光ネットワークのためのシステム、装置及び方法

本開示は、概して、光通信システムを対象としている。より具体的には、本開示は、アジャイル(agile)ビームベースの保護スイッチングを用いる自由空間光ネットワークに関する。

自由空間光(FSO)システムは、光ビームを光学的に用いて互いに通信するようなネットワークノードを含む。FSOシステムは、無線周波数(RF)通信システムよりもはるかに高いデータレートを提供することができる。FSOシステムは、大抵の場合、RFシステムに関連するスペクトル利用制限を受けない。また、FSOシステムは、典型的には、RFシステムよりも低い検出確率及び高いジャム(jam)耐性を提供する。しかしながら、大気中で使用する場合に、FSOシステムは、雲や、霧、及び他の障害物による妨害を受け易く、FSOシステムは、乱気流によって澄んだ大気中であっても深刻なフェージングに悩まされる。

これらの問題に対する従来の解決策は、光リンクレベル、ハイブリッドRF/光リンク、及びネットワークベースの保護アプローチにおける補償(mitigation)手法を含む。リンク補償手法は、典型的には、補償光学、前方誤り訂正、インターリーブ、及び光自動利得制御等の機能を含む。しかしながら、これらの補償手法を用いても、FSOシステムは、大抵の場合、澄んだ空気中であっても許容可能な性能を提供するのが困難なことがある。光通信が失敗した場合に、ハイブリッドRF/光学リンクは、RF通信にフォールバックされるが、RFリンクは、光リンクより大幅に少ない帯域幅及びスループットしか有さないので、それによって、システムのスループットが低下する。リンクベースの補償は、大きなバッファに一般的に依存するネットワークベースのアプローチ、光リンクが回復したときの再送信、及び機械的なビーム操作を使用する新しい光リンクの確立によって増強される。

残念ながら、これらの手法によって、典型的には大きなレイテンシーが導入され、大規模なネットワークに対する拡張性が制限される。また、サイズ、重量、及び電力(SWaP)の検討と併せたコストは、ネットワークノードで使用される、特に航空機及び地上車両等の移動プラットフォームで使用される光端末の数を制限する(従って、光リンクの数を制限する)。これは、典型的には、機械的なビーム操作を使用する場合に非実用的なバックアップ経路を維持することを強いている。

本開示は、アジャイルビームベースの保護スイッチングを用いる自由空間光ネットワークを提供する。とりわけ、このアプローチは、上述した問題の1つ、いくつか、又は全てを克服するような、通信に失敗した通信リンクについてネットワークベースの補償手法をサポートすることができる。このアプローチは、上述した問題等のリンクベースの補償手法と組み合わせて使用することもできる。

第1の実施形態では、システムは、複数のネットワークノードを含むネットワークを有しており、各ノードは、自由空間光通信用に構成される。各ネットワークノードは、光ビームが、光リンクを通じて送受信されるときに通過する1つ又は複数の開口部を含む。光リンクは、(i)ノード同士の間で高レートのトラフィックを転送するトラフィックリンクと、(ii)他のノードの位置に関する情報を確立し且つ維持するために使用される低レート信号を転送する捕捉/追跡リンクとを含む。各ネットワークノードは、ネットワークを通じて1つ又は複数のバックアップ経路を決定するように構成されたネットワークプロセッサも含む。各ネットワークノードは、バックアップ用トラフィックリンクを形成するために、トラフィックリンクから捕捉/追跡リンクに光ビームをリダイレクトするように構成されたビーム操作ユニットをさらに含む。

第2の実施形態では、装置は、ネットワークノードとの自由空間光通信を行うように構成された光通信端末を含む。この光通信端末は、光ビームが、光リンクを通じて送受信されるときに通過する1つ又は複数の開口部を含み、ここで光リンクは、(i)高レートのトラフィックを転送するトラフィックリンクと、(ii)ネットワークノードの位置に関する情報を確立し且つ維持するために使用される低レート信号を転送する捕捉/追跡リンクとを含む。装置は、ネットワークを通じて1つ又は複数のバックアップ経路を決定するように構成されたネットワークプロセッサも含む。また、装置は、バックアップ用トラフィックリンクを形成するために、トラフィックリンクから捕捉/追跡リンク上に光ビームをリダイレクトするように構成されたビーム操作ユニットを含む。

第3の実施形態では、方法は、第1のネットワークノードにおいて第2のネットワークノードと光学的に通信するとともに、光トラフィックリンクを通じて第1の光ビームを送受信することにより第2のネットワークノードとデータを交換するステップを含む。この方法は、光捕捉/追跡リンクを通じて第2の光ビームを送受信することによって、第1のネットワークノードにおいて第3のネットワークノードを光学的に追跡するステップも含む。この方法は、ネットワークを通じて1つ又は複数のバックアップ経路を決定するステップをさらに含む。さらに、この方法は、バックアップ用トラフィックリンクを形成するために、トラフィックリンクから捕捉/追跡リンクに第1の光ビームをリダイレクトするステップを含む。 他の技術的特徴は、以下の図面、詳細な説明、及び特許請求の範囲から当業者に容易に明らかになるであろう。

本開示に係る自由空間光(FSO)通信ネットワークの例を示す図である。

FSOネットワークでの通信経路の例を示す図である。

本開示に係る関連する無線周波数/マイクロ波ネットワークでの通信経路の例を示す図である。

本開示に係るFSOネットワークでの保護スイッチングの例を示す図である。

本開示に係るFSO及びRF/マイクロ波機能の両方を用いるネットワークノードの例を示す図である。

本開示に係るFSO光学ベンチの例を示す図である。

本開示に係るFSO光学ベンチの例を示す図である。

本開示に係る光開口部の配置の例を示す図である。

本開示に係るFSOネットワークでの保護スイッチングに使用されるバックアップ経路を計算するための方法の例を示す図である。

本開示に係るFSOネットワークでの保護スイッチングの方法の例を示す図である。

本開示及びその特徴のより完全な理解のために、ここで、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明について参照を行う。 以下で説明する図1〜図8、及び本特許文書において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、例示のためだけに存在しており、いかなる場合であっても本発明の範囲を限定するように解釈すべきではない。当業者は、本発明の原理が、適切に構成された装置又はシステムのいかなるタイプであっても実施できることを理解するであろう。

