高帶寬光通信中繼體系的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高帶寬光通信中繼體系。
【背景技術(shù)】
[0002]在全球范圍內(nèi)，世界各地的發(fā)展中國(guó)家對(duì)因特網(wǎng)的使用以高增長(zhǎng)率不斷增長(zhǎng)。然而，很多位于赤道附近地區(qū)的新興商業(yè)中心由于因特網(wǎng)連通性不好而被限制。這些商業(yè)中心所在國(guó)家的高帶寬網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施往往非常有限，并且有時(shí)被敵對(duì)鄰國(guó)或者荒涼的地形包圍，使得陸上和海底電纜連接都不可行。
[0003]然而，這些國(guó)家對(duì)因特網(wǎng)的高帶寬連接的需求不斷增長(zhǎng)。很多增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)位于赤道附近并且通過(guò)海底電纜連接不良。對(duì)于一些較大的國(guó)家，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)陋。此外，自然災(zāi)害也可以中斷連接，快速地重新配置通信網(wǎng)絡(luò)以與受影響的地區(qū)重新連接的能力是非常有價(jià)值的。除了上述被忽視的市場(chǎng)，那些不可忽視并不斷增長(zhǎng)的做帶寬批發(fā)的全球主要的電信運(yùn)營(yíng)商也有備份和更換帶寬以保持服務(wù)質(zhì)量協(xié)議的需求。
[0004]地球靜止軌道(GEO)通訊衛(wèi)星具有固有的高等待時(shí)間，而其它衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)則有全球連通性有限、低帶寬或高成本的組合的缺陷。每個(gè)GEO通訊衛(wèi)星都覆蓋地球相當(dāng)大的一部分，但是因?yàn)榫哂虚L(zhǎng)通信路徑(約36，000km)，導(dǎo)致每條路徑至少120毫秒的信號(hào)等待時(shí)間。此外，提供路由選擇需要多次的反跳，并且在同一衛(wèi)星的信號(hào)覆蓋區(qū)域(footprint)內(nèi)在地面站點(diǎn)之間沒(méi)有連接會(huì)需要地面連接。此外，目前GEO通信衛(wèi)星限于射頻(RF)信號(hào)，這將可用帶寬限制在幾百M(fèi)Hz到幾GHz的范圍。另外，需要使用多條束來(lái)提供每個(gè)衛(wèi)星相對(duì)高的總吞吐量(典型的，每個(gè)3.4Gbps的衛(wèi)星需要使用72條48Mbps的束)。
[0005]“另外的3兆”(03B)項(xiàng)目嘗試使用射頻(RF)信號(hào)為該赤道地區(qū)服務(wù)。由于使用RF，03B具有非常嚴(yán)重的帶寬限制。03B使用中地球軌道(MEO)星群，該星群包含8到12個(gè)衛(wèi)星、位于赤道上空8000km的軌道內(nèi)。每一個(gè)衛(wèi)星具有高達(dá)1RF鏈路，這樣(最終)使得每個(gè)信道能夠高達(dá)1.2Gbps。該衛(wèi)星群為70個(gè)地面站點(diǎn)中的每個(gè)站點(diǎn)提供1.2Gbps的帶寬，或者共84Gbps的帶寬，并且該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)被分成7個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)網(wǎng)關(guān)。03B還沒(méi)有衛(wèi)星間鏈接，所以跨區(qū)域邊界的通信需要多次反跳。
[0006]Iridium?星群沒(méi)有可以用于同一市場(chǎng)的帶寬。Iridium?的低地球軌道(LEO)群的高度大約780km，該高度限制了每個(gè)衛(wèi)星的接入。因此，一個(gè)具有66個(gè)有源衛(wèi)星的星群用于提供整個(gè)地球的24/7的覆蓋。使用LEO星群的L波段將衛(wèi)星電話的帶寬限制在IMbps以?xún)?nèi)。網(wǎng)關(guān)鏈接僅對(duì)幾個(gè)選定地點(diǎn)提供1Mbps的帶寬。此外，實(shí)際上，衛(wèi)星間鏈接為RF，帶寬基本受到限制。
[0007]2005年左右，美國(guó)國(guó)家航空和航天局(NASA)在NASA火星軌道器通信項(xiàng)目中做了一些關(guān)于自由空間光通信(FSO)的有限實(shí)驗(yàn)，該研宄有時(shí)也被稱(chēng)為激光通信，或者短激光通信。然而，這些實(shí)驗(yàn)被證明覆蓋范圍有限、連接性有限，并且通常帶寬有限(每個(gè)鏈路的上限為大約5-lOGbps)。結(jié)論是，該項(xiàng)目沒(méi)有商業(yè)可實(shí)行性。
[0008]為建立基于空間的激光通信網(wǎng)絡(luò)已做了許多嘗試。其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是轉(zhuǎn)型通信體系(TCA)，該TCA是以具有衛(wèi)星間鏈接的GEO衛(wèi)星為主干網(wǎng)環(huán)繞設(shè)置，建立與其它航天器、空中平臺(tái)和地面站點(diǎn)的激光鏈接。TCA的預(yù)算過(guò)高，以致于不可能實(shí)施并在剛開(kāi)始的階段就取消了。
[0009]上述所有關(guān)于空間激光通信的嘗試都是采用光-電-光(0-E-0)的方法，即將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)換回去成為發(fā)送的光信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，信號(hào)以電子的形式存在時(shí)可以在電路板上進(jìn)行全面的再放大、整形和再定時(shí)(3R)的重建過(guò)程，但是該方法對(duì)于硬件的尺寸、重量、尤其是功率提出極大的挑戰(zhàn)。大部分的工作仍然是集中在使用GEO中的衛(wèi)星，而它覆蓋的范圍是MEO衛(wèi)星的6倍以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種自由空間光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星群。每個(gè)衛(wèi)星都包括:多個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所述多個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于與多個(gè)鄰近衛(wèi)星光通信，并且每個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡能夠調(diào)節(jié)該衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的傾斜角度以適應(yīng)衛(wèi)星群中衛(wèi)星數(shù)量的變化。每個(gè)衛(wèi)星還包括:多個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所述多個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于與多個(gè)地面站點(diǎn)光通信的，其中每個(gè)地面站點(diǎn)都具有兩個(gè)或更多個(gè)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)衛(wèi)星群通過(guò)給定的地面站點(diǎn)時(shí)，該給定地面站點(diǎn)的上行/下行鏈路望遠(yuǎn)鏡中的一個(gè)或多個(gè)被設(shè)置為追蹤給定的地面站點(diǎn)的至少兩個(gè)相應(yīng)的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡并且向與給定地面站點(diǎn)具有最清晰視線的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，每個(gè)衛(wèi)星均包括光回路，該光回路用于在不將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的情況下對(duì)輸入和輸出的光信號(hào)進(jìn)行光學(xué)處理和轉(zhuǎn)換。
