DE69737465T2

DE69737465T2 - Punkt-zu-mehrpunkt Weitbereichskommunikationsnetz durch atmosphärische Laserübertragung mittels eines entfernten optischen Routers

Info

Publication number: DE69737465T2
Application number: DE69737465T
Authority: DE
Inventors: Mark A. No. 43 Bryan Doucet; David L. Bryan Panak
Original assignee: Dominion Communications LLC
Current assignee: Dominion Communications LLC
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: DE69737465D1; US5786923A; DE69735357T2; EP0965190A1; EP0965190B1; EP1213857B1; AU2549097A; EP1213857A1; WO1997037445A1; DE69735357D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen kabellose Telekommunikationsnetzwerke und insbesondere ein Breitbandkommunikationsnetzwerk, das eine atmosphärische oder Freistahllaser-Übertragung verwendet.
Ein Telekommunikationsnetzwerk ist in GB 2 261 575 offenbart, in dem optische Telekommunikationsverbindungen zwischen Teilnehmerstationen und den zugeordneten lokalen Stationen gebildet sind.
Breitbandkommunikationsanwendungen, wie z.B. interaktives Fernsehen, Videotelefonie, Videokonferenz, Videonachrichten, Video on Demand, High Definition-Fernsehen (High Definition Television; HDTV) und Hochgeschwindigkeitsdatendienste benötigen breitbandige Übertragungsnetzwerke zwischen und zu den verschiedenen Teilnehmern. Das derzeitige Telekommunikationsnetzwerk, das als das Public Switched Telephone Network (PSTN) oder als das einfache alte Telefonsystem (Plain Old Telephone System; POTS) bezeichnet wird, ist derzeit das einzige kabelgebundene Netzwerk, das fast der gesamten Bevölkerung zugänglich ist. Dieses System, obwohl idealerweise geeignet und konstruiert für eine Punkt-zu-Punkt-Übertragung und eine Jeder-mit-Jedem-Verbindung, wurde durch die Verwendung von Sprache, Fax und Datenkommunikation nahezu überladen.
Das PSTN weist heute primär digitale Schaltsysteme auf, und eine Übertragung über die Ortsanschlußleitung erfolgt typischerweise entweder durch T1 kupferbasierende Zuführsysteme oder faseroptische Kabelsysteme. Jedoch ist die Teilnehmeranschlußleitung noch primär eine ungeschirmte Twisted-Pair (UTP)-Kupferverkabelung, die eine begrenzte Kapazität aufweist. Daher ist die physikalische Natur des Systems stark bandbreitenbeschränkt, mit Datenübertragungen typischerweise in dem Bereich von 9.600 bis 28.800 Bit pro Sekunde. Daher können Hochgeschwindigkeitsbreitbandanwendungen nicht brauchbar auf POTS-Technologie basieren.
Neue hartverdrahtete Systeme, wie z.B. ISDN (Integrated Services Digital Network), und faseroptische Netzwerke bieten bidirektionale Hochgeschwindigkeitsverbindungen, die vielen Privatpersonen zugänglich sind. Jedoch kann ISDN selbst keine ausreichende Bandbreite für viele Breitbandkommunikationsanwendungen bereitstellen. Darüber hinaus erfordert ISDN, daß die meisten Teilnehmer mit aufgerüstetem Kupferdraht verbunden sind. Ein faserbasierendes Netzwerk, wie z.B. Fiber to the Curb (FTTC) und Fiber to the Home (FTTH), erfordert, daß neue faseroptische Kabel zu jedem Teilnehmer verlaufen. Die Kosten des Implementierens eines fa seroptischen Netzwerks durch die Vereinigten Staaten wäre sehr teuer. Andere Alternativen zum Erhöhen der Kapazität von bestehenden Netzwerken schließen unter anderem ein: ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) und HFC (Hybrid Fiber Coax).
Eine Alternative zu hartverdrahteten Netzwerklösungen ist eine kabellose Lösung. Die meisten derzeit existierenden Verfahren zur kabellosen Telekommunikation basieren auf Übertragungsverfahren in dem elektromagnetischen Spektrum. Ein Beispiel eines kabellosen Übertragungsmediums ist das Direct Broadcast Satellite (DBS)-System, wie z.B. "DirecTV". Im allgemeinen sind Übertragungssysteme weit verbreitet und zahlreich. Jedoch ist die verfügbare Bandbreite zunehmend durch die schiere Anzahl von Teilnehmern beschränkt, insbesondere mit dem schnellen Wachstum auf dem Mobilfunkmarkt. Das Ergebnis dieser "Bandüberfüllung" ist, daß die kabellosen elektromagnetischen Systeme nicht in der Lage sind, das unersättliche Bedürfnis der Öffentlichkeit nach Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation zu erfüllen.
Ein weiteres Verfahren für breitbandige Punkt-zu-Punkt-Kommunikation verwendet Laser in einem Punkt-zu-Punkt-System, das eine einzige kontinuierliche, bidirektionale, atmosphärische Hochgeschwindigkeits-, Mehrkanal-Verbindung bildet. Laserbasierte kabellose Systeme wurden entwickelt zur Bildung von Punkt-zu-Punkt-, bidirektionaler und Hochgeschwindigkeitstelekommunikation durch die Atmosphäre. Die Reichweite für solche Systeme beträgt typischerweise 0,5 bis 1,2 Meilen, wobei einige einen Bereich von vier Meilen und mehr aufweisen. Der längste atmosphärische Verbindungspfad, der mit einem Punkt-zu-Punkt-System erzielt wurde, überschritt hundert Meilen. Diese Ein-Pfad-Systeme erfordern einen Laser und Übertrageoptiken an jedem Ende der Verbindung. Die Verbindungen sind in der Lage, bidirektionale Hochgeschwindigkeitskommunikation in einigen der rauhesten Wetterbedingungen aufrecht zu erhalten. Jedoch liegen die Kosten solcher Systeme typischerweise in dem Bereich von 10.000 Dollar bis 20.000 Dollar, was sie für die meiste Heim- und Geschäftsanwendung ungeeignet macht.
Daher ist ein kabelloses, laserbasierendes Telekommunikationssystem erwünscht, das es einer Anzahl von Teilnehmern ermöglicht, sich einen Kommunikationspfad zu einer großen Anzahl von Teilnehmern zu teilen. Weiterhin ist ein kabelloses, laserbasierendes Telekommunikationssystem erwünscht, das die Kosten für jeden Teilnehmer reduziert, jedoch trotzdem eine bidirektionale, breitbandige Hochgeschwindigkeits-Weitbereichstelekommunikation bereitstellt. Ein System ist erwünscht, das keine großen Installationskosten von ISDN und Faseroptiken erfordert und das keines der elektromagnetischen Übertragungsbänder für die mobilen Kommunikationssysteme benötigt. Solch ein Netzwerk könnte in einer breiten Auswahl an Anwendungen, wie z.B. Telefonie, Datenkommunikation, wie z.B. das Internet, Telekonferenzen, Radioübertragung und verschiedene Fernsehanwendungen, wie z.B. Kabelfernsehen, HDTV und interaktives Fernsehen, verwendet werden.
Die Erfindung und eine bestimmte Ausführungsform davon werden in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung weist ein bidirektionales Punkt-zu-Mehrpunktweitbereichskommunikationsnetzwerk auf, welches einen atmosphärischen optischen Übertragungsweg einsetzt. Das Netzwerk weist eine primäre Transceivereinheit, einen optischen Router und eine Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten auf. Die primäre Transceivereinheit erzeugt einen ersten Lichtstrahl, der erste modulierte Daten aufweist. Der optische Router empfängt den ersten Lichtstrahl und demoduliert die ersten Daten. Der optische Router moduliert die ersten Daten auf einen zweiten Lichtstrahl und überträgt den zweiten Lichtstrahl an die Teilnehmer-Transceivereinheiten. Der optische Router demoduliert, moduliert und überträgt an jede der Teilnehmer-Transceivereinheiten auf eine zeitlich gemultiplexte Weise.
Die Teilnehmer-Transceivereinheiten empfangen den zweiten Lichtstrahl und demodulieren die ersten Daten. Jede Teilnehmer-Transceivereinheit weist eine optische Antenne oder andere optische Empfänger/Sender auf. Die optische Antenne ist vorzugsweise durch ein faseroptisches Kabel mit einer Eingabe-/Ausgabeeinrichtung, wie z.B. einer Set-Top-Box oder einem Anzeigesystem, z.B. einem Computer oder einem Fernseher, verbunden.
In der anderen Richtung übertragen die Teilnehmer-Transceivereinheiten atmosphärisch einen dritten Lichtstrahl, der zweite modulierte Daten aufweist, an den optischen Router. Der optische Router demoduliert die zweiten Daten, moduliert die zweiten Daten auf einem vierten Lichtstrahl und überträgt den vierten Lichtstrahl an die primäre Transceivereinheit. Die primäre Transceivereinheit empfängt und demoduliert die zweiten Daten. Der optische Router demoduliert, moduliert und überträgt an jede der Teilnehmer-Transceivereinheiten auf eine zeitlich gemultiplexte Weise. Dadurch werden bidirektionale Übertragungskanäle zwischen der primären Transceivereinheit und der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zum Übertragen von Daten in jeder Richtung gebildet.
Die bevorzugte Ausführungsform des optischen Routers weist eine sekundäre Transceivereinheit, eine Mehrzahl von Transceivermodulen und einen elektronischen Router zum Routen von Daten zwischen der sekundären Transceivereinheit und der Mehrzahl von Transceivermodulen auf, um die Übertragungskanäle zwischen der primären Transceivereinheit und der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu bilden. Die sekundäre Transceivereinheit sendet und empfängt Lichtstrahlen einschließlich Daten mit der primären Transceivereinheit und die Trans ceivermodule senden und empfangen Lichtstrahlen einschließlich Daten an und von den Teilnehmer-Transceivereinheiten. Die Transceivermodule weisen einen X-Y-Strahlablenker zum Ablenken der Lichtstrahlen zu einem Teil der Teilnehmer-Transceivereinheiten auf eine zeitlich gemultiplexte Weise auf.
In einer alternativen Ausführungsform des optischen Routers lenkt der optische Router die Lichtstrahlen einfach neu zwischen der primären Transceivereinheit und den Teilnehmer-Transceivereinheiten auf eine zeitlich gemultiplexte Weise, statt einem Demodulieren und Neu-Modulieren der Daten. Der alternative optische Router verwendet einen Spiegel und einen Linsensatz, um die Lichtstrahlen neu zu lenken.
Daher weist die vorliegende Erfindung ein laserbasierendes atmosphärisches Kommunikationsnetzwerk auf, welches breitbandige, bidirektionale Verbindungen mit einer Mehrzahl von Teilnehmern bereitstellt. Die vorliegende Erfindung stellt ein breitbandiges, bidirektionales, optisches Kommunikationsnetzwerk mit signifikant reduzierten Infrastrukturkosten bereit. Ein Netzwerk aus solchen Netzwerken, welche mehrere optische Router und mehrere primäre Transceivereinheiten aufweisen, wird darüber hinaus durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann erhalten werden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Verbindung mit den folgenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
1 ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Weitbereichstelekommunikationsnetzwerk darstellt, welches eine atmosphärische Laserübertragung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet,
2 die überlappende Abdeckung darstellt, die durch die Verwendung von mehreren optischen Routern in dem Netzwerk aus 1 erzielt wird,
3 ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Weitbereichstelekommunikationsnetzwerk darstellt, welches eine atmosphärische Laserübertragung gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet,
4 die bevorzugte Ausführungsform des optischen Routers in dem Netzwerk aus 1 darstellt, die nicht durch die Ansprüche gedeckt ist,
5 eine ebene Ansicht eines Transceivermoduls aus 4 ist, die nicht durch die Ansprüche gedeckt ist,
6 ein Blockdiagramm des optischen Routers aus 4 ist, mit einem detaillierten Blockdiagramm der sekundären Transceivereinheit,
7 den optischen Router in dem Netzwerk aus 3 darstellt,
8 die primäre Transceivereinheit aus 1 und 3 darstellt,
9 eine Teilnehmer-Transceivereinheit aus 1 und 3 darstellt,
10 ein Blockdiagramm eines Teils einer alternativen Ausführungsform der Teilnehmer-Transceivereinheit aus 9 ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Zur allgemeinen Information über breitbandige Telekommunikations- und optische Datenverbindungswege, siehe bitte Lee, Kang und Lee, Broadband Telecommunications Technology, Artech House, 1993. Siehe bitte auch Davis, Carome, Weik, Ezekiel und Einzig, Fibre Optic Sensor Technology Handbook, Optical Technologies Inc., 1982, 1986, Herndon VA.