図1には、本開示に係る自由空間光(FSO)通信ネットワーク100の例が示されている。図1に示されるように、ネットワーク100は、互いに光学的に通信するような様々なノードを含む。この例では、ノードは、衛星102−104、航空機106、陸上車両108、及び水上車両110を含む。各衛星102は、地球の周りの静止軌道上に任意の適切な構造を含む。各衛星104は、地球の低空軌道及び地球の中空軌道上に任意の適切な構造を含む。各航空機106は、有人航空機や無人航空機(UAV)等の一定の期間に亘って空中に留まることが可能な任意の適切な構造を含む。各陸上車両108は、戦車、人員輸送車又は装甲車等の地上を移動することが可能な任意の適切な構造を含む。各水上車両110は、船舶や潜水艦等の水上又は水中を移動することが可能な任意の適切な構造を含む。

図1に示されるように、様々な通信リンク112が、ネットワーク100のノード同士102−110の間に存在する。これらの通信リンク112は、ノード102−110が互いに光学的に通信するのを可能にするような光通信リンクを含む。これらの通信リンク112は、ノード102−110が非光学的な電磁波を用いて互いに通信するのを可能にするような無線周波数(RF)、マイクロ波、又は他の非光学的な電磁通信リンクを含んでもよい。簡潔にするために、全ての非光学的な電磁通信リンクは、RFリンクと呼ぶことにする。通信112リンクは、任意の適切なレート(複数可)でデータ転送をサポートすることができる。

本開示によれば、ノード102−110は、互いにRF通信範囲にいるノードについてRFメッシュネットワークと組み合わせた空間的なアジャイル(agile)なFSOビームの使用をサポートする。空間的なアジリティ(agility)とは、FSOビームを、2つの方向を結ぶ経路を一掃することなく、ある方向から別の方向に迅速に(約0.5秒未満で)再指向させることを意味する。光開口部(aperture)から送信されるビームの挙動に加えて、空間的なアジリティは、光開口部が入射ビームを受け取る方向にも適用される。ノード102−110内の光端末は、光フェーズドアレイ(OPAs)又は他の適切な要素を使用して、それら送信ビーム及び受信ビームの方向を電子的に制御する。これによって、様々な方向にデータを光学的に送受信するために、ノード102−110がそれら光通信を指向及び再指定させることが可能になる。あるノードとの通信が劣化又は中断した場合に、送信ビーム及び受信ビームの方向を急速に(1秒の何分の1で)変化させて、別のノードとの通信が可能になる。これによって、ノード102−110がほぼ劣化又は中断した通信リンク112のトラフィックを非常に迅速に再ルーティングすることが可能になり、通信デッドタイム(dead time)及びデータ損失を大幅に削減することができる。いくつかの実施形態では、トラフィックは、約10ミリ秒又はそれ以下で、単一の障害のある通信リンクの近くに再ルーティングすることができ、その再ルーティングは、機械的な操作を使用して光ビームを再指向するような従来のシステムよりもはるかに高速である。これは、FSOネットワーク100に「保護スイッチング」を提供する。保護スイッチングは、第1の通信経路中の障害等のいくつかの条件に応じて、ノードが、第1の通信経路から第2の通信経路に切り替わるようなネットワーク機能を指す。

図1には、FSO通信ネットワーク100の一例が示されているが、様々な変更を図1の実施形態に対して行ってもよい。例えば、ネットワーク100は、図1に示されている全てのタイプのノード102−110を含む必要はない。アジャイルビーム操作を使用して保護スイッチングをサポートする光通信は、任意の適切なタイプ(複数可)のノードと共に使用することができる。特定の例として、光通信は、航空機同士の間でのみ、或いは航空機と、地上車両又は水上車両との間で行われる可能性がある。単一のノードタイプ又は複数のノードタイプの組合せは、この機能を使用することができる。

図2Aには、FSOネットワークでの通信経路の例が示されており、図2Bには、本開示に係る関連するRF/マイクロ波ネットワークでの通信経路の例が示されている。特に、図2A及び図2Bには、複数の航空機106を含むようなネットワークにおける通信経路の例が示されている。当然ながら、図2A及び図2Bに示されるネットワークは、図1に示されるような他の又は追加のタイプ(複数可)のノードを含むことができる。

図2Aには、複数の航空機(ノード106)の間での光トラフィックリンク112a及び光追跡リンク112bによって形成された光通信ネットワークの例が示されている。ノード同士間の光通信レートは、1Gbps,10Gbps、又はそれ以上に達する可能性がある。図2Bに示されるように、ノード106同士の間のRF通信リンク112cは、同じノード106を利用して並列又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、低いデータレートで光通信ネットワークに関連する(制御プレーンデータ等の)情報を転送する、光通信リンクが障害を受けた場合に、特定のデータを転送する、又はRFネットワーク上でのみ搬送することを意図したデータを転送するために使用することができる。RFネットワークは、FSOネットワークをサポートすることを特に意図したシステム、又は別個のシステムとしてRF通信を提供するように最初から意図したネットワークとすることができる。

特定の実施形態では、ノード102−110を伴うトラフィックリンク112aを通じた主光データ通信は、そのノード内の通信開口部を使用して生じるが、可能な代替の光通信リンクは、そのノード内の小さく、より低コストの捕捉/追跡開口部を使用して識別され且つ維持される。これらの捕捉/追跡開口部は、隣接ノードとの光追跡リンク112bを維持する。捕捉/追跡開口部は、通信開口部によって使用される主光リンクが劣化又は中断した場合に使用される潜在的なバックアップ光リンクの識別をサポートする。主光リンクの劣化又は中断が発生した場合に、電子ビーム操作が、捕捉/追跡開口部を使用して追跡される代替ノードに通信開口部をリダイレクトするために使用され、それによって、バックアップ光リンクを迅速に確立する。捕捉/追跡開口部は、通信開口部よりも複雑でなく、それによって、捕捉/追跡開口部は、通信開口部よりも低コストでより小さいサイズ、重量、及び電力(SWaP)特性を有することができる。捕捉/追跡開口部は、潜在的な通信リンクの品質に関する情報を入力部に提供して、計算アルゴリズムをルーティングすることができる。しかしながら、後述するように、単一の通信開口部を使用して、主光リンクを通じたデータの通信だけでなく潜在的なバックアップ光リンクの識別の両方をサポートすることができる。

