使用射頻和自由空間光學(xué)數(shù)據(jù)通信的集成商用通信網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【專利摘要】一種穩(wěn)定的超高帶寬容量收發(fā)器系統(tǒng)，其將E頻帶（71-76GHz，81-86GHz）毫米波RF收發(fā)器與人眼安全的自適應(yīng)光學(xué)裝置自由空間光學(xué)（FSO）收發(fā)器組合為一種用于同時點到點商用通信的組合裝置。該裝置在令人緊張的環(huán)境條件下具有高度的有保證的載波可用性。該裝置建立并且維持在相鄰視線裝置之間的mmW?RF光學(xué)波束和FSO光學(xué)波束的指向和穩(wěn)定。該裝置可以在FSO光學(xué)載波鏈路由于惡劣天氣而受損的情況下迅速獲取和重新獲取該光學(xué)載波鏈路。
【專利說明】使用射頻和自由空間光學(xué)數(shù)據(jù)通信的集成商用通信網(wǎng)絡(luò)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及射頻以及自由空間光學(xué)數(shù)據(jù)通信，具體地涉及E頻帶毫米波射頻數(shù)據(jù)通信。
【背景技術(shù)】
[0002]在2003年，F(xiàn)CC許可在70GHz和80GHz頻帶中使用還稱為E頻帶毫米波射頻(RF)頻譜的13GHz頻譜。使這一頻譜中的十個頻帶可商用于以吉比特數(shù)據(jù)傳送速率操作的廣泛、固定的無線應(yīng)用。應(yīng)用包括點到點本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)和寬帶因特網(wǎng)接入。通過E頻帶信號的數(shù)據(jù)通信可能用作一種對特別是在市內(nèi)區(qū)域由于鋪設(shè)光纖的成本而成本更高的光纖解決方案的廉價備選。E頻帶RF數(shù)據(jù)傳送是一種用于填補(bǔ)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商與客戶之間的所謂“最后一英里”中的短距離無線連通性的空白的特別有成本效益的解決方案。E頻帶RF數(shù)據(jù)傳送還可以賦予與基于光纖的解決方案可用的低端速率重疊的數(shù)據(jù)速率。
[0003]由于它在射頻頻譜中的位置(71-76GHZ和81_86GHz)，E頻帶數(shù)據(jù)傳輸不是很易受由于霧、氣載微粒(諸如塵埃)和大氣湍流所致的干擾影響。然而，E頻帶數(shù)據(jù)傳輸易受由于降雨所致的下降性能的影響。降雨干擾在E頻帶中的無線電波傳輸，從而在暴風(fēng)雨期間，數(shù)據(jù)傳輸將需要最佳為反復(fù)的數(shù)據(jù)重傳或者最差為中斷的服務(wù)。
[0004]在E頻帶中的無線電波具有窄筆桿式特性，并且作為結(jié)果，產(chǎn)生E頻帶信號的天線可以放置于緊鄰彼此而無相鄰信道干擾之憂。然而，由于E頻帶RF束的窄筆形特性，E頻帶發(fā)送器必須精確指向它的接收器以便保證數(shù)據(jù)傳輸。由于大風(fēng)和其它天氣所致的扭轉(zhuǎn)和搖擺移動可能比在更低頻率出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸更容易破壞在E頻帶中的數(shù)據(jù)傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了提供一種用于自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募裳b置，本發(fā)明的實施例在公共穩(wěn)定組件上將毫米波(mmW)射頻(RF)數(shù)據(jù)傳輸與自由空間光學(xué)(FSO)數(shù)據(jù)傳輸組合?？梢允褂迷撗b置作為更大商用通信網(wǎng)絡(luò)的一部分。該裝置即使在令人緊張的環(huán)境條件下仍然保證高水平的載波可用性。該裝置還保證至少mmW RF控制鏈路在降雨和霧二者一起出現(xiàn)的不太可能的情況下保持操作。
[0006]該裝置的部件包括mmW收發(fā)器和FSO收發(fā)器。收發(fā)器裝配于穩(wěn)定的裝配平臺上，該裝配平臺連接到在遮蔽的罩以內(nèi)的萬向架組件。遮蔽的罩裝配于靜止平臺上，例如裝配于小區(qū)站點或者網(wǎng)絡(luò)存在點處并且定位于地面以上的高度處，以便與位于離開一段距離的相鄰小區(qū)平齊但是仍然在視線內(nèi)。在一個實施例中，遮蔽的罩還包括用于支撐穩(wěn)定的裝配平臺的靜止設(shè)備。靜止設(shè)備包括用于電功率調(diào)節(jié)和分配的電子設(shè)備以及用于萬向架組件和大多數(shù)信號處理電子設(shè)備的驅(qū)動控制器。在穩(wěn)定化的平臺上的電子設(shè)備被最小化，以減少它的功率消耗和重量。
[0007]萬向架組件保證mmW RF天線和FSO收發(fā)器二者準(zhǔn)確地指向包含互補(bǔ)裝置(complement apparatus)的相鄰小區(qū)站點(cell site)。由于mmW RF載波波束和FSO載波波束二者的狹窄，所以高度穩(wěn)定對于活動平臺是必需的。萬向架組件可以校正原本對任一收發(fā)器的通信有破壞的環(huán)境影響(例如小區(qū)站點的振動和搖擺)。萬向架組件的粗閉環(huán)操作最初由mmW RF收發(fā)器提供，此后細(xì)獲取由FSO收發(fā)器執(zhí)行。FSO收發(fā)器包括向用于收發(fā)器的指向和穩(wěn)定的萬向架組件發(fā)送方向校正的快速轉(zhuǎn)向鏡(fast steering mirror)組件。
