KR101922038B1 - 광 통신 레이저 릴레이를 위한 다기능 비컨 - Google Patents

광 통신 레이저 릴레이를 위한 다기능 비컨 Download PDF

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Abstract

자유 공간 광 통신 네트워크 내의 레이저 릴레이 모듈은: 소스 광학 노드의 통신 채널을 수신 광학 노드의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호를 생성하기 위한 비컨 소스; 광학 비컨 신호를 스위칭 정보로 인코딩하기 위한 비컨 삽입기; 인코딩된 광학 비컨 신호를 수신 광학 노드로 송신하기 위한 텔리스코프; 변조된 광학 비컨 신호로부터 수신된 스위칭 정보를 검출하기 위한 비컨 검출기로서, 수신 광학 노드는 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 수신 광학 노드의 통신 채널을 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시키는, 비컨 검출기; 및 검출된 스위칭 정보를 이용하여, 수신된 데이터를 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 다음 광학 노드로 향하게 하도록 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경하기 위한 프로세서를 포함한다.

Description

광 통신 레이저 릴레이를 위한 다기능 비컨{MULTI-FUNCTION BEACON FOR OPTICAL COMMUNICATIONS LASER RELAY}
본 발명은 자유 공간 광 통신에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 광 통신 레이저 릴레이를 위한 다기능 비컨 신호에 관한 것이다.
광학 네트워크 및 이러한 네트워크의 노드들 간의 광 통신에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이는 고속 데이터 교환에 대한 전 세계적인 수요가 증가했기 때문이다. 이러한 광 통신 시스템은, 양방향 가시거리 제어를 제공하고 광학 수신기로 정확히 포인팅하기 위해 비컨 광학 신호를 필요로 한다. 기존의 광학 비컨 신호/빔은 시간에 걸쳐 일정한 양의 에너지를 방출한다. 필요에 따라 이러한 비컨 빔이 정렬되는 경우, 비컨 빔의 수신단에서도 동일한 양의 에너지가 수신된다. 따라서 이러한 기존의 광학 비컨 빔은 신호 스위칭/라우팅 정보 등의 정보를 전달할 수 없다.
고대역폭 공간 네트워크를 구축하기 위한 종전의 시도로는 변환 위성 통신 시스템(TSAT)이 있으며, 이는 RF 및 레이저 링크와 함께 인터넷 프로토콜(IP) 환경에서 5개의 GEO 위성을 포함하게 되어 있었다. 이러한 시스템은 패킷 스위칭 프로토콜을 이용하려 하였고, 따라서 각각의 패킷은 목적지에 관한 정보를 포함하게 되어 있었다. 그러나 이러한 프로젝트는 취소되었고, 전혀 구축되지 못하였다. 고 대역폭 공간 통신 네트워크를 구축하기 위한 여타 다른 종전의 프로젝트는, 필요에 따른 재구성과 함께 전용화된 정적인 링크를 이용할 계획이었다.
그러나, 지상의 고 대역폭 통신 네트워크와는 달리, 투명한 자유 공간 광 통신 시스템은 우주선 상에서 광학 신호를 전기 신호로 변화하지 않는다. 고 대역폭 데이터의 광학-전기-광학(O-E-O) 변환을 회피하는 것이 대단히 바람직한데, 이는 시스템의 복잡도, 사이즈, 중량, 및 파워를 최소화하기 때문이다. 광학 신호는 단순히 증폭되어, 다음 노드로 송신되도록 적절한 경로로 스위칭된다. 네트워크 운용 센터(NOC)에 의해 라우팅 및 스케줄링 정보가 생성된다. 고 대역폭 신호는 결코 전기 신호로 변환되지 않기 때문에, 각각의 데이터 패킷으로부터 헤더 정보를 추출하는 것이 실현가능하지 않다. 본 발명은 스위칭 정보(및 이와 다른 데이터)를 분배하기 위한 대안적인 방식에 관해 설명한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 각각의 쌍의 노드들 간에 포인팅을 유지하기 위해 이미 요구되는 비컨 레이저 데이터 스트림을 변조하여, 더 낮은 주파수에서 평균적인 신호 세기를 변화시키지 않고 비교적 높은 대역폭 신호를 전달하게 된다. 본 발명은 비컨 레이저 소스와 비컨 검출기를 이용하여 광학 스위치 또는 네트워크 내의 다음 노드로 스위칭 명령을 전하기 위한 제어 채널을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 여러 광학 노드를 포함하는 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 스위칭하기 위한 방법이다. 이러한 방법은: 소스 광학 노드의 통신 채널을 수신 광학 노드의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호를 생성하는 단계; 상기 광학 비컨 신호를 스위칭 정보로 인코딩하는 단계; 변조된 광학 비컨 신호를 상기 소스 광학 노드로부터 상기 수신 광학 노드로 송신하는 단계; 상기 수신 광학 노드에 의해, 인코딩된 광학 비컨 신호로부터 상기 스위칭 정보를 검출하는 단계; 상기 수신 광학 노드에 의해, 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 상기 수신 광학 노드의 통신 채널을 상기 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시키는 단계; 및 상기 수신 광학 노드에 의해, 검출된 상기 스위칭 정보를 이용하여, 상기 소스 광학 노드로부터 수신된 데이터를 상기 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 다음 광학 노드로 향하게 하도록 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 여러 광학 노드를 포함하는 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 스위칭하기 위한 레이저 릴레이 모듈, 예컨대 위성 또는 지상국 내의 레이저 릴레이 모듈이다. 이러한 레이저 릴레이 모듈은: 소스 광학 노드의 통신 채널을 수신 광학 노드의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호를 생성하기 위한 비컨 소스; 상기 광학 비컨 신호를 스위칭 정보로 인코딩하기 위한 비컨 삽입기; 인코딩된 광학 비컨 신호를 상기 수신 광학 노드로 송신하기 위한 텔리스코프; 변조된 광학 비컨 신호로부터 수신된 스위칭 정보를 검출하기 위한 비컨 검출기로서, 상기 수신 광학 노드는 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 상기 수신 광학 노드의 통신 채널을 상기 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시키는, 비컨 검출기; 및 검출된 상기 스위칭 정보를 이용하여, 수신된 데이터를 상기 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 다음 광학 노드로 향하게 하도록 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경하기 위한 프로세서를 포함한다.