図2A及び図2Bに示されるように、ノード106同士の間に複数のタイプの光リンク112が存在する。図2Aでは、光リンクは、トラフィックリンク112a及び追跡リンク112bを含む。トラフィックリンク112aを確立する前に、追跡リンク112bは、2つのノードの間の正確な指向性を維持するために存在する。リンク112a,112b及びノード106の集合は、大規模通信システムのサブネットワークであるFSOネットワークを形成する。このFSOネットワークでは、光フェーズドアレイ(OPA)操作を、高速の、アジャイルビームの再指向のために使用することができる。トラフィックリンク112aは、光接続を通じて高レートでデータを転送し、且つノード同士の間でデータを交換するための光経路を表す。追跡リンク112bは、既存の通信リンクが劣化又は切れた場合に、通信リンクに潜在的に転換することができる経路を表す。いくつかの実施形態では、FSOネットワーク内の各ノードは、少なくとも1つの光端末を含む。特定の実施形態では、各光端末は、所定の時間内のいかなる場合でも1つのトラフィックリンク112a及び複数の追跡リンク112bをサポートすることができる。後述するように、リンク112bを使用して現在追跡されていないノードにバックアップ通信リンクを確立することも可能である。

図2Bに示されるように、様々なRFリンク112cが、FSOネットワークの一部である同じノード106の間にも存在する。リンク112cは、ノード同士の間のRF、マイクロ波、又は他の無線通信を表す。リンク112c及びノード106は、同じ大規模通信システムのRFサブネットワークを形成する。特定の実施形態では、RFフェーズドアレイは、互いの通信範囲内に全てのノードについてメッシュネットワークを形成するために、開口部あたり複数のビームを形成し、又はアジャイル操作について、複数のノード間でビームをホッピングするために使用することができる。RFサブネットワークは、既存のトラフィックリンク112aの状況等の光リンク状態情報、追跡リンク112bによって監視されるような潜在的なバックアップリンクの予想される性能、及びリンク112bを介して光学的に追跡されていない、RF範囲内のノードについての位置及び状態情報を搬送する制御プレーンとして使用することができる。RFサブネットワークは、光接続することなく、互いの接触を維持するようにノードによって使用することもできる。いくつかの実施形態では、RFサブネットワークは、FSOネットワークをサポートするために特に実装することができる。他の実施形態では、RFサブネットワークは、既存のRFネットワーク、又はその主な目的がRF通信トラフィックを搬送するような他のネットワークであってもよい。

図3には、本開示に係るFSOネットワークにおける保護スイッチングの例が示されている。図2A及び図2Bに示されるネットワークにおいて、各ノードは、少なくとも1つの主経路(トラフィックリンク112a)と、監視されている少なくとも1つの潜在的なバックアップ経路(追跡リンク112b)とを含む。障害がトラフィックリンク112aで検出された場合に、ノードの通信開口部は、電子操作を使用して、追跡リンク112bによって監視されている経路を通じて新たなトラフィックリンク112を確立するように再構成することができる。追跡リンク112bによって接続されたノードは、それらの相対位置(指示方向)及びリアルタイムでそれらノード同士の間の経路の状態を維持することができるので、互いに向けたそれら通信開口部の再指向及びそれらノード同士の間のアクティブなトラフィックリンクの確立を、非常に迅速に生じさせることができる。

この例は、図3に示されており、ここでは、2つの障害302−304が、種々のノードの間の2つのアクティブなトラフィックリンク112aと干渉する又はこれらトラフィックリンク112aを遮断する。その結果、影響を受けたノードは、それら追跡リンク112bによって監視されている1つ又は複数の代替経路を使用して新しいトラフィックリンクを確立する。この例では、2つのトラフィックリンク112aの遮断によって生じた停止期間は、単一の新しいトラフィックリンク112aを確立して、リングネットワークであったネットワークを線形ネットワークに効果的に変換することによって修復することができる。しかしながら、これは、必ずしもこのケースに必要ではなく、複数の遮断は、複数のバックアップリンクを確立するために、大抵の場合ビームのより複雑なリダイレクトを必要とする。一般に、任意の適切な数のバックアップ用トラフィックリンク112a’は、FSOネットワーク内のノード同士の間の通信を維持するために、追跡リンク112bによって監視されている経路に沿って確立することができる。

いくつかの実施形態では、専用の捕捉/追跡開口部が、継続的に追跡するためにノードで使用され、他のノードの空間的な捕捉/又は位置を特定する目的のために、ビーコン又は他の信号を他のノードに提供し、続いてそれらノード同士の間の追跡リンク112bを維持することができる。これは、トラフィックリンク112aが、それらのノード同士の間で確立されていない場合でも、発生する可能性がある。光追跡装置は、追跡するためにビーコン又は他の信号(通信波長である)を必要とするので、追跡リンク112bの両端におけるノードは、互いに認識しており、両方のノードが、互いにそれらのビーコンを指向させ、同時に正確な相対位置を維持できることを意味している。

他の実施形態では、追跡機能は、通信開口部を使用し、専用の捕捉/追跡開口部は、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112aが維持されているノードと、潜在的なバックアップ光リンク112bについて追跡されているそれらノードと間の通信開口部の送受信方向を瞬間的にホッピングすることによって更新することができる。これは、トラフィックリンク112a上での情報の高スループットを維持するために、非常に高速なビーム再指向を行うことを含んでもよい。ビーコン源及びビーコン受信機が、適切な時間に互いに狙いを定める(aimed)ような一時的な調整を含んでもよい。

