を使用した典型的加熱光学位相アレイ（ＯＰＡ）の場合、任意の角度間でビームを向け直すための時間は、使用される液晶および波長のタイプに応じて、約５−１０ｍｓである。ホッピング時間は、ホップが開始する遠隔端末と、それが終端する遠隔端末との間の光学端末から見た角度に依存しない。他のタイプの液晶は、前述の操向時間よりはるかに高速であり、このビーム向け直し時間を１桁超も低減させることができる。当業者は、速度、操向効率、および信頼性の考慮点を含め、特定の用途のための適切な液晶デバイスの選択方法を理解するであろう。

待ち時間は、ホッピングシーケンス、具体的には、端末が、全近隣を通した循環のプロセスにおいて、同一の近隣端末を再訪問するためにかかる時間によって決定される。ＳＴＤＭは、バッファおよびバーストモード伝送を利用し得、したがって、非常に短い待ち時間を要求するトラフィックには好適ではない場合がある。しかしながら、一方向性ストリーミングトラフィック（例えば、ビデオ）は、各終了時に（すなわち、入口および出口ノードの両方において）、バッファを用いて対処され、ジッタを容認可能レベルまで低減させることができる。

また、ビームのホッピングによって生じる不動作時間のため、帯域幅効率と待ち時間との間にトレードオフが存在することを理解されたい。近隣の数が増加するにつれて、処理量効率は、ビーム再ポインティング時間と滞在時間定数との間の比率を維持し、サイクル時間を増加させることによって一定に保たれることができるが、しかしながら、これは、待ち時間を増加させることを理解されたい。固定待ち時間の維持は、ユーザが追加されるにつれて、滞在時間を減少させることを要求し、これは、処理量効率を低下させる。この影響の大きさは、操向開口の再ポインティング時間に依存し、再ポインティング時間≦１０ｍｓを有する新世代高速ＯＰＡは、非常に短い滞在時間において高処理量効率を維持可能であるため、この影響を最小限にすることを理解されたい。

ここで、本開示は、高速の空間的に敏捷なＦＳＯビームとノードポインティング方向間の空間時間協調とを利用することによって、高動的ノード次数、高処理量効率、および短い待ち時間を伴うＦＳＯメッシュネットワーク１００を提供することを理解されたい。ネットワークは、無視可能な処理量損失および短い待ち時間を維持しながら、ホッピングおよびバーストモード伝送を可能にし得る。ネットワークは、適応ルーティングおよびリンク切り替えを使用して、トラフィック条件を調節し、ノードの数および場所を変更し、リンクおよびノード障害を克服し得る。さらに、本開示は、高データレートを伴う高指向性光学ビームの利点を保有しながら、最適切り替えおよびルーティングプロトコル等のＲＦメッシュネットワークのために開発された技法および動作をＦＳＯネットワークの中に組み込み得る。

ここで図１Ｂを参照すると、ＦＳＯメッシュネットワーク１００は、ノード１０２−１１０を含む。全ての他のノードを代表する、ノード１０２は、光学端末１０２ａを含む。光学端末１０２ａは、光学通信開口１０２ｂと、１つ以上の光学取得および追跡（ａｃｑ／ｔｒｋ）開口１０２ｃとを含む。ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃは、ビーコン源を使用して、追跡ビーコンの伝送が可能であり、さらに、ビーコンセンサを使用して、遠隔追跡ビーコンの受信が可能である。いくつかの実施形態では、ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃは、操向のためにＯＰＡを利用し得、さらに、それぞれの追跡ビーコンは、空間的に敏捷なビームを備え得る。ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃは、通信開口１０２ｂより複雑ではないことが可能であり、したがって、それぞれの通信開口より低いコストおよびサイズ、重量、および電力（ＳＷａＰ）特性を有し得る。したがって、小型航空または地上の乗り物は、最大２つの光学通信開口をサポート可能であり得るが、そのような乗り物は、通信開口に加え、１つ以上のａｃｑ／ｔｒｋ開口をサポート可能であり得る。同様に、ノード１０４は、光学通信開口１０４ｂおよびａｃｑ／ｔｒｋ開口１０４ｃを有する、光学端末１０４ａを含み、ノード１０６は、光学通信開口１０６ｂおよびａｃｑ／ｔｒｋ開口１０６ｃを有する、光学端末１０６ａを含み、ノード１０８は、光学通信開口１０８ｂおよびａｃｑ／ｔｒｋ開口１０８ｃを有する、光学端末１０８ａを含み、ノード１１０は、光学通信開口１１０ｂおよびａｃｑ／ｔｒｋ開口１１０ｃを有する、光学端末１１０ａを含む。

いくつかの実施形態では、専用ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃが、提供され、開口１０２ｃは、他のノードを空間的に取得またはそれらの位置を特定し、続いて、それらのノード間に追跡リンク１１４を維持する目的のために、ノード１０２によって、他のノードへのビーコンまたは他の信号を継続的に追跡および提供するために使用されることができる。光学追跡リンクは、トラフィックリンクビームの発散が、非常に小さく、精密なポインティング情報が、適正な信号強度を得るために要求されるため、要求される。Ａｃｑ／ｔｒｋリンクは、トラフィックリンク１１２がそれらのノード間に確立されないときでも維持されることができる。光学追跡機は、追跡するためのビーコンまたは他の信号（通信波長にあり得る）を要求し得るので、追跡リンク１１４の両端のノードは、互に認知しており、それは、両ノードが、そのビーコンを互にポインティングし、同時に、精密な相対的位置を維持することができることを意味する。ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃは、通信開口１０２ｂと別個であり得るが、それぞれの追跡ビームおよび伝送ビームは、共に整列させられ得る。共整列（ｃｏ−ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）は、両タイプの開口がＯＰＡを使用して、精密かつ正確な電子操向を提供し得るため、実行可能である
他の実施形態では、追跡は、通信開口１０２ｂを使用して行なわれ、専用ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃは、必要とされない。これらの実施形態では、追跡データは、トラフィックリンク１１２が維持されるノードと、潜在的トラフィックリンク１１４のために追跡されるそれらのノードとの間で通信開口の伝送ビームおよび受信方向を一時的にホッピングすることによってアップデートされることができる。これは、トラフィックリンク１１２上の高情報処理量を維持するために、超高速ビーム再ポインティングを伴い得る。さらに、ビーコン源およびビーコン受信機が、適切な時間に互に狙いを定められるように、時間協調を伴い得る。しかしながら、本アプローチは、追跡機能を行なうために費やされる時間が通信不動作時間を増加させるため、処理量効率を低下させ得る。