Das Netzwerk
Gemäß 1 ist ein Punkt-zu-Punkt-Mehrpunkt-Weitbereichstelekommunikationsnetzwerk 100 gezeigt, das einen atmosphärischen Lichtstrahl oder eine Laserübertragung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Netzwerk 100 weist vorzugsweise eine primäre Transceivereinheit 120, einen optischen Router 110 und eine Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten 130A bis 130N auf (kollektiv als 130 bezeichnet). In einer alternativen Ausführungsform weist das Netzwerk 100 nur den optischen Router 110 und die Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten auf. Die vorliegende Erfindung stellt ein breitbandiges, bidirektionales Kommunikationsnetzwerk mit reduzierten Infrastrukturkosten zur Verfügung, d.h. kein Kabel und keine Faser muß in der Teilnehmeranschlußleitung, d.h. zu den Teilnehmern, verlegt werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Teilnehmer-Transceivereinheiten an Teilnehmerorten angeordnet, wie z.B. Häusern oder Firmen. Der optische Router 110 ist inmitten oder nahe bei den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 angeordnet und der optische Router kommuniziert optisch mit den Teilnehmereinheiten 130. Der optische Router 110 weist einen zugeordneten Bereich an Verfügbarkeit auf, wobei der optische Router 110 in der Lage ist, mit Teilnehmer-Transceivereinheiten zu kommunizieren, die innerhalb eines kreisförmigen Bereichs um den optischen Router 110 angeordnet sind. In der bevorzugten Ausführungsform liegt der Bereich an Verfügbarkeit ungefähr zwischen 2000 und 4000 Fuß. Es wird jedoch angeregt, daß größere und kleinere Bereiche an Verfügbarkeit des optischen Routers 110 in dem Netzwerk der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Jede der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 ist auf einem Sichtlinienpfad relativ zu dem optischen Router 110 angeordnet.
Der optische Router 110 ist auf einem Sichtlinienpfad relativ zur primären Transceivereinheit 120 angeordnet. Der optische Router 110 ist vorzugsweise z.B. auf einem Pfosten, einem Gebäude oder einer anderen Struktur, die ungefähr 75 Fuß über Bodenniveau liegt, montiert. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen der primären Transceivereinheit 120 und dem optischen Router 110 ungefähr zwischen einer halben und zehn Meilen. Es wird jedoch angeregt, daß größere und kleinere Distanzen zwischen dem optischen Router 110 und der primären Transceivereinheit 120 in dem Netzwerk der vorliegenden Erfindung vorliegen können.
Die primäre Transceivereinheit 120 erzeugt einen ersten Lichtstrahl 140 und überträgt atmosphärisch den ersten Lichtstrahl 140 an den optischen Router 110. Alternativ empfängt die primäre Transceivereinheit 120 den ersten Lichtstrahl 140 von einem weiteren Transceiver (nicht gezeigt) und liefert oder richtet den ersten Lichtstrahl 140 an den optischen Router 110. In der bevorzugten Ausführungsform soll der Ausdruck "Lichtstrahl" alle verschiedenen Typen von Lichtübertragung umfassen, einschließlich Lasern, einer superfluoreszenten Lichtquelle oder anderem kohärenten und/oder nicht-kohärentem Licht oder eine andere optische Übertragung.
Die primäre Transceivereinheit 120 moduliert Daten auf den ersten Lichtstrahl 140, bevor der erste Lichtstrahl 140 an den optischen Router 110 übertragen wird. Daten können auf den ersten Lichtstrahl moduliert werden, wobei irgendeine von verschiedenen Techniken, einschließlich Zeit- und/oder Frequenz-Techniken, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden.
Der optische Router 110 empfängt atmosphärisch den ersten Lichtstrahl 140 einschließlich der von der primäre Transceivereinheit 120 gesendeten Daten und demoduliert die Daten, dann moduliert er die Daten auf und überträgt einen zweiten Lichtstrahl 845A–845N (kollektiv als 845 bezeichnet) an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Der zweite Lichtstrahl 845 enthält mindestens einen Teil der von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten. Die Teil nehmer-Transceivereinheiten 130 empfangen atmosphärisch den zweiten Lichtstrahl 845 und demodulieren die von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten von dem zweiten Lichtstrahl 845. Die vorliegende Erfindung unterscheidet zwischen verschiedenen Benutzern, d.h. sie teilt die Kommunikationsbandbreite, wobei Techniken, wie z.B. Time Division Multiple Access (TDMA) oder Frequency Division Multiple Access (FDMA) verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auch Code Division Multiple Access-(CDMA-)Techniken verwenden.
Die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 übertragen atmosphärisch einen dritten Lichtstrahl 855A bis 855N (kollektiv als 855 bezeichnet) an den optischen Router 110. Die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 modulieren Daten auf den dritten Lichtstrahl 855 und übertragen dann den dritten Lichtstrahl 855 an den optischen Router 110. Der optische Router 110 empfängt atmosphärisch den dritten Lichtstrahl 855 einschließlich der von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten und demoduliert die Daten, dann moduliert er die Daten auf und überträgt einen vierten Lichtstrahl 150 atmosphärisch an die primäre Transceivereinheit 120. Die primäre Transceivereinheit 120 empfängt den vierten Lichtstrahl 150 und demoduliert die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten von dem vierten Lichtstrahl 150. Alternativ stellt der optische Router 110 und/oder die primäre Transceivereinheit 120 den vierten Lichtstrahl 150 an einen weiteren Transceiver (nicht gezeigt) zur Demodulation zur Verfügung, wobei dieser weitere Transceiver mit der primären Transceivereinheit 120 in Verbindung steht.
Der optische Router 110 routet Daten zwischen der primären Transceivereinheit 120 und jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130, wodurch Kommunikationskanäle gebildet werden, d.h. Teilnehmer-Kanäle auf den Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Vorzugsweise bildet der optische Router 110 Teilnehmerkanäle auf eine zeitlich gemultiplexte Weise. Während einer ersten Zeitdauer bildet der optische Router 110 einen ersten Satz aus einem oder mehreren Teilnehmer-Kanälen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und einem ersten Satz aus einer oder mehreren Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Als nächstes bildet der optische Router 110 einen zweiten Satz an Teilnehmerkanälen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und einem zweiten Satz von Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 während einer zweiten Zeitdauer. Der optische Router 110 fährt auf diese Weise fort, wobei ein Zwei-Wege- oder bidirektionaler Teilnehmer-Kanal mit jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 in dem Verfügbarkeitsbereich des optischen Routers 110 gebildet wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berücksichtigt irgendeinen oder alle des ersten Lichtstrahls 140, des zweiten Lichtstrahls 845, des dritten Lichtstrahls 855 und des vierten Lichtstrahls 150, die eine Mehrzahl von verschiedenen Wellenlängen aufweisen, wobei Daten auf jede Wellenlänge der Lichtstrahlen moduliert werden, wodurch vorteilhafterweise die Bandbreite der Teilnehmerkanäle erhöht wird.
Das Netzwerk der vorliegenden Erfindung kann eine große Anzahl von Teilnehmern unterstützen. Eine Ausführungsform berücksichtigt in der Größenordnung von tausend Teilnehmer-Transceivereinheiten, die von einem einzigen optischen Router unterstützt werden.
Daher kann leicht beobachtet werden, daß durch Fortführen auf die zuvor beschriebenen Weisen die erwähnten Elemente ein kabelloses Punkt-zu-Mehrpunkt-Weitbereichstelekommunikationsnetzwerk bilden. Durch Bilden von Teilnehmer-Kommunikationskanälen auf eine gemultiplexte Weise, wobei atmosphärisch übertragene Lichtstrahlen verwendet werden, stellt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise ein Telekommunikationsnetzwerk bereit, das das Potential aufweist, preiswerter zu sein als derzeitige Lösungen, wie z.B. Kupferdraht- oder faseroptische Kommunikationsnetzwerke.
Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise ein viel preiswerteres Telekommunikationsnetzwerk zur Verfügung als ein Netzwerk, das ein Array an von Punkt-zu-Punkt-atmosphärisch übertragenen Lichtstrahlen aufweist.
Darüber hinaus vermeidet es die vorliegende Erfindung durch Verwenden von Lichtstrahlen als Verbindungsweg, um teure elektromagnetische Übertragungsbänder von mobilen Telekommunikationssystemen in Wettbewerb zu treten.
Zuletzt stellt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise ein Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung, welches viel weniger Leistung verbraucht als ein System, das einen im Winkel ausgebreiteten Lichtstrahl aufweist.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kommuniziert die primäre Transceivereinheit 120 Steuerinformationen an den optischen Router 110 und an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Die Steuerinformation für den optischen Router 110 enthält Information über die Winkelanordnung der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Die Steuerinformation enthält auch zeitliche Information, um den optischen Router 110 bezüglich des Multiplexens des Lichtstrahls zu informieren und somit die Teilnehmer-Kommunikationskanäle zu bilden. Die Steuerinformation für die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 enthält zeitliche Information, welche die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 anleitet, wann der dritte Lichtstrahl 855 an den optischen Router 110 übertragen wird. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt den ersten Lichtstrahl 140 und empfängt den vierten Lichtstrahl 150 gemeinsam gemäß der Steuerinformati on, welche die primäre Transceivereinheit 120 an den optischen Router 110 und die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 überträgt.
In der bevorzugten Ausführungsform des Netzwerks weist die primäre Transceivereinheit 120 einen Mastertaktgeber auf und verarbeitet zeitliche Steuerinformation, basierend auf zumindest einer Mehrzahl der folgenden Faktoren: der Datenpaketgröße, der lokalen Lichtgeschwindigkeit, der Anzahl an Teilnehmern, des Abstands zwischen der primären Transceivereinheit und dem optischen Router, des Abstands zwischen dem optischen Router und der entsprechenden Teilnehmer-Transceivereinheit, der Verarbeitungszeit der Teilnehmer-Transceivereinheiten, der Zeit, die dem elektronischen Router (unten diskutiert) zugeordnet ist und der Schaltgeschwindigkeit der X-Y-Strahlablenker (unten diskutiert).
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind der erste Lichtstrahl 140 und der vierte Lichtstrahl 150 im wesentlichen co-linear, so wie der zweite Lichtstrahl 845 und der dritte Lichtstrahl 855. Die co-lineare Lichtstrahlausführungsform ermöglicht vorteilhafterweise, daß viele der optischen Komponenten der primären Transceivereinheit, des optischen Routers und der Teilnehmer-Transceivereinheiten durch die Lichtstrahlen gemeinsam verwendet werden. In dieser Ausführungsform haben der erste Lichtstrahl 140 und der vierte Lichtstrahl 150 unterschiedliche Frequenzen oder Polaritäten, sowie der zweite Lichtstrahl 845 und der dritte Lichtstrahl 855, um auf vorteilhafte Weise ein Übersprechen zwischen zwei Lichtstrahlen zu vermeiden. In einer alternativen Ausführungsform liegen der erste Lichtstrahl 140 und der vierte Lichtstrahl 150 in enger Nähe, jedoch nicht co-linear wie der zweite Lichtstrahl 845 und der dritte Lichtstrahl 855.
Gemäß 2 wird nun ein Netzwerk mit einer Mehrzahl von optischen Routern gezeigt. Jeder optische Router hat einen zugehörigen Verfügbarkeitsbereich. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die optischen Router räumlich so angeordnet, daß die Verfügbarkeitsbereiche von einigen der optischen Routern überlappen. Das heißt, mehr als ein optischer Router ist in der Lage, einem gegebenen Teilnehmer zu dienen. 2 zeigt verschiedene Bereiche an Abdeckung und bezeichnet die Anzahl von optischen Routern, die einem Teilnehmer, der in dem Bereich angeordnet ist, dienen können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sucht eine Teilnehmer-Transceivereinheit, wenn eine Teilnehmer-Transceivereinheit einen Verlust an Empfang des ersten Lichtstrahls erfaßt, nach einem weiteren optischen Router, von dem er einen Dienst empfangen kann. Durch Bereitstellen einer überlappenden Abdeckung eines gegebenen Teilnehmers durch mehrere optische Router stellt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise ein Element an Redundanz bereit und daher an zuverlässigerem Betrieb.
In 2 sind drei optische Router gezeigt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung weder in der Anzahl von optischen Routern, die von einer gegebenen primären Transceivereinheit 120 bedient werden können, beschränkt, noch in der Anzahl von optischen Routern, die einer gegebenen Teilnehmer-Transceivereinheit 130 dienen können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die primäre Transceivereinheit 120 eine Mehrzahl von Lichtquellen auf, um eine Mehrzahl von ersten Lichtstrahlen zu erzeugen, um diese an eine Mehrzahl von optischen Routern zu übertragen. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die primäre Transceivereinheit 120 eine einzige Lichtquelle auf, um einen einzigen Lichtstrahl zu erzeugen und die primäre Transceivereinheit 120 ist so eingerichtet, daß sie den Lichtstrahl, der von der einzigen Lichtquelle erzeugt wurde, in mehrere erste Lichtstrahlen aufspaltet, die an eine Mehrzahl von optischen Routern übertragen werden. In beiden Ausführungsformen moduliert die primäre Transceivereinheit 120 Teilnehmerdaten auf jeden ersten Lichtstrahl.