[0008]在由于大雨和霧二者同時存在而失去RF載波鏈路和FSO載波鏈路二者的不太可能的情況下，該裝置能夠迅速重新獲取通信鏈路。該裝置在mmW RF載波上使用低數(shù)據(jù)速率反向信道，該載波使用擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展基帶載波信號，從而允許大得多的接收器靈敏度。這樣，mmW RF鏈路即使在惡劣天氣下仍然能夠向萬向架組件提供為了提供粗控制校正而必需的至少最少量的連通性。這輔助FSO收發(fā)器重新獲取光學(xué)鏈路。
[0009]根據(jù)另一實施例，F(xiàn)SO鏈路可以被配置用于具有比RF鏈路顯著更高的數(shù)據(jù)速率。在這一情況下，該裝置還能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸區(qū)分優(yōu)先級。在一個實施例中，當(dāng)更高吞吐量水平在FSO鏈路上可用時，更高優(yōu)先級數(shù)據(jù)由兩個收發(fā)器發(fā)送，并且更低優(yōu)先級數(shù)據(jù)僅由FSO收發(fā)器發(fā)送。在另一實施例中，如果RF鏈路和FSO鏈路具有相似的數(shù)據(jù)速率，則可以在兩個鏈路上發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，并且可以在剩余的RF數(shù)據(jù)容量和FSO數(shù)據(jù)容量之間拆分低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。
[0010]在傳輸路徑受降雨影響的情況下，最少地影響數(shù)據(jù)傳輸，因為FSO收發(fā)器未顯著地受降雨影響。反言之，如果傳輸路徑受霧或者其它微粒影響，則還最少地影響數(shù)據(jù)，因為mmff RF收發(fā)器未顯著地受這些天氣條件影響。
[0011]本發(fā)明的其它特征和目的將從以下描述和權(quán)利要求變得顯而易見并且在附圖中被圖示，附圖通過圖示示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例及其原理。可以使用體現(xiàn)相同或者等效原理的本發(fā)明的其它實施例，并且可以如本領(lǐng)域技術(shù)人員希望的那樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變而未脫離本發(fā)明或者所附權(quán)利要求的范圍。
[0012]在一個實施例中，由收發(fā)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包含了數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)和損失減輕技術(shù)。在一個實施例中，可以預(yù)處理待發(fā)送的數(shù)據(jù)以包含前向誤差校正，以提高防范丟包的健壯性。在一個實施例中，分組重傳可以被用來恢復(fù)對于短暫的連接中斷(connection outage)而言丟失的數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]可以通過結(jié)合附圖考慮以下詳細(xì)描述來容易地理解本發(fā)明的實施例的教導(dǎo)。
[0014]圖1是使用兩個集成通信裝置以通過自由空間通信的集成商用通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)圖。
[0015]圖2是根據(jù)一個實施例的集成通信裝置的側(cè)視圖，該集成通信裝置包括裝配到萬向架控制的平臺上的E頻帶mmW RF收發(fā)器和FSO收發(fā)器二者。
[0016]圖3是圖示根據(jù)一個實施例的收發(fā)器的與信號獲取和重新獲取有關(guān)的部件的圖。
[0017]圖4是圖示根據(jù)一個實施例的用于由集成通信裝置進(jìn)行的通信鏈路獲取和重新獲取的過程的流程圖。
[0018]圖5是根據(jù)一個實施例的集成通信裝置的電子設(shè)備的框圖。
【具體實施方式】[0019]總體概覽和益處
[0020]可以使用一種集成通信裝置作為商用通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，以有助于與另一相似設(shè)備交換全雙工數(shù)據(jù)。該裝置被配置用于即使在惡劣的天氣條件中仍然維持高的載波可用性或者正常運(yùn)行時間。該裝置包括毫米波(mmW)射頻(RF)收發(fā)器和自由空間光學(xué)(FSO)收發(fā)器這兩個收發(fā)器。在一個實施例中，mmff RF收發(fā)器在E頻帶RF范圍中或者在70GHz和80GHz射頻頻帶中的13GHz頻譜中操作。在一個實施例中，mmW RF收發(fā)器能夠在E頻帶RF范圍以外操作。mmW RF收發(fā)器可以用來與相鄰裝置發(fā)送數(shù)據(jù)和/或建立鏈路。在另一實施例中，E頻帶RF電子設(shè)備支持高數(shù)據(jù)速率波形和具有至少20dB的提高的靈敏度的附加低數(shù)據(jù)速率波形二者。低數(shù)據(jù)速率波形主要旨在提供很健壯的命令和控制反向信道，并且輔助初始的鏈路獲取或者鏈路重新獲取。
[0021]公開的裝置的益處包括通過擴(kuò)充受到來自天氣影響的中斷的當(dāng)前可用_W RF系統(tǒng)來增強(qiáng)用于商用通信的現(xiàn)有系統(tǒng)。mmW RF收發(fā)器與FSO收發(fā)器的組合是令人稱贊的，其中FSO支持在中斷mmW RF傳輸?shù)慕涤昶陂g的連通性，而相反地，mmW RF支持在其中霧、雪、氣載微粒物質(zhì)和大氣湍流中斷FSO的條件期間的連通性。
[0022]集成mmW RF收發(fā)器與FSO收發(fā)器提供了一種用于基于地面的光纖通信系統(tǒng)的備選解決方案。光纖系統(tǒng)部署成本高，因為存在與在市內(nèi)區(qū)域中挖溝和鋪設(shè)光纖相關(guān)聯(lián)的顯著成本。該集成通信裝置提供一種用于構(gòu)建光纖網(wǎng)絡(luò)的更低成本的備選。