상기 스위칭 정보는 목적지 노드로 전송될 원격 측정 정보, 상태 정보, 및/또는 시스템 관리 정보를 포함할 수 있다. 비컨을 스위칭 정보로 인코딩하는 것은, 다양한 변조 스킴을 이용하여 비컨 빔을 스위칭 정보로 변조하는 것을 포함할 수 있다.
유사한 도면 부호가 유사한 구성요소를 나타내는 첨부된 도면과 함께 고려될 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명을 더 잘 이해하게 될 것이므로 본 발명 및 동반되는 수많은 특징 및 양태에 대해 보다 철저한 이해가 손쉽게 이루어질 것이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 예시적인 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 크로스 링크 및 업/다운 텔리스코프를 포함하는 위성 페이로드의 예시적인 배치도이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 예시적인 레이저 릴레이 모듈에 대한 단순화된 블록도이다.
도 4a는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비컨 삽입/수집 시스템의 단순화된 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 광학 비컨 소스에 대한 단순화된 블록도이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 다기능 비컨 수신기에 대한 단순화된 블록도이다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 광학 비컨 신호의 두 가지 예시적인 인코딩 스킴을 나타낸다.
이제 본 발명에 관해 예시적인 실시예가 도시되어 있는 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 수많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 제시된 실시예로 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다. 오히려 이러한 실시예는, 본 개시내용이 철저하고 완전하며 통상의 기술자에게 본 발명의 개념을 충분히 전달하도록 제공된다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 비컨 신호를 변조함으로써, 광 네트워크를 통해 요구되는 목적지로 릴레이되는 타임 태그형 스위칭 명령을 전송한다. 이러한 방식으로, 비교적 단순한 전자 회로로도 LOS 스위칭 및 제어 명령들에 대해 별개의 신호를 추출할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 자유 공간 광 통신을 위한 레이저 릴레이 모듈(LRM)을 다룬다. 본 발명은, 하나 이상의 LRM을 포함하는 위성 및 지상 노드, 네트워크 운용 센터(NOC) 사이에서 스위칭 명령 및 원격 측정 정보를 제공하기 위해 신규한 방법으로 광학 비컨 신호를 변조한다. 몇몇 실시예에서, 본 발명은 낮은 주파수의(예컨대, 1 kHz 미만) 가시거리(LOS) 제어 신호와 비교적 높은 대역폭의(예컨대, 약 32 Mbps) TT&C 데이터 스트림을 명백하게 분리할 수 있게 한다. 몇몇 실시예에서, 다기능 비컨은 광 네트워크에서 모든 공간 및 지상 노드들의 공통적인 특징으로서, 단일한 NOC가 근 실시간으로 전체 네트워크를 제어할 수 있게 한다.
몇몇 실시예에서 본 발명은, 비교적 높은 대역폭의 자유 공간 레이저 통신 네트워크를 위한 전달 매체로서, 양방향 가시거리 제어/포인팅을 제공하기 위해 필요한 비컨 레이저 빔을 변조한다. 본 발명은 비컨 레이저 소스와 비컨 검출기를 이용하여 네트워크 내의 다음 노드로 또는 광학 스위치로 스위칭 명령을 전하기 위한 제어 채널을 제공한다. 네트워크 내의 다음 노드가 최종 목적지 노드가 아닌 경우, 또한 스위칭 명령을 이용하여 데이터를 네트워크 내의 그 다음 노드로 전송한다.
몇몇 실시예에서, 이러한 비교적 높은 대역폭은 나머지 파장/채널에 의해 전달되는 엄밀하게 높은 대역폭 데이터에 필적할 것이다. 비컨 레이저에 의해 전달되는 신호의 감소된 대역폭으로 인하여(약 32 Mbps), 각각의 노드에서 비컨 신호의 광학-전기-광학(OEO) 변환을 수행할 수 있고, 각각의 데이터 블록에 대한 패킷 헤더가 정보를 의도하는 목적지에 라우팅하는데 이용된다.
몇몇 실시예에서, 비컨에 의해 전달되는 정보는 타임 태그형 및 노드 어드레스형 스위치 구성 및 기타 다른 명령을 포함하며, 이는 지상의 단일한 NOC가 전체 위성 및 지상 네트워크를 제어할 수 있게 한다. 예컨대, 이러한 정보는 다음과 유사할 수 있다:
Figure 112016092483041-pct00001
NOC는 네트워크를 통해 새로운 통신 경로를 구축하게 되는 명령의 세트를 생성할 수 있고, 이러한 명령은 영향을 받는 노드들에 분배되어 노드들이 모두 동시에 각각의 명령을 실행할 수 있게 된다. 끊긴 통신 경로를 유지하기 위해 더 이상 필요하지 않은 임의의 하드웨어 엘리먼트는 새로운 경로가 구축되자마자 해방될 것이다.
