SISTEMA HÍBRIDO DE COMUNICACIONES DE PICO CELDAS
Descripción La presente invención se refiere a sistemas de comunicaciones y, en particular, a sistemas ópticos de comunica^ ciones de espacio libre. Antecedentes de la Invención Durante los últimos años, la industria de las telecomunicaciones ha disfrutado de un crecimiento explosivo. La industria ha tenido dificultades para satisfacer la demanda. Las técnicas de telecomunicaciones globales, nacionales y regionales incluyen principalmente: (1) redes telefónicas para proveer transmisión de voz, datos y fax usando sistemas de alambre trenzado, cable coaxial, fibra óptica y microondas, redes RF; (2) redes de televisión que proveen televisión a través de transmisión RF, sistemas de cable que proveen televisión a través de sistemas de fibra óptica y de cable coaxial; y sistema de comunicaciones por Internet. La comunicación de televisión, teléfono y datos también está siendo provista actualmente mediante sistemas a base de satélites. Las comunicaciones no de voz, incluyendo comunicaciones de datos, imágenes y video de alta velocidad, han provisto una necesidad de comunicación a velocidad de datos mucho mayor que la requerida para comunicaciones de voz . La radio comunicación permite al usuario tener movilidad. No requiere de costosos cables que conecten el equipo de comunicaciones. El problema con la comunicación de radio es que el ancho de banda de radio disponible es limitado. Una solución al ancho de banda de radio limitado es crear muchas celdas geográficas separadas y usar un ancho de banda disponible una y otra vez en muchas de estas celdas separadas. Un gran número de celdas separadas usando el mismo ancho de banda puede incrementar grandemente el número de usuarios de un ancho de banda dado. A mayor número de celdas, mayor el número de usuarios potenciales. Esta es la teoría detrás de los sistemas telefónicos celulares actualmente populares. En el pasado, los sistemas de teléfono y de cable han operado generalmente en una base de monopolio regulado. Sin embargo, actualmente, los gobiernos federales, estatales y locales en los Estados Unidos están estimulando la competencia en el suministro de estos servicios. Las compañías de teléfono y cable locales están renuentes a, o bien cobran precios elevados por, compartir su infraestructura instalada y la instalación de nuevo cable o fibra óptica generalmente es sumamente costosa y disruptiva. En muchos países en desarrollo, no hay una infraestructura de comunicaciones alámbricas significativa en su lugar, e instalar una infraestructura alámbrica sería costoso y disruptivo. Ciertos eventos, tales como los Juegos Olímpicos y el Super Tazón, crean la necesidad temporal de comunicaciones grandemente expandidas en una región. Desastres tales como tormentas de hielo severas o huracanes pueden perturbar las comunicaciones existentes, creando una necesidad de equipo temporal de comunicaciones hasta que el sistema existente pueda ser reparado . Las técnicas para proveer comunicaciones ópticas en el espacio libre son conocidas. (Ver "A Brief History of Free-Space Láser Communications", por David L. Begley, en Selected Papers on Free-Space Láser Communications, David L. Begley, editor, SPIE Optical Engineering Press, 19,91.) Las comunicaciones por láser de espacio libre han sido propuestas para comunicaciones de satélite a satélite. Esto es debido a que los haces de láser pueden proveer comunicación eficiente a larga distancia, amplio ancho de banda, sobre la atmósfera de la tierra. Sin embargo, las comunicaciones por láser de espacio libre generalmente no han sido consideradas seriamente para comunicaciones terrestres difundidas debido a los efectos adversos percibidos de las condiciones atmosféricas, tales como lluvia, niebla y nieve. Lo que se necesita es un sistema local de telecomunicaciones, que pueda instalarse fácilmente, de manera eficiente, y sin disrup-ción signi icativa. Compendio de la Invención La presente invención provee un sistemas de comunicaciones por láser de espacio libre. El sistema comprende un gran número de pico-celdas. Cada pico-celda comprende una estación de base, que provee comunicaciones convencionales con al menos un usuario, pero típicamente varios o muchos usuarios. Cada estación de base comprende al menos dos transceptores de láser, cada transceptor teniendo un mecanismo apuntador para alineación automática. Estos transceptores proveen comunicaciones con otras estaciones de base, re-envían información entre otras estaciones de base o transmiten información a sistemas convencionales de comunicaciones. Las pico-celdas cubren rangos geográficos relativamente pequeños, tales como alrededor de 100 metros. La solicitante ha demostrado que, a estas distancias, los efectos atmosféricos que atenúan los haces de láser no son un problema serio. En una forma de realización preferida, las estaciones de base generalmente comprenden cuatro transceptores de láser con equipo apuntador controlado por microprocesador, que se alinean automáticamente para apuntar a otras estaciones de base y un transceptor RF para proveer comunicaciones con usuarios. La presente invención es especialmente adecuada para proveer un sistema de comunicaciones que pueda ser casi inmediatamente instalado para competir con los sistemas telefónicos monopólicos (o casi monopólicos) locales establecidos. Sistemas de acuerdo con la presente invención pueden ser instalados en unas cuantas horas o unos cuantos días. Estos sistemas pueden proveer, para un área local, su primer sistema de comunicaciones, o proveer servicios de comunicaciones en una área local en caso de que un sistema local existente esté dañado, como en un desastre natural, o proveer una rápida expansión temporal de la capacidad existente de comunicaciones. Breve Descripción de la Forma de Realización Preferida Las figuras 1A, IB y 1C son dibujos de pico-celdas. La figura 2 es un dibujo en bloques de una estación de base de pico-celda. La figura 3 es un dibujo esquemático de una estación de base de pico-celda que demuestra el funcionamiento de un soporte cardánico anidado preferido. La figura 4 es un dibujo de una estación de base prototipo diseñada por la solicitante, que muestra las posiciones relativas de elementos de la estación de base. La figura 5 muestra enlaces ópticos de comunicaciones establecidos entre edificios cercanos. La figura 6 muestra la atenuación óptica en niebla. La figura 7 es una gráfica de la relación de error de bit en niebla densa como una función de la distancia en el rango de 100 a 115 metros. La figura 8 muestra atenuación en la lluvia. La figura 9 es una gráfica que muestra el pandeo de postes en vientos fuertes. La figura 10 muestra la transmisión como una función de las longitudes de onda ópticas. La figura 11 muestra la potencia de láser como una función del rango con relación al ruido. La figura 12 muestra atenuación en nieve.