[0023]由于該裝置包括兩個不同的收發(fā)器，所以該裝置能夠在多于一個的連接上發(fā)送數(shù)據(jù)。這允許基于影響收發(fā)器的天氣條件以可能的最高效的方式發(fā)送具有不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。該裝置還防范對通過干擾、中斷或者竊用來阻撓或者中斷數(shù)據(jù)遞送的惡意企圖，因為數(shù)據(jù)能夠在RF傳輸介質(zhì)和FSO傳輸介質(zhì)上發(fā)送。
[0024]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0025]圖1是使用兩個集成通信裝置以通過自由空間通信的集成商用通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)圖。位于第一小區(qū)站點的集成通信裝置IOOa被配置用于與在位于遠(yuǎn)離第一小區(qū)站點的第二小區(qū)站點處的另一集成通信裝置IOOb通信。兩個裝置100無需相同，只要兩個設(shè)備能夠以相關(guān)頻率發(fā)送和接收mmW RFlOl傳輸和FS0102傳輸。集成通信裝置100可以是獨立的小區(qū)站點，或者被附著到執(zhí)行其它通信或者網(wǎng)絡(luò)操作的小區(qū)站點。裝置IOOa的收發(fā)器指向定位于在視線內(nèi)的離開一段距離的另一相似設(shè)備100b。
[0026]裝置之間的距離可以取決于用于被服務(wù)的區(qū)域的歷史天氣數(shù)據(jù)。例如，如果服務(wù)區(qū)域頻繁經(jīng)歷降雨或者霧，則地點之間的距離可以比在這些天氣條件不太頻繁或嚴(yán)重的情況下小。裝置將經(jīng)常定位于地面以上的規(guī)定高度，以防止由于大樓或者地貌特征所致的視線中斷。裝置可以是陸基的、海基的(即裝配于海上船只上的)或者氣載的。
[0027]圖2是根據(jù)一個實施例的集成通信裝置的側(cè)視圖，該集成通信裝置包括裝配到萬向架控制的平臺上的E頻帶mmW RF收發(fā)器和FSO收發(fā)器二者。裝置100包括環(huán)境罩203。在環(huán)境罩203以內(nèi)，mmff RF收發(fā)器204和FSO收發(fā)器205耦合到萬向架組件206。在一個實施例中，萬向架組件206位于環(huán)境罩203外部。
[0028]在一個實施例中，環(huán)境罩203包括用于發(fā)送信號的一個或者多個孔。每個孔對收發(fā)器中的至少一個收發(fā)器的傳輸是透明的。在一個實施例中，每個孔使用對它的關(guān)聯(lián)收發(fā)器的傳輸透明的不同材料來構(gòu)造。在一個實施例中，環(huán)境罩203具有由如下材料制成的單個公共孔，該材料具有允許傳播E頻帶mmW RFlOl傳輸和FS0102傳輸?shù)男再|(zhì)。在圖2中所示的示例實施例中，裝置100僅具有單個孔211。在這一實施例中，環(huán)境罩203的殼對_WRF傳輸101基本上是透明的。用于FSO收發(fā)器的孔211包括向著FSO傳輸102的光學(xué)窗。
[0029]環(huán)境罩203為裝置的所有內(nèi)部電氣部件和機(jī)械部件提供防范環(huán)境惡化或者破壞的保護(hù)。在一個實施例中，環(huán)境罩203還可以提供性質(zhì)(諸如溫度、濕度、凝結(jié)和潮氣)的內(nèi)部環(huán)境控制。環(huán)境罩203還可以運(yùn)用加熱器、擦拭器或者其它機(jī)制212，以排除或者限制在孔211上的沉淀或者冰的形成。
[0030]mmff收發(fā)器204和FSO收發(fā)器205 二者裝配于活動平臺209上。在一個實施例中，F(xiàn)SO收發(fā)器205裝配到光學(xué)機(jī)架，并且光學(xué)機(jī)架裝配于可移動平臺209上。在一個實施例中，光學(xué)機(jī)架和活動平臺209相同?；顒悠脚_209通過萬向架組件206連接到環(huán)境罩203。萬向架組件206允許收發(fā)器在兩個軸維度上、在運(yùn)動范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以便輔助收發(fā)器形成與其它相似設(shè)備的通信鏈路。通過它們共同裝配于活動平臺209上，二者的運(yùn)動由萬向架組件206控制。收發(fā)器共享接近公共的準(zhǔn)星。
[0031]環(huán)境罩203還包含一起發(fā)送、接收和處理數(shù)據(jù)的靜止平臺電路板207和活動平臺電路板208。靜止平臺電路板207從活動平臺209離開而被定位，并且因此未隨著萬向架206的運(yùn)動而移動。靜止平臺電路板207通過線纜和/或光纖213與從裝置100分離的外部電子設(shè)備交換功率和數(shù)據(jù)，這些線纜和/或光纖穿過環(huán)境罩203中的端口 210。
[0032]活動平臺電路板208位于活動平臺上?；顒悠脚_電路板208包括僅能緊鄰收發(fā)器而起作用，或者最好能夠緊鄰收發(fā)器而起作用的那些電子設(shè)備。一般而言，優(yōu)選地使萬向架組件206的質(zhì)量和熱負(fù)載最小化。因此，無需在活動平臺電路板208上的電子設(shè)備反而位于靜止平臺電路板207上。從活動平臺電路板208去除不必要的電子設(shè)備，具有使活動平臺209的熱負(fù)載最小化這樣的附加益處。在一個實施例中，電子設(shè)備無需與收發(fā)器緊鄰，因此省略了活動平臺電路板208，并且用于該裝置的所有電子設(shè)備位于靜止平臺電路板207上。
[0033]向活動平臺電路板208傳達(dá)在收發(fā)器處接收的數(shù)據(jù)，該活動平臺電路板可以在向靜止平臺電路板207發(fā)送數(shù)據(jù)用于可能的進(jìn)一步處理之前執(zhí)行某種數(shù)據(jù)處理。靜止平臺電路板207通過線纜213向外部電子設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0034]收發(fā)器結(jié)構(gòu)以及信號獲取/重新獲取