나아가, 비컨에 의해 전달되는 정보는 또한, NOC로 다시 흘러 들어가는 타임 태그형 및 노드 라벨형 원격 측정 정보; 및 네트워크 노드로부터 다시 NOC로의, 클라우드 모니터 등의 지상 또는 온-보드 센서로부터의 (적정한 데이터 레이트의) 신호를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 각각의 링크 이후에 데이터의 완전한 3R(재증폭, 재정형, 재위상) 재생성을 수행하여, 최종 목적지에 이르기 위해 다수의 링크를 거쳐야 할 패킷에 대해 신호 세기를 증가시킬 필요 없이 데이터 무결성을 유지할 수 있다.
몇몇 실시예에서 LRM은, 광학 신호의 송신을 획득 및 트래킹하고, 비컨 신호를 포함하는 광학 신호를 수신하며, 광학 신호를 증폭하고, 일부 또는 전부가 비컨 신호를 통해 수신되는 스위칭 정보에 의해 제어되는 광학 라우터로의 광학 신호를 필터링 및 전송하며, 스위칭 정보를 이용하여 광학 신호를 의도하는 목적지에 송신할 수 있는 독립형 디바이스이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 예시적인 프로세스 흐름을 나타낸다. 블록(102)에 도시된 바와 같이, 소스 레이저 릴레이 모듈(LRM)의 통신 채널을 수신 LRM의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호가 생성된다. 그 다음으로 블록(104)에서, 광학 비컨 신호는 스위칭 정보로 변조(또는 인코딩)된다. 스위칭 정보는 최종 (LRM) 목적지로 데이터를 전송하기 위한 스위칭 정보를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광학 비컨 신호는 다른 LRM에 대한 상태, 시스템 관리, 및/또는 원격 측정 데이터를 포함하도록 변조될 수도 있다.
블록(106)에서, 변조된 광학 비컨 신호가 소스 광학 노드로부터 수신 광학 노드(LRM)로 송신된다. 변조된 광학 비컨 신호로부터의 스위칭 정보가 수신 광학 노드에 의해 검출된다. 몇몇 실시예에서, 단일한 검출기 설게를 이용하여 LOS 제어 및 통신 양자 모두가 수행된다. 예컨대, 빔은 우선 2개의 대역폭 중 더 높은 대역폭(예컨대, 32 Mbps)에서 검출된 다음 더 낮은 레이트(예컨대, 1 kHz)로 필터링 또는 통합된다.
그 후 블록(108)에서, 변조된 광학 비컨 신호가 수신 광학 노드에 의해 이용되어, 공지된 방식에 따라 수신 광학 노드의 통신 채널을 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시키게 된다. 부가적으로 블록(110)에서는, 검출된 스위칭 정보가 수신 광학 노드를 위해 의도된 것이라면, 이러한 스위칭 정보가 그러한 수신 광학 노드에 의해 이용되어, 소스 광학 노드로부터 수신된 데이터를 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 다음 광학 노드로 향하게 하도록 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경하게 된다. 위성 및 지상 네트워크 내의 일부 다른 노드를 위해 의도된 스위칭 정보는 최단 경로를 따르는 변조된 광학 비컨 신호를 이용하여 최단 경로를 따라 전해진다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 예를 들면 복수의 위성의 성좌에서, 위성 페이로드(200)의 예시적인 배치도이다. 도시된 바와 같이, 복수의 위성간(크로스 링크) 텔리스코프(204a 내지 204c)(예시적인 도면에서는 4개가 도시되어 있음)가 위성간 광 통신을 위해 각각의 위성의 외측부에 설치되어 있다. 이러한 예에서, 텔리스코프(204a, 204b)는 위성의 우측에 위치하고 그 우측에 있는 가장 가까운 이웃 위성 하나 이상과 통신한다. 예를 들어, 텔리스코프(204a)는 해당 측의 가장 가까운 이웃 위성(즉, 인접하는 위성)에 포인팅하여 통신할 수 있고, 텔리스코프(204b)는 해당 측의 가장 가까운 이웃 위성(즉, 떨어져 있는 두 위성)에 포인팅하여 통신할 수 있다. 마찬가지로, 텔리스코프(204c 및 204d)는 좌측에 위치하여 그 좌측에 있는 가장 가까운 이웃 위성 하나 이상과 통신한다. 각각의 크로스 링크 텔리스코프는, 이웃 위성과의 광 통신을 캘리브레이션하기 위해, 및/또는 새로운 위성이 성좌에 추가되는 경우 이러한 새로운 위성과의 새로운 광 통신을 구축하기 위해, 선택적으로 조향될 수 있다. 즉, 위성간 광학 링크가 리던던트 네트워크에서의 각 위성을 연결한다.
몇몇 실시예에서, 크로스 링크 텔리스코프(204a 내지 204d)는 성좌에서 이웃 위성들(의 각각의 텔리스코프)을 트래킹하고 이에 포인팅하기 위해 조정 가능한 고도 설정을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 가장 가까운 2개의 이웃과 그 다음으로 가까운 2개의 이웃이 위성간 통신을 위해 이용된다. 몇몇 실시예에서, 4개 이상의 신호 번들이 동일한 크로스 링크 텔리스코프를 공유한다.
부가적으로, 지상 통신 및 사이트 다이버시티를 위해 복수의 업/다운 링크 텔리스코프(206a 내지 206g)(예시적인 도면에서는 6개가 도시됨)가 각각의 위성의 외측에 설치된다. 동일한 위성 또는 연결된 위성 상의 또 다른 업/다운 링크 텔리스코프가 연결의 나머지 단을 위해 이용된다. 몇몇 실시예에서는, 각각의 지상 사이트와의 양방향 고 대역폭 링크를 제공하기 위해 고밀도 파장 다이버시티 다중화(DWDM)가 이용된다.