示されるように、ノード１０２−１１０は、一連の（アクティブ）トラフィックリンク１１２および追跡リンク１１４によって接続される。図１Ａにおけるように、図１Ｂにおけるトラフィックリンク１１２は、共に整列させられた光学伝送ビームおよび受信方向によって形成される、双方向性または一方向性通信リンクのいずれかを表し得る。追跡リンク１１４は、１つの追跡ビーコンおよび１つのセンサ、または双方向性の対の追跡ビーコンおよびセンサのいずれかを表し得る。トラフィックリンク１１２が、確立され得る前に、追跡リンク１１４は、２つのノード間の精密なポインティング方向を維持するために確立され得る。したがって、追跡リンク１１４は、潜在的に、通信リンクに変換され得る経路を表し、したがって、図１Ａにおける非アクティブトラフィックリンク１４０に対応し得る。

ａｃｑ／ｔｒｋ開口１０２ｃの目的の１つは、伝送／受信再ポインティングプロセスを促進し、したがって、ビームホッピングに関連付けられた性能コストをさらに低減させることである。Ａｃｑ／ｔｒｋ開口は、すでにホッピングシーケンス内にあるか、または含めるための候補である、ネットワークノードを追跡し得る。追跡リンク１１４によって接続されるノードは、その相対的位置（ポインティング方向）およびそれらの間の経路の状態をリアルタイムで維持可能であるため、互に向かったその通信開口の再ポインティングおよびそれらの間のアクティブトラフィックリンクの確立は、非常に迅速に生じ得る。ａｃｑ／ｔｒｃｋ開口１０２の別の目的は、ノードが、既存のネットワークノードによる通信に干渉せずに、ネットワークに参加することを可能にすることである。ａｃｑ／ｔｒａｃｋ開口１０２ｃのさらに別の目的は、これらの開口によって維持される追跡リンクがまた、ルート算出プロセスへの入力のための潜在的通信リンクの品質に関する情報を提供することである。

ここで図１Ｃを参照すると、図１Ａおよび１ＢにおけるＦＳＯメッシュネットワーク１００が、ＲＦオーバーレイネットワーク１２２とともに示される。ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、ノード１０２−１１０と、ワイヤレスＲＦリンク１２０とを含む。ＲＦリンク１２０は、ノード１０２−１１０が非光学電磁波を使用して互に通信することを可能にする、無線周波数、マイクロ波、または他の非光学電磁通信リンクを含み得る。ＲＦリンク１２０は、任意の好適なレートでデータ転送をサポートし得る。簡潔にするために、全ての非光学通信リンクは、ＲＦリンクと称される。特定の実施形態では、ノード１０２−１１０は、ＲＦ位相アレイアンテナを含み、複数のビームを生成／受信する、または単一ビームを複数のノード間でホップさせる。これは、ＲＦ端末ハードウェアの効率的使用およびより多数の同時ＲＦリンクを提供する。他の実施形態では、機械的に操向されるＲＦ指向性アンテナが、使用されることができる。さらに他の実施形態では、全方向性ＲＦアンテナが、使用されることができる。一実施形態では、ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、位相アレイアンテナを採用し、複数のビームを生成および受信するか、または単一ビームを全ノード間でホップさせる。これは、効率的スペクトル使用および検出確率の低下の利点を有する。代替として、全方向性アンテナが使用されることができるが、これは、前述の利点を欠いており、制御プレーントラフィックをサポートする能力を欠く場合がある。ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、ＦＳＯネットワークをサポートするために特に実装され得るか、またはその主要目的がＲＦ通信トラフィックを搬送することである既存のネットワークであり得る。

ＲＦリンク１２０は、同一のノード１０２−１１０を利用して、並列またはオーバーレイネットワークを構成する。オーバーレイネットワークは、光学通信ネットワーク（制御プレーンデータ等）と比較してより低いデータレートで情報をトランスポートするために、光学通信リンクが故障した場合にあるデータをトランスポートするために、またはＲＦネットワーク上でのみ搬送されることが意図されるデータをトランスポートするために使用されることができる。ＲＦは、大気中におけるそのより高い可用性および制御情報がユーザトラフィックより高い確実性を伴って配信される要件のため、使用され得る。ＲＦネットワークは、光学ネットワーク近傍の全ノード間に論理接続を提供するが、離れたノードからの情報を中継するために十分な能力を有する場合、物理的に完全に接続される必要はない。

前述のように、ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、ノード間で制御プレーン情報を伝送するために使用されることができる。制御プレーン情報は、実装に応じて、種々の情報を含むことができる。例えば、制御プレーン情報は、ノード間で一過性の相互ビームポインティングを空間的かつ時間的に協調させるための情報、ノードがその光学システムを互に再ポインティングすることを可能にする情報、およびビーコン信号または他の信号を含むことができる。この情報は、トラフィックリンクのために、ネットワークを通してルートを計画するために使用されることができる。潜在的リンクの光学状態、ノード場所、およびトラフィックパターンは、継続的に変化し得るため、ルート計算は、継続的に行われることができる。ＲＦオーバーレイネットワーク１２２はまた、光学トラフィックリンク（図１Ｂにおける１１２）が利用可能ではない場合、限定量の優先トラフィックをトランスポートするために使用されることができる。ＲＦオーバーレイネットワーク１２２はさらに、追跡リンク１１４が、必要に応じて、高速で確立され得るように、追跡リンク１１４を伴わずに、監視されているリンク１１２に関する性能情報をトランスポートし、ノードに関するステータス情報を提供するために使用されることができる。

ある実施形態では、ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、ノードおよび潜在的リンクを発見可能なＭＡＮＥＴを備える。したがって、ＲＦオーバーレイネットワーク１２２は、ノードおよびトラフィックベースの光学接続のＲＦ発見に基づく自己編成能力を、ＦＳＯメッシュネットワーク１００に提供することができることを理解されたい。