[0035]裝置100的收發(fā)器204和收發(fā)器205結(jié)合萬向架組件206起作用，以建立用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沛溌贰D3是圖示根據(jù)一個實施例的收發(fā)器的與信號獲取和重新獲取有關(guān)的部件的圖。mmW RF收發(fā)器204包括用于發(fā)送和接收mmW RF傳輸?shù)膍mW RF天線314。在一個實施例中，mmW RF天線314直徑為0.3米，并且具有近似0.9度的視場角(field angle)。mmff RF天線314還在用于萬向架組件206的粗轉(zhuǎn)向(steering)校正中使用。
[0036]FSO收發(fā)器205包括FSO望遠(yuǎn)鏡319。FSO望遠(yuǎn)鏡由FSO準(zhǔn)星構(gòu)成。FSO望遠(yuǎn)鏡319由用于發(fā)送FSO傳輸?shù)募す馄?15構(gòu)成。在一個實施例中，激光器315由全雙工人眼安全的1550nm中心波長激光載波構(gòu)成。FSO收發(fā)器205還包括自適應(yīng)光學(xué)裝置316。在一個實施例中，自適應(yīng)光學(xué)裝置316包括波陣面?zhèn)鞲衅?17。自適應(yīng)光學(xué)裝置316可以由僅提供波陣面頂端傾斜(tip-tilt)校正的低階系統(tǒng)或者提供更高階波陣面相差校正(例如聚焦和更高)的高階系統(tǒng)構(gòu)成。
[0037]盡管存在大氣湍流，但是自適應(yīng)光學(xué)裝置316仍然提供用于FSO傳輸?shù)奶岣叩牟嚸嫦辔幌喔尚浴Ｗ赃m應(yīng)光學(xué)裝置316通過提供傳入的和/或傳出的光學(xué)波陣面二者的校正以提高波陣面的光學(xué)點擴(kuò)展功能來做到這一點，由此使FSO收發(fā)器載波吞吐量最大化。自適應(yīng)光學(xué)裝置316還測量到達(dá)的光學(xué)波陣面，并且使用所產(chǎn)生的測量結(jié)果作為數(shù)據(jù)，以確定如何朝著相鄰裝置最佳地定向可移動平臺209。自適應(yīng)光學(xué)裝置316包括快速轉(zhuǎn)向組件318。快速轉(zhuǎn)向組件318包括快速轉(zhuǎn)向鏡(FSM) 321和FSM控制320。在一個實施例中，F(xiàn)SM控制320由耦合到可移動平臺209的馬達(dá)驅(qū)動構(gòu)成。
[0038]FSO收發(fā)器205與萬向架組件206之間的控制系統(tǒng)造成用于建立鏈路和傳達(dá)數(shù)據(jù)的接近準(zhǔn)直的光學(xué)波束的發(fā)送和接收。作為結(jié)果，裝置100能夠在比必須使用發(fā)散光學(xué)波束的可比較的FSO設(shè)備顯著更大的距離上傳達(dá)FSO數(shù)據(jù)。在一個實施例中，F(xiàn)SO光學(xué)波束在任何給定的方向上在少于十分之一度的角度范圍內(nèi)擴(kuò)展。在一個實施例中，F(xiàn)SO在四英里的距離處具有至少99.9999%的鏈路正常運(yùn)行時間。
[0039]由于收發(fā)器204和收發(fā)器205 二者共享公共活動平臺209，所以兩個收發(fā)器一般響應(yīng)于萬向架206的運(yùn)動而一起移動。然而，在一個實施例中，F(xiàn)SO收發(fā)器205是可使用FSM408獨立地從mmW RF收發(fā)器204轉(zhuǎn)向的。波陣面?zhèn)鞲衅?17測量到達(dá)的光學(xué)波束的強(qiáng)度共軛，并且向FSM控制320提供細(xì)控制數(shù)據(jù)。FSM控制320使用控制數(shù)據(jù)來移動和/或旋轉(zhuǎn)FSM321，以便獨立于可移動平臺209的運(yùn)動而精確定位FSO光學(xué)準(zhǔn)星。FSO光學(xué)準(zhǔn)星被定位用于使在波陣面?zhèn)鞲衅?17處從到達(dá)的光學(xué)波束接收的輻照度最大化。
[0040]萬向架組件206提供用于收發(fā)器的穩(wěn)定，并且控制用于包含收發(fā)器的可移動平臺209的粗運(yùn)動和細(xì)運(yùn)動。萬向架組件206耦合到收發(fā)器并且使用接收的來自遠(yuǎn)程小區(qū)站點的傳輸來朝著遠(yuǎn)程裝置定向可移動平臺209，以便建立FSO通信鏈路和mmW通信鏈路。萬向架組件206還響應(yīng)于將影響可移動平臺209的位置和方向的外部天氣影響。萬向架組件206包括慣性測量單元(MU)313，該IMU提供用于萬向架組件206的位置、速度和角度旋轉(zhuǎn)的本地參考框架。IMU313包括加速度計和陀螺儀。因此，IMU能夠檢測可移動平臺209由于造成裝置運(yùn)動(諸如扭轉(zhuǎn)和搖擺)的天氣外力所致的運(yùn)動。
[0041]圖4是圖示根據(jù)一個實施例的用于通過集成通信裝置100的通信鏈路獲取和重新獲取的過程的流程圖。初始地，機(jī)械地對準(zhǔn)430在兩個小區(qū)站點處的裝置以朝著彼此指向。在一個實施例中，僅需在裝置的初始安裝時執(zhí)行一次機(jī)械對準(zhǔn)。
[0042]裝置通過在mmW監(jiān)視信道上發(fā)送43ImmW RF信號來獲取與另一遠(yuǎn)程裝置的初始通信鏈路。對于mmW RF收發(fā)器204，“信道”代表裝置100的電子設(shè)備為了實現(xiàn)具體目的(諸如數(shù)據(jù)傳送或鏈路的獲取/重新獲取)而識別的具體時間和射頻范圍。監(jiān)視信道可以是RF數(shù)據(jù)信道的一部分，或者可選地，增強(qiáng)靈敏度的反向信道還可以用于這一功能。