몇몇 실시예에서, 각각의 위성의 광학 온-보드 하드웨어(페이로드)는 복수의 광학 전치 증폭기(212), 광학 스위치 매트릭스(208), 하나 이상의 메인 증폭기(210), 복수의 파워 증폭기(216), 명령, 제어 및 원격 측정(CC&T) 서브시스템(214), 및 파워 서플라이(218)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 광학 전치 증폭기(212) 및 파워 증폭기(216)는 각각의 수신기에서 고정된 수(예컨대, 10개)의 독립된 채널을 지원한다.
복수의 위성 각각은 광학 신호를 전기 신호로 변환하지 않고 착신 및 발신 광학 신호를 광학적으로 처리하고 스위칭하기 위한 광학 회로/하드웨어를 포함한다. 온-보드 하드웨어는 지상 및/또는 하나 이상의 이웃 위성으로부터 착신 광학 데이터 스트림을 수신하고, 이를 광학적으로 재생성하며, 하나 이상의 광학 스위치에 의해 광학 비컨으로부터 유도된 스위칭 정보를 이용하여 광학 데이터 스트림을 요구되는(선택된) 출력 경로로 향하게 하고, 이를 최종 목적지(지상 및/또는 하나 이상의 이웃 위성)를 향해 전송한다. 착신 광학 데이터 스트림의 재생성은 (광학 전치 증폭기(212), 메인 증폭기(210), 및 파워 증폭기(216)에 의한) 재증폭을 포함하고, 이는 모두 광학 도메인 내에 있다. 즉, 광학 데이터 스트림의 처리는, 각 위성 페이로드 내에서 전기 신호로 변환되지 않고 데이터 변조 스킴에 투명하게 이루어진다.
광학 스위치 매트릭스(208)는 각각의 광학 입력이 임의의 여타 출력 채널에 광학적으로 커플링될 수 있게 한다. 몇몇 실시예에서, 광학 스위치 매트릭스(208)는 비컨 신호로부터 추출된 스위칭 정보를 이용하여, 채널의 전체 번들을 포함하는 각각의 입력에서 어떤 신호를 수신하든지 이를 스위칭할 수 있다. 비컨 신호로부터 추출된 이러한 정보를 이용하여, 온-보드 광학 스위치 매트릭스(208)는 또한, 위성 성좌가 지상 사이트들 위에서 지나갈 때 네트워크 광학 경로를 구축하고 업데이트할 수 있다. 통상적으로, 광학 스위치 매트릭스 상에서 주어진 입력 포트와 출력 포트 간의 연결은 40분 이상 지속되므로, 새로운 구성 명령이 처리되는 속도는 상당히 느리다. 각 위성 상에서 광학 신호에 대한 증폭 체인의 일부로서 하나 이상의 부스터 레이저(210)가 각각의 위성 상에서 이용된다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 예시적인 레이저 릴레이 모듈(LRM)에 대한 단순화된 블록도이다. 이러한 예시적인 레이저 릴레이 모듈의 하나 이상은, 예를 들면 위성, 항공, 지상, 및/또는 수중 플랫폼 상에서, 광 통신 네트워크 내의 네트워크 노드로 이용될 수 있다. 여기서는 완결성을 위해 2개의 LRM이 도시되어 있다. 여기서 LRM#1은 송신 LRM으로 이용되고, LRM#2는 수신 LRM으로 이용된다. 이러한 2개의 LRM은 구조가 동일하므로, 단지 LRM#1에만 도면부호가 표시되어 상세히 기술될 것이다. 도시된 바와 같이, 광학 텔리스코프(302)가 조향 가능한 마운트(312), 예컨대 광학 빔(301a, 301b)을 수신 및 송신하기 위한 하나 이상의 짐벌 상에 각각 장착된다. 광학 다이플렉서(308)가 송신 및 수신 광학 빔을 분리하고, 광학 증폭기(310)는 수신 광학 빔의 신호 레벨을 송신 빔에 대한 미리정해진 레벨로 복원한다.
몇몇 실시예에서, 광학 다이플렉서(308)는 편광, 파장, 및 빔 전파 방향의 조합을 이용하여 송신 및 수신 광학 빔을 분리하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 광학 증폭기(310)는 저잡음 증폭 및 대신호 증폭을 위해 최적화된 광학 증폭의 다수의 스테이지 또는 별개의 광학 증폭기들을 포함한다.
통신하는 복수의 원격 네트워크 노드를 가시거리 제어하고, 스위칭 정보, 상태, 시스템 관리 및 원격 측정 데이터를 다른 네트워크 노드 및 지상 사이트에 광학 전송하기 위해, 비컨(레이저) 소스(304)로서 단순화된 형태로 도시된, 변조된(또는 인코딩된) 비컨 레이저가 이용된다. 몇몇 실시예에서, 각각의 LRM은 각 송신 경로에 비컨 소스를, 각 수신 경로에 비컨 검출기를 포함한다. 비컨 소스(레이저)는 직접 변조되거나 외부 엘리먼트(미도시)로 변조되는 연속파 레이저로 이용될 수 있다. 비컨 레이저 소스는, 오프셋 각도를 결정하기 위해 알려진 거리 및 각도상 레이트를 이용하는 룩-어헤드(Look-Ahead) 미러를 이용하여, 빔 전파 이후에 다른 하나의 노드(LRM)가 차지하게 될 공간 내의 위치에 포인팅된다. 몇몇 실시예에서, CW 레이저 소스 상의 변조를 이용하여, 각각의 비컨은 노드들 간에 정보를 전달하고, 명령은 NOC에서 비롯되며 원격 측정은 NOC에서 종료된다.