上述したように、RFサブネットワークを使用して、ノード同士間の制御プレーンの情報を送信することができる。制御プレーン情報は、実装態様に応じて様々な情報を含むことができる。例えば、制御プレーン情報は、ノード同士の間の空間的及び時間的に調整する過渡的な往復ビームを指向させるための情報を含むことができ、情報は、ノードが互いにそれら光システムを再指向し且つビーコン信号又は他の信号を交換することが可能な情報を意味する。この情報を使用して、ネットワークを介してアクティブな光経路のバックアップルートを事前にプランニングする(preplan)ことができる。潜在的なリンクの光学的状態が連続的に変化するので、保護経路の計算は、連続して行うことになり得る。RFサブネットワークは、光トラフィックリンク112aが利用できない場合に、優先度の高い制限された量のトラフィックを転送するために使用することもできる。RFサブネットワークは、監視されているリンク112a−112bに関する性能情報を転送する、及び追跡リンク112bを用いることなく、ノードに関する状態情報を提供するために使用され、それによって、必要に応じて追跡リンク112bを迅速に確立することができる。特定の実施形態では、ノードは、複数のビームを形成/受信し又は複数のノード間で単一ビームをホッピングするために、RFフェーズドアレイアンテナを含む。これは、RF端末ハードウェアの効率的な使用、及び多数の同時RFリンクの使用を提供する。他の実施形態では、機械的に操作されるRF指向性アンテナを使用することができる。さらに他の実施形態では、無指向性RFアンテナを使用することができる。

特定の実施形態では、ノードは、以下のように作動され、トラフィックリンク112aでのドロップアウトを処理する: (1)ノードは、リンク112a−112b上のそれら既存の光接続を介して及びそれらRFリンク112cを介して、トラフィックリンク112aでの使用容量及び空き容量に関する情報を交換する。遮断されたリンクについてトラフィックを再ルーティングするための第1のセットのプランを、既存のトラフィックリンク112aの空き容量のみを用いた場合について計算することができる。これは、末端間の経路が、遮断されたトラフィックについて見つけられるため、ネットワーク動作である。これをサポートするために、ノードは、情報を交換し、(IPルーティングプロトコルの動作と同様に)任意の停止期間の前に、バックアップ経路に集中(converge)させることができる。 (2)適切なバックアップ経路が、既存のトラフィックリンク112aの空き容量を使用して、1つ又は複数の主リンク112aの潜在的な障害について見つけることができない場合は、バックアップトラフィック経路についての第2のセットのプランを、トラフィックリンク112aを使用せずに、ノードを接続する既存の追跡リンク112bからの情報に基づいて接続ノードを計算する。この制御プレーン情報は、光接続に直接的に提供される又はRFサブネットワークによって提供することができる。 (3)適切なバックアップ経路が、既存の追跡リンク112bを用いる経路に亘って見つけることができない場合に、第3のセットのプランは、RFリンクを112cのみを使用して接続されたノードを組み込むように計算する。この第3のセットのプランは、上記ステップ(2)で説明した第2のセットのプランに対応するネットワーク規模のバックアッププランが確立されるまで、それらの追跡リンク112bを他のノードにリダイレクトするために、1つ又は複数のノードを必要とする。追跡リンク112bによって接続されていないノードの位置や状態は、RFサブネットワークにより提供され、RFサブネットワークは、その場合に所定時間内に、光接続を有しない又は制限された光接続を有するノードを含む。 (4)短い(例えば、0.1秒未満)ドロップアウトについて、保護スイッチングを無視することができる。リンクレベルの補償(mitigation)によって、このタイプのドロップアウトのいくつか又は全てを補償することができる。エンドユーザは、損失データを無視するか、又は損失データを再送信することができる。 (5)中間持続期間(例えば、0.1秒から1秒)のドロップアウトについて、トラフィックは、上述したステップ(1)でプランニングしたように既存のトラフィックリンク112a上の空き容量を使用して再ルーティングすることができる。空き容量が不足しているが、バックアップ経路が存在する場合に、優先度の低いトラフィックを廃棄することができ、優先度の高いトラフィックが、利用可能な空き容量を利用することができる。バックアップ経路がいくつかのリンクに存在していない場合に、プロセスは、ステップ(6)に移動する。 (6)設定持続時間(例えば、1秒)を超える長いドロップアウトについて、又は既存のバックアップ経路が存在しない状態の中間持続期間のドロップアウトについて、トラフィックリンクは、上述したステップ(2)又はステップ(3)で決定されるように、新しい経路上にリダイレクトすることができる。ステップ(3)のプランは、極端な状況で必要とされるかもしれないが、バックアップ経路の連続的な再計算によって、ステップ(3)による第3のセットのプランではなくステップ(2)による第2のセットのプランの使用が可能にする。理想的には、既存の追跡リンク112b上のバックアップトラフィック経路及びトラフィックリンク112aのスイッチングの使用は、最小のデータ損失で迅速に発生させることができる。

図2A及び図2Bには、FSOネットワークにおける通信経路の例が示されているが、種々の変更を図2A及び図2Bの実施形態に対して行ってもよい。例えば、FSOネットワークは、適切な構成の任意の数のノード及び任意のタイプ(複数可)のノードを含むことができる。また、ノード同士間のリンク112a−112cは、変化することができ、環境条件、物理的な障害、トラフィック状態、及びノード位置等の様々な要因に応じて常に変化してもよい。図3には、FSOネットワークの保護スイッチングの一例が示されているが、様々な変更を図3の実施形態に対して行ってもよい。再び、FSOネットワークは、適切な構成の任意の数のノード及び任意のタイプ(複数可)のノードを含むことができる。また、リンクの停止期間は、示されるよりもトラフィックリンクの異なる再構成を必要とするような、任意の場所(複数可)で及びネットワークの任意の組合せで発生することがある。また、トラフィックリンク112aか追跡リンク112bかに拘わらず光経路の遮断は、トラフィックリンク112aの変化に加えて、1つ又は複数の追跡リンク112bの再構成をトリガすることができる。

図4には、本開示に係るFSO及びRF/マイクロ波機能の両方を備えたネットワークノードの例が示されている。特に、図4には、FSOネットワークのネットワークノードに位置するハイブリッド「光プラスRF」光端末400の例が示されている。ここで、端末400は、図1のFSOネットワーク100内のノード102−110のいずれかで使用することができる。端末400は、他の適切なノードで又は他の適切なシステムで使用することもできる。