La figura 13 demuestra el efecto del centelleo a distancias cortas y largas. La figura 14 muestra un sistema regional de comunicaciones basado en la presente invención. La figurá 15 es un dibujo que muestra cuatro pico-celdas interconectadas . La figura 16 muestra la importancia de un interruptor ATM en una forma de realización preferida. La figura 17 es un diagrama de bloques del equipo de exploración y rastreo de una forma de realización preferida de la presente invención. Las figuras 18A, B y C muestran elementos ópticos de un transceptor de láser de una forma de realización preferida. La figura 19 es un dibujo que demuestra la alineación de una nueva estación de base. Las figuras 20A a 20H describen software preferido para una forma de realización preferida de la presente invención. Descripción Detallada de Formas de Realización Preferidas Formas de realización preferidas de la presente invención pueden ser descritas por referencia a las figuras. La Pico-Celda El elemento principal de una forma de realización preferida de la presente invención es la pico-celda. Esta forma de realización preferida comprende un gran número de pico-celdas. Cada pico- celda comprende una estación de base y al menos un usuario, pero normalmente unos cuantos a un gran número de usuarios. La figura 1A bosqueja una pico-celda que consiste en una estación de base 2 y un usuario 4-1. Este usuario tiene a su disponibilidad los 20 MHz completos asignados a la estación de base. La figura IB bosqueja una estación de base con cuatro usuarios que comparten los 20 MHz de modo que si todos los usuarios estuvieran usando el sistema al mismo tiempo, un límite de ancho de banda promedio sería de alrededor de 5 MHz . Si hubiere 100 usuarios, como se indica en la figura 1C, el límite promedio sería de 200 KHz . Cada usuario 4 se comunica con la estación de base 2 compartiendo el ancho de banda de radio asignado a la estación de base 2. Con solamente unos cuantos usuarios, cada usuario tiene disponible para si una porción sumamente grande del ancho de banda disponible en la estación de base. Para comunicación telefónica de audio, solamente se necesitan alrededor de 10 KHz, pero para otros tipos de comunicaciones, son deseables anchos de banda mucho mayores. Por ejemplo, un buen enlace de comunicaciones de video de dos vías requiere alrededor de 20 MHz, aunque enlaces satisfactorios de dos vías pueden ser provistos con alrededor de 2 MHz. La Estación de Base Los elementos de una estación de base de pico-celda típica de esta forma de realización preferida pueden ser descritos por referencia a la figura 2. La estación de base comprende un transceptor RF 13, cuatro transceptores de láser 10, cada uno con equipo apuntador de azimut y de elevación 11, un microprocesador 22 para controlar el equipo apuntador, un interruptor de paquetes 12 para conmutar datos digitales entre el transceptor RF y los cuatro transceptores de láser y una fuente de energía. La figura 3 es un diagrama esquemático de la estación de base mostrada en diagrama de bloques en la figura 2. La figura 4 es un dibujo de una estación de base prototipo diseñada por la solicitante. El dibujo muestra el transceptor 10A apuntando fuera de la página y 10B apuntando hacia la página y 10C y 10D apuntando a la izquierda y la derecha. El soporte cardánico de azimut-elevación es mostrado en 16. El receptor de comunicaciones 10A y faro es mostrado en 80. El transmisor de faro de láser 10A es mostrado en 82 y el transmisor de láser de comunicaciones 10A es mostrado en 84. Las antenas RF son mostradas en 18 y 20. El motor de elevación 10B es mostrado en 30. Transceptores de Láser Cuatro transceptores de láser 10 son provistos en cada estación de base en esta forma de realización. Transceptores de láser adecuados están comercialmente disponibles, tales como los transceptores para comunicaciones por láser de cuatro pulgadas de diámetro' fabricados por AstroTerra Corporation, de San Diego, California, Estados Unidos (modelo T-4, operando a 155 Mb/seg) . Las figuras 18A, B y C describen los elementos ópticos de un transceptor prototipo diseñado por la solicitante. En esta forma de realización, el transmisor de comunicaciones mostrado en la figura 18A comprende un láser de diodo de divergencia de 2 mrad, potencia pico de 40 mW, 780 nm, Hitachi, transmitiendo a través de una lente sencilla f/2 de 60 mm de diámetro. El transmisor de faro mostrado en la figura 18B comprende un láser de diodo de ciclo de trabajo de 0.1%, 20W pulsados, 810 nm, EGG, con divergencia de 2", transmitiendo por una lente cilindrica que tiene una longitud focal de 100 mm. El receptor de faro o guía y comunicaciones comprende una lente colectora sencilla f/2 de 60 mm de diámetro y un divisor de haz dicroico que pasa la señal de comunicaciones de 780 nm que es recolectada usando un diodo Hamamatsu PIN, 500 mieras de diámetro con módulo pre-amplificador externo con un ancho de banda de 622 b/seg 3dB. El divisor de haz refleja el haz de faro de 810 nm en un fotodiodo de cuadrante Hamamatsu con pre-amplificador externo y una área activa de 1 mm. Cada transceptor de láser es montado en un soporte cardánico anidado. El soporte cardánico es fabricado para permitir a cada transceptor ± 30' de movimiento en el eje de elevación y 360' completos de movimiento en el eje de azimut. Esto es logrado en elevación por la tracción de motor