ここで図２を参照すると、それぞれ、図１Ａにおける光学端末１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ、および１１０ａのいずれかと同一または類似し得る、光学端末２００、２０２、および２０４が、示される。説明の便宜上、３つのノード／端末が、図２に示されるが、しかしながら、本明細書に説明されるシステムおよび方法は、概して、任意の数のノードを伴うネットワークを可能にすることを理解されたい。端末２００、２０２、２０４の各々は、通信ビーム２１８−２２８を伝送および／または受信する、光学通信開口２０６、２０８、２１０のうちのそれぞれの１つを含む。破線として示される、対の通信ビーム２１８、２２０および２２２、２２４は、非アクティブトラフィックリンクを形成し、図１Ａにおけるリンク１１４ａ−１１４ｄのいずれかに対応し得る。同様に、対の通信ビーム２２６、２２８は、図１Ａにおける任意のリンク１１２ａ−１１２ｄに対応し得る、アクティブトラフィックリンクを形成する。説明の便宜上、対の逆の伝搬通信ビームは、本明細書では、互換可能に、トラフィックリンクと称され得るが、いくつかの実施形態では、トラフィックリンクは、一方向性であり、単一ビームから成り得る。各端末２００−２０４はさらに、追跡ビーム（ビーコン）２３０、２３２、２３４、２３６、２３８、および２４０を提供する、それぞれの複数のａｃｑ／ｔｒｋ開口２１２ａ−２１２ｄ、２１４ａ−２１４ｄ、および２１６−２１６ｄを含む。対の追跡ビーコン２３０、２３２、および２３４、２３６、ならびにまた、２３８、２４０は、それぞれの追跡リンクを形成する。説明の便宜上、対の追跡ビーコンは、本明細書では、互換可能に、追跡リンクと称され得る。

依然として、図２を参照して、ここで、光学端末２００の動作および機能が、説明される。光学端末２００−２０４は、類似構造を有するため、本説明はまた、概して、端末２０２および２０４にも適用されることを理解されたい。光学端末２００は、伝送通信ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６の精密な電子ビーム操向を使用し、ＳＴＤＭを経由して、近隣ノード光学端末２０８および２１０への双方向性ネットワーク接続を提供する。複数の遠隔ノードを接続するための単一光学通信開口の使用は、同一の数のビームを提供するために、各々が単一ビームを伴う複数の光学端末の使用と比較して、光学端末２００の使用のコストおよびＳＷａＰ特性を低下させる。

以下の説明から明白となるであろうように、空間分割多重化は、高速で、敏捷かつ精密な電子ビーム操向を使用して、通信ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６を遠隔端末２０２および２０４間でホップさせることによって提供される。時間分割多重化は、各遠隔端末２０２および２１０に、その遠隔端末上における伝送ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６の滞在時間と一致するタイムスロットを割り当てることによって提供される。したがって、空間および時間分割多重化の組み合わせ（すなわち、ＳＴＤＭ）は、光学端末２００が、伝送ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６が、正しい時間にその遠隔端末にポインティングされる結果、双方向性通信が、複数の遠隔端末２０２、２０４のうちの適切な１つと可能となり得るように動作することを可能にする。

故に、任意の所与の瞬間において、端末２００は、（例えば、ビーム操向機構を介して）伝送ビームおよび受信方向を遠隔端末２０２、２０４のうちの１つに向け、その遠隔端末からの伝送および受信を可能にする。端末２００が遠隔端末２０２、２０４のうちの具体的１つ上に滞在する時間は、その端末に配分されたタイムスロットと一致し、ビームホッピングシーケンスによって規定され得る。端末２００は、通信開口数、ａｃｑ／ｔｒｋ開口数、端末２００の総帯域幅能力、およびネットワークのサービス要件を含む、いくつかの要因によって決定される最大値までさまざまな数の近隣をサポートすることができる。前述のように、ある実施形態では、近隣ノード毎に１つのａｃｑ／ｔｒｋ開口と近隣ノード間で共有される１つの通信開口とが存在する。他の実施形態では、ａｃｑ／ｔｒｋ開口数は、近隣の数より少なくても多くてもよい。ＳＴＤＭを使用することによって、端末２００の最大かつ最も高価な構成要素が、全てのその近隣間で共有されることができることを理解されたい。

図２に示される例示的ネットワークでは、単一光学通信端末２００は、単一通信開口２０６を使用して制御される伝送ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６を通して、近隣端末２００、２０４と通信する。光学端末２００は、所望の時間において、所望の期間の間、伝送ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６を近隣端末２０２、２０４の各々に操向する。伝送ビーム２２８および受信方向２２６は、現在の瞬間における、例証的ＦＳＯネットワークの状態を表し、伝送ビーム２１８および受信方向２２０は、以前または後の瞬間におけるＦＳＯネットワークの状態を表す。したがって、示されるように、実際のトラフィックリンクは、現在、端末２００と２０４との間に確立されている一方、非アクティブトラフィックリンクは、ノード２００と２０２との間に確立されている。

空間再取得を伴わずに、高速ホッピングを可能にするために、近隣ノード端末２０２は、追跡ビーコン２３２をａｃｑ／ｔｒｋ開口２１２ｂに提供し、同様に、近隣ノード端末２０４は、追跡ビーコン２３８をａｃｑ／ｔｒｋ開口２１２ｄに提供する。ａｃｑ／ｔｒｋ開口の数が、近隣の数と同一またはそれを上回る実施形態では、遠隔端末２０２、２０４は、追跡ビーコン２３２、２３８のうちのそれぞれの１つを追跡開口２１２ａ−２１２ｄの対応する１つに提供する。したがって、各追跡開口２１２ａ−２１２ｄは、複数の追跡ビーコン２３２、２３８のうちのそれぞれの１つを継続的に受信する。これは、各端末が、アクティブトラフィックリンクがそれらの間に存在するかどうかにかかわらず、同一の精度で近隣端末を追跡することを可能にする。さらに、一対の端末の伝送ビームおよび受信方向は、トラフィックリンクがそれらの間で要求されるとき、直ちに（すなわち、再取得のための遅延を伴わずに）、複数の遠隔端末２０２、２０４のうちの適切な１つにポインティングされることができる。ビーコン２３２、２３８はまた、低帯域幅制御およびオーダワイヤ情報を遠隔端末２０２、２０４と端末２００との間で伝送するように変調されることができる。そのような制御およびオーダワイヤ情報は、追跡ビーコンの低ビットレートエンコーディングを通して交換され得る。

示されるように、端末２００は、２つの近隣ノード端末２０２、２０４を追跡するために、４つのａｃｑ／ｔｒｋ開口２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、および２１２ｄを含む。再取得の必要性を回避することによって、帯域幅効率を最大限にするため、かつ動的帯域幅配分を可能にする制御情報のタイムリーな通信のために、近隣毎に少なくとも１つの専用ａｃｑ／ｔｒｋ開口を有することが望ましい。しかしながら、連続制御および追跡は、全ての用途に要求されない場合もあることに留意されたい。したがって、いくつかの実施形態では、ａｃｑ／ｔｒｋ開口数は、近隣ノードの数未満であり得る。

