高带宽光通信中继器有效负载的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高带宽光通信中继器有效负载。
【背景技术】
[0002]在全球范围内，世界各地的发展中国家对因特网的使用以高增长率不断增长。然而，很多位于赤道附近地区的新兴商业中心由于因特网连通性不好而被限制。这些商业中心所在国家的高带宽网络基础设施往往非常有限，并且有时被敌对邻国或者荒凉的地形包围，使得陆上和海底电缆连接都不可行。
[0003]然而，这些国家对因特网的高带宽连接的需求不断增长。很多增长最快的市场位于赤道附近并且通过海底电缆连接不良。对于一些较大的国家，内部网络基础设施相对简陋。此外，自然灾害也可以中断连接，快速地重新配置通信网络以与受影响的地区重新连接的能力是非常有价值的。除了上述被忽视的市场，那些不可忽视并不断增长的做带宽批发的全球主要的电信运营商也有备份和更换带宽以保持服务质量协议的需求。
[0004]地球静止轨道(GEO)通讯卫星具有固有的高等待时间，而其它卫星通信网络则有全球连通性有限、低带宽或高成本的组合的缺陷。每个GEO通讯卫星都覆盖地球相当大的一部分，但是因为具有长通信路径(约36，000km)，导致每条路径至少120毫秒的信号等待时间。此外，提供路由选择需要多次的反跳，并且在同一卫星的信号覆盖区域(footprint)内在地面站点之间没有连接会需要地面连接。此外，目前GEO通信卫星限于射频(RF)信号，这将可用带宽限制在几百MHz到几GHz的范围。另外，需要使用多条束来提供每个卫星相对高的总吞吐量(典型的，每个3.4Gbps的卫星需要使用72条48Mbps的束)。
[0005]“另外的3兆”(03B)项目尝试使用射频(RF)信号为该赤道地区服务。由于使用RF，03B具有非常严重的带宽限制。03B使用中地球轨道(MEO)星群，该星群包含8到12个卫星、位于赤道上空8000km的轨道内。每一个卫星具有高达1RF链路，这样(最终)使得每个信道能够高达1.2Gbps。该卫星群为70个地面站点中的每个站点提供1.2Gbps的带宽，或者共84Gbps的带宽，并且该卫星网络被分成7个区域，每个区域设置一个网关。03B还没有卫星间链接，所以跨区域边界的通信需要多次反跳。
[0006]Iridium?星群没有可以用于同一市场的带宽。Iridium?的低地球轨道(LEO)群的高度大约780km，该高度限制了每个卫星的接入。因此，一个具有66个有源卫星的星群用于提供整个地球的24/7的覆盖。使用LEO星群的L波段将卫星电话的带宽限制在IMbps以内。网关链接仅对几个选定地点提供1Mbps的带宽。此外，实际上，卫星间链接为RF，带宽基本受到限制。
[0007]2005年左右，美国国家航空和航天局(NASA)在NASA火星轨道器通信项目中做了一些关于自由空间光通信(FSO)的有限实验，该研宄有时也被称为激光通信，或者短激光通信。然而，这些实验被证明覆盖范围有限、连接性有限，并且通常带宽有限(每个链路的上限为大约5-lOGbps)。结论是，该项目没有商业可实行性。
[0008]为建立基于空间的激光通信网络已做了许多尝试。其中一个网络是转型通信体系(TCA)，该TCA是以具有卫星间链接的GEO卫星为主干网环绕设置，建立与其它航天器、空中平台和地面站点的激光链接。TCA的预算过高，以致于不可能实施并在刚开始的阶段就取消了。
[0009]上述所有关于空间激光通信的尝试都是采用光-电-光(0-E-0)的方法，即将接收的光信号转换为电信号，然后再转换回去成为发送的光信号。该方法的优点在于，信号以电子的形式存在时可以在电路板上进行全面的再放大、整形和再定时(3R)的重建过程，但是该方法对于硬件的尺寸、重量、尤其是功率提出极大的挑战。大部分的工作仍然是集中在使用GEO中的卫星，而它覆盖的范围是MEO卫星的6倍以上。
【发明内容】
[0010]在一些实施例中，本发明涉及一种自由空间光通信系统，包括:多个光学扩束器，所述多个光学扩束器用于从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；多个光学前置放大器，所述多个光学前置放大器用于对接收的光信号进行前置放大；一个或多个光学主放大器，所述光学主放大器用于将前置放大的光信号进行放大；和光学开关，所述光学开关用于将各个光信号通过相应的光学扩束器引导到各自的目的站。各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，从而作为输出的光信号被发送到各自的目的站。