나아가, 비컨 빔 검출기(304)는 광학 텔리스코프의 가시거리 제어를 위해 착신 비컨 광학 빔을 검출하고, 다른 네트워크 노드로부터 스위칭 정보, 상태, 시스템 관리, 및 원격 측정 데이터를 수신한다. 스위칭 정보는 하나 이상의 광학 스위치 매트릭스(316)에 의해 이용되어 광학 데이터를 다음 목적지로 향하게 한다. 몇몇 실시예에서, 비컨 빔 검출기(304)는 사분위 검출기, 초점 평면 어레이, 또는 광학 장동(optical nutation)을 이용하여, 수신된 비컨 빔의 도달 각도를 결정한다.
비컨 삽입/수집 모듈(306)은 다른 네트워크 노드, 예컨대 도시된 LRM#2로의 송신을 위해 광학 텔리스코프(302)에 변조된 비컨 레이저의 출력을 삽입한다. 비컨 삽입/수집 모듈(306)은 또한 광학 텔리스코프에서 착신 비컨 광학 빔(301a)을 수집하여, 이러한 착신 비컨 광학 빔을 비컨 검출기(304)로 전달한다. 몇몇 실시예에서, 비컨 삽입/수집 모듈(306)은, 송신 광학 비컨을 광학 텔리스코프에 삽입하고 수신된 광학 비컨을 광학 텔리스코프로부터 추출하기 위해 자유 공간 및 광섬유 광학 엘리먼트의 조합을 이용한다. 몇몇 실시예에서, 비컨 삽입/수집 모듈(306)로부터의 신호는 비컨 삽입/수집 모듈(306) 상에서 수신된 비컨 빔을 중심 조정(centering)하는 빔 조향 미러(BSM)를 제어하는데 이용된다. BSM의 운동은 또한, (저잡음) 광학 증폭기(310)에 신호를 전달하는 광섬유 또는 기타 다른 광학 엘리먼트 상에서 수신된 통신 빔을 중심 조정한다.
광학 스위치 매트릭스(316)는 입력 포트(314)의 세트 및 출력 포트(318)의 유사한 세트를 가진다. 각각의 LRM은 착신 레이저 신호를 광섬유를 통해 입력 포트에 연결한다. 광학 스위치 매트릭스(316)는 내부적으로 주어진 입력 포트를 특정 출력 포트에 연결한다. 스위칭 구성은 어느 입력 포트가 어느 출력 포트에 연결되는지에 대한 상세한 리스트이다. 그 다음 각각의 출력 포트는 광섬유를 통해 각각의 LRM(네트워크 노드)에 연결된다.
페이로드는 또한 비컨 레이저를 포함하는데, 이는 가시거리 제어를 위해 비컨 빔을 생성한다. 비컨 빔은 또한 스위칭 정보, 명령 및 제어 정보를 광학 송신하는데 이용된다. 몇몇 실시예에서, 이러한 통신 신호는 레이저 빔을 변조함으로써 생성된다. 몇몇 실시예에서, 비컨 및 1차 명령 신호가 커플러에서 조합되어, 빔을 자유 공간 전송으로 변환하는 시준기에 라우팅된다. 송신/수신 왕복 중에 플랫폼이 이동하는 거리를 담당하기 위해 리드 어헤드(lead ahead) 미러가 이용될 수 있다. 비컨 빔은 광학 다이플렉서에서 수신기 빔과 정렬되고 텔리스코프에 의해 자유 공간으로 송신된다.
몇몇 실시예에서, 위성 상의 각각의 LRM 또는 이와 유사한 송수신기 및 지상 노드에서의 레이저 지상 단말(LGT) 또는 이와 유사한 송수신기는 LOS 제어를 유지하기 위해 비컨 레이저 소스 및 비컨 검출기 모두를 포함한다.
도 4a는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 비컨 삽입/수집 시스템에 대한 단순화된 블록도이다. 루게이트 또는 기타 다른 노치 필터(406)는 또 다른 LRM(또는 비컨 소스(402))으로부터의 착신 빔으로부터 변조된 비컨에 의해 이용 중인 스펙트럼 대역을 추출하고, 이러한 LRM에 의해 송신 중인 변조된 비컨을 삽입한다. 몇몇 실시예에서, 송신 및 수신 비컨은 인접한 채널들 상에 있어, 노치 필터의 설계를 복잡하게 하지 않고도 특정 스펙트럼 분리를 제공하게 된다. 편광 빔 스플리터(404)는 두 신호를 위해 직교 선형 편광을 이용하지 않고도 송신 및 수신 비컨 사이에 추가적인 격리를 제공한다. 그 다음에 송신 비컨은 다른 하나의 LRM의 비컨 검출기(408)에 의해 수신된다.