図4に示されるように、端末400は、ネットワークノード制御装置402、RFシステム又は端末404、1つ又は複数の光システムや端末406、及びネットワークプロセッサ408を含む。制御装置402は、ノードに位置する端末404−406の動作を含むノードの全体的な動作を制御する。例えば、制御装置402は、RF端末404及び光端末406を制御して、端末400によるデータの送信又は受信を制御することができる。制御装置402は、端末の起動及びシャットダウン、端末及びリンク状況の監視及び報告、端末の設定、及びネットワークプロセッサ408によって指示された場合に、ネットワークプロセッサ408で計算され且つ格納された主ルーティングプラン及びバックアップのルーティングプランを実行する等の機能に応答する。制御装置402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、又は特定用途向け集積回路を含む処理システム等の通信端末を制御するための任意の適切な構造を含む。

ネットワークプロセッサ408は、ネットワークのトポロジーと、ノード及びリンクの状態とを維持するように動作する。ネットワークプロセッサ408は、バックアップルートの分散型計算に関与し、その結果を格納する。バックアップルートの計算は、ノード間での連携及び情報交換を使用して、複数のノード400間で実行される分散型プロセスを表すことができる。ネットワークプロセッサ408は、(ローカル又はリモートで生じ得る)停止期間の場合に実施される保証手順をさらに決定する。また、ネットワークプロセッサ408は、そのノードに位置するRF端末404と1つ又は複数の光端末406との間でトラフィックを分配する。プロセッサ408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、又は特定用途向け集積回路を含む処理システム等の、ネットワーク組織をサポートするための任意の適切な構造を含む。

RF端末404は、リンク112cを通じたRF通信を使用して他のノードとの通信を提供する。RF端末404は、FSOネットワークの動作をサポートするように特に設計してもよく、又はそのRF端末は、FSOネットワークに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ってもよい。この実施例では、RF端末404は、RF電子部品410、RFアンテナ412、及び検出(discovery)アンテナ414を含む。RF電子部品410は、無線送信用の信号を生成する又は無線で受信した信号を処理するための様々な機能を実行する。特定の例として、RF電子機器410は、フィルタ、増幅器、ミキサ、モデム、又はRF信号を生成及び受信するために使用される他の部品を含むことができる。マルチパスフェージングに対抗するための又はフェーズドアレイアンテナの使用をサポートするための信号合成等の他の機能もサポートすることができる。RF電子部品410は、他の複数のノードとのデータ交換をサポートするような、モバイルアドホックネットワーク(MANET)及び共通データリンク(CDL)機能を含むことができる。RF電子部品410は、RF又は他の無線電磁信号を使用して他のノードとの通信を容易にする任意の適切な構造を含む。

RFアンテナ412及び検出アンテナ414は、他のノードとの間のRF信号の送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412は、他のノードとの通信及び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、検出アンテナ414は、RF通信を確立する目的のために、アンテナ414のRF通信範囲内に入ってくる新しいノードを見つけて識別するために使用される。RFアンテナ412は、フェーズドアレイアンテナ等の他のノードとの間でデータを通信するための任意の適切な構造を含む。検出アンテナ414は、無指向性放射構造等の新しいノードから信号を受信するための任意の適切な構造を含む。フェーズドアレイアンテナ等のアンテナの使用は、複数のRFビームを様々な方向に同時に送信するためのビーム形成等の他の機能をサポートすることができることに注意されたい。

光端末406は、リンク112a−112bを通じた光通信を使用して、他のノードとの通信を提供する。この実施例では、光システム406は、光トランシーバ416、光学ベンチ418、及び電子ビーム操作アセンブリ420を含む。光トランシーバ416は、一般的に、データを送信用の光信号に変換し、且つ受信した光信号をさらに処理するためのデータに変換するように動作する。光トランシーバ416は、光モデム等の、光信号との間でデータを変換するための任意の適切な構造を含む。一体型光トランシーバが、ここに示されているが、光トランシーバ416は、光送信機及び別個の光受信機を使用して実装することができることに注意されたい。

光学ベンチ418は、光トランシーバ416との間で送信された光ビームを処理するための様々な機能を実行する。例えば、光学ベンチ418は、光をコリメートし、電子ビーム操作アセンブリ420に向けて光を導くための構成要素を含むことができる。光学ベンチ418は、捕捉/追跡リンク112bに関連する追跡機能を実行するための構成要素も含むことができる。光学ベンチ418は、光トランシーバとの間で送信された光ビームを変更するための任意の適切な構造を含む。光学ベンチ418の例示的な実施形態は、以下で説明する図5A及び図5Bに示されている。

電子ビーム操作アセンブリ420は、出射される送信ビーム及び入射される受信ビームを操作するように構成される。電子ビーム操作アセンブリ420は、従って、送信ビーム方向及び受信ビーム方向を変化させることができる。送信ビーム方向は、出射ビームが端末400から離れる方向に送信される方向を表す。受信ビーム方向は、入射ビームが端末400で受信された方向を表す。電子ビーム操作アセンブリ420は、1つ又は複数の光フェーズドアレイ及び1つ又は複数の回折格子等の入射及び出射光ビームを導く及びリダイレクトするための任意の適切な構造を含む。電子ビーム操作アセンブリについての可能な設計は、米国特許第7,215,472号、米国特許第7,428,100号、及び(参照により本明細書に組み込まれる)米国特許出願公開第2012/0081621号に示されている。ラピッドビーム及びアジャイルビームの再指向を提供する任意の他のビーム操作装置を用いることができる。

図5A及び図5Bには、本開示に係るFSO光学ベンチ418の例が示されている。図5A及び図5Bに示されるように、光学ベンチ418は、光トランシーバ416の1つ又は複数の光送信器502及び1つ又は複数の光受信器504に光学的に結合される。複数の光送信機及び光受信機は、波長分割多重(WDM)が所定のトラフィックリンクで使用される場合に、用いることができる。各光送信器502は、一般的に、通信用の出射光信号を生成するように動作し、各光受信器504は、一般的に、入射した光信号を更なる処理のために他の形態(電気信号等)に変換するように動作する。追加の部品は、光送信器502と光学ベンチ418との間のエルビウムドープトファイバ増幅器(EDFA)、又は光受信機504と光学ベンチ418との間の光学自動化利得制御(OAGC)増幅器や低ノイズ光増幅器等の光トランシーバ416において使用することができる。