[0043]在mmW RF收發(fā)器204在mmW監(jiān)視信道上發(fā)送431信號時，萬向架組件206使用協(xié)調(diào)掃描技術(shù)在搜索區(qū)域上掃略432。協(xié)調(diào)掃描技術(shù)使用于發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程裝置而被掃描的搜索區(qū)域最小化。傳輸431的目的是通過從遠(yuǎn)程裝置接收mmW RF傳輸來檢測另一遠(yuǎn)程裝置的存在。
[0044]由萬向架組件206掃描或者掃略的搜索區(qū)域基于從各種掃描空間體積接收的mmWRF數(shù)據(jù)的分布而收斂。在特定區(qū)域中的大量接收到的RF信號和FSO信號指示裝置在該區(qū)域中，與萬向架組件206結(jié)合的mmW RF收發(fā)器204用于獲得初始通信鏈路的操作可以稱為“粗校正”或者“粗控制”。[0045]與在mmW監(jiān)視信道上的傳輸431同時發(fā)生地，F(xiàn)SO收發(fā)器205還可以發(fā)送433FS0信號。通常，隨著協(xié)調(diào)掃描技術(shù)聚焦于遠(yuǎn)程裝置上，F(xiàn)SO收發(fā)器205將開始在波陣面?zhèn)鞲衅?17處接收來自遠(yuǎn)程裝置的傳入的FSO傳輸。掃描技術(shù)應(yīng)用于FSM控制320以在搜索區(qū)域上掃描434FSM320，以便更精確地定位遠(yuǎn)程裝置。在一個實施例中，質(zhì)心算法應(yīng)用于FSM控制320，以幫助FSM鏡321更好地定位遠(yuǎn)程裝置。FSM控制320與萬向架組件206通信，以更精確地定向可移動平臺209來使通信鏈路強(qiáng)度最大化。FSO收發(fā)器205與萬向架組件206和FSM控制320結(jié)合以獲得更強(qiáng)通信鏈路的操作可以稱為“細(xì)校正”或者“細(xì)控制”。
[0046]在兩個收發(fā)器都失去與遠(yuǎn)程裝置的連接的情況下，mmW RF收發(fā)器204在mmW反向信道上發(fā)送435信號，以重新獲取通信鏈路。mmW反向信道是低帶寬mmW RF信道，該RF信道用來在FSO收發(fā)器205不能與它的遠(yuǎn)程對應(yīng)物(counterpart)連接時維持萬向架組件206的粗控制。發(fā)送435的mmW反向信道由使用擴(kuò)展碼的基帶信號組成，該擴(kuò)展碼在低的頻率范圍和寬的頻率范圍上擴(kuò)展基帶信號，其中頻率范圍相對于mmW RF數(shù)據(jù)信道的頻率范圍是低的和寬的?；鶐盘柧哂蓄愃频皖l噪聲的結(jié)構(gòu)。通過在低頻率的寬頻帶上依次擴(kuò)展基帶信號結(jié)構(gòu)，針對與大氣干擾關(guān)聯(lián)的自然衰落產(chǎn)生源實現(xiàn)高度的減輕。這部分地是由于在mmff RF收發(fā)器的操作頻率處的大氣干擾看起來像噪聲這一事實。在一個實施例中,基帶信號傳輸包括數(shù)據(jù)。在這一實施例中，來自相鄰裝置的接收的_W RF基帶信號由裝置100來處理，以便恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)。
[0047]在FSO收發(fā)器重新獲取鏈路期間，mmff RF收發(fā)器204在mmW反向信道上發(fā)送435信號，萬向架組件206在搜索區(qū)域上掃略436。裝置100使用通過在mmW反向信道上從遠(yuǎn)程裝置接收RF傳輸而提供的反饋來減少被掃描的搜索區(qū)域。該反饋用來在FSO收發(fā)器企圖重新獲取光學(xué)鏈路時維持萬向架組件206的粗指向控制。通過在FSO收發(fā)器205處接收的數(shù)據(jù)向萬向架組件206提供細(xì)反饋。
[0048]在一個實施例中，裝置還在mmW反向信道上實時地監(jiān)視mmW數(shù)據(jù)鏈路和FSO數(shù)據(jù)鏈路二者的健康。在一個實施例中，健康監(jiān)視還包括關(guān)于萬向架組件206的實時狀態(tài)的信息。這一信息可以被外部傳達(dá)到對監(jiān)視通信網(wǎng)絡(luò)鏈路的健康感興趣的用戶。在一個實施例中，在反向信道上從第一裝置向第二裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信號提供用于強(qiáng)度的控制信息，第二裝置應(yīng)當(dāng)使用該強(qiáng)度經(jīng)由FSO收發(fā)器從第二裝置向第一裝置發(fā)送光學(xué)信號。在這一實施例中，控制信息是基于在第一裝置的FSO收發(fā)器處接收的光學(xué)信號的強(qiáng)度。
[0049]裝置電子設(shè)備
[0050]圖5是根據(jù)一個實施例的集成通信裝置的電子設(shè)備的框圖。數(shù)據(jù)在裝置100內(nèi)、在收發(fā)器204與收發(fā)器205之間、通過電子設(shè)備并且以電子格式(諸如吉比特以太網(wǎng)格式)或者以光學(xué)格式向外傳達(dá)到外部接口。在一個實施例中，裝置100的電子設(shè)備包括靜止平臺電路板207和活動平臺電路板208。
[0051 ] 靜止平臺電路板207可以在活動平臺電路板208和與用戶關(guān)聯(lián)的外部電子設(shè)備接口之間通信。外部功率309在靜止平臺電路板207處被接收，并且被調(diào)節(jié)317和分配318以供裝置100的活動平臺電路板208或者其它部件使用。在一個實施例中，靜止平臺電路板207還包含用于萬向架組件206的驅(qū)動電子設(shè)備(DAC) 319以及用于FSO收發(fā)器205的快速轉(zhuǎn)向鏡控制320的驅(qū)動電子設(shè)備319。