ａｃｑ／ｔｒｋ開口数が、遠隔端末数未満である一実施形態では、ａｃｑ／ｔｒｋ開口２１２は、各遠隔端末が、必ずしも、常時、それに関連付けられたａｃｑ／ｔｒｋ追跡開口を有する必要がないように循環される。この場合、端末２００は、ａｃｑ／ｔｒｋ開口をリソースプールとして管理し、端末２００が通信伝送ビーム２１８、２２８および受信方向２２０、２２６を遠隔端末にポインティングする時間の十分に前に、ａｃｑ／ｔｒｋ開口を各遠隔端末に割り当てる。このように、空間再取得プロセスは、遠隔端末のために割り当てられた通信タイムスロットがホッピングシーケンスにおいて到達する前に完了される。したがって、各遠隔端末は、ホッピングシーケンスにおける異なるタイムスロットの間に異なる追跡ビーコンを受信し得る。遠隔端末は、ホッピングサイクルの間のある時間に追跡するためのビーコンを有していないであろうため、遠隔端末はまた、新しい追跡ビーコンがそれに割り当てられると、端末２００ノードを再取得しなければならない。再取得時間は、ノードの相対的運動の規則性ならびにビーコンおよび／またはａｃｑ／ｔｒｋ開口が利用可能ではない時間間隔の持続時間に依存することを理解されたい。しかしながら、再取得時間を短縮するための正確な標的軌道予測アルゴリズムが存在する。全端末がトラフィックリンクのためのホッピングシーケンスを認知していなければならないと同時に、この「ジャストインタイム」再取得技法が採用されるとき、全端末によって共有される再取得シーケンスが存在しなければならない。

ここで図３を参照すると、ＦＳＯおよびＲＦ能力の両方を伴う例証的ネットワークノードが、示される。特に、図３は、図１ＡにおけるＦＳＯメッシュネットワーク１００の任意のノード１０２−１１０に位置し得る、ハイブリッド「光学プラスＲＦ」光学端末３００を図示する。示される実施形態では、端末３００は、ネットワークノードコントローラ３０２と、ＲＦシステムまたは端末３０４と、１つ以上の光学システムまたは端末３０６と、ネットワークプロセッサ３０８とを含む。他の実施形態では、ノードは、光学専用端末を有し得る。

コントローラ３０２は、ハイブリッド端末の全体的動作を制御する。例えば、コントローラ３０２は、ＲＦ端末３０４および光学端末３０６の動作を管理し、端末３００によるデータの伝送または受信を制御し得る。コントローラ３０２は、端末を起動およびシャットダウンすること、端末およびリンクステータスを監視および報告すること、端末を構成すること、トラフィックおよびａｃｑ／ｔｒｋリンクを向け直すこと、ならびにネットワークプロセッサ３０８によって命令された場合、計算されネットワークプロセッサ３０８内に記憶された主要およびバックアップルーティング計画を実行すること等の機能に関与する。コントローラ３０２は、少なくとも１つのマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む処理システム等、通信端末を制御するための任意の好適な構造を含む。

ネットワークプロセッサ３０８は、ネットワークのトポロジならびにノードおよびリンクの状態を維持するように動作する。ネットワークプロセッサ３０８はまた、トラフィック負荷およびリンク状態に基づく、ルートおよびホッピングシーケンスの分散計算に関与し、結果を記憶する。ルートの計算は、ノード間の協働および情報交換を使用して、複数のノード３００間で行われる分散プロセスを表し得る。ネットワークプロセッサ３０８はさらに、ローカルまたは遠隔であり得る、動作不能状態の場合に実装されるべき緩和手段を決定する。プロセッサ３０８は、少なくとも１つのマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはＡＳＩＣを含む処理システム等、ネットワーク編成をサポートするための任意の好適な構造を含む。

ＲＦ端末３０４は、ＲＦ通信を使用して、他のノードとの通信を提供し得る。ＲＦ端末３０４は、ＦＳＯメッシュネットワークの動作をサポートするように具体的に設計され得るか、または、それはまた、ＦＳＯメッシュネットワークへのサポートを付随的に提供するために使用されるＲＦ通信ネットワークの一部であり得る。本実施例では、ＲＦ端末３０４は、ＲＦ電子機器３１０と、ＲＦアンテナ３１２と、発見アンテナ３１４とを含む。ＲＦ電子機器３１０は、ワイヤレス伝送のための信号を生成するため、またはワイヤレスで受信された信号を処理するための種々の機能を果たす。例えば、ＲＦ電子機器３１０は、フィルタ、増幅器、ミキサ、モデム、またはＲＦ信号を生成および受信するために使用される他の構成要素を含み得る。多重経路フェージングに対処するため、または位相アレイアンテナの使用をサポートするための信号結合等の他の機能もまた、サポートされ得る。ＲＦ電子機器３１０はさらに、複数の他のノードとのデータの交換をサポートする、ＭＡＮＥＴおよび共通データリンク（ＣＤＬ）機能性を含み得る。ＲＦ電子機器３１０は、ＲＦまたは他のワイヤレス非光学電磁信号を使用して他のノードとの通信を促進する、任意の好適な構造を含む。

ＲＦアンテナ３１２および発見アンテナ３１４は、他のノードへおよびそこからのＲＦ信号の伝送および受信をサポートする。いくつかの実施形態では、ＲＦアンテナ３１２は、他のノードと通信し、制御プレーン情報等のデータを交換するために使用され、発見アンテナ３１４は、ＲＦ通信を確立する目的のために、アンテナ３１４のＲＦ範囲内にある新しいノードの位置を特定し、新しいノードを識別するために使用される。ＲＦアンテナ３１２は、位相アレイアンテナ等、他のノードへおよびそこからデータを通信するための任意の好適な構造を含む。発見アンテナ３１４は、全方向性ラジエータ構造等、新しいノードから信号を受信するための任意の好適な構造を含む。位相アレイアンテナ等のアンテナの使用は、同時に、複数のＲＦビームを異なる方向に伝送するためのビーム形成等、他の機能をサポートすることができることに留意されたい。

示されるように、光学システム３０６は、光学送受信機３１６と、光学ベンチ３１８と、電子通信ビーム操向アセンブリ３２０と、電子追跡およびビーコン操向アセンブリ３２２とを含む。光学送受信機３１６は、概して、伝送のために、電気データを光学信号に変換し、処理のために、受信された光学信号を電気データに変換するように動作する。光学送受信機３１６は、光学モデム等、電気データを光学信号へおよびその反対に変換するための任意の好適な構造を含む。統合された光学送受信機が、ここでは示されるが、光学送受信機３１６は、光学送信機および別個の光学受信機を使用して実装され得ることに留意されたい。