Alternative Ausführungsformen
Gemäß 3 ist eine alternative Ausführungsform des Netzwerks 100 aus 1 gezeigt. Die Ausführungsform aus 3 ist ähnlich der Ausführungsform aus 1 und entsprechende Elemente sind zur Vereinfachung und Klarheit identisch bezeichnet. Der optische Router 110 aus 3 entspricht der in 7 gezeigten und unten beschriebenen alternativen Ausführungsform des optischen Routers 110. In der alternativen Ausführungsform richtet der optische Router den Lichtstrahl von der primären Transceivereinheit 120 auf die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 und lenkt die Lichtstrahlen von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 auf die primäre Transceivereinheit 120 um, statt die Daten zu demodulieren und neu zu modulieren. Der optische Router 110 empfängt den ersten Lichtstrahl 140 und lenkt den ersten Lichtstrahl 140 zu den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 um. Die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 empfangen den ersten Lichtstrahl 140 und demodulieren die von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten von dem ersten Lichtstrahl 140. Die vorliegende Erfindung unterscheidet zwischen verschiedenen Benutzern, d.h. sie teilt die Kommunikationsbandbreite, wobei Techniken, wie z.B. Time Division Multiple Access (TDMA) oder Frequency Division Multiple Access (FDMA) verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auch Code Division Multiple Access-(CDMA-)Techniken verwenden.
Die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 übertragen atmosphärisch einen zweiten Lichtstrahl 150A bis 150N (kollektiv als 150 bezeichnet) an einen optischen Router 110. Die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 modulieren Daten auf den zweiten Lichtstrahl 150 und übertragen dann den zweiten Lichtstrahl 150 an den optischen Router 110. Der optische Router 110 empfängt den zweiten Lichtstrahl 150 und lenkt den zweiten Lichtstrahl 150 an die primäre Transceivereinheit 120 um. Die primäre Transceivereinheit 120 empfängt den zweiten Lichtstrahl 150 und demoduliert die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten von dem zweiten Lichtstrahl 150. Alternativ stellen der optische Router 110 und/oder die primäre Transceivereinheit 120 den zweiten Lichtstrahl 150 an einen weiteren Transceiver (nicht gezeigt) zur Demodulation bereit, wobei dieser andere Transceiver mit der primären Transceivereinheit 120 in verbunden ist.
Der optische Router 110 lenkt die ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 während verschiedenen zeitlichen Perioden um, d.h. auf eine zeitlich gemultiplexte Weise. Mit anderen Worten bildet der optische Router 110 Kommunikationskanäle, welche die Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 in ausgezeichneten zeitlichen Scheiben aufweist. Daher bildet der optische Router 110 während einer ersten zeitlichen Periode einen ersten Teilnehmerkanal durch Umlenken des ersten Lichtstrahls 140 von der primären Transceivereinheit 120 zu einer ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 und Umlenken des zweiten Lichtstrahls 150 von der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 zu der primären Transceivereinheit 120. Als nächstes bildet der optische Router 110 einen zweiten Teilnehmerkanal zwischen der primären Transceivereinheit 120 und einer zweiten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 während einer zweiten zeitlichen Periode. Der optische Router 110 fährt auf diese Weise fort, einen Zwei-Wege- oder bidirektionalen Teilnehmerkanal mit jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 in dem Verfügbarkeitsbereich des optischen Routers 110 zu bilden.
Die alternative Ausführungsform des Netzwerks 100 ermöglicht eine alternative Multiplexart, wobei die primäre Transceivereinheit 120 so eingerichtet ist, daß sie einen ersten Lichtstrahl 140 erzeugt und/oder überträgt, der eine Mehrzahl von verschiedenen Wellenlängen aufweist, die den Teilnehmern entsprechen. Der optische Router 110 empfängt den Lichtstrahl und liefert jeden der Wellenlängenteile an die entsprechenden Teilnehmer. In dieser Ausführungsform weist der optische Router 110 ein Gitter, wie z.B. ein Beugungsgitter, auf, das die verschiedenen Frequenzen oder Spektren trennt und die verschiedenen Wellenlängenteile an die entsprechenden Teilnehmer bereitstellt. Zusätzlich ist jede Teilnehmer-Transceivereinheit so eingerichtet, daß sie einen zweiten Lichtstrahl mit einer oder mehreren entsprechenden einzigartigen Wellenlängen erzeugt. Der optische Router 110 lenkt die entsprechenden Wellenlängenlichtstrahlen der ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und den entsprechenden Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 um, d.h. auf eine frequenzgemultiplexte Weise. Anders ausgedrückt bildet der optische Router 110 Teilnehmerkommunikationskanäle auf den Lichtstrah len zwischen der primären Transceivereinheit 120 und den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 basierend auf verschiedenen Wellenlängenanteilen eines Lichtstrahls. Daher bildet der optische Router 110 einen ersten Teilnehmerkanal durch Umlenken eines ersten Wellenlängenanteils des ersten Lichtstrahls von der primären Transceivereinheit 120 zu einer ersten Teilnehmertransceivereinheit 130 und Umlenken des zweiten Lichtstrahls 150 mit der ersten Wellenlänge von der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 zu der primären Transceivereinheit 120. Gleichzeitig bildet der optische Router 120 einen zweiten Teilnehmerkanal zwischen der primären Transceivereinheit 120 und einer zweiten Teilnehmertransceivereinheit 130, wobei ein weiter Wellenlängenteil des ersten Lichtstrahls 140 und ein zweiter Lichtstrahl 150 mit der zweiten Wellenlänge verwendet wird. Der optische Router 110 arbeitet auf diese Weise, wobei ein Teilnehmerkanal mit Teilnehmertransceivereinheiten 130 in dem Verfügbarkeitsbereich des optischen Routers 110 gebildet wird. Durch Verwenden von mehreren Wellenlängenlichtstrahlen und FDMA-Techniken erhöht die Erfindung auf vorteilhafte Weise die für die Teilnehmer verfügbare Bandbreite.
Eine weitere alternative Multiplex-Ausführungsform ist denkbar, in der der optische Router 110 Teilnehmerkommunikationskanäle auf eine kombinierte zeitlich gemultiplexte und frequenzgemultiplexte Weise bildet. Ein Teilnehmer, der eine erhöhte Datenbandbreite benötigt, verwendet eine Teilnehmertransceivereinheit, die so eingerichtet ist, daß sie mehrere Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen empfängt, wodurch die für den Teilnehmer verfügbare Bandbreite multipliziert wird. In einer weiteren Ausführungsform verwendet die Erfindung Code Division Multiple Access-(CDMA-)Techniken, wobei bipolare Codes verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt eine alternative Ausführungsform des Netzwerks 100 mit einer unidirektionalen Datenübertragung, d.h. mit einer Ausstrahlung oder Punkt-zu-Mehrpunkt-Datenübertragung nur von der primären Transceivereinheit 120 und/oder dem optischen Router 110 zu den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. In dieser Ausführungsform erzeugen die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 keine Lichtstrahlen zurück durch den optischen Router 110 zu der primären Transceivereinheit 120. Weitere Aspekte dieser alternativen Ausführungsform sind so, wie sie oben in der bevorzugten Ausführungsform aus 1 und der alternativen Ausführungsform aus 3 beschrieben wurden. Diese alternative Ausführungsform ist als eine vorteilhafte Alternative zu derzeitigen Implementierungen von Ausstrahlungsfernsehen, insbesondere z.B. High Definition-Fernsehen oder Kabelfernsehen. Daher kann diese Ausführungsform ein reines Ausstrahlungs-(Einweg-)Netzwerk aufweisen. Alternativ kann das Netzwerk 100 einen anderen Rückgabepfad von den Teilnehmereinheiten 130 zu der primären Transceivereinheit 120, wie z.B. ein analoges Modem (POTS) oder ISDN verwenden.
Die vorliegende Erfindung zieht darüber hinaus eine alternative Ausführungsform des Netzwerks in Betracht, in der die primäre Transceivereinheit 120 im wesentlichen an dem glei chen Ort wie der optische Router 110 sitzt. Anders ausgedrückt sind die primäre Transceivereinheit 120 und der optische Router 110 im wesentlichen in einer einzigen Einheit kombiniert. In dieser Ausführungsform überträgt die Lichtquelle der primären Transceivereinheit 120 nur einige wenige Zoll oder Fuß bis in den optischen Router 110. Verschiedene Elemente der primären Transceivereinheit 120 und des optischen Routers 110 können in einer solchen Ausführungsform weggelassen oder kombiniert werden. In dieser Ausführungsform kann ein faseroptisches Kabel verwendet werden, um den Lichtstrahl direkt an den optischen Router 110 zu übertragen und daher wird eine getrennte primäre Transceivereinheit 120 nicht benötigt.
Der optische Router
Gemäß 4 ist die bevorzugte Ausführungsform des optischen Routers 110 in dem Netzwerk 100 (aus 1) gezeigt. Der optische Router 110 weist eine sekundäre Transceivereinheit 700 auf, die über einen elektronischen Router 190 mit einer Mehrzahl von Transceivermodulen 800A bis 800M (kollektiv als 800 bezeichnet) verbunden ist. Die Transceivermodule 800 sind mit einer kreisförmigen Rückwandplatine 889 verbunden. Der elektronische Router 790 ist mit den Transceivermodulen 800 über die Rückwandplatine 889 verbunden.
Das Transceivermodul 800A (repräsentativ für die Transceivermodule 800) hat einen Rückwandplatinenstecker 888, der das Transceivermodul 800A mit der Rückwandplatine verbindet. Das Transceivermodul 800A ist so eingerichtet, daß es den zweiten Lichtstrahl 845 überträgt und den Lichtstrahl 855 von einem Teil der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130, nämlich denjenigen Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 innerhalb eines Teils des kreisförmigen Bereichs um den optischen Router 110, empfängt. Die Transceivermodule 800 statten zusammen den optischen Router 110 mit einem 360°-Verfügbarkeitsbereich für die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 aus.
Ein Strahlablenksteuersystem 795 ist über die Rückwandplatine 889 mit den Transceivermodulen 800 zum Steuern der Ablenkung des zweiten Lichtstrahls 845 und des dritten Lichtstrahls 855 durch die Transceivermodule 800 verbunden. Das Strahlablenksteuersystem 795 ist auch mit dem elektronischen Router 790 verbunden und empfängt Strahlablenksteuerinformationen der primären Transceivereinheit 120 durch den elektronischen Router 790.
Der elektronische Router 790 empfängt Routing-Steuerinformation von der primären Transceivereinheit 120. Die Routing-Steuerinformation betrifft das Routing von Daten, die von der primären Transceivereinheit 120 durch die sekundäre Transceivereinheit 700 zu den verschiedenen Transceivermodulen 800 für eine atmosphärische Übertragung zu den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendet wurden. Umgekehrt betrifft die Routing-Steuerinformation das Routing von Daten, die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 von verschiedenen Transceivermodulen 800 zu der sekundären Transceivereinheit 700 für atmosphärische Übertragung zu der primären Transceivereinheit 120 gesendet wurden.
Die sekundäre Transceivereinheit 700 empfängt atmosphärisch den ersten Lichtstrahl 140 einschließlich der von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten und demoduliert die Daten. Die sekundäre Transceivereinheit 700 überträgt die von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten zu dem elektronischen Router 790. Der elektronische Router 790 routet die Daten von der sekundären Transceivereinheit 700 zu passenden der Transceivermodule 800. Für Zwecke der Erläuterung wird angenommen, daß das Transceivermodul 800A das passende Transceivermodul 800 ist. Das Transceivermodul 800A empfängt die Daten und moduliert die Daten auf den zweiten Lichtstrahl 845, der atmosphärisch an die passende Teilnehmer-Transceivereinheit 130A übertragen wird.
Umgekehrt empfängt das Transceivermodul 800A den dritten Lichtstrahl 855 einschließlich Daten von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130 und demoduliert die Daten. Das Transceivermodul 800A überträgt die von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A gesendeten Daten an den elektronischen Router 790. Der elektronische Router 790 routet die Daten von dem Transceivermodul 800A an die sekundäre Transceivereinheit 700. Die sekundäre Transceivereinheit 700 moduliert die von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A gesendeten Daten auf den vierten Lichtstrahl 150 und überträgt den vierten Lichtstrahl 150 atmosphärisch einschließlich der von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A gesendeten Daten an die primäre Transceivereinheit 120.
5
Gemäß 5 ist nun eine ebene Ansicht des Transceivermoduls 800A des optischen Routers 110 aus 4 gezeigt. Das Transceivermodul 800A weist eine Lichtquelle 862 auf, die so eingerichtet ist, daß sie den zweiten Lichtstrahl 845 erzeugt. Ein Strahlmodulator 864 empfängt Daten, die von der primären Transceivereinheit 120 gesendet wurden, von dem elektronischen Router 790 über den Rückwandplatinenstecker 888 und moduliert die Daten auf den zweiten Lichtstrahl 845. Der zweite Lichtstrahl 845 wird von einem X-Y-Strahlablenker 840 auf die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A abgelenkt.