y engrane de gusano 30 y pivotes de flexión 31 mostrados en la figura 3. Cada transceptor es entonces capaz de 360° de movimiento en azimut coordinando el movimiento de los ejes del soporte cardánico de azimut anidado de modo que no haya interferencia de los transceptores montados en el mismo plano. Montando los transceptores en dos diferentes planos hay múltiple redundancia para los enlaces cruzados ópticos pues cualquier transceptor puede estar alineado con una estación de base similar en otro edificio. Los movimientos de los soportes cardánicos son controlados por el microprocesador 22. Cada transceptor de láser comprende un telescopio de cuatro pulgadas y un módulo detector para recibir comunicaciones de láser que llegan y un transmisor de láser para transmitir pulsos de láser. La información es transmitida y recibida con este transceptor a razón de 622 Mb/seg. Cada transceptor de láser es alineado centrando la señal de faro de un transceptor acompañante en el fotodiodo de cuadrante, como se describirá mas adelante. El láser transmite la señal a una longitud de 0.810 mieras, que como se muestra en la figura 10, es transmitida casi 100% en aire claro. La transmisión bajo otras condiciones atmosféricas es discutida mas adelante. Transceptor RF En esta forma de realización, el transceptor RF identificado como "estación de base RF" en la figura 15 opera en la banda PCS con alrededor de 20 MHz de ancho centrados en 1.9 GHz . En esta forma de realización, se selecciona un esquema de señalización de modulación por amplitud de cuadratura (QA ) . La probabilidad de error puede ser calculada a partir de Eb/NO, que puede obtenerse de la relación de señal a ruido. Para esta forma de realización, la máxima distancia entre la estación de base y una unidad móvil es de 100 m. Los siguientes parámetros son fácilmente obtenibles de equipo de radio comercial de estante suministrado por fabricantes tales como NorTel, Nokia o Ericsson. La potencia irradiada isotrópica equivalente (EIRP) de la estación de base es 17 dBW con una ganancia de antena de 20 dB, y una potencia transmitida de 0.5 W. La ganancia de la antena del receptor móvil es de 3 dB. Las pérdidas totales del sistema son 6 dB. El ruido del receptor del sistema móvil es 5 dB. La temperatura de la antena del receptor del sistema móvil es de 290 'K y su ancho de banda es de 20 MHz . La pérdida en espacio libre 0.16 LP = -201og = -l dB 4/r (100) La potencia recibida es : PR = -78 + 17 + 3 - 6 = -38c/Z La temperatura equivalente es : Te = 290K(Nf - 1) = 627 K La potencia de ruido es: PN = kTeBw = 1.38x10"23 · (627 + 290) · (20x106 ) = -\21dBW
La relación de señal a ruido, SNR es Pr/Pn, que es 88 dB . Esto da Eb/No como : ¾ - 8M» . = 5ll0» N0 21og2 4 La probabilidad de error es entonces dada por:
No hay error asociado con el enlace de radio de esta forma de realización para trayectorias de espacio libre. Es evidente a los técnicos en la materia que hay una atenuación significativa de señales de radio a esta frecuencia al pasar a través de paredes y pisos de edificios. Como la atenuación depende en gran medida de los materiales particulares y la orientación, un programa de simulación de computador tal como WISE de ATT sería usado para calcular las características de propagación a través de cualquier edificio escogido. Interruptor de Paquetes El interruptor de paquetes 12 mostrado en la figura 2 es un producto Fore Systems ForeRunner LE 155. Viene con 12 puertos de 155 b/seg, de los cuales se utilizan cinco en esta forma de realización, en formato SONET/SDH que, con la adición de software de intranet ForeThought (también de Fore Systems) es usado para operar el interruptor bajo un protocolo ATM. El interruptor de paquetes mostrado en la figura 2 está en interfaz con los cuatro transceptores de comunicaciones de láser y el transceptor de radio 13 para plena capacidad de conmutación entre los láseres y el radio en cualquier estación de base, así como enrutar paquetes entre las estaciones de base. El transceptor de radio 13 recibe señales eléctricas a través de la antena receptora RF 20 que corresponden a ondas de radio transmitidas de los transmisores de radio de los usuarios 4. El transceptor de radio 13 también transmite señales eléctricas a través de la antena de transmisión RF 18 a las unidades receptoras de radio del usuario. Microprocesador y Equipo Apuntador El microprocesador en esta forma de realización es un computador personal Pentium. Se programa para alinear los transceptores de láser 10 en esta estación de base con transcep-tores de láser similares en otras estaciones. El proceso de alineación puede ser descrito por referencia a la figura 5, que bosqueja cuatro edificios 1 separados entre sí por alrededor de 100 metros, cada uno con una estación de base ubicada en su techo. El microprocesador 22 inicia el primer enlace 3 de acuerdo con un algoritmo predeterminado que explora el cuadrante de un transceptor dado 10 de + 45* en azimut y ± 20' en elevación. La tasa de exploración es fijada a 0.5*/seg en azimut y la elevación es escalada a 0.5° por exploración de azimut para cubrir todo el sector. Todo el sector puede ser explorado en cuatro horas. La exploración puede ser lograda fácilmente en la noche, cuando son bajos los niveles de luz de fondo. Para exploración en el día, puede usarse una fuente LED brillante 23 de 10 vatios que emana hacia n