光学ベンチ３１８は、光学送受信機３１６へおよびそこから送信された光学ビームを処理するための種々の機能を果たす。例えば、光学ベンチ３１８は、光をコリメートし、光を通信ビーム操向アセンブリ３２０および追跡ビーム操向アセンブリ３２２の両方の方へ向けるための構成要素を含み得る。光学ベンチ３１８は、光学送受信機へおよびそこから送信される光学ビームを改変するための、任意の好適な構造を含む。光学ベンチ３１８はまた、取得および追跡のために必要とされる機能を果たす。光学ベンチ３１８の例示的実施形態は、以下に説明される図４に示される。

電子通信ビーム操向アセンブリ３２０は、発信通信伝送ビームおよび着信受信方向を操向するように構成される。電子ビーム操向アセンブリ３２０は、したがって、伝送ビーム方向および受信方向を変更することができる。伝送ビーム方向は、発信ビームが端末３００から伝送される方向を表す。受信方向は、着信ビームが端末３００で受信される方向を表す。同様に、ａｃｑ／ｔｒｋビーム操向アセンブリ３２２は、追跡ビーコンを遠隔端末に向かって狙いを定め、受信方向をポインティングし、遠隔端末によって送信されるビーコンからの光を収集する。電子ビーム操向アセンブリ３２０および３２２は、１つ以上の光学位相アレイおよび１つ以上の回折格子等、着信および発信光学ビームを向けるため、および向け直すための任意の好適な構造を含む。電子ビーム操向アセンブリのための可能性として考えられる設計は、米国特許第７，２１５，４７２号、米国特許第７，４２８，１００号、および米国特許公開第２０１２／００８１６２１号（参照することによって本明細書に組み込まれる）に提供される。高速で、敏捷かつ精密なビーム再ポインティングを提供する、任意の他のビーム操向装置も、使用されることができる。

図４を参照すると、図３の光学端末３００内で使用するための例証的ＦＳＯ光学ベンチ３１８が、示される。光学ベンチ３１８は、図３の光学送受信機３１６内の１つ以上の光学送信機４０２および１つ以上の光学受信機４０４に光学的に結合される。複数の光学送信機および受信機が、波長分割多重化（ＷＤＭ）が所与のトラフィックリンク上のデータレートを増加させるために使用される場合、採用され得る。各光学送信機４０２は、概して、発信通信のための光学信号を生成するように動作し、各光学受信機４０４は、概して、さらなる処理のために、着信光学信号を別の形態（電気信号等）に変換するように動作する。光学送信機４０２と光学ベンチ３１８との間の高電力光学増幅器、あるいは光学受信機４０４と光学ベンチ３１８との間の光学自動利得制御（ＯＡＧＣ）増幅器または低雑音光学増幅器等、追加の構成要素が、光学送受信機３１６内で利用され得る。

図４は、前述のように、光学追跡リンクが別個のａｃｑ／ｔｒｋ開口を通して動作させられる間、通信開口を通して生じるトラフィックリンク上で光学通信を提供するように適応される、光学ベンチ３１８の実施例である。本実施形態では、電子ビーム操向アセンブリ３２０は、光学トラフィックリンクのためだけに使用され、電子ビーム操向アセンブリ３２２は、追跡リンクのためだけに使用される。電子ビーム操向アセンブリ３２０、３２２は、例えば、特定の用途のためのコストおよびＳＷａＰ特性に応じて、同一のまたは異なる設計であり得る。

光学ベンチ３１８は、１つ以上の伝送ファイバコリメータ４０６を含む。コリメータ４０６は、光ファイバ内を伝搬する光学送信機４０２からの光を自由空間内においてコリメートされた光のビームに変換する。いくつかの実施形態では、１つ以上の差動操向要素４０８は、適切な方向において、発信コリメートビームを光学ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０に向ける。差動操向要素４０８の目的は、伝送および受信のためのポインティング角度のオフセットを補償することである。他の実施形態では、同一の機能は、差動操向要素４０８を受信機経路内に設置することによって行なわれることができる。差動操向要素４０８は、微細操向ミラーまたはＯＰＡ等、任意のタイプの精密操向構成要素を含み得る。ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０は、伝送および受信ビームを分離し、ＷＤＭが使用される場合、異なる波長チャネルを分離（受信のため）および結合（伝送のため）する。ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０は、発信ビームを電子ビーム操向アセンブリ３２０、３２２に向ける。

１つ以上の着信ビームが、電子操向アセンブリ３２０から光学ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０において受信される。ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０は、着信ビームを１つ以上の受信ファイバコリメータ４１２に向ける。コリメータ４１２は、着信ビームの光を、ビームを光学受信機４０４に伝える光ファイバの中に集束させる。

各コリメータ４０６、４１２は、光をコリメートするための任意の好適な構造を含む。差動操向要素４０８は、光を所望の方向に向けるための任意の好適な構造を含む。ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０は、例えば、偏光、波長、および伝搬方向等の特性に基づいて、異なる光のビームに対して異なる光学経路を提供するための任意の好適な構造を含む。本実施例では、伝送ビームは、操向要素４０８から操向アセンブリ３２０に向けられる一方、受信ビームは、操向アセンブリ３２０からコリメータ４１２に向けられる。実施形態では、ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０は、ＷＤＭマルチプレクサ／デマルチプレクサを含む。

図４に示されるように、光学ベンチ３１８はまた、ａｃｑ／ｔｒｋセンサ４１４と、ビーコン源４１６と、ビーム／センサダイプレクサ４１８とを含み得る。追跡ビーコンは、電子ビーム操向アセンブリ３２２を使用して、他のノードに向けられ得る。ａｃｑ／ｔｒｋセンサ４１４は、ノードから受信された追跡ビーコンに基づいて、近隣ノードの位置を光学的に特定し、近隣ノードとリンクを確立するために使用される。これは、典型的には、近似の方向の決定から精密な閉ループ追跡を通して遷移する相互プロセス（すなわち、空間取得）を通して進められる。追跡が確立されると、追跡リンクとして維持される。随意に、追跡リンクは、操向アセンブリ３２０を使用して、確立および維持されることができる。空間取得および追跡機能は、同一のセンサ４１４によって、または別個のセンサ４１４によって行なわれることができる。そのようなセンサ４１４の実施例として、４分割検出器（ｑｕａｄｒａｎｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、焦点面アレイ、または他の光学位置または角度センサが挙げられる。

ビーコン源４１６は、光学ビームを生成し、離れたノードの方に向けられるビームを提供し、離れたノードが、ローカルノードを取得および追跡することを可能にする。ビーコン源４１６は、レーザ等の任意の好適な光学ビーム源を含み得、変調信号を生成し、リンクを通して離れたノードに低データレート情報を提供し得る。そのような情報の実施例として、ローカルノードのステータスおよび追加のトラフィックを搬送するためのその能力が挙げられ得る。ビーコン／センサダイプレクサ４１８は、光学ダイプレクサ／マルチプレクサ４１０のものと類似する様式において、発信ビーコンを着信ビーコンから／と、分離する／結合するために使用され得る。他の実施形態では、ビーコン／センサダイプレクサ４１８は、必要とされず、ａｃｑ／ｔｒｋセンサ４１４およびビーコン源４１６の各々は、その独自の電子ビーム操向アセンブリ３２２を有する。