Vorzugsweise ist der X-Y-Strahlablenker 840 ein Galvanometerspiegelpaar. Galvanometerspiegel sind bekannt, insbesondere aus dem Stand der Technik der Laserdrucktechnologie und dem Stand der Technik von Lasershows. Alternativ ist der X-Y-Strahlablenker 840 ein akustooptischer oder Festkörperstrahlablenker. Die Lichtquelle 862 des optischen Routers 110 weist vorzugsweise einen oder mehrere Dauerstrich- oder gepulste Strahllaser, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, auf, wie z.B. Gas-, Festkörper- oder Diodenlaser. Der Strahlmodulator 864 weist vorzugsweise eine elektrooptische Zelle auf. Alternativ kann der Strahlmodulator ein Modulator vom Bulktyp sein. die Lichtquellen- und Strahlmodulatorkonfiguration ist beispielhaft für diejenigen, die aus faseroptischen Kommunikationsverbindungsübertragungssystemen bekannt sind. Jedoch ist die Laserausgangsleistung typischerweise signifikant größer als diejenige, die in faseroptischen Systemen verwendet wird.
Während der X-Y-Strahlablenker 840 den zweiten Lichtstrahl 845 an die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A ablenkt, lenkt der X-Y-Strahlablenker 840 gleichzeitig den dritten Lichtstrahl 855 von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A auf einen Strahlteiler 880. Der Strahlteiler 880 teilt einen relativ großen Teil des dritten Lichtstrahls 855 zu einem Strahldemodulator 872 ab, der den dritten Lichtstrahl 855 empfängt und die von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130 gesendeten Daten von dem dritten Lichtstrahl 855 demoduliert. Der Strahldemodulator 842 überträgt die Daten durch den Rückwandplatinenstecker 888 an den elektronischen Router 790. Der Strahldemodulator 872 weist vorzugsweise eine Fotodiode auf, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Während eines ersten zeitlichen Abschnitts lenkt der X-Y-Strahlablenker 840 den zweiten Lichtstrahl 845 von der Lichtquelle 862 zu einer ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130A ab und lenkt den dritten Lichtstrahl 855 von der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130A zu dem Strahldemodulator 872 ab. Daher bildet das Transceivermodul 800A einen bidirektionalen Kommunikationskanal, wobei die zweiten und dritten Lichtstrahlen zwischen dem Transceivermodul 800A und der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130A für eine erste Zeitdauer verwendet werden. Daher weist der bidirektionale Kommunikationskanal zwischen dem Transceivermodul 800A und der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130A einen Teil des oben diskutierten Teilnehmerkanals zwischen der primären Transceivereinheit 120 und der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A auf. Während der nachfolgenden zeitlichen Perioden lenkt der X-Y-Strahlablenker 840 die zweiten und dritten Lichtstrahlen zu und von anderen Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 auf eine zeitlich gemultiplexte Weise ab.
Jedes der Transceivermodule 800 bildet bidirektionale Kommunikationskanäle, so wie sie gerade beschrieben wurden, zwischen dem gegebenen Transceivermodul und dem Teil der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130, die für das gegebene Transceivermodul verfügbar sind, auf eine zeitliche gemultiplexte Weise und gleichzeitig mit anderen Transceivermodulen. Auf diese Weise wird ein Teil eines kabellosen Punkt-zu-Mehrpunkt-direktionalen Weitbereichstelekommunikationsnetzwerks vorteilhafterweise zwischen dem optischen Router 110 und den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gebildet.
Der Strahlteiler 880 teilt einen relativ kleinen Teil des dritten Lichtstrahls 855 zu einem Strahlausrichtungsdetektor 852 ab, der den abgeteilten Teil des dritten Lichtstrahls 855 empfängt und eine Fehlausrichtung oder ein Wandern des dritten Lichtstrahls 855 von der Teilnehmer-Transceivereinheit 130 erfaßt, was auftreten kann und speichert die Strahlstabilisierungsinformation. Der Strahlausrichtungsdetektor 852 überträgt die Strahlstabilisierungsinformation durch die Rückwandplatine 888 über den elektronischen Router 790 an die sekundäre Transceivereinheit 700. Die sekundäre Transceivereinheit 700 überträgt die Strahlstabilisierungsinformation an die primäre Transceivereinheit 120. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt die Strahlstabilisierungsinformation an die gegebene Teilnehmer-Transceivereinheit, so daß die Teilnehmer-Transceivereinheit den Strahl passend gegenüber einer Fehlausrichtung und einem Wandern einstellen kann. Atmosphärische Turbulenzen und Dichteschwankungen entlang des atmosphärischen Pfades zwischen der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A und dem optischen Router 110 können zu einer Fehlausrichtung des dritten Lichtstrahls 855 auf dem X-Y-Strahlablenker 840 des Transceivermoduls 800A beitragen. Ähnlich können Ereignisse, wie z.B. eine Bodenverschiebung oder Turmschwankung die Positionen der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A oder des optischen Routers 110 relativ zueinander ändern.
6
Gemäß 6 ist nun ein Blockdiagramm des optischen Routers 110 aus 4 gezeigt, einschließlich eines detaillierten Blockdiagramms der zweiten Transceivereinheit 700. Ein Transceivermodul 800A ist mit dem elektronischen Router 790 über die Rückwandplatine 889 verbunden. Der elektronische Router 790 ist auch mit den anderen Transceivermodulen 800 (nicht gezeigt) verbunden. Der elektronische Router 790 ist mit dem Strahlablenksteuersystem 795 und mit der sekundären Transceivereinheit 700 verbunden.
Die sekundäre Transceivereinheit 700 weist eine optische Antenne 210 auf, die den ersten Lichtstrahl 140 von der primären Transceivereinheit 120 empfängt. Die optische Antenne 210 überträgt auch den vierten Lichtstrahl 150 an die primäre Transceivereinheit 120. Die optische Antenne 210 weist vorzugsweise ein optisches System mit einem konischen Spiegel auf, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Alternativ ist die optische Antenne 210 ein Sammellinsenssystem, das auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die optische Antenne 210 und zugeordnete Optiken konvergieren und rekollimieren den einfallenden ersten Lichtstrahl 140 auf einen relativ kleinen Durchmesser, vorzugsweise in dem Bereich von 1–3 mm. Umgekehrt empfängt die optische Antenne 210 einen vierten Lichtstrahl 150 mit relativ kleinem Durchmesser, der von einer Lichtquelle 362 erzeugt wird und weitet den vierten Lichtstrahl 150 auf und rekollimiert ihn für eine atmosphärische Übertragung an die primäre Transceivereinheit 120.
Die optische Antenne 210 empfängt atmosphärisch den ersten Lichtstrahl 140 einschließlich der von der primären Transceivereinheit 120 (aus 1) gesendeten Daten von der primären Transceivereinheit 120 und lenkt den ersten Lichtstrahl 140 auf einen Strahldemodulator 372. Der Strahldemodulator 372 demoduliert die von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten von dem ersten Lichtstrahl 140 und überträgt die Daten an den elektronischen Router 790. Die von der primären Transceivereinheit 120 gesendeten Daten weisen Teilnehmerdaten sowie Steuerdaten auf. Die Steuerdaten weisen Routing-Steuerinformation für den elektronischen Router 790 sowie zeitliche Steuerinformation und Winkelpositionssteuerinformation der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 für das Strahlablenkungssteuersystem 795 auf. Der elektronische Router 790 verwendet die Routing-Steuerinformation, um Teilnehmerdaten an die passenden Transceivermodule 800 zu routen. Der elektronische Router 790 überträgt zeitliche Steuerinformation und die Winkelpositionssteuerinformation an das Strahlablenksteuersystem 795. Der Strahldemodulator 372 weist vorzugsweise eine Photodiode, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf.
Die Lichtquelle 362 erzeugt den vierten Lichtstrahl 150. Der elektronische Router 790 routet die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten von den Transceivermodulen 800 zu einem Strahlmodulator 364. Der Strahlmodulator 364 moduliert die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten auf den vierten Lichtstrahl 150 für eine Übertragung an die optische Antenne 210 und an die primäre Transceivereinheit 120.
Die Lichtquelle 362 weist vorzugsweise eine oder mehrere Laser mit Dauerstrich- oder gepulstem Strahl auf, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, z.B. Gas-, Festkörper- oder Diodenlaser. Der Strahlmodulator 364 weist vorzugsweise eine elektrooptische Zelle auf. Alternativ ist der Strahlmodulator 364 ein Modulator vom Bulk-Typ. Die Lichtquellen- und Strahlmodulatoranordnung ist beispielhaft für diejenigen, die aus faseroptischen Kommunikationsverbindungsübertragungssystemen bekannt sind. Jedoch ist die Laserausgangsleistung typischerweise signifikant größer als diejenige, die in faseroptischen Systemen verwendet wird.
Wenn sich der erste Lichtstrahl 140 von der optischen Antenne 210 zu dem Strahldemodulator 372 ausbreitet, wird der erste Lichtstrahl 140 von einem Strahlseparator 380 hin zu dem Strahldemodulator 372 gelenkt. Umgekehrt passiert, wenn sich der vierte Lichtstrahl 150 von der Lichtquelle 362 zu der optischen Antenne 210 ausbreitet, der vierte Lichtstrahl 150 durch den Strahlseparator 380.
Der X-Y-Strahlablenker 840 ist über die Rückwandplatine 889 mit dem Strahlablenksteuersystem 795 verbunden. Das Strahlablenksteuersystem 795 steuert das Schalten des X-Y-Strahlablenkers 840, um den zweiten Lichtstrahl 845 und den dritten Lichtstrahl 855 zu und von der gewünschten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 zu der gewünschten Zeit abzulenken. Daher steuert das Strahlablenksteuersystem die Bildung des Teils des Teilnehmerkanals zwischen den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 und den Transceivermodulen 800 auf eine zeitgemultiplexte Weise.
Vorzugsweise empfängt das Strahlablenksteuersystem 795 Steuerinformation von der primären Transceivereinheit 120, um den X-Y-Strahlablenker 840 zu steuern. Die Steuerinformation des Strahlablenksteuersystems 795 enthält Information über den Winkelort der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Das Strahlablenksteuersystem 795 verwendet die Teilnehmer-Transceivereinheit-Winkelortinformation, um die gewünschten Ablenkwinkel des X-Y-Strahlablenkers 840 zu bestimmen.
Wie in der Diskussion von 1 erwähnt, überträgt die primäre Transceivereinheit 120 vorzugsweise Multiplex-Steuerinformation an den optischen Router 110 und an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt die Steuerinformation für einen oder mehrere Teilnehmerkanäle, bevor die Teilnehmer-Datenpakete, die den einen oder mehreren Teilnehmerkanälen zugeordnet sind, übertragen werden. Die Multiplexinformation ist zeitliche Information, die von dem Strahlablenksteuersystem 795 verwendet wird, um den X-Y-Strahlablenker 840 zu steuern, in Bezug auf wann die zweiten und dritten Lichtstrahlen zu und von einer vorgegebenen Teilnehmer-Transceivereinheit 130 abgelenkt werden sollen.
Die Teilnehmer-Transceivereinheit überträgt den dritten Lichtstrahl 855, der Daten für die primäre Transceivereinheit 120 enthält, an den optischen Router 110 zu einer Zeit, die durch die primäre Transceivereinheit 120 bestimmt wird. Entsprechend überträgt das Transceivermodul, das die Teilnehmer-Transceivereinheit bedient, den zweiten Lichtstrahl mit den für die Teilnehmer-Transceivereinheit modulierten Daten, so daß dieser an dem X-Y-Strahlablenker im wesentlichen zu der gleichen Zeit ankommt wie der dritte Lichtstrahl 855, der Daten von dem ersten Teilnehmer enthält, an dem optischen Router 110 ankommt. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt den ersten Lichtstrahl 140, der Daten für die Teilnehmer-Transceivereinheit enthält, so daß dieser an dem optischen Router 110 zu einer Zeit ankommt, zu der die Daten demoduliert, geroutet, auf den zweiten Lichtstrahl 845 moduliert werden können und der zweite Lichtstrahl 845 so übertragen werden kann, daß er an dem X-Y-Strahlablenker 840 zu im wesentlichen der gleichen Zeit ankommt, wie der dritte Lichtstrahl 855, der Daten von dem ersten Teilnehmer enthält, an dem optischen Router 110 ankommt.
Durch Verwenden optischer Komponenten, um die Lichtstrahlen, wie zuvor beschrieben, zu konvergieren und zu rekollimieren, arbeiten die internen Komponenten des optischen Routers 110, wie z.B. der Strahlablenker, vorteilhafterweise mit relativ schmalen Lichtstrahlen. Dies ver bessert die Genauigkeit der Strahlausrichtung. Umgekehrt sind durch Verwenden optischer Komponenten, um die Lichtstrahlen wie zuvor beschrieben aufzuweiten und zu rekollimieren, die Lichtstrahlen, die sich durch die Atmosphäre zwischen Netzwerkelementen ausbreiten, vorteilhafterweise relativ breite Lichtstrahlen. Dies verbessert die Empfangscharakteristiken der Lichtstrahlen, so wie sie von den Netzwerkkomponenten empfangen werden.