도 4b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 광학 비컨 소스에 대한 단순화된 블록도이다. 몇몇 실시예에서, 각각의 위성 노드는 네트워크를 통한 또 다른 위성, NOC, 또는 연결된 지상 사이트로의 경로에서 선호되는 다음 단계를 보여주는 테이블(미도시)을 유지할 수 있다. 이러한 테이블이 이용되어 이러한 위성 상의 어느 LRM이 명령을 포워딩해야 하는지를 결정하게 된다. 몇몇 실시예에서, 이러한 명령은 전달을 보장하기 위해 다수의 리던던트 경로를 통해 전송될 수 있는데, 목적지에서의 명령 프로세서가 명령이 아직 수신 및 기록되지 않았음을 보장하기 위해 타임 태그를 체크한다. 필요한 헤더 정보를 가지고 적절히 포맷팅된 각각의 새로운 명령이, 이러한 링크를 통해 전송되기를 기다리는 명령 및 원격 측정 정보의 큐에 추가된다. 데이터 포맷터(424)는 이러한 명령 및 원격 측정(TT&C 데이터)을 비트 스트림으로 변환하고, 이는 비컨 레이저(420)의 출력을 변조하고 변조된 비컨 레이저 빔을 생성하기 위해 변조기(422)에 의해 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 명령 및 원격 측정에 대해 별개의 큐들이 존재할 수 있고, 명령에는 송신의 지연을 최소화하도록 더 높은 우선순위가 부여되고 원격 측정은 명령 큐가 비워질 때만 전송된다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 다기능 비컨 수신기에 대한 단순화된 블록도이다. 도시된 바와 같이, 비교적 고속의(에컨대, 데이터 레이트의 2-4배) 쿼드-셀 선형 포토다이오드(502)가 이용되어 4개의 사분원(S11, S12, S21, S22)에서의 비컨 신호 세기를 측정하고 이러한 4개의 사분원 각각에 대해 전기 신호를 생성하게 된다. 쿼드-셀 선형 포토다이오드(502)는 각각의 사분원에서 상대적인 비컨 신호 세기를 결정한다. 4개의 저잡음 전기적 증폭기(504a, 504b, 504c, 504d)는 이러한 4개의 출력 신호가 각각의 아날로그-디지털 컨버터(506a, 506b, 506c, 506d)에 공급되기 전에 이러한 4개의 출력 신호를 부스트한다. 대기의 신틸레이션 손실이 NOC로부터의 초기 신호 업링크에 영향을 주는 경우에도, 적정한 LNA 이득과 A/D 동적 범위에 의해 적절한 SNR을 유지하게 된다. 그 다음에 A/D의 출력은 산술 논리 연산장치(510)에 공급된다. 산술 논리 연산장치는 단순한 가산기/감산기일 수 있다.
산술 논리 연산장치(510)는, 4개의 사분원 출력 신호 상에 가산 및/또는 감산을 수행함으로써, (증폭된) 4개의 사분원 출력 신호를 3개의 출력으로 변환한다. 산술 논리 연산장치의 제1 출력(512)은 모든 4개의 사분원 출력 신호의 합이다. 몇몇 실시예에서, 제1 출력(합산 신호(512))은 적정한 데이터 레이트(예컨대, 32 Mbps) 신호를 전달하는데, 이는 이진 위상 레벨(BPL) 인코딩, 또는 심볼 스트림이 길게 연속되는 1 또는 0을 포함할 때 약한 신호를 생성하지 않는 기타 다른 변조 스킴을 이용하여 이루어진다. 적정한 대역폭 합산 신호에 의해, 네트워크로의 높은 SNR의 명령 경로 및 NOC로의 높은 SNR의 원격 측정 경로가 제공된다. 그 다음에 합산 신호(512)는 온-보드 컴퓨터(518)에 공급되어, 이러한 컴퓨터에서 디지털 신호가 해석되고 적절히 활용된다. 결과적인 데이터, 즉 스위칭 정보는 그 후 하나 이상의 광학 스위치에 제어 신호로 전송되어, 요구되는 다음 광학 노드에 데이터를 스위칭하게 된다. (예를 들어, 32 Mbps) 데이터 스트림은, 온-보드 컴퓨터에 의해 해석되는 적절한 명령 용어집을 준수하는 디지털 명령 워드를 포함한다.
산술 논리 연산장치의 제2 출력(514)은 수직 위치 신호이며, 이는 2개의 상부 사분원(S11, S12)과 2개의 하부 사분원(S21, S22) 간의 차이, 즉:
(S11 + S12)-(S21 + S22)
에 기초한다.
마찬가지로, 산술 논리 연산장치의 제3 출력(516)은 수평 위치 신호이며, 이는 2개의 우측 사분원(S12, S22)과 2개의 좌측 사분원(S11, S21) 간의 차이, 즉:
(S12 + S22)-(S11 + S21)
에 기초한다.
이러한 수직 및 수평 위치 신호는 보다 낮은 레이트(예컨대, 1 kHz)로 계산되고, 그 다음에 BSM 또는 짐벌 제어기(424)에 의해 검출기 상에서 수신된 비컨 빔을 중심 조정하는 BSM 또는 짐벌을 제어하는데 이용됨으로써, 2개의 통신하는 LRM의 송수신기 텔리스코프를 정렬하게 된다. BSM의 운동은 또한, 신호를 전달하는 광섬유 또는 기타 다른 광학 엘리먼트 상에서 수신된 통신 빔을 중심 조정한다. 몇몇 실시예에서, 위치 신호는 필터(520, 522)에 의해 통합 또는 필터링되어, 예를 들면 1 KHz 또는 대략 1 KHz의 주파수로 BSM 또는 짐벌 제어에 적합한 높은 SNR 제어 신호를 생성하게 된다.
네트워크 프로토콜(예를 들어, 전송 제어 프로토콜(TCP) 또는 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP))은 헤더 정보를 포함하며, 이는 현재의 노드가 최종 목적지인지 또는 데이터 패킷이 계속 포워딩되어야 하는지를 결정하는데 이용된다.