図5Aは、通信開口部を介して生じる光通信をトラフィックリンク112aを通じて提供するように適合された光学ベンチ418の例であるが、光追跡リンク112bは、上述したように別個の捕捉/追跡開口部を介して操作される。この実施形態では、電子ビーム操作アセンブリ420Aは、光トラフィックリンク112aのためだけに使用され、電子ビーム操作アセンブリ420Bは、追跡リンク112bのためだけに使用される。電子ビーム操作アセンブリ420A−420Bは、例えば、特定の用途のコスト及び性能要件に応じて同じ又は異なる設計から形成してもよい。

図5Aでは、光学ベンチ418は、1つ又は複数の送信ファイバコリメータ506を含む。コリメータ506は、光ファイバ中を伝搬する光送信器502からの光を自由空間におけるコリメートされた光ビームに変換する。いくつかの実施形態では、1つ又は複数の差動操作要素508によって、適切な方向(複数可)にコリメートされた出射ビームを光ダイプレクサ/マルチプレクサ510に導く。差動操作要素508の目的は、送信及び受信のための指向角のオフセットを補償することである。他の実施形態では、同様の機能は、差動操作要素508を受信経路に配置することによって行うことができる。差動操作要素508は、微細操作ミラー又はOPAs等の任意のタイプの高精度の操作部品を含んでもよい。ダイプレクサ/マルチプレクサ510は、送信及び受信ビームを分離し、WDMが使用される場合に、(受信用に)様々な波長チャネルに分離し、及び(送信用に)様々な波長チャネルを組み合わせる。ダイプレクサ/マルチプレクサ510は、出射ビーム(複数可)を電子ビーム操作アセンブリ420Aに導く。

1つ又は複数の入射ビームは、光ダイプレクサ/マルチプレクサ510において電子操作アセンブリ420Aから受信される。ダイプレクサ/マルチプレクサ510によって、入射ビーム(複数可)を1つ又は複数の受信ファイバコリメータ512に導く。コリメータ512は、入射ビーム(複数可)の光を光ファイバに焦点を合わせを行い、このビーム(複数可)を光受信機504に案内する。

各コリメータ506,512は、光をコリメートするための任意の適切な構造を含む。差動操作要素508は、光を所望の方向に導くための任意の適切な構造(複数可)を含む。ダイプレクサ/マルチプレクサ510は、例えば、偏光、波長、及び伝搬方向等の特性に基づいて、異なる光ビームに対して異なる光経路を提供するための任意の適切な構造を含む。この実施例では、送信ビームは、操作要素508から操作アセンブリ420Aに導かれるが、受信ビームは、操作アセンブリ420Aからコリメータ512に導かれる。特定の実施形態では、ダイプレクサ/マルチプレクサ510は、WDMマルチプレクサ/デマルチプレクサを含む。

図5Aに示される実施例では、光学ベンチ418は、追跡/捕捉センサ514、追跡ビーコン源516、及びビーコン/センサダイプレクサ518を含む。電子ビーム操作アセンブリ420Bを使用して、ビーコンを他のノードに導くことができる。捕捉/追跡センサ514は、そのノードから受信したビームに基づいて、別のネットワークノードとのリンク112bを光学的に見つけて確立するために使用される。これは、典型的には、正確な閉ループ/追跡によっておおよその決定方向から移行(遷移)するような空間捕捉と呼ばれる相互プロセスによって進められる。一旦追跡が確立されると、その追跡は、追跡リンク112bとして維持される。随意に、操作アセンブリ420Aを使用して、トラフィックリンク112aを同じノードに追加することができる。同一のセンサ514によって又は別個のセンサ514によって、空間捕捉及び追跡機能を行うことができる。このようなセンサ514の例は、象限検出器、焦点面アレイ、若しくは他の光学位置及び角度センサを含む。

追跡ビーコン源516は、ビーコンを生成して、離れたノードに向けられた光ビームを提供し、この離れたノードがローカルノードを捕捉し且つ追跡するのを可能にする。ビーコン源516は、レーザ等の任意の適切なビーコン源を含んでもよく、そのビーコン源は、変調信号を生成して、低データレート情報をリンク112bを通じて離れたノードに提供することができる。このような情報の例は、ローカルノードの状況及び追加のトラフィックを搬送するためのその能力を含むことができる。ビーコン/センサダイプレクサ518を使用して、光ダイプレクサ/マルチプレクサ510と同様に、入射ビーコンから出射ビーコンを分離する/入射ビーコンと出射ビーコンとを結合することができる。他の実施形態では、ビーコン/センサダイプレクサ518は必要とされず、捕捉/追跡センサ514及び/追跡ビーコン516は、それぞれ、独自の電子ビーム操作アセンブリ420Bを有している。

図5Bに示される実施形態では、光トラフィックリンク112a及び追跡リンク112bの両方は、同じ電子ビーム操作アセンブリ420を共有する。上述したように、これらの実施形態では、複数のノードとの追跡リンク112bを維持することは、電子ビーム操作アセンブリ420を使用して、トラフィックリンク112aに関連するノードと追跡リンク112b(複数可)が維持されるノードとの間の通信開口部の送信/受信方向を迅速に変更することを含む。これは、通信と追跡機能との間の操作アセンブリ420のタイムシェアリングを伴うが、そのシェアリングによって、使用されるアセンブリの数が減る。電子ビーム操作アセンブリ420は、依然としてリンク(複数可)112aについて十分なトラフィック搬送能力を維持したまま、リンク112bについて正確な追跡情報を維持するのに十分速く、離れたノード同士の間でホッピングすることができる。

図5Bの実施形態では、トラフィックリンク112aについてのアセンブリ及び機能は、図5Aとほぼ同じである。1つの相違は、捕捉/追跡センサ514及び追跡ビーコン516を操作アセンブリ420によって制御される単一の開口部に結合するのに役立つようなビームスプリッタ/コンバイナ520の導入である。ビームスプリッタ/コンバイナ520は、(トラフィックリンク112a又は追跡リンク112bからの)入射ビームのごく一部を分離し、図5Aと同様に行われるように、その分離したビームを捕捉/追跡センサ514に導く。ビームスプリッタ/コンバイナ520は、追跡ビーコン源516の出力も取り込み、その出力を離れたノードに送信するためにビーム経路に挿入する。追跡ビーコン源516は、図5Aの実施形態と同様に実行され、データを提供するために変調される。

他の実施形態(図5A又は図5Bのいずれか)では、ビーコン源516は、トラフィックリンク112aに関連するノードから除外してもよい。これは、送信トラフィックビームによって、この目的を果たすことができるからである。