este-radianes en cada sector para un total de cuatro fuentes en cada estación de base. (Si la alineación puede hacerse en la noche, pueden usarse LEDs de mucho menos potencia.) Las fuentes son mostradas en la figura 2, pero no en la figura 3. Para una probabilidad de adquisición de 0.99, la SNR de la fuente al fondo necesita ser de alrededor de 10, capaz de lograrse con un filtro de interferencia de 5 nm. Este procedimiento es llevado a cabo en paralelo para los cuatro transceptores . Comunicación RF de Usuario Los usuarios con servicio por medio de esta forma de realización preferida se comunicarán típicamente con la estación de base de pico-celda, con un dispositivo de comunicaciones RF . Una unidad de radio preferida es una tarjeta PC RadioLAN2 7401/ 7402. Este es un adaptador LAN inalámbrico de una pieza, de alto desempeño, diseñado para satisfacer las necesidades de los usuarios móviles que requieren de conectividad LAN. Esta unidad usa tecnología de espectro de esparcimiento de frecuencia y es compatible con sistemas de comunicaciones de red de área grande. Esta unidad particular opera a una tasa de datos de 1.5 Mbps . Las unidades pueden ser adquiridas de RadioLAN de Sunnyvale, California, Estados Unidos. Software Las figuras 20A a 20F proveen un bosquejo de un ejemplo de un control de flujo de software para el sistema de adquisición y rastreo para la estación de base de pico-celdas mostrada en la figura 4. Una caja romboidal representa entradas del usuario, decisiones por un diamante y acciones por un cuadro. El software de la figura 20A provee un método de cambiar las constantes proporcionales, integrales y derivativas para cada eje. El software de la figura 20B provee la capacidad del sistema a ir de espira abierta a espira cerrada a modo de rastreo óptico con pulsar un apuntador (mouse) . La figura 20C muestra la capacidad del controlador para cambiar las leyes de control de proporcionales a proporcionales mas velocidad a proporcionales mas velocidad mas aceleración. La figura 20D bosqueja la capacidad del usuario de seleccionar un tamaño de paso para cualquiera de los ejes y cerrar la servo-espira. La figura 20E muestra la capacidad del sistema de explorar una área de incertidumbre predeterminada, verificar la célula cuádruple con relación a datos sobre el umbral, e ir a un modo de rastreo si se detecta la señal de faro. La figura 20F muestra la capacidad de poner en cero los contadores del codificador para calibración inicial. La figura 20G muestra la capacidad de escalar y mover una distancia y un período de tiempo seleccionables por parte de un usuario. La figura 20H muestra la capacidad del sistema para encontrar una posición de base estrictamente a partir de errores del codificador, no usando un interruptor de límite. Cálculos de Desempeño La solicitante ha llevado a cabo cálculos de modelación para probar la factibilidad de la presente invención como un sistema de comunicaciones factible y competitivo, que ofrece ventajas importante sobre sistemas alternativos. Modelo Las estaciones de base pico-celulares tienen la capacidad de establecer enlaces ópticos de comunicaciones con otras estaciones de base pico-celulares híbridas, como se muestra en la figura 5. Vía los enlaces ópticos de comunicaciones 3, la red pico-celular provee acceso inalámbrico a datos, multi-medios , y servicios de voz a velocidades de un orden de magnitud mayor que las líneas de cobre existentes, con costos que son una pequeña fracción del costo de instalar una red de cableado o de fibra óptica. Una malla densa de enlaces cortos (115 metros) de comunicaciones por láser 3, como se muestra en la figura 5, interconecta las estaciones de base pico-celulares híbridas. Lo corto de estos enlaces permite resultados de desempeño excelentes (esencialmente, 100% de disponibilidad) a pesar de niebla y otras perturbaciones atmosféricas. Para funcionar correctamente, es imperativo que los enlaces estén alineados entre sí; sin embargo, las tolerancias son tales que los enlaces pueden soportar con facilidad perturbaciones mecánicas extremas, tales como vientos fuertes . Por medio de enlaces ópticos de comunicaciones 3, el tráfico generado dentro de (o entregado a) cualquier pico-celda es re-transmitido entre una serie de estaciones de base 2 en un arreglo de puntos múltiples, eventualmente entrando (o dejando) la red alámbrica en una oficina de uso local. En la forma de realización preferida, el perfil de radio de cada pico-celda híbrida es tan pequeño (es decir, alrededor de 115 metros de diámetro) que su ancho de banda es compartido por solamente un pequeño número de usuarios y, por tanto, cada usuario disfruta de servicio inalámbrico de banda amplia (típicamente alrededor de 200 b/seg a 20 Mb/seg, dependiendo del número de usuarios y el ancho de banda disponible de la estación de base) en su área particular. Re-usando a menudo el espectro de radio, se supera el problema de la limitada disponibilidad del espectro. De manera mas importante, como cada estación de base recibe servicio por enlaces por láser de comunicaciones, son innecesarios aparatos nuevos de cableado enterrado y la restricción de capacidad del alambre de cobre preexistente es superada. Los enlaces por láser de comunicaciones no son licenciados por la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos y son capaces de llevar 155-622 Mb/seg, suficientes para