몇몇 실시예에서는, 패킷이 정정 가능한 에러를 가지고 있는지 여부를 결정하기 위해 체크섬 또는 기타 다른 순방향 에러 정정(FEC) 스킴이 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 수신 광학 노드로의 명령은, 실행될 수 없는 명령 또는 포맷팅 에러가 있는지 추가로 체크될 수 있다. 다른 노드로의 명령은 라우팅을 위한 온-보드 룩업 테이블을 이용하여 적절한 LRM으로 향하게 된다.
몇몇 실시예에서, 시퀀스 내의 간극에 의해 분실된 명령 또는 원격 측정이 식별되고, 영향을 받은 노드로부터 발신자에게, 예를 들면 원격 측정에 대해서는 NOC로부터 위성 또는 라이트웨이(Lightway)로, 명령에 대해서는 위성 또는 라이트웨이로부터 NOC로 재송신 요청이 전송된다.
모든 송신 경로 상에 비컨 소스를 가지고 모든 수신 경로 상에 비컨 검출기를 가짐으로써, 모든 통신 링크가 양호한 LOS 제어로 유지된다. 적절한 변조 스킴, 예컨대 이진 위상 레벨 변조 스킴에 의해, 송신 중인 비트 스트림에 상관 없이, 일정한 평균 파워 레벨을 보장하게 된다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 광학 비컨 신호의 두 가지 예시적인 인코딩 스킴을 나타낸다. 첫 번째 예시(602)는 단극성 영 복귀(RZ) 인코딩을 이용하는 온-오프 키잉(OOK) 인코딩 스킴을 나타낸다. 온-오프 키잉(OOK)은 반송파의 존재 또는 부존재로서 디지털 데이터를 표현하는 진폭 편이 방식(ASK) 변조의 가장 단순한 형태이다. 예를 들어, 특정 기간 중에 반송파가 존재하는 경우, 이진수 1 또는 0을 표현한다. 마찬가지로, 동일한 기간 중에 반송파가 존재하지 않으면, 이진수 0 또는 1을 표현한다. 몇몇의 보다 정교한 스킴이 추가적인 정보를 전달하기 위해 이러한 기간을 변화시킨다. 단극성 인코딩은 양의 전압이 이진수 1을 표현하고 0의 전압이 이진수 0을 표현하는 전송 부호 스킴이다. (전기 신호에 대비되는) 광학 신호로 확장되는 경우, 단극성 인코딩은 광의 존재를 이용하여 1을 표현하고 광의 부존재를 이용하여 0을 표현한다. 단극성 인코딩은 비트스트림 데이터를 직접 인코딩하고, 변조에 있어 온-오프 키잉과 유사하다. 첫 번째 예시(602)에 도시된 바와 같이, 각 비트는 1비트 폭 펄스로 표현된다. 이러한 접근법은 수신기의 최소 대역폭을 요한다. 그러나, 시간에 걸친 합산 진폭은 데이터 스트림 내에서 1의 개수에 따라 변화하고, 이는 BSM 또는 짐벌 가시거리 제어 신호를 열화시킬 수 있다.
두 번째 예시(604)는 이진 위상 레벨 인코딩 스킴을 나타낸다. 이진 위상 레벨 인코딩은 기준 신호(반송파)의 위상을 변경하거나 변조함으로써 데이터를 전달하는 디지털 변조 스킴이다. 도시된 바와 같이, 시간에 걸친 합산 진폭은 일정하게 보장된다. 그러나, 1/2 비트 폭 펄스로 표현되는 각각의 비트는 보다 높은 수신 대역폭을 요한다. 기타 다른 인코딩 스킴도 가능하며, 동기 변조 접근법이 비용을 최소화하는 것으로 여겨지지는 않는다는 점에 주목해야 한다.
광범위한 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 위에서 살펴본 발명의 예시된 실시예 및 여타 다른 실시예에 대하여 수많은 수정이 이루어질 수 있다는 점을 인식할 것이다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시예 또는 구성으로 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 임의의 변경예, 조정예, 또는 수정예를 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (18)

  1. 복수의 광학 노드를 포함하는 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법으로서,
    상기 자유 공간 광 통신 네트워크에서 소스 광학 노드의 통신 채널을 수신 광학 노드의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호를 생성하는 단계;
    상기 소스 광학 노드로부터 유래하여 상기 수신 광학 노드에 의해 수신되는 데이터 패킷을 포함하는 통신 빔을, 상기 수신 광학 노드로부터, 상기 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 다음 수신 광학 노드로 라우팅하기 위해, 라우팅 정보를 상기 수신 광학 노드에 송신하도록 상기 광학 비컨 신호를 상기 라우팅 정보로 인코딩하는 단계 ― 데이터 패킷을 포함하는 상기 통신 빔은 상기 광학 비컨 신호와는 상이한 광학 신호이고 라우팅 신호를 배제함 ―;
    변조된 광학 비컨 신호를 상기 소스 광학 노드로부터 복수의 광학 송수신기를 포함하는 상기 수신 광학 노드로 송신하는 단계;
    상기 수신 광학 노드에 의해 수신되는 인코딩된 광학 비컨 신호에서, 상기 수신 광학 노드에 의해, 광학 라우팅 정보를 검출하는 단계;
    상기 수신 광학 노드에 의해, 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여, 상기 수신 광학 노드의 통신 채널을 상기 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시키는 단계; 및
    상기 수신 광학 노드에 의해, 검출된 상기 광학 라우팅 정보를 이용하여, 상기 수신 광학 노드에서 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경함으로써, 상기 소스 광학 노드로부터 수신된 상기 통신 빔을, 상기 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 상기 다음 수신 광학 노드로 송신되도록 상기 수신 광학 노드의 상기 복수의 광학 송수신기 중 선택된 하나의 광학 송수신기로 재지향시키는 단계