さらに他の実施形態は、図5Bのビームスプリッタ/コンバイナ520が、図5Aの実施形態に追加されるような図5A及び図5Bの組合せを含む。この構成では、電子ビーム操作アセンブリ420Bは、ノードを捕捉し、トラフィックリンク112aを介して通信されていないノードとの追跡リンク112bをサポートするためにのみ使用される。端末400は、通信しているノードを追跡するために(ビームスプリッタ/コンバイナを介して)トラフィックリンク112aの受信ビームを使用し、その送信トラフィックビームは、ビーコンとして機能する。この実施形態では、追跡ビーコン源516とビームスプリッタ/コンバイナ520との間の接続は、必要とされず、1つの捕捉/追跡開口部を解放して追加の追跡リンク112bをサポートする。

図6は、端末400に関連する開口部(aperture)の配置600例が示されている。図6に示されるように、この配置600は、通信開口部602及び複数の捕捉/追跡開口部604を含む。開口部602は、トラフィックリンク112a用のデータを含むビームが送受信されるような開口部を表す。開口部604は、捕捉/追跡リンク112b用のビーコン又は他の信号を含むビームが送受信されるような開口部を表す。

ここに示されているように、通信開口部602は、捕捉/追跡開口部604よりも大きい。これは、高データレートのトラフィックリンク112aがより大きな開口部及びより高い送信電力の組合せを必要とするので典型的な状況であるが、追跡リンク112bは、これら追跡リンクが狭帯域電子部品を用いているので、より小さな開口部及びビーコン送信電力を有することができる。開口部602−604の最適なサイズは、特定の用途に応じて変えることができる。開口部604についての典型的なサイズは、1センチメートル(cm)〜5cmの範囲であるが、各開口部602についての典型的なサイズは、2cm〜30cmの範囲とすることができる。(参照として組み込まれる)米国特許出願公開第2012/0081621号は、図6の開口部を緊密に充填するのを可能にするような、電子ビーム操作アセンブリの非常にコンパクトな設計を提供する。

図4〜図6には、FSOネットワークにおけるノードの詳細な例が示されているが、様々な変更を図4〜図6の実施形態に対して行ってもよい。例えば、図4〜図6に示される機能部分は説明のためだけのものである。各図面中の種々の構成要素は、再配置し、組み合わせ、さらに細分化し、又は省略することができ、特定の必要性に応じて追加の構成要素を追加することができる。具体的な例として、電子ビーム操作アセンブリ420は、ビーム拡大機能を組み込むことができ又は光学ベンチ418の一部とすることができる。

図4〜図7には、FSOネットワークにおけるノードの詳細な例が示されているが、様々な変更を図4〜図7の実施形態に対して行ってもよい。例えば、図4〜図7に示される機能部分は説明のためだけのものである。各図中の種々の構成要素は、再配置し、組み合わせ、さらに細分化し、又は省略することができ、特定の必要性に応じて追加の構成要素を追加することができる。具体的な例として、ビーム操作アセンブリ422は、ビーム拡大鏡420の一部及び/又は光学ベンチ418の一部に組み込まれ、これらを形成することができる。

図7には、本開示に係るFSOネットワークにおける保護スイッチングに使用されるバックアップ経路を計算するための方法700の例が示されている。ネットワーク接続をより効率的に維持するのに役立ち且つ損失データを低下させる又は最小限にするために、方法700は、ネットワークトポロジー、トラフィックパターン、及びリンク状態の変化に対応するために継続的に反復することができる。方法700の少なくとも1つの反復は、保護スイッチングを実行する前に、完了することができる。

第1のセットのバックアップ経路が、ステップ702で識別される。これは、例えば、空き容量を識別するために確立されたトラフィックリンク112aの状態を使用する、ノード内のネットワークプロセッサ408を含むことができる。既存のトラフィックリンク112aを通じた空き容量の使用は、障害を受けたトラフィックリンクの近くにトラフィックを再ルーティングするための最速のメカニズムを示し得る。このステップがステップ704で適切な迂回経路を成功裏に識別したと想定すると、このプロセスは、別の反復のためにループされる。ここでの成功は、識別されたバックアップ経路が、トラフィック容量及び主リンクと同じリスクを共有していないバックアップリンクに関してシステムを完全に保護するのに十分であるかどうかを判断する等の任意の適切な方法で評価することができる。

そうでない場合は、第2のセットのバックアップ経路が、ステップ706で識別される。これは、例えば、トラフィックリンク112aではなく追跡リンク112bを用いるノード同士の間の接続を使用する、ノード内のネットワークプロセッサ408を含むことができる。トラフィックリンク112aを追跡リンク112の上にリダイレクトすることは、サービスを回復するための第2の最速のメカニズムを示し得る。これは、ステップ708で適切な迂回経路を成功裏に識別したと想定すると、このプロセスは、別の反復のためにループされる。

そうでない場合は、第3セットのバックアップ経路が、ステップ710で識別される。これは、例えば、バックアップ経路を識別するために、RFリンク112cを使用するノード内のネットワークプロセッサ408を含むことができる。それ自体によるこのバックアッププランは、迅速な保護スイッチングをもたらさない可能性があるので、バックアップ経路が追跡リンク112bによって維持されるように、トラフィックリンク112aに関連していない追跡リンクをリダイレクトするようなステップ712に続く。このプロセスは、次に、別の反復のためループされる。

図7には、FSOネットワークにおける保護スイッチングに使用されるバックアップ経路を計算するための方法700の一例が示されるが、様々な変更を図7の実施形態に対して行ってもよい。例えば、一連のステップとして示されているが、図7の様々なステップを、重複させる、並行して行う、異なる順序で行う、又は1つのプロセスサイクル内で複数回行うことができる。また、様々なステップは、特定のニーズや用途に応じて省略又は追加することができる。特定の例として、任意の適切な技術又はアルゴリズムを使用して、バックアップ経路及び最適なネットワークトポロジーのために、どの隣接ノードをトラフィックリンク112a及び追跡リンク112bを介してリンク付するかを選択することができる。