Der optische Router 110 weist darüber hinaus ein aktives Optiksteuersystem 350 auf, so wie es insbesondere in der Verteidigungsindustrie bekannt ist. Das Steuersystem 350 für aktive Optiken stellt eine Stabilisierung des ersten Lichtstrahls 140 auf der optischen Antenne 210 des optischen Routers 110 und des vierten Lichtstrahls 150 auf der optischen Antenne 710 (aus 8) der primären Transceivereinheit 120 bereit. Wenn sich der erste Lichtstrahl 140 von der optischen Antenne 210 hin zu dem Strahldemodulator 372 ausbreitet, wird ein kleiner Teil des ersten Lichtstrahls 140 durch einen Strahlseparator 380 aufgespalten und auf einen Strahlausrichtungsdetektor 352 umgelenkt. Der Strahlausrichtungsdetektor 352 erfaßt eine Fehlausrichtung oder ein Wandern des ersten Lichtstrahls 140, was auftreten kann, und speichert die Strahlstabilisierungsinformation. Atmosphärische Turbulenz und Dichtevariation entlang des atmosphärischen Pfades zwischen der primären Transceivereinheit 120 und dem optischen Router 110 kann zu einer Fehlausrichtung des ersten Lichtstrahls 140 auf dem optischen Router 110 beitragen. Ähnlich können Ereignisse, wie z.B. eine Bodenverschiebung oder Turmschwankung bewirken, daß die Positionen der primären Transceivereinheit 120 oder des optischen Routers 110 sich relativ zueinander ändern.
Das Steuersystem 350 für aktive Optiken überträgt die Strahlstabilisierungsinformation an den elektronischen Router 790, der wiederum die Strahlstabilisierungssteuerinformation an den Strahlmodulator 364 überträgt. Der Strahlmodulator 364 moduliert die Strahlstabilisierungssteuerinformationsdaten auf den vierten Lichtstrahl 150 während einer dafür vorgesehenen Zeitdauer für eine atmosphärische Übertragung an die primäre Transceivereinheit 120. Die primäre Transceivereinheit 120 demoduliert die Strahlstabilisierungssteuerinformationsdaten von dem vierten Lichtstrahl 150 und verwendet die Strahlstabilisierungssteuerinformation, um Korrekturen zu machen und den ersten Lichtstrahl 140 auf den optischen Router 110 zu stabilisieren.
Zusätzlich verwendet das Steuersystem 350 für die aktiven Optiken die Strahlfehlausrichtungsinformation, um einen Strahlausrichter 220 zu steuern, der zwischen der optischen Antenne 210 und dem Strahlteiler 230 angeordnet ist, um den ersten Lichtstrahl 140 optimal in den Strahldemodulator 372 einzustellen.
Wie zuvor erwähnt, überträgt die primäre Transceivereinheit 120 Steuerinformation an den optischen Router 110. Die Steuerinformation weist darüber hinaus Strahlstabilisierungsinfor mation auf. Das Steuersystem 350 für aktive Optiken verwendet die Strahlstabilisierungsinformation von der primären Transceivereinheit 120, um die optische Antenne 210 und den Strahlausrichter 220 so zu steuern, daß Korrekturen gemacht werden und der vierte Lichtstrahl 150 auf der primären Transceivereinheit 120 stabilisiert wird.
Vorzugsweise ist der Strahlseparator 380 ein dichroitischer Spiegel. Alternativ sind der erste Lichtstrahl 140 und der vierte Lichtstrahl 150 orthogonal polarisiert und der Strahlseparator 180 ist ein Polarisationsseparator.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fragt der optische Router 110 die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 periodisch ab durch Zuordnen eines Kommunikationssignals zu jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 innerhalb des Verfügbarkeitsbereichs des optischen Routers 110. Jedoch kann der optische Router 110 den Empfang des dritten Lichtstrahls 855 von einer gegebenen Teilnehmer-Transceivereinheit für eine beträchtliche Zeitdauer verlieren. Der am weitesten verbreitete Grund für den Empfangsverlust ist, daß die Teilnehmer-Transceivereinheit ausgeschaltet wird. Wenn der optische Router 110 einen Empfangsverlust erfaßt, fragt der optische Router 110 vorzugsweise und vorteilhafterweise den ausgeschalteten Teilnehmer weniger häufig ab als Teilnehmer-Transceivereinheiten, die aktiv einen dritten Lichtstrahl 855 an den optischen Router 110 übertragen.
Alternative Ausführungsform
Gemäß 7 ist eine alternative Ausführungsform des optischen Routers 110 in dem Netzwerk 100 (aus 3) gezeigt. Der optische Router 110 weist eine optische Antenne 210 auf, die den ersten Lichtstrahl 140 von der primären Transceivereinheit 120 empfängt. Die optische Antenne 210 überträgt auch den von einer Teilnehmer-Transceivereinheit empfangenen zweiten Lichtstrahl 150 an die primäre Transceivereinheit 120. Die optische Antenne 210 weist vorzugsweise ein optisches System mit einem konischen Spiegel auf, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einer alternativen Ausführungsform ist die optische Antenne 210 ein Sammellinsensystem, das ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die optische Antenne 210 und zugeordnete Optiken konvergieren und rekollimieren den einfallenden ersten Lichtstrahl 140 auf einen relativ kleinen Durchmesser, vorzugsweise in dem Bereich von 1–3 mm. Umgekehrt empfängt die optische Antenne 210 einen zweiten Lichtstrahl 150 mit relativ kleinem Durchmesser, der von internen Komponenten des optischen Routers 110 empfangen wird und weitet den zweiten Lichtstrahl 150 auf und rekollimiert ihn für eine atmosphärische Übertragung an die primäre Transceivereinheit 120.
Die optische Antenne 210 empfängt den ersten Lichtstrahl 140 von der primären Transceivereinheit 120 (aus 3) und richtet den ersten Lichtstrahl 140 auf einen X-Y-Strahlablenker 240. Der Strahlablenker 240 empfängt den ersten Lichtstrahl 140 und lenkt den ersten Lichtstrahl 140 hin zu einem Spiegel 261. Der Spiegel 261 reflektiert den ersten Lichtstrahl 140 zu einer oder mehreren entsprechenden Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 (aus 3). Umgekehrt übertragen die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 entsprechende zweite Lichtstrahlen 150 an den Spiegel 261. Der Spiegel 261 reflektiert einen empfangenen zweiten Lichtstrahl 150 auf den Strahlablenker 240. Der Strahlablenker 240 lenkt den zweiten Lichtstrahl 150 auf die optische Antenne 210 ab. Die optische Antenne 210 empfängt den zweiten Lichtstrahl 150 und überträgt den zweiten Lichtstrahl 150 an die primäre Transceivereinheit 120.
Vorzugsweise lenkt während einer ersten zeitlichen Periode der Strahlablenker 240 den ersten Lichtstrahl 140 von der optischen Antenne 210 zu einem Ort auf dem Spiegel 261 ab und lenkt den zweiten Lichtstrahl 150 von im wesentlichen dem gleichen Ort auf dem Spiegel auf die optische Antenne 210 ab. Der Ort auf dem Spiegel 260 ist so berechnet, daß er den ersten Lichtstrahl 140 in eine bestimmte Teilnehmer-Transceivereinheit reflektiert und den zweiten Lichtstrahl 150 von der bestimmten Teilnehmer-Transceivereinheit reflektiert. Daher bildet der optische Router 110 einen bidirektionalen Verbindungskanal, der die ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und einer der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 für eine Zeitdauer verwendet. Während der nachfolgenden zeitlichen Perioden lenkt der Strahlablenker 240 die Lichtstrahlen an andere Orte auf dem Spiegel 261 ab, um Kanäle zu den anderen Teilnehmer-Transceivereinheiten 130, die von dem optischen Router 110 bedient werden, zu bilden. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise ein kabelloses, bidirektionales Punkt-zu-Mehrpunkt-Weitbereichstelekommunikationsnetzwerk gebildet.
Der Strahlablenker 240 wird durch ein Strahlablenkersteuersystem 340 gesteuert, das mit dem Strahlablenker 240 verbunden ist. Das Strahlablenkersteuersystem 340 steuert den Strahlablenker 240, um während der erwünschten Zeit die Lichtstrahlen auf die gewünschten Orte auf dem Spiegel 261 abzulenken. Vorzugsweise empfängt das Strahlablenkersteuersystem 340 Steuerinformation von der primären Transceivereinheit 120, so daß der Strahlablenker 240 gesteuert wird. Die Steuerinformation für den optischen Router 110 enthält Information über den Winkelort der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Das Strahlablenkersteuersystem 340 verwendet die Winkelortinformation der Teilnehmer-Transceivereinheit, um die benötigten Orte auf dem Spiegel 261 zu bestimmen, die für eine Ablenkung der Lichtstrahlen verwendet werden.
Wie in der Diskussion von 3 erwähnt, überträgt die primäre Transceivereinheit 120 vorzugsweise Multiplexsteuerinformation an den optischen Router 110 und an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt die Steuerinformation für einen oder mehrere Teilnehmerkanäle vor dem Übertragen der Teilnehmerdatenpakete, die dem einen oder den mehreren Datenkanälen zugeordnet sind. Vorzugsweise ist die Multiplexinformation eine Zeithaltungsinformation, die von dem Strahlablenkersteuersystem 340 verwendet wird, um den Strahlablenker 240 in Bezug darauf zu steuern, wann die Lichtstrahlen zu und von einem bestimmten Ort auf dem Spiegel 261 abgelenkt werden sollen. Eine erste Teilnehmer-Transceivereinheit 130 überträgt den zweiten Lichtstrahl 150, der Daten für die primäre Transceivereinheit 120 enthält, an den optischen Router 110 zu einer Zeit, die durch die primäre Transceivereinheit 120 bestimmt ist. Entsprechend überträgt die primäre Transceivereinheit 120 den ersten Lichtstrahl 140, der Daten für den ersten Teilnehmer enthält, an den optischen Router 110 zu einer Zeit, so daß der erste Lichtstrahl 140, der Daten für den ersten Teilnehmer enthält, im wesentlichen zur gleichen Zeit an dem optischen Router 110 eintrifft wie der zweite Lichtstrahl 150, der Daten von dem ersten Teilnehmer enthält, an dem optischen Router 110 eintrifft. Zusätzlich steuert das Strahlablenkersteuersystem 340 den Strahlablenker 240, so daß die ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit 120 und der ersten Teilnehmer-Transceivereinheit 130 weitergeleitet werden während der Zeit, wenn die ersten und zweiten Lichtstrahlen durch den optischen Router 110 passieren, so wie sie von der primären Transceivereinheit 120 geleitet werden.
Vorzugsweise ist der X-Y-Strahlablenker 240 ein Galvanometerspiegelpaar. Galvanometerspiegel sind insbesondere aus dem Stand der Technik der Laserdruckertechnologie und aus dem Stand der Technik der Laserlightshows bekannt.
Eine Ausführungsform zieht in Erwägung, daß der Strahlablenker 240 eine Mehrzahl von solchen Galvanometerspiegelpaaren aufweist. Jedes Galvanometerspiegelpaar lenkt einen anderen Lichtstrahl zwischen dem Spiegel 261 und der optischen Antenne 210 ab. Die primäre Transceivereinheit 120 überträgt den ersten Lichtstrahl 140, der mehrere Lichtstrahlen aufweist, von denen jeder eine andere Wellenlänge hat, d.h. der erste Lichtstrahl 140 enthält eine Mehrzahl von verschiedenen Wellenlängen. Der optische Router 110 spaltet den ersten Lichtstrahl 140 in entsprechende Wellenlängenanteile auf, die von entsprechenden Strahlablenkern reflektiert werden. Umgekehrt übertragen mehrere Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 zweite Lichtstrahlen 150 verschiedener Wellenlängen, die gleichzeitig bei dem optischen Router 110 ankommen. Der optische Router 110 kombiniert die zweiten Lichtstrahlen 150 mit mehreren Wellenlängen und überträgt die zweiten Lichtstrahlen 150 mit mehreren Wellenlängen an die primäre Transceivereinheit 120. Andere Ausführungsformen erwägen, daß der Strahlablenker 240 einen oder mehrere akustooptische oder Festkörperstrahlablenker aufweist.
Vorzugsweise ist der Spiegel 261 ein konischer oder hemisphärischer Spiegel, wobei die Konusachse in einer vertikalen Orientierung vorliegt, wodurch ein 360° Zugriff auf die Teilnehmer bereitgestellt wird mit einer Elevations-Apertur, welche den Verfügbarkeitsbereich in einem Bereich von ungefähr zwischen 2000 und 4000 Fuß abdeckt. Der Spiegel 261 ist von einem Linsensatz 262 umschrieben. Der Linsensatz 262 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von relativ kleinen positiven Linsen auf, die auf eine konische oder hemisphärische Weise angeordnet sind. Da der erste Lichtstrahl 140 mit relativ kleinem Durchmesser von dem Spiegel 261 reflektiert wird, vergrößert sich der erste Lichtstrahl 140 im Durchmesser. Der Linsensatz 262 rekollimiert den sich aufweitenden ersten Lichtstrahl 140 zurück auf einen leicht konvergierenden ersten Lichtstrahl 140 für eine atmosphärische Übertragung an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Umgekehrt fokussiert der Linsensatz 262 den zweiten Lichtstrahl 150 von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 auf den Spiegel 261. In dem Linsensatz 262 ist eine Apertur gebildet, durch welche die ersten und zweiten Lichtstrahlen mit relativ kleinem Durchmesser zwischen dem X-Y-Strahlablenker 240 und dem Spiegel 261 passieren. Der Spiegel 261 und der Linsensatz 262 kollimieren den Strahl 150 auf eine für den Verfügbarkeitsbereich des optischen Routers 261 optimierte Weise.