[0052]在一個實施例中，靜止平臺電路板207包括數(shù)據(jù)路徑FPGA310，該數(shù)據(jù)路徑FPGA包括用于處理收發(fā)器數(shù)據(jù)312以及光學(xué)功率控制313的邏輯。數(shù)據(jù)路徑現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 310可以包括或者被附著到微處理器單元(MPU) 311。FPGA310通過鏈路串行互連308a和鏈路串行互連308b與靜止平臺電路板207 —起接口到活動平臺電路板208?；ミB308允許靜止平臺電路板207控制收發(fā)器204和收發(fā)器205的操作功能。在一個實施例中，鏈路串行互連308包括互連308c，互連308c提供同軸功能并且包括E頻帶基帶和中頻(IF)電子設(shè)備304。E基帶和IF電子設(shè)備304在活動平臺電路板208和靜止平臺電路板207之間正交地端口輸送(port) RF數(shù)據(jù)。
[0053]靜止平臺電路板207還可以包括用于控制在光纖輸出314a上從FSO收發(fā)器205接收的數(shù)據(jù)的幅度的可變光學(xué)衰減器(V0A)315。靜止平臺電路板207還包括用于控制將由FSO收發(fā)器205發(fā)送的數(shù)據(jù)的幅度的摻餌光纖放大器(EDFA)316。EDFA可以跟隨有V0A，以允許對發(fā)送功率電平的迅速、高精度控制。通過連接314向活動平臺電路板208并且從活動平臺電路板208向靜止平臺電路板207傳送由收發(fā)器接收(Rx)和發(fā)送(Tx)的數(shù)據(jù)。連接314根據(jù)實施例可以是電纜或者光纜。在一個實施例中，與FSO收發(fā)器205的連接314a包括光纖，而與mmW RF收發(fā)器204的連接314b包括線纜。
[0054]活動平臺電路板208向靜止平臺電路板207傳達(dá)在收發(fā)器204和收發(fā)器205處接收的數(shù)據(jù)，并且還可以與外部接口通信。在一個實施例中，活動平臺電路板208由FPGA303構(gòu)成?；顒悠脚_FPGA303還包括通過鏈路308b的雙向外部接口?；顒悠脚_303可以包括或者連接到數(shù)字信號處理器(DSP) 322。活動平臺FPGA303與溫度傳感器320和串行外圍接口(SPI)快閃傳感器321通信，這些傳感器輸出至外部接口?；顒悠脚_FPGA303通過三個傳感器與FSO收發(fā)器205通信:能夠測量活動平臺209的運(yùn)動以向萬向架組件206提供反饋的慣性穩(wěn)定傳感器325、耦合到FSM控制320用于控制FSO收發(fā)器205的方向的FSM驅(qū)動電子裝置324以及用于閉環(huán)光學(xué)波束穩(wěn)定的正交小區(qū)控制電子設(shè)備323。
[0055]數(shù)據(jù)傳輸
[0056]裝置100的收發(fā)器204和收發(fā)器205 二者能夠以多于一個的數(shù)據(jù)載波速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以同時在多于一個的信道上發(fā)送。在一個實施例中，mmW RF收發(fā)器204使用相移鍵控數(shù)字調(diào)制方案同時在若干信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個實施例中，F(xiàn)SO收發(fā)器205可以使用密集波分復(fù)用(DWDM)同時在多個信道上發(fā)送。
[0057]收發(fā)器可以向傳出的數(shù)據(jù)流運(yùn)用前向誤差控制校正(FEC)，以便減少重發(fā)丟失的比特的需要。收發(fā)器還可以被配置用于響應(yīng)于從相鄰裝置接收的重發(fā)信號而重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)。
[0058]裝置100能夠根據(jù)鏈路條件在不同時間并且在不同收發(fā)器上發(fā)送具有不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。在一個實施例中，數(shù)據(jù)被分成高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。
[0059]在一個實施例中，如果FSO收發(fā)器鏈路和mmW RF收發(fā)器鏈路二者是有效的，則高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)二者由FSO收發(fā)器205傳送。同時，僅高優(yōu)先級數(shù)據(jù)還由_WRF收發(fā)器204發(fā)送。這一冗余性減少了重發(fā)丟失的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的需要，由此提高了發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的總速度。相反，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)僅由FSO收發(fā)器205發(fā)送。FSO收發(fā)器205發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)二者，因為它一般具有比mmW RF收發(fā)器204更高的傳輸容量。