図8には、本開示に係るFSOネットワークにおける保護スイッチングのための方法800の例が示されている。ただし、保護スイッチングのための他の機構を、FSOシステムで使用することもできることに注意されたい。方法800は、リンクの遮断又はノードに障害が発生した場合に、端末間のネットワーク接続を回復するために、トラフィックリンク112a及び追跡リンク112bの再配置を含むようなトラフィックの再ルーティングをサポートする。効率性を増大する又は最大化するために、特に速度に関して、方法800を実行する前に、方法700の少なくとも1つの反復を、完了する又は少なくとも部分的に完了してもよい。方法800は、図2A及び図2Bのネットワークの例を用いて容易に可視化することができるが、気象に関連するリンク遮断やノードの故障等の何らかの障害によってトラフィックの中断を受ける全てのネットワークに一般的に適用される。

方法800は、ステップ802で定常状態のネットワークのトポロジーで開始する。ここでは、光トラフィックリンク112a、光追跡リンク112b、及びRFリンク112cが確立され、ネットワークのノード同士の間で動作する。方法800の進行は、次に、トラフィックの中断の持続時間によって判定される。

比較的頻繁に発生し得る短いドロップアウト(例えば、0.1秒未満)は、ステップ804において、リンクベースの補償手法(前方誤り訂正、インターリーブ、補償光学、光自動利得制御等)の使用によって処理される。ステップ804は、(可能ではあるが)ネットワークベースの補償を必要としない場合がある。

停止時間が第1の閾値(例えば、0.1秒)を超えた場合に、方法800は、既存の光トラフィックリンクの空き容量を使用して、遮断リンク又は無効ノード等の障害の近くにトラフィックを再ルーティングするようなステップ806に進む。利用可能な容量が遮断されたトラフィックの全てを搬送するのに十分でない場合は、優先順位の低いトラフィックは、廃棄されるか、又は後で送信するためにキューイングすることができる。

停止時間が第2の閾値(例えば、1秒)を超えた場合に、システムは、バックアップトラフィック経路を確立するために、光トラフィックリンクをもともと確立されていた追跡リンクの上にリダイレクトするようなステップ808に進む。電子ビーム操作を使用して、新しいトラフィックリンク112aを迅速に(例えば、50ミリ秒未満)確立することができる。ステップ808は、方法700のステップ706が成功裏に完了したことを前提としており、ステップ808が、方法800の間に計算された第2のセットのバックアップ経路を使用することを意味する。そうでない場合は、方法800は、第2又は第3のセットのバックアップ経路の形成を待機するステップ810に進むが、光トラフィックリンクをもともと確立されていた追跡リンクの上にリダイレクトするためにバックアップ経路を使用することが指摘される。

方法800の完了後、ネットワークは、再び定常状態になる。障害によって、方法800が終了し又はノードの位置が十分に変化することをトリガしなかった場合に、ネットワークは、方法700の経路計算及び方法800の手順に基づいて、そのネットワーク自体をより有利なトポロジーに積極的に再構成することができる。図8は、閾値の例(0.1秒及び1秒)を提供するが、最適値は、例えばネットワークを実現する詳細に基づいて設定することができる。

図8には、FSOネットワークにおける保護スイッチングのための方法800の一例が示されるが、種々の変更を図8の実施形態に対して行ってもよい。例えば、一連のステップとして示されているが、図8の様々なステップを、重複させる、並行して行う、別の順序で行う、又は複数回行うことができる。また、様々なステップは、特定のニーズや用途に応じて省略又は追加することができる。特定の例として、図8は、システムが、最初に光リンク補償を使用し、次に既存のトラフィックリンク上に再ルーティングすることにより、及び次に新たなトラフィックリンクを形成することにより、障害を克服しようと試みるアプローチを説明する。このアプローチは、最初に既存のトラフィックリンク上で再ルーティングを試みることなく又は追跡リンクが確立されるのを待たずに光リンク補償が失敗した後に、新しいトラフィックリンクが確立される場合に、必要とされない。

いくつかの実施形態では、上述した様々な機能は、コンピュータ可読プログラムコードから形成された及びコンピュータ可読媒体によって具現化されるコンピュータプログラムによって実装され又はサポートされる。用語「コンピュータ可読プログラムコード」は、ソースコード、オブジェクトコード、及び実行可能なコードを含む任意の種類のコンピュータコードを含む。用語「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータによってアクセス可能な、読取り専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク(CD)、デジタルビデオディスク(DVD)、又は他のタイプのメモリ等の任意のタイプの媒体を含む。「非一時的な」コンピュータ可読媒体は、一時的な電気的又は他の信号を転送する有線、無線、光、又は他の通信リンクを除外する。非一時的なコンピュータ可読媒体は、データを永久に保存することができる媒体、及び上書き可能な光ディスク又は消去可能なメモリ装置等のデータが保存され且つ後で上書きすることができる媒体を含む。

なお、本特許文書全体を通して使用される特定の単語や語句の定義を記載することが有利となり得る。用語「含む、有する(include)」及び「備える、有する、含む(comprise)」だけでなくそれらの派生語は、限定することなく含むことを意味する。用語「又は」は、包括的な意味で用いられ、「及び/又は」を意味する。語句「〜に関連する」だけでなくその派生語は、「〜内に含まれる」、「〜と相互接続される」、「〜を含む」、「〜内に含まれる」、「〜に又は〜と接続される」、「〜に又は〜と結合する」、「〜と通信可能になる」、「〜と協同する」、「〜をインターリーブする」、「〜を並置する」、「〜に近接する」、「〜に又は〜と接合される」、「〜を有する」、「〜という性質を有する」、「〜との関係を有する」等を含む。アイテムのリストと共に使用される場合に、語句「〜の少なくとも1つ」は、列挙されたアイテムの1つ又は複数の異なる組合せを用いてもよく、そのリスト内の1つのアイテムのみが必要とされてもよいことを意味する。例えば、「A、B、及びCのうちの少なくとも1つ」は、「A」、「B」、「C」、「A及びB」、「A及びC」、「B及びC」、及び「A、B及びC」の組合せのうちのいずれかを含む。

本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法について説明したが、これらの実施形態及び方法の変更及び置換は当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態についての上述した説明は、本開示を規定又は制約するものではない。以下の特許請求の範囲によって規定されるように、他の変更、置換、及び変更は、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく可能である。