[0011]在一些实施例中，本发明涉及一种自由空间光通信方法。该方法包括以下步骤:从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；对接收的光信号进行光学前置放大；对前置放大的光信号进行光学放大；和将各个放大的光信号通过相应的光学扩束器光学引导到各自的目的站。各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，从而作为输出的光信号被发送到所述各自的目的站。
【附图说明】
[0012]本发明的更全面的理解以及本发明的许多附带的特征和方面将通过参考以下结合附图的详细说明而更加清楚，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中:
[0013]图1显示根据本发明一些实施例的进行光通信的多个卫星的示例性MEO卫星群；
[0014]图2是根据本发明一些实施例的包括交叉链接和上行/下行望远镜的卫星有效负载的示例性布置图；
[0015]图3是根据本发明一些实施例的穿过卫星有效负载的光通信路径的示例性方框图；
[0016]图4是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的简化方框图；
[0017]图5是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的示例性方框图；以及
[0018]图6是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的示例性方框图。
【具体实施方式】
[0019]下面参照附图对本发明做更充分的说明，其中附图显示了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用很多不同的形式实施，但本发明不限于在此说明的实施例。相反地，这些实施例使本发明可以彻底和完全地公开，并且向本领域技术人员完整表述本发明的思雄
V QjN O
[0020]在一些实施例中，本发明涉及一种高带宽透明光通信中继体系，该体系为世界上增长最快的许多商业中心提供一种使通信信号的吞吐量得到巨大改善的新方法，包括对互联网连通性的改进。空间光学硬件被设计为尽可能地对光通信标准的未来进展不可知，由此所述空间光学硬件不会过时。地面硬件可以不断更新，以支持更高的带宽或标准的任何改变。网络设置有多个冗余路径并且可以快速重构，所以具有高度灵活性。
[0021]在一些实施例中，本发明涉及一种用于满足空间站上对光中继器的需要的新型方法(例如，MEO卫星的卫星群)，该方法能够将MEO卫星的冗余连接环与地面站点的网络进行链接。MEO卫星的卫星群可以做到透明和独立于光学格式和调制方案，并且优选地该信号是在C波段或L波段的谱带中，并可以扩展到其它光通信波段。使用通信标准，一些实施例能够向地面站点提供至少800Gbps的总吞吐量(计算每个链接的两个方向)，同时能够以至少1，600Gbps与相邻卫星之间发送或者接收数据。有效负载被设置为支持卫星群的增长，具有容易添加新的卫星的能力，并且该有效负载可以快速重置网络以使失效卫星退出网络。
[0022]图1示出了根据本发明一些实施例的由多个卫星102组成的示例性MEO卫星群100如图所示，八个卫星102 (8球卫星群)被布置在一起并成网状连接在一起，以为地球提供一个连续的覆盖带，尤其是围绕赤道地区的覆盖带。尽管图中示出了 8个卫星的示例，但本发明不限于8个卫星，而不同数量的卫星，例如，四个、十六个或者其它数量的卫星都可以满足每个卫星有较大覆盖时间和/或冗余的目的。MEO卫星群中的每个卫星均使用卫星间激光通信(ISL)光学望远镜与多个(例如，4个或者更多个，但是在卫星数目最少的4球卫星群的情况下仅有2个相邻卫星)最近的相邻卫星光学连接。在一些实施例中，利用圆极化或者光谱多样性来为每个望远镜提供双向光信号路径。在一些实施例中，利用圆极化来将发送信号与接收信号分开。
[0023]不同的光谱区还可以用于允许每个ISL光学望远镜使用四个或更多路径，对网络信道分配的复杂性影响最小。ISL光学望远镜能够调节仰角来允许(适应)光通信的不同角度，以适应从环(卫星群)中增加或移除的卫星(即，改变卫星群中卫星的数量)，并重新定相当前使用中的卫星。
[0024]例如，在将一个新卫星发射到卫星群中的情况下，将发出一个或多个命令用来修正轨道及重置卫星间和地面光通信(望远镜)，例如，该命令由地面站点中的地面望远镜发送到每个卫星。
[0025]在一些实施例中，每个卫星都使用上行/下行链路光学望远镜连接到多个地面站点。最低的可行配置是每个卫星使用一个上行/下行链路望远镜，但是，多个望远镜提升网络总容量并提供更大的增益流(revenue stream)。虽然在某些实施例中6个或者8个上行/下行望远镜可能更优选，但主卫星可以轻松地支持至少4个上行/下行链路望远镜。连接是提前设置好的，这样，无论何时卫星群中的前一个卫星与