[0060]在降雨的情況下，可能未接收到由mmW RF收發(fā)器204發(fā)送的數(shù)據(jù)，然而將接收到由FSO收發(fā)器205發(fā)送的數(shù)據(jù)。FSO收發(fā)器205未經(jīng)歷由于降雨所致的性能下降，因為雨滴半徑顯著大于FSO光學(xué)載波的波長從而允許被傳播的激光波束輻射的較少橫截面散射。在霧或者其它基于微粒的天氣情況下，可能未接收到由FSO收發(fā)器205發(fā)送的數(shù)據(jù)，然而將接收到由mmW RF收發(fā)器204發(fā)送的數(shù)據(jù)。FSO收發(fā)器205的發(fā)射易受由于云、濃霧、雪、氣載火山微粒所致的干擾的影響。它們的半徑足夠小，以便允許被傳播的FSO光學(xué)波束的橫截面散射，從而導(dǎo)致在接收FSO的孔處的功率損失。FSO波束還可以在一些境況下被很強(qiáng)的大氣湍流散射。相反，在E頻帶附近的mmW RF輻射在波長上大于這些微粒、并且因此未受它們的影響。E頻帶的波長還比可以由大氣湍流引入的任何擾動大得多，并且因此未受湍流的影響。因此，裝置100能夠在大范圍的惡劣天氣條件下在至少一個連接上發(fā)送數(shù)據(jù)。在一個實施例中，由于在兩個收發(fā)器上發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，所以即使在以上描述的天氣條件下，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)仍將由遠(yuǎn)程裝置接收。
[0061]在通信鏈路具有未使用的可用傳輸帶寬的情況下，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)可以作為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)被發(fā)送，以便保證可用傳輸容量的最大使用并且使由于傳輸時間所致的延遲最小化。
_2] 附加的考慮
[0063]雖然該詳細(xì)描述包含了許多細(xì)節(jié)，但是這些細(xì)節(jié)不應(yīng)被理解為限制本發(fā)明的范圍，而僅僅應(yīng)被理解為舉例說明本發(fā)明的不同示例和方面。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍包括以上未詳細(xì)討論的其它實施例?？梢栽谶@里所公開的方法和裝置的布置、操作和細(xì)節(jié)方面進(jìn)行對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見的各種其它修改、改變和變化，而未脫離如在所附權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的精神實質(zhì)和范圍。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求及其法律等效物來確定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于自由空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募裳b置，包括: 包括天線的毫米波(HimW)射頻(RF)收發(fā)器，所述mmW RF收發(fā)器形成與遠(yuǎn)程裝置的RF鏈路； 包括光源的自由空間光學(xué)(FSO)收發(fā)器，所述光源在與所述mmW RF收發(fā)器的所述天線基本上相同的方向上被指向，所述FSO收發(fā)器形成與所述遠(yuǎn)程裝置的FSO鏈路；以及 萬向架組件，耦合到所述mmW RF收發(fā)器和所述FSO收發(fā)器，以朝著所述遠(yuǎn)程裝置定向所述收發(fā)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述_WRF收發(fā)器在E頻帶中發(fā)送射頻波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述mmWRF收發(fā)器在反向信道上發(fā)送擴(kuò)展頻譜數(shù)據(jù)信號，以有助于重新獲取所述鏈路，所述反向信道包括與高數(shù)據(jù)速率波形相比增強(qiáng)靈敏度的波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求 3所述的集成裝置，其中在所述反向信道上被發(fā)送的所述數(shù)據(jù)信號實時地提供所述RF鏈路和所述萬向架組件的健康狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成裝置，其中在所述反向信道上被發(fā)送的所述數(shù)據(jù)信號提供用于由第二集成裝置發(fā)送的光學(xué)信號的發(fā)送強(qiáng)度的控制信息，所述控制信息基于所述光學(xué)信號在所述FSO收發(fā)器處的接收強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述mmWRF收發(fā)器在監(jiān)視信道上使用協(xié)調(diào)掃描技術(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)信號，以有助于所述鏈路的獲取。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器包括人眼安全的激光載波。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器發(fā)送基本上準(zhǔn)直的光學(xué)信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器包括用于部分地校正接收的光學(xué)波陣面和發(fā)送的光學(xué)波陣面的自適應(yīng)光學(xué)裝置系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的集成裝置，其中所述自適應(yīng)光學(xué)裝置包括用于測量波陣面誤差、包括頂端傾斜的波陣面?zhèn)鞲衅鳌?