Durch Verwenden optischer Komponenten, um die Lichtstrahlen wie zuvor zu konvergieren und zu rekollimieren, arbeiten die internen Komponenten des optischen Routers 110, wie z.B. der Strahlablenker, vorzugsweise mit relativ schmalen Lichtstrahlen. Dies verbessert die Genauigkeit der Strahlsteuerung. Umgekehrt sind durch Verwenden optischer Komponenten, um die Lichtstrahlen wie zuvor beschrieben aufzuweiten und zu rekollimieren, die Lichtstrahlen, die sich durch die Atmosphäre zwischen Netzwerkelementen ausbreiten, vorteilhafterweise relativ breite Lichtstrahlen. Dies verbessert die Empfangseigenschaften der Lichtstrahlen, wenn sie von den Empfängern der Netzwerkkomponenten empfangen werden.
Der optische Router 110 weist darüber hinaus einen Empfänger 370 und einen Strahlseparator 380 auf. Vorzugsweise bildet der optische Router 110 einen Steuerkanal zwischen der primären Transceivereinheit 120 und dem optischen Router 110 zur Verwendung beim Kommunizieren von Steuerinformation, wie zuvor diskutiert, von der primären Transceivereinheit 120 zu dem optische Router 110. Der Steuerkanal unterscheidet sich von den Teilnehmerkanälen. Vorzugsweise steuert das Strahlablenkersteuersystem 340 den Strahlablenker 240, um einen bestimmten ersten Lichtstrahl 140 zu dem Strahlteiler 380 abzulenken, statt zu den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Dieses Ablenken zu dem Strahlseparator 380 statt zu den Teilnehmereinheiten 130 erfolgt vorzugsweise in voreingestellten zeitliche Perioden. Der Strahlseparator 380 lenkt den bestimmten ersten Lichtstrahl 140 auf den Empfänger 370 ab, der den ersten Lichtstrahl 140 empfängt. Die primäre Transceivereinheit 120 moduliert entsprechend die Steuerinformationsdaten im ersten Lichtstrahl 140, der von dem Strahldemodulator 372 in dem Empfänger empfangen und demoduliert werden soll. Der Empfänger 370 ist mit dem Strahlablenkersteuersystem 340 verbunden und überträgt die Steuerinformationsdaten des Strahlablenkersteuersy stems 340. Der Strahldemodulator 372 weist vorzugsweise eine Photodiode auf, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Vorzugsweise wird der Steuerkanal auf eine zeitlich gemultiplexte Weise gebildet. Während einer zeitlichen Periode, welche von den zeitlichen Perioden verschieden sind, die den Teilnehmerkanälen zugeordnet sind, steuert das Strahlsteuersystem 340 den Strahlablenker 240 so, daß der erste Lichtstrahl 140 zu einem Ort auf dem Spiegel 261 abgelenkt wird, so daß der erste Lichtstrahl 140 zu dem Strahlteiler 380 statt zu den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 abgelenkt wird. Die primäre Transceivereinheit 120 weist den optischen Router 110 an, diesen Steuerkanal vor der Zeit zu bilden, in welcher der optische Router 110 den Steuerkanal bildet. Vorzugsweise zeichnet der optische Router 110 während der Initialisierung alle Kommunikationskanäle als Steuerkanäle aus, bis er von der primären Transceivereinheit 120 angewiesen wird, Teilnehmerkanäle zuzuweisen.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Steuerkanal auf eine frequenzgemultiplexte Weise gebildet, wobei ein Lichtstrahl einer bestimmten Frequenz, die von den den Teilnehmerkanälen zugeordneten Frequenzen verschieden ist, Steuerkanälen zugeordnet ist.
Der optische Router 110 weist darüber hinaus ein Steuersystem 350 für aktive Optiken auf, so wie es insbesondere aus der Verteidigungsindustrie bekannt ist. Das Steuersystem 350 für aktive Optiken stellt eine Stabilisierung des ersten Lichtstrahls 140 auf der optischen Antenne 210 des optischen Routers 110 und des zweiten Lichtstrahls 150 auf der optischen Antenne 710 (aus 8) der primären Transceivereinheit 120 bereit. Wenn sich der erste Lichtstrahl 140 von der optischen Antenne 210 zu dem Strahlablenker 240 ausbreitet, wird ein kleiner Teil des ersten Lichtstrahls 140 von einem Strahlteiler 230 abgespalten und zu einem Strahlausrichtungsdetektor 352 abgelenkt. Der Strahlausrichtungsdetektor 352 erfaßt eine Fehlausrichtung oder ein Wandern des ersten Lichtstrahls 140, welches auftreten kann, und speichert die Strahlstabilisierungsinformation. Atmosphärische Turbulenzen und Dichtevariationen entlang des atmosphärischen Pfades zwischen der primären Transceivereinheit 120 und dem optischen Router 110 können zu einer Fehlausrichtung des ersten Lichtstrahls 140 auf dem optischen Router 110 beitragen. Ähnlich können Ereignisse wie eine Bodenverschiebung oder eine Turmschwankung bewirken, daß die Positionen der primären Transceivereinheit 120 oder des optischen Routers 110 sich relativ zueinander ändern.
Das Steuersystem 350 für aktive Optiken überträgt die Strahlstabilisierungsinformation auf einem Steuerkanal an die primäre Transceivereinheit 120. Die primäre Transceivereinheit 120 verwendet die Strahlstabilisierungsinformation, um Korrekturen zu machen und den ersten Lichtstrahl 140 auf dem optischen Router 110 zu stabilisieren.
Der optische Router 110 weist darüber hinaus einen Sender 360 einschließlich einer Lichtquelle 362 und einem Strahlmodulator 364 auf. Das Steuersystem 350 für aktive Optiken stellt die Strahlstabilisierungsinformation des ersten Lichtstrahls 140 dem Sender 360 bereit. Die Lichtquelle 362 erzeugt einen Steuerlichtstrahl 250 und überträgt diesen. Der Strahlmodulator 364 moduliert Ortsinformation auf den Steuerlichtrahl 250, wenn er sich durch den Strahlseparator 380 auf den Spiegel 261 ausbreitet. Daher wird ein Steuerkanal zwischen dem optischen Router 110 und der primären Empfängereinheit 120 gebildet, ähnlich dem oben beschriebenen Steuerkanal, in dem die primäre Transceivereinheit 120 Steuerinformation an den optischen Router 110 überträgt, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Das heißt, während der Strahlablenker 240 so gesteuert wird, daß er den ersten Lichtstrahl 140 zu dem Spiegel 261 ablenkt, so daß der Spiegel 261 den ersten Lichtstrahl 140 auf den Empfänger 370 reflektiert, lenkt der Strahlablenker 240 auch den Steuerlichtstrahl 350 von dem Spiegel 260 zu der optischen Antenne 210 ab. Dies stellt einen Zwei-Wege- oder bidirektionalen Steuerkanal bereit.
Die Lichtquelle 362 des optischen Routers 110 weist vorzugsweise einen oder mehrere Laser mit Dauerstrich- oder gepulstem Strahl, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, z.B. Gas-, Festkörper- oder Diodenlaser, auf. Der Strahlmodulator 364 weist vorzugsweise eine elektrooptische Zelle auf. Alternativ ist der Strahlmodulator 364 ein Modulator vom Bulk-Typ. Die Lichtquellen- und Strahlmodulatoranordnung ist beispielhaft für die aus faseroptischen Kommunikationsverbindungsübertragungssystemen bekannten. Jedoch ist die Laserausgangsleistung typischerweise signifikant größer als diejenige, die in faseroptischen Systemen verwendet wird.
Darüber hinaus verwendet das Steuersystem 350 für aktive Optiken die Strahlfehlausrichtungsinformation, um den Strahlausrichter 220 so zu steuern, daß er den ersten Lichtstrahl 140 optimal auf den Strahlablenker 240 einstellt.
Wie zuvor erwähnt, überträgt die primäre Transceivereinheit 120 Steuerinformation an den optischen Router 110. Die Steuerinformation weist darüber hinaus Strahlstabilisierungsinformation auf, die der optische Router 110 auf den Steuerkanälen empfängt. Das Steuersystem 350 für aktive Optiken des optischen Routers 110 verwendet die Strahlstabilisierungsinformation von der primären Transceivereinheit 120, so daß die optische Antenne 210 und der Strahlanpasser 220 so gesteuert werden, daß sie Korrekturen ausführen und den zweiten Lichtstrahl 150 auf der primären Transceivereinheit 120 stabilisieren.
In einer alternativen Ausführungsform weist das Steuersystem 350 für aktive Optiken des optischen Routers darüber hinaus einen zweiten Strahlausrichtungsdetektor (nicht gezeigt) auf, der eine Fehlausrichtung oder ein Wandern in dem zweiten Lichtstrahl 150 von den Teilnehmer- Transceivereinheiten 130 erfaßt und die Strahlstabilisierungsinformation speichert. Der optische Router 110 überträgt die Strahlstabilisierungsinformation an die primäre Transceivereinheit 120. Die primäre Transceivereinheit 120 wiederum überträgt die Strahlstabilisierungsinformation an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130. Das Steuersystem für aktive Optiken in den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130, wie unten diskutiert, verwendet die Strahlstabilisierungsinformation von der primären Transceivereinheit 120, um die optischen Antennen und Strahlanpasser zu steuern, um eine Fehlausrichtung und ein Wandern zu korrigieren und den zweiten Lichtstrahl 150 auf den optischen Router 110 zu stabilisieren.
In einer Ausführungsform ist der Strahlseparator 380 ein dichroitischer Spiegel. In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Lichtstrahl 140 und der zweite Lichtstrahl 150 orthogonal polarisiert und der Strahlseparator 380 ist ein polarisierender Teiler.
Vorzugsweise fragt der optische Router 110 periodisch die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 ab durch Zuordnen eines Kommunikationskanals zu jeder der Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 innerhalb des Verfügbarkeitsbereichs des optischen Routers 110. Jedoch kann der optische Router 110 den Empfang des zweiten Lichtstrahls 150 von einer gegebenen Teilnehmer-Transceivereinheit für eine beträchtliche zeitliche Dauer verlieren. Der am weitesten verbreitete Grund für den Empfangsverlust ist, daß die Teilnehmer-Transceivereinheit ausgeschaltet wird. Wenn der optische Router 110 einen Empfangsverlust erfaßt, fragt der optische Router 110 vorzugsweise und vorteilhafterweise den ausgeschalteten Teilnehmer weniger oft ab als Teilnehmer-Transceivereinheiten, die aktiv einen zweiten Lichtstrahl 150 zu dem optischen Router 110 übertragen.
Die primäre Transceivereinheit
Gemäß 8 ist nun die bevorzugte Ausführungsform der primären Transceivereinheit 120 in dem Netzwerk 100 (aus 1) gezeigt. Die primäre Transceivereinheit 120 weist eine optische Antenne 710 auf, die optisch mit einem Sender 750 und einem Empfänger 770 verbunden ist.
Die optische Antenne 710 überträgt den ersten Lichtstrahl 140 an den optischen Router 110 (aus 1) und empfängt den vierten Lichtstrahl 150 von dem optischen Router 110. (Es ist offensichtlich, daß für das Netzwerk 100, in dem die alternative Ausführungsform des optischen Routers 110 verwendet wird, d.h. das Netzwerk aus 3, die optische Antenne 710 den zweiten Lichtstrahl 150 empfängt.) Die optische Antenne 710 ist vorzugsweise ähnlich der optischen Antenne 210 des optischen Routers 110. Eine optische Antenne 710 der primären Trans ceivereinheit 120 wird mit anderen Dimensionen und optischen Eigenschaften als die optische Antenne 210 des optischen Routers 110 in Erwägung gezogen.
Die optische Antenne 710 der primären Transceivereinheit 120 ist vorzugsweise größer als die optische Antenne der Teilnehmer-Transceivereinheit. Vorzugsweise ist der Empfänger 770 der primären Transceivereinheit 120 sensitiver, d.h. in der Lage, einen schwächeren Lichtstrahl zu demodulieren, als der der Teilnehmer-Transceivereinheiten. Daher kann die Lichtquelle der Teilnehmer-Transceivereinheit, wie nachfolgend diskutiert wird, weniger leistungsstark sein, wodurch die Kosten der Teilnehmer-Transceivereinheiten reduziert werden. Mit anderen Worten ist die Senderlichtquelle 754 der primären Transceivereinheit 120 vorzugsweise leistungsstärker als die Lichtquelle der Teilnehmer-Transceivereinheit. Dies ermöglicht es der Antenne der Teilnehmer-Transceivereinheit, wie sie nachfolgend diskutiert wird, relativ klein zu sein und dem Empfänger der Teilnehmer-Transceivereinheit, so wie er nachfolgend diskutiert wird, relativ betrachtet weniger sensitiv zu sein. Daher sind die Gesamtkosten des Systems reduziert, da die Anzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten typischerweise viel größer ist als die Anzahl von primären Transceivereinheiten in dem Netzwerk.