acceso de banda amplia a través de toda la malla con 20 Mb/seg asignados a cada usuario. La figura 5 es un diagrama de cuatro edificios 1, cada uno equipado con una estación de base pico-celular híbrida 2 montada en el techo. Las estaciones de base son interconectadas mediante transceptores de comunicaciones por láser que comprenden la función de enlace cruzado entre estaciones de base. Los enlaces hacia abajo a los usuarios dentro de los edificios son llevados a cabo a una frecuencia nominal de 1.9 GHz, con transceptores RF de espectro esparcido. Los enlaces hacia abajo se comunican con teléfonos, computadores y TV de alta definición. Los transceptores ópticos proveen medios para enlace cruzado de datos de edificio a edificio tal que los edificios sean conecta-dos en red conjuntamente. Cada estación de base 2 provee medios para datos de multi-puntos de cualquier edificio 1 a la oficina final donde pueden conmutarse a la red telefónica pública conmutada (PSTN) para distribución de área amplia. BER de Peor Caso - Niebla Densa La tasa de error de bit (BER) predicha para este sistema es determinada calculando la potencia recibida para cada enlace. Para 20 mW de potencia de transmisión y una divergencia de haz de 2 mrads, se puede calcular la BER como una función del rango para diversas condiciones climáticas. Para longitud de onda de 850 nm, las peores condiciones de atenuación ocurren en nieblas densas. Como se muestra en la figura 6, para visibilidad de 40 metros (una condición de niebla extremadamente rara y densa) , la atenuación es aproximadamente de alrededor de 392 db/km (e-9o-42/km^ _ La otencia recibida en esta condición es entonces: 2 , P = 20mW U'UU¾m j. . e(-90.42/*»X-0.1fcn) R (0.002ra )2 (100w)2 - f 2 - 2.6x10" 7 W De manera similar, la potencia de fondo puede ser estimada usando el valor promedio de la irradiación de la tierra por parte del sol en la superficie, que es 0.2 W/mA2/nm/sr. El valor de la luz de fondo es entonces :
0.2W 2 , 0.008w 2 - \Qnm- (0.002md ¦ nm -sr De esta manera, la relación estimada de señal a fondo a 100 metros en la niebla mas densa es de alrededor de 8. A 115 metros, la relación de señal a fondo es de alrededor de 2. La estimación de la solicitante de la relación de error de bit para esta condición atmosférica del peor caso en el rango de 100 a 115 metros es presentada en la figura 7. De esta manera, la BER estimada del peor caso a 100 metros es de alrededor de 1 x 10"15 y cerca de 0.1 a 115 metros. Usando un detector de fotodiodo de avalancha, la BER a 115 metros puede ser llevada hasta 10"9. Una BER menor de 1 x 10"9 es considerada satisfactoria aun cuando algunos sistemas requieren una BER tan baja con 10"14. El cálculo anterior asume probabilidades iguales de unos y ceros y se usa un valor óptimo de umbral para cada valor de señal recibida. El esquema de modulación es clave activa-inactiva (OOK) con detección directa. Otras Condiciones Atmosféricas Esta forma de realización particular funcionará a una BER aceptable para un protocolo ATM en rangos hasta 115 metros, 15 metros en exceso del diámetro de radio-celda designado en todas las condiciones climáticas. La figura 8 muestra la atenuación predicha en lluvia y nieve para diferentes tasas de lluvia (y tasas de nieve equivalentes) . La máxima atenuación de lluvia es de 20 dB/km a razón de cuatro pulgadas por hora; mas de tres órdenes de magnitud menos atenuación que el caso de niebla en el rango de 100 metros. La nieve tiene un orden de magnitud de menos atenuación que la niebla del peor caso en el rango de 100 metros, de modo que el desempeño de la BER en cualquier escenario será mejor que el mostrado en la figura 7 para niebla. Los Láseres son Seguros a los Ojos Los transceptores de comunicaciones por láser son seguros a los ojos en la apertura, cayendo debajo de los 2 mW/cm2 requeridos en la norma ANSI Z .131.1-1986. Centelleo Otro efecto atmosférico por considerar son los cambios en el índice refractivo, ocasionados por el centelleo, a lo largo de la trayectoria de propagación. Estos centelleos se escalan en tamaño como la raíz cuadrada de la longitud de onda por el rango, y por tanto, para esta forma de realización, son de aproximadamente 1 cm de diámetro en el rango de 100 metros. Esto significa que los transceptores de comunicaciones por láser están promediando mas de 50 centelleos, lo que reduce grandemente (en un factor de alrededor de 100) la variación esperada en la señal debido al centelleo. La densidad de probabilidad esperada de centelleo es dada por:
Para esta trayectoria, la variancia es de alrededor de
0.032, lo que significa que la distribución de probabilidad resultante es está centrada casi de manera gaussiana alrededor de la intensidad media de señal transmitida con una desviación estándar determinada por las estadísticas de Poisson (aproximadamente la raíz cuadrada del número de fotones recibidos en un pulso) . Por tanto, las ecuaciones BER usadas antes son válidas y el centelleo tiene un efecto despreciable en esta forma de realización. Cambios del índice de Refracción a lo Largo de la Trayectoria La desviación predicha del haz debido a variaciones en el índice de refracción a lo largo de la trayectoria puede calcularse a partir de:
sß - 100//rad