図５Ａ−５Ｃを参照すると、ノード５０２、５０４、５０６、および５０８を有する、例証的ＦＳＯメッシュネットワーク５２６内のトラフィックおよび追跡リンクの再構成が、示される。各ノード５０２−５０８は、高レートデータ転送のために好適な光学通信ビームを伝送および受信可能な図３の端末４００等の光学端末を含む。加えて、各光学端末は、示されるように、少なくとも２つの近隣ノードを取得および追跡可能であり得る。図５Ａでは、第１のトポロジ５００は、ノード５０２と５０４との間のトラフィックリンク５１０ａおよびノード５０６と５０８との間のトラフィックリンク５１０ｂによって形成される。図５Ｂでは、第２のトポロジ５２２は、ノード５０２と５０６との間のトラフィックリンク５１４ａおよびノード５０４と５０８との間のトラフィックリンク５１４ｂによって形成される。図５Ｃでは、第３のトポロジ５２４は、ノード５０２と５０８との間のトラフィックリンク５１８ａおよびノード５０４と５０６との間のトラフィックリンク５１８ｂによって形成される。ネットワークトポロジ５００、５２２、および５２４は、それぞれ、示されるように、トラフィックリンクの構成によって画定されることを理解されたい。

図５Ａ−５Ｃは、集合的に、ノード５０２−５０８間の協調ホッピングシーケンスを表し得る。協調ホッピングシーケンスは、それぞれ、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃに示されるように、３つのステップを有する。各ステップにおいて、リンクは、タイムスロットまたは滞在時間と称される、ある計画された期間のために維持される。各タイムスロットは、ノード次数をその静的値１から動的値３に増加させるために、短く、例えば、数ミリ秒であり得る。代替として、各タイムスロットは、ネットワークを通したバーストモード伝送を可能にするために、長く、例えば、数秒であり得る。図５Ａ−５Ｃに関連付けられた滞在時間は、等しいかまたは異なる持続時間であり得る。待ち時間が、重要な考慮点である場合、短タイムスロットが、好ましい。

図６は、ノード５０２の観点からの、図５Ａ−４Ｃに示される空間取得（すなわち、ネットワーク編成）およびホッピングシーケンスプロセスに対応するフロー図である。図５Ａ−５Ｃの例示的ネットワークの各ノードは、その独自の観点に関連して類似手技を実行し、したがって、図６に示されるノード番号は、代表的ノード５０２に関連するものである。さらに、図６に示される関連の取得／ホッピングシーケンスは、ネットワーク内の１つ以上の他のノードによって行われる類似シーケンスと時間および空間的に協調されなければならない。図６に示されるシーケンスは、電子ビーム操向アセンブリ３２０（図３）等のハードウェアおよび／またはネットワークノードコントローラ３０２（図３）等のコンピュータシステム内に実装されることができることを理解されたい。本明細書では「アクティビティブロック」として示される、長方形要素（要素６０２によって典型化される）は、ハードウェアアクティビティおよびコンピュータソフトウェア命令または命令群の組み合わせを表す。本明細書では「決定ブロック」として示される、菱形要素（要素６１０によって典型化される）は、処理ブロックによって表されるコンピュータソフトウェア命令の実行に影響を及ぼす、コンピュータソフトウェア命令または命令群を表す。

代替として、アクティビティおよび決定ブロックのコンピュータシステム関連動作は、デジタル信号プロセッサ回路、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡ等の機能的等価回路によって行われるステップを表す。流れ図は、任意の特定のプログラミング言語の統語論を描写するものではない。むしろ、流れ図は、当業者が、その意図される目的のために、特定の装置の要求される動作を行なうように、回路を加工する、またはコンピュータソフトウェアを生成するために必要とする、機能的情報を図示する。ループおよび変数の初期化ならびに一時的変数の使用等、多くのルーチンプログラム要素は、示されないことに留意されたい。本明細書に別様に示されない限り、説明されるブロックの特定のシーケンスは、例証にすぎず、本開示の精神から逸脱することなく、変動され得ることは、当業者によって理解されるであろう。したがって、別様に記載されない限り、以下に説明されるブロックは、可能であるとき、ステップは、任意の便宜的または望ましい順序で行なわれる、例えば、示されるものと異なる順序で他のノードと通信する、またはリアルタイムで順序を変更することができることが理解される。図６から、追加のステップが、ホッピングシーケンスへの結果として生じる修正を用いてノードを追加または削除することによって、ネットワークを再構成するために必要とされることは、当業者に明白であるはずである。

６００に先立って、ネットワークを構成する特定のノードが、ＲＦによって発見される、またはいくつかの他の機構が、互に既知である。加えて、ホッピング順序およびタイミングが、確立されており、全関与ノードに既知である。ステップ６００では、ネットワークノードの接続が、開始される。ノード５０２の観点から、これは、空間取得後、ノード５０４（ステップ６０２）、ノード５０６（ステップ６０４）、およびノード５０８（ステップ６０６）の精密追跡を要求する。ステップ６０２−６０６は、任意の順序で、または並行して行なわれることができることに留意されたい。これらのアクティビティが完了すると、ノード５０２は、その伝送（Ｔｘ）ビームおよび受信（Ｒｘ）方向を、図６に図示される実施例内で通信する第１のノードである、ノード５０４にポインティングする（ステップ６０８）。これが終了すると、ノード５０２は、ノード５０４とのトラフィック交換を始める一方、同時に、ノード５０４、５０６、および５０８の精密追跡を維持する（ステップ６１０）。決定ブロック６１２によって示されるように、これは、通信のための事前設定されたタイムスロットが終了するまで継続し、その後、ノード５０２は、そのＴｘビームおよびＲｘ方向をノード５０６に再ポインティングする（ステップ６１４）。次いで、ノード５０２は、ノード５０６とトラフィックを交換する一方、ノード５０４、５０６、および５０８の精密追跡を維持するであろう（ステップ６１６）。トラフィック交換のためのタイムスロットが終了すると（ステップ６１８）、ノード５０２は、そのＴｘビームおよびＲｘ方向をノード５０８に再ポインティングする（ステップ６２０）。ノード５０２は、次いで、ノード５０８とトラフィックを交換する一方、同時に、ノード５０４、５０６、および５０８を追跡する（ステップ６２２）。第３のタイムスロットが完了すると（ステップ６２４）、ノード５０２は、そのＴｘビームおよびＲｘ方向をノード５０４に再ポインティングすることによって、シーケンス再開する（ステップ６０８）。