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器包括用于傳入的FSO數(shù)據(jù)流的幅度控制的可變光學(xué)衰減器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器使用密集波分復(fù)用(DWDM)在多個信道上發(fā)送數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述收發(fā)器以多個數(shù)據(jù)載波速率操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述收發(fā)器中的至少一個收發(fā)器發(fā)送包含前向誤差校正的數(shù)據(jù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述FSO收發(fā)器發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)和低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，并且其中所述mmW RF收發(fā)器發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，還包括能夠處理吉比特以太網(wǎng)格式或者光纖格式的數(shù)據(jù)的電路板。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，包括耦合所述mmWRF收發(fā)器、所述FSO收發(fā)器和所述萬向架組件的可移動平臺，其中所述萬向架組件控制所述可移動平臺的運(yùn)動。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，包括環(huán)境罩，所述環(huán)境罩包括所述_胃RF收發(fā)器、所述FSO收發(fā)器以及與所述FSO收發(fā)器對準(zhǔn)以允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)目住?br> 19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的集成裝置，其中所述萬向架組件位于所述環(huán)境罩內(nèi)部。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的集成裝置，其中所述環(huán)境罩的所述孔包括對所述FSO收發(fā)器的傳輸透明的光學(xué)窗。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的集成裝置，其中所述光學(xué)窗包括用于防止在所述光學(xué)窗上的凝結(jié)的加熱器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述萬向架組件包括用于獲得用于定向所述裝置的參考框架的加速度計和陀螺儀。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，其中所述裝置安裝于第一小區(qū)站點或者網(wǎng)絡(luò)存在點。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成裝置，包括所述遠(yuǎn)程裝置，其中所述遠(yuǎn)程裝置安裝于遠(yuǎn)離所述第一小區(qū)站點的第二小區(qū)站點或者網(wǎng)絡(luò)存在點。
25.一種用于維持與遠(yuǎn)程裝置的通信鏈路的方法，包括: 從毫米波(_W)射頻(RF)收發(fā)器發(fā)送射頻信號； 在所述mmW RF收發(fā)器處接收RF響應(yīng)信號； 基于所述RF響應(yīng)信號來調(diào)整萬向架組件的方向，所述萬向架組件耦合到包括所述mmWRF收發(fā)器和自由空間光學(xué)(FSO)收發(fā)器的可移動平臺；以及從所述FSO收發(fā)器發(fā)送自由空間光學(xué)信號。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中發(fā)送所述射頻信號包括使用協(xié)調(diào)掃描技術(shù)在監(jiān)視信道上發(fā)送數(shù)據(jù)信號。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中發(fā)送所述射頻信號包括使用擴(kuò)展頻譜掃描技術(shù)在反向信道上發(fā)送擴(kuò)展頻譜數(shù)據(jù)信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括: 在所述FSO收發(fā)器處接收FSO響應(yīng)信號；以及 基于所述FSO響應(yīng)信號來調(diào)整所述萬向架組件的方向。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中基于所述FSO響應(yīng)信號來調(diào)整所述萬向架組件的方向包括，將質(zhì)心算法應(yīng)用于所述FSO響應(yīng)信號。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中基于所述FSO響應(yīng)信號來調(diào)整所述萬向架組件的方向包括: 使用波陣面?zhèn)鞲衅鱽頊y量所述FSO響應(yīng)信號的波陣面，所述波陣面包括頂端傾斜分量; 使用所測量的波陣面的所述頂端傾斜分量來控制快速轉(zhuǎn)向鏡(FSM)和所述萬向架組件。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，還使用所測量的波陣面來控制可變形鏡。
【文檔編號】H04B10/112GK103748812SQ201280038136
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月31日
【發(fā)明者】C·普薩爾拉, S·西瓦普拉卡薩姆, J·希蘭, M·諾思科特, J·E·格雷夫斯, H·丹多, S·巴蘇, S·弗來舍 申請人:歐普蒂克斯技術(shù)公司