Esto funciona para ser de alrededor de 100 micro-radianes, un factor de 20 mas pequeño que la divergencia de haz transmitida y no es un factor en esta forma de realización. Deflexión de los Postes de Soporte La forma de realización que se describe aquí tendrá los transceptores montados en postes a distancias variables sobre ya sea la calle o el techo de un edificio. La máxima deflexión en un viento con fuerza de huracán de 15 lbs/in2 puede calcularse a partir de: _ 1 I 5lb / in2 - lOin - L3 max ~ 6 7 /¿ / ;„2 . f .(10m)4 donde el diámetro del poste es de 10 pulgadas y los dos materiales usados en esta forma de realización son aluminio y acero. La figura 9 muestra la máxima deflexión predicha para postes de longitud de 0 a 500 pulgadas. En la presente forma de realización, ningún poste es mas largo de 25 pies. La máxima deflexión en cada caso no es una fracción significativa de la divergencia de haz y por tanto los vientos no afectarán la alineación del dispositivo como se describe en esta forma de realización. Efectos Térmicos Los efectos térmicos debidos a la expansión térmica asimétrica de un edificio en el que está montado un transceptor son dados por: ?T = 10-5 ·¦§£ Para un cambio de temperatura de 50 'C, el desplazamiento angular de un edificio de cinco pisos es menor de 100 micro-radianes, una cantidad despreciable en comparación con la divergencia de haz transmitida. Radio Enlace El espectro disponible en esta forma de realización está en la banda PCS y es de alrededor de 20 MHz de anchura, centrados en 1.9 GHz . En esta forma de realización, se selecciona un esquema de señalización de modulación de amplitud de 16 cuadraturas (QAM) . La probabilidad de error puede ser calculada a partir de Eb/NO, que puede obtenerse a partir de la relación de señal a ruido. Para esta . forma de realización, la máxima distancia entre la estación de base y una unidad móvil es de 100 metros. Los siguientes parámetros son fácilmente obtenidos a partir de equipo de radio comercial suministrado por fabricantes tales como NorTel, Nokia o Ericcson. La potencia isotrópica equivalente irradiada (EIRP) de la estación de base es de 17 dBW, con una ganancia de antena de 20 dB, y una potencia transmitida de 0.5 W. La ganancia de antena del receptor móvil es de 3 dB . Las pérdidas totales del sistema son de 6 dB. El ruido del receptor del sistema móvil es de 5 dB . La temperatura de la antena receptora del sistema móvil es de 290 'K y su ancho de banda es de 20 MHz . La pérdida de espacio libre es 0.16 LP = -201og [4 (100) La potencia recibida es: pR = -78 + 17 + 3 - 6 = 3$dBW La temperatura equivalente es: La potencia de ruido es: PN = kTeBw = 1.38 10-23 (627 + 290) (20 106 ) = -\ 21dBW La relación de señal a ruido (SNR) es Pr/Pn, que es de 63 dB. Esto da Eb/No como: Eh 63dB ; 5*10 N0 2 log2 4 probabilidad de error es entonces dada por
3 f f, E> h i (l«g; 4) 4 N,
No hay error asociado con el radio enlace en esta forma de realización para trayectorias en espacio libre. Es evidente a los técnicos en la materia que existe una atenuación significativa de las señales de radio a esta frecuencia al pasar a través de paredes y pisos de edificios. Como la atenuación es altamente dependiente de los materiales y la orientación particulares, un programa de simulación en computador tal como WISE, de AT&T, sería usado para calcular las características de propagación a través de cualquier edificio seleccionado. Enrutamiento La arquitectura de saltos múltiples es bien conocida en el campo de las redes de fibra óptica de longitudes de onda múltiples, pero su aplicación aquí es novedosa. Esta forma de realización que usa una rejilla recursiva (una malla cuasi-rectangular) para saltos múltiples tiene dos beneficios. Uno es la fácil adición de nuevas estaciones de base sin perturbar mas de un enlace óptico. El otro es la escalabilidad de los algoritmos de enrutamiento, lo que significa que la complejidad computacional asociada con el establecimiento de una ruta de saltos múltiples para una nueva conexión virtual se escala linealmente con el número de nodos en la rejilla. La figura 15 muestra cuatro pico-celdas 61, 62, 63 y 74, todas interconectadas ópticamente . Un sistema de comunicaciones preferido es mostrado en la figura 14. Este enfoque usa tres capas de celdas de radio. Estas son las pico-celdas, las celdas estándar y las mega-celdas, como se muestra en la figura 14. Las pico-celdas han sido descritas antes. La segunda capa de celdas es lo que la solicitante llama las celdas estándar. Cada celda estándar cubre un área medida en millas o decenas de millas y un número variable de pico-celdas que varía de cero hasta varios miles. Cada celda estándar tiene una estación de base de celda estándar conectada a un conmutador de oficina final. La estación de base de celda estándar provee comunicación RF a usuarios ubicados en su área sin servicio por una pico-celda. La estación de base de celda estándar también provee comunicación óptica directa o indirectamente a todas las pico-celdas dentro de su celda estándar y comunicación a un conmutador de oficina final. El canal o los canales de comunicaciones con el conmutador de oficina final deben ser suficiente para manejar el tráfico. Puede ser canal óptico de espacio libre o pueden ser canales convencionales de comunicaciones tales como fibra óptica. Rastreo y Adquisición La figura 16 muestra un diagrama de bloques de alto nivel que bosqueja el equipo de estación de base para el sistema propuesto de pico-celdas. Este equipo incluye