ある実施形態では、ホッピングシーケンスは、図６に示されるように、繰り返され得る。他の実施形態では、ホッピングシーケンスは、前述のように、適応的であり、ネットワーク条件、トラフィック需要、または他の要因に応答して変化し得る。ネットワーク内の他のノードの各々は、ステップの補完的シーケンスを実行することを理解されたい。例えば、ノード５０２が、そのＴｘビームおよびＲｘ方向をノード５０４にポインティングするとき（ステップ６０８）、ノード５０４は、同時に、そのＴｘビームおよびＲｘ方向をノード５０２にポインティングするであろう。また、図６のステップ（または、それらの順列）は、図５Ａ−５Ｃのネットワークがトラフィックをトランスポートするために必要とされている間、実行されることに留意されたい。ネットワークは、もはやそれを必要としなくなると、全光学リンクを終了させることによって、ノードを相互から切断させることによって解消されることができる。同様に、トラフィックパターンまたはノードの場所の変更が、ネットワークの修正を要求する場合、ノードは、実装されるネットワークおよび新しいホッピングシーケンスから追加または削除されることができる。

ここで、本開示によるネットワークは、３つ以上のノードであって、各ノードは、光学ビームホッピング能力を提供する複数の光学データ端末を有し、光学リンクを使用して少なくとも２つの遠隔ノードに接続する、ノードと、第１の期間の間、第１のネットワークトポロジで接続されているノードのうちの少なくとも２つと、第２の期間の間、第２のネットワークトポロジで接続されているノードのうちの少なくとも２つとを含み、第１のデータ経路は、第１の期間の間、接続されているノード間で確立され、第２のデータ経路は、第２の期間の間、接続されているノード間で確立される、ネットワークであることを理解されたい。以下の特徴のうちの１つ以上が、独立して、または別の特徴と組み合わせて、含まれ得る。各ノードは、第１の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられ、各ノードは、第２の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられる。各ノードは、第１の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられ、各ノードは、第２の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられる。第１の期間の終了と第２の期間の開始との間の時間は、１５ミリ秒以下である。各ノードは、第１の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられる。各ノードは、第１の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられ、およびデータを伝送するためのタイムスロットは、データを受信するためのタイムスロットと一致する。タイムスロットの持続時間は、ネットワークトポロジ毎に異なり得る。第１または第２の期間のいずれかの持続時間は、リアルタイムトラフィック需要、環境条件、少なくとも１つのノードのステータス、および少なくとも１つの光学リンクのノードのステータスから成る群から選択される要因に基づく。第１または第２のネットワークトポロジのいずれかは、リアルタイムトラフィック需要、環境条件、少なくとも１つのノードのステータス、および少なくとも１つの光学リンクのノードのステータスから成る群から選択される要因に基づく。光学データ端末は、光学位相アレイを含む。各ノードはさらに、複数の遠隔ノードを空間的に追跡するための追跡アセンブリを含み、各ノードは、複数の遠隔ノードによって追跡されるべき追跡ビーコンを伝送する。追跡アセンブリは、光学位相アレイを含む。追跡アセンブリは、光学データ端末と比較してより小さいサイズ、光学データ端末と比較してより軽い重量、光学データ端末と比較してより低い電力要件、および光学データ端末と比較してより低いコストから成る群から選択される属性を有する。各ノードはさらに、複数の遠隔ノードの空間位置を取得する能力を提供する取得アセンブリを含む。取得アセンブリは、ＲＦアンテナを含む。取得アセンブリは、光学位相アレイを含む。取得アセンブリはさらに、複数の遠隔ノードを空間的に追跡する能力を提供する。

ここで、本開示による、自由空間光学ネットワークにおいてデータを伝送する方法は、第１の期間の間、光学データビームを第１のノードから第２のノードにポインティングすることと、第１の期間の間、データを第１のノードから第２のノードに伝送することと、第２の期間の間、光学データビームを第１のノードから第３のノードにポインティングすることと、第２の期間の間、データを第１のノードから第３のノードに伝送することとを含み、第３のノードは、第１の期間の間、第４のノードにデータを伝送可能であり、第２のノードは、第２の期間の間、第４のノードにデータを伝送可能である、方法であることを理解されたい。以下の特徴のうちの１つ以上が、独立して、または別の特徴と組み合わせて、含まれ得る。第２のノードは、第１の期間の間、データを第１のノードに伝送する。第１の期間の終了と第２の期間の開始との間の時間は、１５ミリ秒以下である。電子操向は、光学データビームをポインティングするために使用される。追跡ビーコンは、第１および第２の期間の間、第１のノードから第２のノードおよび第３のノードにポインティングされ、追跡ビーコンは、第１および第２の期間の間、第２のノードから第１のノードおよび第３のノードにポインティングされ、追跡ビーコンは、第１および第２の期間の間、第３のノードから第１のノードおよび第２のノードにポインティングされる。第１のノードは、全期間の間、第２のノードおよび第３のノードを追跡し、第２のノードは、全期間の間、第１のノードおよび第３のノードを追跡し、第３のノードは、全期間の間、第１のノードおよび第２のノードを追跡する。第１のノードが、第１の期間の間、第２のノードと通信している間、第１のノード上で生じる追跡ビーコンは、第１の期間の終了前に、第２のノードから第３のノードに向け直され、第３のノードが、第２の期間の開始前に、第１のノードの追跡を始めることを可能にし、第３のノード上の追跡受信機は、第１の期間の終了前に、向け直され、追跡ビーコンを第１のノードから受信する。

本特許の主題である、種々の概念、構造、および技法を図示する、ある実施形態が、説明されたが、ここで、これらの概念、構造、および技法を組み込む他の実施形態も使用され得ることは、当業者に明白となるであろう。故に、本特許の範囲は、説明される実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、以下の請求項の精神および範囲によってのみに限定されるべきであることが思量される。

Claims (22)