[0011]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種在多個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星群中進(jìn)行自由空間光通信的方法。該方法包括以下步驟:使用多個(gè)衛(wèi)星中的每一個(gè)中的多個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與多個(gè)鄰近衛(wèi)星進(jìn)行光通信；使用多個(gè)衛(wèi)星中的每一個(gè)中的多個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡與多個(gè)地面站點(diǎn)進(jìn)行光通信，每個(gè)地面站點(diǎn)都具有兩個(gè)或更多個(gè)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；和通過(guò)給定的衛(wèi)星對(duì)給定的地面站點(diǎn)的至少兩個(gè)相應(yīng)的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行追蹤，并且向與給定衛(wèi)星具有最清晰視線的底面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)送數(shù)據(jù)，其中多個(gè)衛(wèi)星中的每個(gè)衛(wèi)星在不將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的情況下對(duì)輸入和輸出的光信號(hào)進(jìn)行光學(xué)處理和轉(zhuǎn)換。
[0012]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星群。每個(gè)衛(wèi)星都包括:多個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所述多個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于與多個(gè)鄰近衛(wèi)星光通信；和多個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所述多個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于與多個(gè)地面站點(diǎn)光通信。多個(gè)衛(wèi)星中的每個(gè)衛(wèi)星均包括光回路，該光回路用于在不將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的情況下對(duì)輸入和輸出的光信號(hào)進(jìn)行光學(xué)處理和轉(zhuǎn)換。
[0013]在一些實(shí)施例中，每個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以使用圓極化或光譜多樣性來(lái)提供雙向光信號(hào)路徑。此外，給定衛(wèi)星的上行/下行鏈路望遠(yuǎn)鏡中的一個(gè)或多個(gè)可以被設(shè)置為例如通過(guò)使用光學(xué)信標(biāo)連續(xù)且實(shí)時(shí)地追蹤給定的地面站點(diǎn)的至少兩個(gè)相應(yīng)的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。在一些實(shí)施例中，給定衛(wèi)星的單個(gè)上行/下行鏈路望遠(yuǎn)鏡可以被設(shè)置為利用圓極化或光譜多樣性對(duì)給定地面站點(diǎn)的所述至少兩個(gè)相應(yīng)的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行追蹤。
[0014]在一些實(shí)施例中，每個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以包括束轉(zhuǎn)向鏡以補(bǔ)償所述每個(gè)衛(wèi)星間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的抖動(dòng)和軌道差異。在一些實(shí)施例中，每個(gè)上行/下行鏈路光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以包括雙向內(nèi)部轉(zhuǎn)向鏡，以保持對(duì)給定地面站點(diǎn)的所述至少兩個(gè)相應(yīng)的地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的追足示O
【附圖說(shuō)明】
[0015]本發(fā)明的更全面的理解以及本發(fā)明的許多附帶的特征和方面將通過(guò)參考以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明而更加清楚，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，其中:
[0016]圖1顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的進(jìn)行光通信的多個(gè)衛(wèi)星的示例性MEO衛(wèi)星群；
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的包括交叉鏈接和上行/下行望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星有效負(fù)載的示例性布置圖；
[0018]圖3是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的穿過(guò)衛(wèi)星有效負(fù)載的光通信路徑的示例性方框圖；
[0019]圖4是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的機(jī)載光學(xué)硬件系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖；
[0020]圖5是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的機(jī)載光學(xué)硬件系統(tǒng)的示例性方框圖；以及
[0021]圖6是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的機(jī)載光學(xué)硬件系統(tǒng)的示例性方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面參照附圖對(duì)本發(fā)明做更充分的說(shuō)明，其中附圖顯示了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以用很多不同的形式實(shí)施，但本發(fā)明不限于在此說(shuō)明的實(shí)施例。相反地，這些實(shí)施例使本發(fā)明可以徹底和完全地公開(kāi)，并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員完整表述本發(fā)明的思雄
V QjN O
[0023]在一些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種高帶寬透明光通信中繼體系，該體系為世界上增長(zhǎng)最快的許多商業(yè)中心提供一種使通信信號(hào)的吞吐量得到巨大改善的新方法，包括對(duì)互聯(lián)網(wǎng)連通性的改進(jìn)?？臻g光學(xué)