varios transcepto-res ópticos, el equipo de radio y de banda de base, un pequeño interruptor electrónico de paquetes (tal como ATM) , y un pequeño procesador de control para administrar la estación de base y servir como representante local del sistema de control de red. El equipo de radio incluye todos los aparatos necesarios para aceptar/entregar señales a/del interruptor y entregar/aceptar éstas a/de las antenas. El interruptor de paquete es necesario de modo que además de servir como una fuente y sumidero de tráfico dispuesto en la red óptica, cada estación de base puede re-transmitir (brincar) paquetes de un enlace óptico al siguiente. La ruta es escogida en el momento del establecimiento de la conexión para mantener garantías de calidad del servicio (QoS) tal que cada paquete llegue en una compuerta de entrada/salida de la red de núcleo o termine en una estación de base. Cada estación de base en esta forma de realización contiene cuatro enlaces cruzados de comunicaciones a láser. Cuando el sistema es establecido, el usuario debe instalar la unidad en una plataforma estable, proveer energía, y la unidad auto-alineará cada uno de los enlaces ópticos cruzados a los nodos vecinos correctos en la red de estaciones de base. Esto requiere que los enlaces cruzados tengan un campo sustancial de acción sobre el cual explorar, un sensor de rastreo, un láser de guía, alguna inteligencia de red para determinar con qué estación de base conectar y comunicaciones de salud y monitoreo de red. La figura 17 muestra un diagrama de bloques del hardware de exploración y rastreo de una forma de realización preferida, diseñado por la solicitante para operación de la estación de base mostrada en la figura 4. Cada uno de los enlaces cruzados de comunicaciones a láser puede moverse casi 360' en azimut y mas o menos 30' en elevación. Esto es logrado por un paquete compacto usando un enfoque novedoso de soportes cardánicos anidados, como se muestra en la figura. Cada cabeza óptica tiene un transmisor de láser de guía pulsada con una divergencia de 10° para búsqueda eficiente mientras se mantiene suficiente margen para operación en las nieblas mas espesas. También ubicada en la cabeza óptica está una celda cuádruple para recibir la energía de rastreo del láser de guía de la unidad opuesta. La celda cuádruple tiene un campo de visión de 2° para minimizar la interferencia de la luz de fondo. La celda cuádruple está en interfaz con un microprocesador, que calcula las señales de error y excita los motores de los soportes cardánicos para cada eje, para minimizar esos error, con ello cerrando la espira de rastreo en el sistema. Una condición de búsqueda potencial es un campo receptor de 2 x 2' con un tiempo de residencia en cada celda de búsqueda de un segundo y un campo de incertidumbre de pi este-radianes. Esto da un tiempo de búsqueda de 2,718 segundos o poco mas de 45 minutos. Hay 2,718 celdas donde residir, el número total de posibles falsas alarmas siendo de 2,717. La probabilidad de una detección exitosa sin falsas alarmas es dada por: Pacq = ^detcct ' — Pfalse ) donde N = 2,718 y Pdetect y Pfaige son calculados a partir del presupuesto de enlace. La probabilidad de una detección exitosa o falsa alarma es dada por: Vt-vone{K) zero Pfalse(Vt) donde Vt es el umbral óptimo para determinar si está ahí la señal de guía, Vone/zero es el voltaje generado a partir del detector como una función del rango y O"one/zero es la desviación estándar del voltaje. Q es la "función Q" relacionada con la función de error para calcular las áreas relativas bajo distribuciones gaussianas. Para este sistema, el láser de guía es pulsado con una potencia de salida pico de 19 vatios a un ciclo de trabajo del 0.07% por seguridad para los ojos. El rango es de 100 metros, las condiciones de atenuación son niebla espesa, 392 dB/km, y la apertura de recepción es de alrededor de 2 pulgadas de diámetro. Esto da un valor para Pdetect de 0.994 y un valor para Pfalse de 8.6 x 10"7, que después de sustitución en la fórmula anterior dan la probabilidad de adquisición exitosa como 0.992 para un solo barrido del volumen. La discusión anterior asume que la estación de base opuesta ya está apuntando a la nueva estación de base, lo que en general no es el caso. La estación de base opuesta debe también explorar el volumen donde se supone que está la nueva estación de base (dentro de ciertos este-radianes) . Una clave para el algoritmo de exploración será determinar la tasa a la que la estación de base explora el campo de incertidumbre . Como la divergencia del transmisor de guía es de 10', puede cubrir el campo de incertidumbre mucho mas rápidamente que el receptor. Si el tiempo de residencia fuese de 0.25 segundos por celda para la estación de base transmisora de guía, entonces la guía explorará todo el campo de incertidumbre en menos de 30 segundos. En el peor caso, el receptor puede residir en cada área por los 30 segundos completos de la exploración del transmisor, con ello garantizando adquisición exitosa. En el peor caso, el tiempo total de adquisición sería de alrededor de 21 horas. Esto garantiza no inducir movimiento indeseable de exploración oscilante, es decir rastreadores que nunca miran simultáneamente al mismo punto y que siempre exploran alrededor de sus respectivos campos de acción. El algoritmo óptimo probablemente está entre ellos, donde el