Eine Datenquelle/Senke (nicht gezeigt) liefert Daten an die primäre Transceivereinheit 120, die an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendet werden sollen. Die Datenquelle/Senke ist in bestehende Kommunikationsstrukturen, wie z.B. ein Telefonnetzwerk, ein Kabelfernsehsystem, das Internet oder andere Netzwerke, welche asynchrone Übertragungsmodi (ATM) verwenden, geschaltetes Ethernet, SONNET, FDDI, Faserkanal, Serial Digital Heirarchy, etc. eingebunden oder verwendet diese. Verschiedene Mittel zum Koppeln der Datenquelle/Senke mit der primären Transceivereinheit 120 sind angedacht, wie z.B. ein faseroptisches Kabel, Satelliten-Uplinks und -Downlinks, atmosphärische Lichtstrahlen, Koaxialkabel, Mikrowellenverbindungen, etc. Die Lichtquelle 754 erzeugt und überträgt atmosphärisch den ersten Lichtstrahl 140, auf den der Strahlmodulator 752 die an die Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 zu sendenden Daten moduliert. Ein Strahlanpasser 720, der vorzugsweise einen einstellbaren Feinsteuerungsspiegel aufweist, empfängt und reflektiert den ersten Lichtstrahl 140 zu einer Linsenanordnung 780 und einer optischen Antenne 720, welche den ersten Lichtstrahl 140 aufweitet, rekollimiert und an den optischen Router 110 überträgt.
Umgekehrt empfängt die optische Antenne 710 der primären Transceivereinheit atmosphärisch den vierten Lichtstrahl 150 von dem optischen Router 110 und die Linsenanordnung 780 fokussiert den vierten Lichtstrahl 150 auf den Strahlanpasser 720. Der Strahlanpasser 720 reflektiert den verschmälerten vierten Lichtstrahl 150 auf einen Strahlseparator 740. Der Strahlseparator 740 ist ähnlich dem des optischen Routers 110. Der Strahlseparator 740 lenkt den vierten Lichtstrahl 150 auf den Receiver 770. Der Strahldemodulator 772 empfängt den vierten Licht strahl 150 und demoduliert die von den Teilnehmer-Transceivereinheiten 130 gesendeten Daten. Die Daten werden dann an die Datenquelle/Senke bereitgestellt. Der Strahldemodulator 772 weist vorzugsweise eine Photodiode, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf.
Die Lichtquelle 754 der primären Transceivereinheit weist vorzugsweise einen oder mehrere Laser mit Dauerstrich- oder gepulstem Strahl auf, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, wie z.B. Gas-, Festkörper- oder Diodenlaser. Der Strahlmodulator 742 weist vorzugsweise eine elektrooptische Zelle auf. Alternativ ist der Strahlmodulator 752 ein Modulator vom Bulk-Typ. Die Lichtquellen- und Strahlmodulatoranordnung ist ähnlich derjenigen, die aus faseroptischen Kommunikationsverbindungsübertragungssystemen bekannt sind. Jedoch ist die Laserausgangsleistung typischerweise signifikant größer als diejenige, die in faseroptischen Systemen verwendet wird.
Die Lichtstrahlwellenlängen, die von den atmosphärisch übertragenen Lichtquellen erzeugt werden, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, sind so gewählt, daß sie den Leistungsverlust durch die Atmosphäre minimieren. Vorzugsweise liegen die Wellenlängen in dem nahinfraroten Bereich.
Die Linsenanordnung 780 und die optische Antenne 710 sind so eingerichtet, daß sie den ersten Lichtstrahl 140, der eine Strahltaille aufweist, die vorteilhafterweise auf dem optischen Router 110 angeordnet ist, übertragen. Der Durchmesser des ersten Lichtstrahls 140, welcher die optische Antenne 710 verläßt, beträgt ein vielfaches des Durchmessers des ersten Lichtstrahls 140, der die Lichtquelle 754 verläßt. Daher ist die Laserleistungsdichte über eine relativ große Querschnittsfläche verteilt, was die Augensicherheit verbessert. Darüber hinaus verbessert der relativ große Durchmesser der Lichtstrahlen, die sich zwischen dem Komponenten des Netzwerks ausbreiten, die Eigenschaften der Lichtstrahlen auf den optischen Empfängern.
Die primäre Transceivereinheit 120 weist darüber hinaus ein Steuersystem (nicht gezeigt) auf, welches die zuvor diskutierte Routing-, Strahlstabilisierungs-, Zeithaltungs-, Teilnehmerorts- und Multiplexsteuerinformation berechnet.
Die primäre Transceivereinheit 120 weist darüber hinaus ein Steuersystem 760 für aktive Optiken auf, ähnlich dem Steuersystem 350 für aktive Optiken des optischen Routers 110. Das Steuersystem 760 für aktive Optiken der primären Transceivereinheit arbeitet mit dem Steuersystem 350 für aktive Optiken des optischen Routers zusammen, so daß eine Stabilisierung des ersten Lichtstrahls 140 auf der optischen Antenne 210 des optischen Routers 110 und des vierten Lichtstrahls 150 auf der optischen Antenne 710 der primären Transceivereinheit 120 bereitgestellt wird.
Wie zuvor erwähnt, überträgt der optische Router 110 Strahlstabilisierungsinformation an die primäre Transceivereinheit 120. Das Steuersystem 760 für aktive Optiken verwendet die Strahlstabilisierungsinformation von dem optischen Router 110, um die optische Antenne 710 und den Strahlanpasser 720 so zu steuern, um Korrekturen auszuführen und den ersten Lichtstrahl 140 auf dem optischen Router 110 zu stabilisieren.
Darüber hinaus verwendet das Steuersystem 760 für aktive Optiken die Strahlfehlausrichtungsinformation, die durch den Strahlausrichtungsdetektor 762 erfaßt wird, um den Strahlanpasser 720 so zu steuern, daß der vierte Lichtstrahl 150 optimal auf den Empfänger 770 eingestellt wird.
Die Teilnehmer-Transceivereinheiten
Gemäß 9 wird nun eine Darstellung der bevorzugten Ausführungsform einer Teilnehmer-Transceivereinheit 130A in dem Netzwerk 100 (aus 1) gezeigt. Die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A weist eine optische Antenne 510, die mit einer Eingabe-/Ausgabevorrichtung 600, wie z.B. einer Set-Top-Box 600, durch ein faseroptisches Kabel 590 verbunden ist. Die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 600 kann irgendeine von verschiedenen Vorrichtungen, einschließlich einer Set-Top-Box, eines Computersystems, eines Fernsehers, eines Radios, einer Telekonferenzeinrichtung, eines Telefons oder anderen sein, die mit der optischen Antenne 510 durch ein faseroptisches Kabel 590 verbunden sein kann. Im verbleibenden Teil dieser Offenbarung wird die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 600 als eine Set-Top-Box bezeichnet. Stromversorgungs- und Steuerkabel (nicht gezeigt) sind auch mit der optischen Antenne 510 des Teilnehmers und der Set-Top-Box 600 verbunden.
Die optische Antenne 510 empfängt den zweiten Lichtstrahl 845 von dem optischen Router 110 (aus 1) und überträgt den dritten Lichtstrahl 855 an den optischen Router 110. (Es ist offensichtlich, daß für das Netzwerk 100, in dem die alternative Ausführungsform des optischen Routers 110 verwendet wird, d.h. das Netzwerk aus 3, die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A den ersten Lichtstrahl 140 von dem optischen Router 110 empfängt und den zweiten Lichtstrahl 150 an den optischen Router 110 überträgt.) Die optische Antenne 510 ist vorzugsweise der optischen Antenne 210 des optischen Routers 110 ähnlich. Eine optische Antenne 510 der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A wird mit anderen Dimensionen und optischen Eigenschaften als die optische Antenne 210 des optischen Routers 110 in Erwägung gezogen.
Die optische Antenne 510 empfängt den zweiten Lichtstrahl 845 und fokussiert den zweiten Lichtstrahl 845 in eine faseroptische Kopplung 580. Die faseroptische Kopplung 580 koppelt den zweiten Lichtstrahl 845 in das faseroptische Kabel 590. Das faseroptische Kabel 590 trägt den zweiten Lichtstrahl 845 in die Set-Top-Box 600. Ein Strahlseparator 570 in der Set-Top-Box 600 lenkt den zweiten Lichtstrahl 845 auf einen Empfänger 550 ab, welcher den zweiten Lichtstrahl 845 empfängt. Ein Strahldemodulator 552 in dem Empfänger 550 demoduliert die Daten von dem zweiten Lichtstrahl 845. Der Empfänger 550 stellt die Daten an externe Verbindungen (nicht gezeigt) in der Set-Top-Box 600 zur Verfügung, welche verschiedene Vorrichtungen, wie z.B. Fernseher, Computer, Radios, Telekonferenzeinrichtungen und Telefone (nicht gezeigt) verbinden. Der Strahldemodulator 552 weist vorzugsweise eine Photodiode, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf.
Umgekehrt stellen die verschiedenen digitalen Vorrichtungen der primären Transceivereinheit 120 (aus 1) zu sendende Daten an einen Sender 560 in der Set-Top-Box 600 bereit. Die Set-Top-Box 600 weist eine Lichtquelle 564 auf, welche den dritten Lichtstrahl 855 erzeugt. Der Strahlmodulator 562 in dem Sender 560 moduliert die an die primäre Transceivereinheit 120 zu sendenden Daten auf den dritten Lichtstrahl 855. Der dritte Lichtstrahl 855 läuft durch das faseroptische Kabel 590 zu der faseroptischen Kopplung 580. Die faseroptische Kopplung 580 koppelt den dritten Lichtstrahl 855 aus dem faseroptischen Kabel 590 aus und lenkt den dritten Lichtstrahl 855 atmosphärisch auf die optische Antenne 510. Die optische Antenne 510 überträgt dann den dritten Lichtstrahl 855 einschließlich der Daten an den optischen Router 110.
Die Lichtquelle 564 der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A weist vorzugsweise einen oder mehrere Laser mit Dauerstrich- oder gepulstem Strahl, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, wie z.B. Gas-, Festkörper- oder Diodenlaser, auf. Der Strahlmodulator 562 weist vorzugsweise eine elektrooptische Zelle auf. Alternativ ist der Strahlmodulator 562 ein Modulator vom Bulk-Typ. Die Lichtquellen- und Strahlmodulatoranordnung ist ähnlich denjenigen, die aus faseroptischen Kommunikationsverbindungsübertragungssystemen bekannt sind. Jedoch ist die Laserausgangsleistung typischerweise größer als diejenige, die in faseroptischen Systemen verwendet wird.
In einer alternativen Ausführungsform, wie zuvor erwähnt, ist die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A so eingerichtet, daß sie Lichtstrahlen mit mehreren Wellenlängen überträgt und empfängt, um die einem gegebenen Teilnehmer zur Verfügung stehende Datenbandbreite zu erhöhen.
Die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A weist darüber hinaus ein Steuersystem 540 für aktive Optiken ähnlich dem Steuersystem für aktive Optiken des optischen Routers 110 und der primären Transceivereinheit 120 auf. Das Steuersystem 540 für aktive Optiken der Teilnehmer-Transceivereinheit arbeitet mit dem Steuersystem für aktive Optiken der primären Transceiver einheit 120 zusammen, um eine Stabilisierung des zweiten Lichtstrahls 845 auf der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A und des dritten Lichtstrahls 855 auf dem optischen Router 110 bereitzustellen.
Ein Strahlausrichtungsdetektor 542 erfaßt eine Fehlausrichtung und/oder ein Wandern des zweiten Lichtstrahls 845 von dem optischen Router 110 und speichert die Strahlstabilisierungsinformation. Die Teilnehmer-Transceivereinheit 130A überträgt die Strahlstabilisierungsinformation in Bezug auf den ersten Lichtstrahl 150 über den Sender 560 an die primäre Transceivereinheit 120. Die Erfindung zieht in Erwägung, daß die Strahlstabilisierungsinformation an die primäre Transceivereinheit 120 in einer Kopfzeile in einem Teilnehmerdatenpaket übertragen wird. Die Erfindung zieht darüber hinaus in Erwägung, daß die Strahlstabilisierungsinformation an die primäre Transceivereinheit 120 über ein dafür vorgesehenes Steuerdatenpaket übertragen wird. Die primäre Transceivereinheit 120 verwendet die Strahlstabilisierungsinformation, wenn sie Positions- und Multiplexsteuerinformation berechnet.
Ein Strahlanpasser 520, der optisch zwischen der optischen Antenne 510 und der faseroptischen Kopplung 580 angeordnet ist, wird durch das Steuersystem 540 für aktive Optiken gesteuert, um eine effiziente Kopplung des zweiten Lichtstrahls 845 in das faseroptische Kabel 590 zu erhalten.
Die optische Antenne 510 ist auf Kardanrahmen (nicht gezeigt) montiert, welche es der optischen Antenne 510 ermöglichen, sich zu drehen und nach einem optischen Router 110 oder einem anderen Transceivermodul 800 des bevorzugten optischen Routers 110 zu suchen, wodurch ein Dienst nach der Installation empfangen werden kann oder nach dem Verlust des Empfangs von einem derzeitigen optischen Router 110 oder Transceivermodul 800.