    를 포함하고, 상기 광학 스위치 매트릭스는 복수의 광학 입력과 복수의 광학 출력을 포함하고 각각의 광학 입력을 임의의 광학 출력에 광학적으로 커플링할 수 있으며, 상기 통신 빔은 상기 수신 광학 노드 내의 광학 도메인에 남아 있는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 인코딩하는 단계는, 단극성 영 복귀(RZ) 인코딩을 이용하는 온-오프 키잉(OOK) 인코딩 스킴을 사용하여 상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 변조하는 단계를 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 인코딩하는 단계는, 이진 위상 레벨 인코딩 스킴을 사용하여 상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 변조하는 단계를 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신 광학 노드에 의해, 최단(most direct) 광학 경로를 따르는 제2의 변조된 광학 비컨 신호를 이용하여, 상기 검출된 라우팅 정보를 상기 최단 광학 경로를 따라 상기 다음 수신 광학 노드로 출력하는 단계를 더 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출된 라우팅 정보를 이용하여 상기 자유 공간 광 통신 네트워크를 재구성하는 단계를 더 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 통신 채널을 정렬시키는 단계는, 사분위 검출기(quadrant detector), 초점 평면 어레이 또는 광학 장동(optical nutation)을 이용하여, 수신된 상기 인코딩된 광학 비컨 신호의 도달 각도를 결정하는 단계를 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 통신 채널을 정렬시키는 단계는, 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 상기 광학 스위치 매트릭스를 제어하는 단계를 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    발신 노드로부터, 수신된 상기 인코딩된 광학 비컨 신호의 시퀀스 내의 간극에 의해 분실된 라우팅 정보를 식별하고, 상기 수신 광학 노드로부터 역으로 상기 발신 노드로 재송신의 요청을 전송하는 단계를 더 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    개개의 광학 노드로의 선호되는 다음 경로의 테이블을 각각의 광학 노드에 포함시키고, 상기 테이블 내의 개개의 광학 노드를 이용하여 광학 데이터를 상기 개개의 광학 노드로 송신하는 단계를 더 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 인코딩하는 단계는, 상기 라우팅 정보를 비트 스트림으로 변환하는 단계; 및 상기 비트 스트림을 이용하여 상기 광학 비컨 신호를 상기 라우팅 정보로 변조하는 단계를 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 방법.
  11. 복수의 광학 노드를 포함하는 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈로서,
    상기 자유 공간 광 통신 네트워크에서 소스 광학 노드의 통신 채널을 수신 광학 노드의 통신 채널에 정렬시키기 위해 광학 비컨 신호를 생성하기 위한 비컨 소스;
    상기 소스 광학 노드로부터 유래하여 상기 수신 광학 노드에 의해 수신되는 데이터 패킷을 포함하는 통신 빔을, 상기 수신 광학 노드로부터 다음 수신 광학 노드로 라우팅하기 위해, 상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 인코딩하기 위한 비컨 삽입기 ― 데이터 패킷을 포함하는 상기 통신 빔은 상기 광학 비컨 신호와는 상이한 광학 신호이고 라우팅 신호를 배제함 ―;
    인코딩된 광학 비컨 신호를 복수의 광학 송수신기를 포함하는 상기 수신 광학 노드로 송신하기 위한 텔리스코프;
    변조된 광학 비컨 신호에서 수신된 광학 라우팅 정보를 검출하기 위한, 상기 수신 광학 노드 내의 비컨 검출기 ― 상기 수신 광학 노드는 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 상기 수신 광학 노드의 통신 채널을 상기 소스 광학 노드의 통신 채널과 정렬시킴 ―;
    복수의 광학 입력과 복수의 광학 출력을 포함하고 각각의 광학 입력을 임의의 광학 출력에 광학적으로 커플링할 수 있는 광학 스위치 매트릭스; 및
    검출된 라우팅 정보를 이용하여 상기 수신 광학 노드에서 광학 스위치 매트릭스의 구성을 변경함으로써, 상기 통신 빔을, 상기 자유 공간 광 통신 네트워크 내의 상기 다음 수신 광학 노드로 송신되도록 상기 수신 광학 노드의 상기 복수의 광학 송수신기 중 선택된 하나의 광학 송수신기로 재지향시키기 위한 프로세서
    를 포함하고, 상기 통신 빔은 상기 수신 광학 노드 내의 광학 도메인에 남아 있는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비컨 삽입기는, 단극성 영 복귀(RZ) 인코딩을 이용하는 온-오프 키잉(OOK) 인코딩 스킴 또는 이진 위상 레벨 인코딩 스킴을 사용하여 상기 광학 비컨 신호를 라우팅 정보로 변조하도록 구성되는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    개개의 광학 노드로 광학 데이터를 송신하기 위해 상기 개개의 광학 노드로의 선호되는 다음 경로를 저장하기 위한 테이블을 더 포함하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 광학 스위치 매트릭스는 상기 통신 채널을 정렬시키도록 상기 인코딩된 광학 비컨 신호를 이용하여 제어되는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 릴레이 모듈은 상기 라우팅 정보를 비트 스트림으로 변환하기 위한 데이터 포맷터를 더 포함하고, 상기 비컨 삽입기는 상기 비트 스트림을 이용하여 상기 광학 비컨 신호를 상기 라우팅 정보로 변조하는, 자유 공간 광 통신 네트워크에서 광학 데이터를 라우팅하기 위한 레이저 릴레이 모듈.
  16. 제11항에 따른 레이저 릴레이 모듈을 하나 이상 포함하는 위성체.
  17. 삭제
  18. 삭제
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