receptor es explorado mas rápidamente, con una ligera posibilidad de omitir el transmisor pero con una gran reducción en el tiempo total de adquisición. La adquisición puede hacerse mucho mas rápidamente si cada estación de base es programada con coordinadas geográficas aproximadas de si misma y sus estaciones de base vecinas . Una vez que los transceptores han adquirido uno a otro y cerrado la espira de rastreo, el canal de guía puede ser usado para comunicaciones a baja tasa de datos. La información sobre la salud de la estación de base, la congestión de la red, y la ID de la estación de base puede ser intercambiada independientemente del canal de comunicaciones de datos. De hecho, si se perdiera el canal de comunicaciones debido a un detector o láser en falla, la estación de base todavía puede pasar información acerca del estado de la red a otras estaciones de base, mejorando lo robusto de la red y la conflabilidad de la misma. Como el láser de guía es pulsado, se empleará un esquema de modulación de posición de pulso. La solicitante estima que una tasa de datos de 4,800 bps en el canal de guía es susceptible de lograrse con este método. Esto es satisfactorio para pasar entre nodos información sobre la salud de la red, la congestión de la misma y el estado de la red. Otro beneficio clave de usar el canal de láser de guía para comunicaciones es la capacidad de enviar una palabra de datos a una estación de base vecina, haciendo que esa estación de base re-transmita la palabra de vuelta a su fuente y mida el tiempo de vuelo. Esto da información de rango que, combinada con información de codificador de los enlaces existentes, hace considerablemente mas rápida la búsqueda y la adquisición subsecuentes. La figura 19 muestra una red de cinco estaciones de base existentes, representadas por círculos, y una sexta, nueva estación de base representada por una cruz. Una que la nueva estación de base (D) cierra un enlace con cualquiera estación de base existente en la red (B o C en este caso) , el canal de guía será capaz de transmitir la información de ángulo y rango tal que la nueva estación de base pueda ser inmediatamente capaz de cerrar todos los enlaces deseados con la red existente. El microprocesador en la tarjeta es fácilmente capaz de llevar a cabo los cálculos geométricos. La suposición es que las estaciones de base están al nivel con respecto a la gravedad normal al instalarse. La información sobre congestión de la red también mejora y simplifica los algoritmos para multi-saltos . La técnica de multi-saltos es importante para permitir el uso de enlaces ópticos de espacio libre sumamente cortos para asegurar libertad de perturbaciones atmosférica y buena disponibilidad de enlaces. La dimensionalidad del interruptor de paquete debe ser de al menos 5 x 5, es decir cinco trayectorias de entrada/salida de modo que en adición a las señales que llegan de/enviadas a la interfaz de radio, pueden soportarse al menos cuatro transcepto-res ópticos. Este interruptor es electrónicos, las señales tanto ópticas como de radio son primero convertidas en señales electrónicas de banda de base, como en la mayoría de los arreglos de multi-saltos. La arquitectura de multi-saltos es bien conocida en el campo de las redes de fibra óptica multiplexadas en longitud de onda, pero su aplicación a las redes ópticas de espacio libres es novedosa, como lo es la idea de conectar las estaciones de base vía enlaces ópticos de espacio libre, evitando los cuellos de botella de las líneas alámbricas locales. El patrón real de interconexión de la red óptica puede consistir en una rejilla recursiva, una malla cuasi-rectangular en la cual se permite anidar estaciones de acceso en sub-niveles para permitir la fácil adición de las nuevas estaciones de acceso sin perturbar mas de un enlace pre-existente . Las rejillas recursivas son también benéficas pues son compatibles con algoritmos escalables de enrutamiento, significando que la complejidad computacional asociada con el establecimiento de una ruta de saltos múltiples para una nueva conexión virtual escala linealmente con el número de nodos en la rejilla, es decir, la complejidad computacional por nodo es independiente del número de nodos en la rejilla. Aunque la descripción anterior contiene muchas especificidades, éstas no deben ser interpretadas en el sentido de limitar los alcances de la invención. Por ejemplo, algunos de los enlaces entre pico-celdas pueden ser enlaces convencionales de comunicaciones tales como alambre de par trenzado o cable coaxial o fibra óptica en vez de enlaces ópticos de comunicaciones de espacio libre. Asimismo, algunos de los enlaces entre los usuarios y las estaciones de base pueden ser enlaces convencionales de comunicaciones distintos de RF. Por ejemplo, todos los usuarios en un edificio de oficinas pueden ser conectados por cable coaxial o alambre de par trenzado con una estación de base en la parte superior del edificio que utiliza el equipo existente de comunicaciones en el edificio. Asimismo, puede ser conveniente establecer un sistema de comunicaciones como el descrito en la presente y convertir gradualmente los enlaces entre las estaciones de base de ópticos de espacio libre a fibra óptica. De esta manera, los alcances de la invención deben ser determinados por las reivindicaciones anexas y sus equivalentes legales, mas que por los ejemplos dados.