1. ４つ以上のノードを有するネットワークであって、
   各ノードは、光学リンクを使用して少なくとも２つの遠隔ノードに接続するために、光学ビームホッピング能力を提供する複数の光学データ端末を有しており、前記各ノードは、
   ネットワークノードコントローラと、
   ネットワークプロセッサと、
   前記ネットワークノードコントローラ及び前記ネットワークプロセッサに結合され、他のノードそれぞれとのＲＦリンクを設定し、他のノードそれぞれの時空間情報を監視するＲＦシステムと、
   前記ネットワークノードコントローラに接続され、光学ベンチ及び光学データ端末を含む光学システムと、
   を有し、少なくとも第１のノード対及び第２のノード対が、第１の期間の間、第１のネットワークトポロジで接続されており、
   少なくとも別の第１のノード対及び別の第２のノード対が、第２の期間の間、第２のネットワークトポロジで接続されており、
   を備え、前記第１の期間の間、接続されているノード間で第１のデータ経路が確立され、前記第２の期間の間、接続されているノード間で第２のデータ経路が確立されており、
   前記ネットワークにおけるノード数、及び、前記ネットワークにおけるノードの前記時空間情報に基づいて、前記第１及び第２のネットワークトポロジを選択するために、適応ルーティングリンク切り替えが使用される、ネットワーク。
2. 各ノードは、前記第１の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられ、各ノードは、前記第２の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられている、請求項１に記載のネットワーク。
3. 各ノードは、前記第１の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられ、各ノードは、前記第２の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられている、請求項１に記載のネットワーク。
4. 前記第１の期間の終了と前記第２の期間の開始との間の時間は、１５ミリ秒以下である、請求項１に記載のネットワーク。
5. 各ノードは、前記第１の期間の間、データを伝送するためのタイムスロットが割り当てられ、
   各ノードは、前記第１の期間の間、データを受信するためのタイムスロットが割り当てられ、
   前記データを伝送するためのタイムスロットは、前記データを受信するためのタイムスロットと一致している、請求項１に記載のネットワーク。
6. タイムスロットの持続時間は、各ネットワークトポロジに対して異なり得る、請求項１に記載のネットワーク。
7. 前記第１または第２の期間のいずれかの持続時間は、
   リアルタイムトラフィック需要と、
   環境条件と、
   少なくとも１つのノードのステータスと、
   少なくとも１つの光学リンクのステータスと
   から成る群から選択される要因に基づいている、請求項１に記載のネットワーク。
8. 前記第１または第２のネットワークトポロジのいずれかは、
   リアルタイムトラフィック需要と、
   環境条件と、
   少なくとも１つのノードのステータスと、
   少なくとも１つの光学リンクのステータスと
   から成る群から選択される要因に基づいている、請求項１に記載のネットワーク。
9. 前記光学データ端末は、光学位相アレイを含む、請求項１に記載のネットワーク。
10. 各ノードは、複数の遠隔ノードを空間的に追跡するための追跡アセンブリをさらに含み、各ノードは、複数の遠隔ノードによって追跡されるべき追跡ビーコンを伝送する、請求項１に記載のネットワーク。
11. 前記追跡アセンブリは、
    前記光学データ端末と比較してより小さいサイズと、
    前記光学データ端末と比較してより軽い重量と、
    前記光学データ端末と比較してより低い電力要件と、
    前記光学データ端末と比較してより低いコストと
    から成る群から選択される属性を有している、請求項１０に記載のネットワーク。
12. 各ノードは、複数の遠隔ノードの空間位置を取得する能力を提供する取得アセンブリをさらに含む、請求項１に記載のネットワーク。
13. 前記取得アセンブリは、ＲＦアンテナを含む、請求項１２に記載のネットワーク。
14. 前記取得アセンブリは、光学位相アレイを含む、請求項１２に記載のネットワーク。
15. 前記取得アセンブリは、複数の遠隔ノードを空間的に追跡する能力をさらに提供する、請求項１２に記載のネットワーク。
16. ４つ以上のノードを有する自由空間光学ネットワークにおいてデータを伝送する方法であって、
    第１のノード、第２のノード、第３のノード及び第４のノードを含むＲＦオーバーレイネットワークを設定するステップであって、前記ノードの各々は他のノードとワイヤレスＲＦリンクで接続される、ステップと、
    前記ノードの各々が、前記ワイヤレスＲＦリンクを利用して、前記他のノード各々の時空間情報を監視するステップと、
    前記第１のノード及び第２のノードの間の第１のデータ経路と前記第３のノード及び第４のノードの間の第２のデータ経路とを定める第１のネットワークトポロジを選択するステップと、
    前記ＲＦオーバーレイネットワークからの前記時空間情報を利用して、光学データビームをポインティングし、前記第１のネットワークトポロジに従って、前記第１のノード及び前記第２のノードを接続し且つ前記第３のノード及び前記第４のノードを接続するステップと、
    第１の期間の間に、前記第１のノードから前記第２のノードへ及び前記第３のノードから前記第４のノードへ、データを伝送するステップと、
    前記のネットワークにおけるノード数、及び、前記のネットワークにおけるノードの位置に基づいて、適応ルーティングリンク切り替えを利用して、第２のネットワークトポロジを選択するステップであって、前記第２のネットワークトポロジは、前記第１のノード及び第３のノードの間の第３のデータ経路と前記第２のノード及び第４のノードの間の第４のデータ経路とを定める、ステップと、
    前記ＲＦオーバーレイネットワークからの前記時空間情報を利用して、光学データビームをポインティングし、前記第２のネットワークトポロジに従って、前記第１のノード及び前記第３のノードを接続し且つ前記第２のノード及び前記第４のノードを接続するステップと、
    第２の期間の間に、前記第１のノードから前記第３のノードへ及び前記第２のノードから前記第４のノードへ、データを伝送するステップと、
    を含む方法。
17. 前記第２のノードは、前記第１の期間の間、データを前記第１のノードに伝送する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１の期間の終了と前記第２の期間の開始との間の時間は、１５ミリ秒以下である、請求項１６に記載の方法。
19. 電子操向が、前記光学データビームをポインティングするために使用される、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１及び第２のノードからの追跡ビーコンをポインティングするステップを更に含む請求項１６に記載の方法。
21. 前記各ノードは、
    トラフィック負荷及びリンク状態情報を１つ以上の他のノードに送信し、かつ、１つ以上の他のノードからトラフィック負荷及びリンク状態情報を受信するＲＦシステムと、
    前記ＲＦシステムに結合されるネットワークプロセッサであって、前記ネットワークのトポロジを維持し、前記１つ以上の他のノードから受信したトラフィック負荷及びリンク状態情報を利用して、主要及びバックアップ経路の分散計算に関与するように動作するネットワークプロセッサと、
    を含む請求項１に記載のネットワーク。
22. 前記第２のネットワークトポロジを選択するために適応ルーティングリンク切り替えを使用することが、ＲＦオーバーレイネットワークにより共有されるトラフィック負荷及びリンク状態情報を利用することを含む、請求項１６に記載の方法。

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