Alternative Ausführungsformen
In einer alternativen Ausführungsform wird eine Teilnehmer-Transceivereinheit 130A in Erwägung gezogen, in der die Lichtstrahlen von der optischen Antenne 510 in/aus elektrische(n) Signale umgewandelt werden und in elektronischer Form an die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 600 übertragen werden. Daher werden alternative Übertragungsmedien zum Koppeln der optischen Antenne 510 an die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 600, wie z.B. ein Koaxialkabel oder andere Formen elektrischer Kabel, in Erwägung gezogen.
Gemäß 10 wird nun eine alternative Ausführungsform der Set-Top-Box 600 aus 9 gezeigt. Ein faseroptisches "T" 1020 ist mit dem faseroptischen Kabel 590 verbunden. Der zweite Lichtstrahl 845 tritt in das faseroptische "T" 1020 ein und gelangt entlang des faseropti schen Kabels 590 in einen Strahldemodulator 1030. Der Strahldemodulator 1030 ist ähnlich und führt ähnliche Funktionen aus wie der Strahldemodulator 552 der bevorzugten Ausführungsform. Der zweite Lichtstrahl 845 gelangt dann durch das faseroptische Kabel 590 in einen optischen Datenentferner 1040. Der optische Datenentferner 1040 weist vorzugsweise einen Mikro-Krümmer auf. Der Datenentferner 1040 entfernt alle Daten, die auf den zweiten Lichtstrahl 845 moduliert wurden. An diesem Punkt wird der zweite Lichtstrahl 845 im wesentlichen der dritte Lichtstrahl 855. Der dritte Lichtstrahl 855 wird dann entlang des faseroptischen Kabels 590 in einen Strahlmodulator 1050 geleitet. Der Strahlmodulator 1050 ist ähnlich und führt ähnliche Funktionen aus wie der Strahlmodulator 562 der bevorzugten Ausführungsform der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A. Der dritte Lichtstrahl 855 einschließlich der zweiten Daten wird dann durch das faseroptische "T" 1020 geleitet und auf die faseroptische Kopplung zur Übertragung an den optischen Router 110. Die alternative Ausführungsform vermeidet vorteilhafterweise die Kosten einer Lichtquelle.
Es wird eine alternative Ausführungsform der optischen Antenne der Teilnehmer-Transceivereinheit 130A in Erwägung gezogen, in der die Antenne eine omni-direktionale Antenne ist. Die omni-direktionale Antenne ist ähnlich der Spiegel- und Linsensatzanordnung der alternativen Ausführungsform des optischen Routers 110. Darüber hinaus wird ein Strahlablenker zum Koppeln und Dekoppeln der Lichtstrahlen in und aus der faseroptischen Kopplung 580 bereitgestellt. Alternativ ist die faseroptische Kopplung 580 drehbar montiert. Die alternative Ausführungsform ermöglicht es der Teilnehmer-Transceivereinheit 130 vorteilhafterweise, Dienste von einem alternativen optischen Router 110 mit einer minimalen Unterbrechung der Datenübertragung zu empfangen. Darüber hinaus wird die Installation der Teilnehmer-Transceivereinheit 130 dahingehend vereinfacht, daß bei der Installation über das Erreichen eines Sichtlinienpfades zu einem oder mehreren optischen Routern 110 hinaus beinahe keine Ausrichtung ausgeführt werden muß.
Die vorliegende Erfindung zieht die Verwendung faseroptischer Verstärker, wie z.B. eines EDFA (erbiumdotierter Faserverstärker), in einem oder mehreren der verschiedenen Netzwerkelemente zum Verstärken der verschiedenen Lichtstrahlen in Erwägung, um passende Signalleistungsniveaus der verschiedenen Lichtstrahlen innerhalb des Netzwerks zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung erwägt die Verwendung von Atomlinienfiltern, die als optische Band-Paßfilter für ausgewählte Lichtwellenlängen arbeiten, in einem oder mehreren der verschiedenen Netzwerkelementempfänger zum Herausfiltern benötigter Lichtwellenlängen, wie z.B. Sonnenlicht.
Die vorliegende Erfindung zieht die Verwendung von Lichtquellen in den verschiedenen Netzwerkelementsendern in Erwägung mit faßbarer Lichtstrahlleistungssteuerung. Lichtstrahlleistung wird gemäß Faktoren, wie z.B. Wetterbedingungen, angepaßt, um eine passende Schwundreserve für die Signalleistung bereitzustellen. Eine Schwundreserve von 15 dB bei 1 km, um eine 10^–9-Bit-Fehlerrate zu erreichen, ist bevorzugt.

Claims

Punkt-zu-Mehrpunkt bidirektionales Weitbereichskommunikationsnetzwerk, welches atmosphärische optische Kommunikation einsetzt, aufweisend: eine primäre Transceivereinheit (120), welche eine zur Erzeugung eines ersten Lichtstrahls ausgelegte primäre Lichtquelle aufweist, wobei die primäre Transceivereinheit ausgelegt ist, erste Daten auf dem ersten Lichtstrahl zu modulieren, wobei die primäre Transceivereinheit den ersten Lichtstrahl einschließlich der ersten Daten auf atmosphärischern Weg überträgt; einen optischen Router (110), der ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl einschließlich der ersten Daten von der primären Transceivereinheit zu empfangen; und eine Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten (130A–130N); wobei der optische Router ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl einschließlich der ersten Daten von der primären Transceivereinheit zu empfangen und den ersten Lichtstrahl zu der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten umzuleiten; wobei jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl von dem optischen Router auf atmosphärischem Weg zu empfangen, wobei jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten ausgelegt ist, wenigstens einen Bereich der ersten Daten von dem ersten Lichtstrahl zu demodulieren; wobei jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten ausgelegt ist, jeweilige zweite Daten auf einen zweiten Lichtstrahl zu modulieren, wobei jede der Mehrzahl der Teilnehmer-Transceivereinheiten den zweiten Lichtstrahl einschließlich der jeweiligen zweiten Daten auf atmosphärischem Weg überträgt; wobei der optische Router ausgelegt ist, eine Mehrzahl von den zweiten Lichtstrahlen von der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu empfangen und die zweiten Lichtstrahlen zu der primären Transceivereinheit umzuleiten; wobei die primäre Transceivereinheit ausgelegt ist, die zweiten Lichtstrahlen einschließlich der jeweiligen zweiten Daten zu empfangen und die jeweiligen zweiten Daten von den zweiten Lichtstrahlen zu demodulieren, und wobei der optische Router aufweist: eine optische Antenne (210), die ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl einschließlich der ersten Daten von der primären Transceivereinheit auf atmosphärischem Weg zu empfangen und den zweiten Lichtstrahl einschließlich der jeweiligen zweiten Daten zu der primären Transceivereinheit auf atmosphärischem Weg zu übertragen; einen Spiegel (261), der ausgelegt ist, die ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der optischen Antenne und der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu reflektieren; einen optisch zwischen der optischen Antenne und dem Spiegel aufgestellten X-Y Strahlablenker (240), der ausgelegt ist, die ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der optischen Antenne und dem Spiegel abzulenken; und ein an den X-Y Strahlablenker gekoppeltes Strahlablenker-Steuersystem (340), das ausgelegt ist, den X-Y Strahlablenker zu steuern, um erste und zweite Lichtstrahlen zwischen der optischen Antenne und dem Spiegel abzulenken.
Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem der optische Router ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl von der primären Transceivereinheit zu jeweiligen der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten (130A–130N) und den zweiten Lichtstrahl von jeweiligen der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu der primären Transceivereinheit wahrend unterschiedlicher Zeiträume umzuleiten.
Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem die ersten und zweiten Lichtstrahlen eine Mehrzahl von Wellenlangen umfassen, wobei der optische Router ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl von der primären Transceivereinheit (120) zu jeweiligen der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten (130A–130N) und den zweiten Lichtstrahl von jeweiligen der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu der primären Transceivereinheit gemäß jeweiliger Wellenlangen der ersten und zweiten Lichtstrahlen umzuleiten.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, weiter aufweisend eine Mehrzahl von optischen Routern (110), die ausgelegt sind, eine Mehrzahl von diesen ersten und zweiten Lichtstrahlen zwischen der primären Transceivereinheit und einer Mehrzahl dieser Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten auf atmosphärischem Weg umzuleiten.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten eine Teilnehmer-Lichtquelle aufweist, die ausgelegt ist, um den zweiten Lichtstrahl zu erzeugen.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten ausgelegt ist, nach dem Demodulieren wenigstens eines Bereichs der ersten Daten von dem ersten Lichtstrahl und vor dem Modulieren der jeweiligen zweiten Daten auf den zweiten Lichtstrahl die ersten Daten von dem zweiten Lichtstrahl zu entfernen, wobei der erste Lichtstrahl zu dem zweiten Lichtstrahl wird.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten eine Teilnehmer-optische Antenne aufweist, die an eine Eingabe/Ausgabevorrichtung durch ein Übertragungsmedium gekoppelt ist, um wenigstens einen Bereich der ersten Daten und der zweiten Daten zwischen der Teilnehmeroptischen Antenne und der Eingabe/Ausgabevorrichtung entlang des Übertragungsmediums zu kommunizieren.
Netzwerk nach Anspruch 1, bei dem die primäre Transceivereinheit ausgelegt ist, Zeitgebe-Steuerinformation an die Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu übertragen, wobei die Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten ausgelegt ist, die Zeitgeber-Steuerinformation zu verwenden, um zu bestimmen, wann der zweite Lichtstrahl einschließlich der jeweiligen zweiten Daten zu übertragen ist.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem der optische Router ausgelegt ist, Router-Steuerinformation von der primären Transceivereinheit zu empfangen, wobei das Strahlablenker-Steuersystem ausgelegt ist, die Router-Steuerinformation zu verwenden, um den X-Y Strahlablenker (240) zu steuern, wobei die Router-Steuerinformation Winkellageninformation über jede der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten, und Router-Zeitschaltinformation umfaßt.
Netzwerk nach Anspruch 1, bei denn der optische Router weiter aufweist: einen optischen Empfänger; wobei das Strahlablenker-Steuersystem während eines ersten Zeitraums ausgelegt ist, den X-Y Strahlablenker (240) dahingehend zu steuern, die ersten Lichtstrahlen von der primären Transceivereinheit zu dem Spiegel derart abzulenken, daß der Spiegel die ersten Lichtstrahlen zu dem optischen Empfänger und nicht zu der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten reflektiert, wobei der optische Empfänger ausgelegt ist, die ersten Lichtstrahlen zu empfangen, wobei die ersten Lichtstrahlen Router-Steuerinformation enthalten, wobei der optische Empfänger ausgelegt ist, die Router-Steuerinformation von den ersten Lichtstrahlen zu demodulieren, wobei das Strahlablenker-Steuersystem an den optischen Empfänger gekoppelt ist, um die Router-Steuerinformation von dem optischen Empfänger zu erhalten, und wobei das Strahlablenker-Steuersystem ausgelegt ist, die Router-Steuerinformation zur Steuerung des X-Y Strahlablenkers zu verwenden.
Netzwerk nach Anspruch 1, wobei der optische Router weiter aufweist: einen optischen Empfänger, wobei die ersten Lichtstrahlen einen Lichtstrahl erster Wellenlange aufweisen, wobei das Strahlablenker-Steuersystem ausgelegt ist, den X-Y Strahlablenker (240) dahingehend zu steuern, die ersten Lichtstrahlen von der primären Transceivereinheit zu dem Spiegel derart abzulenken, daß der Spiegel den Lichtstrahl erster Wellenlange zu dem optischen Empfänger und nicht zu der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten reflektiert, wobei der optische Empfänger ausgelegt ist, den Lichtstrahl erster Wellenlange zu empfangen, wobei der Lichtstrahl erster Wellenlange Router-Steuerinformation umfaßt, wobei der optische Empfänger ausgelegt ist, die Router-Steuerinformation von dem Lichtstrahl erster Wellenlange zu demodulieren, wobei das Strahlablenker-Steuersystem an den optischen Empfänger zum Empfangen der Router-Steuerinformation von dem optischen Receiver gekoppelt ist und wobei das Strahlablenker-Steuersystem ausgelegt ist, die Router-Steuerinformation zur Steuerung des X-Y Strahlablenkers zu verwenden.
Netzwerk nach einem der vorhergehenden Anspruche, wobei der Spiegel ein konvexer Spiegel ist, wobei der optische Router weiter einen Linsensatz im wesentlichen konzentrisch mit dem konvexen Spiegel aufweist, wobei der konvexe Spiegel (261) von dem Linsensatz (262) umgeben ist, wobei der Linsensatz ausgelegt ist, den ersten Lichtstrahl von dem konvexen Spiegel zu der Mehrzahl von Teilnehmer-Transceivereinheiten zu expandieren und zu rekollimieren, und wobei der Linsensatz ausgelegt ist, den zweiten Lichtstrahl von der Mehrzahl von Teilnehrner-Transceivereinheiten auf den konvexen Spiegel zu fokussieren.