CN1196849A - 光交联通信***(occs) - Google Patents

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CN1196849A
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Abstract

安置在高架工作平台(例如:卫星,塔架(2),或其他的具有坚实了望点的工作平台)上的以光学为基础的通信***,该***使用多个空间发散的发射和接收束(1),这些束是光交叉耦合以能充分再利用频谱并创造一个全交互,高带宽,高容量,全交换的通信***。高架工作平台(即:卫星,轨道或系联的载体,机载工作平台,塔架,等)在多(N)束(或扇形区)中的每个束上再利用它所赋予的带宽。波束是用RF法或光学方法形成的。利用一个光学“布拉格池”(7)将每个束中的特定的用户在频率上空间分隔开。然后用一个半反射镜和全反射镜复制分隔开的信号并在光学上再组合产生输出,该输出是来自整个输入束组的各频率的唯一组合。重组后的信号于是被移至发射带并通过同样多的(N)束再发射。于是整个通信***变为可以全交换高带宽的单个的高架工作平台,高信道容量的网络。

Description

光交联通信***(OCCS)
          发明背景
          发明领域
本发明涉及使用特别是用于交换中继站的高架工作平台(例如：卫星，在轨道的或系链着的载体，机载平台，高塔，等)的通信***，具体地涉及提供一个从单个的高架工作平台运行的可变带宽，高的信道容量，全交换，全交互的通信网络。本发明的***是一个光交联通信***(OCCS)。
         有关技术说明
多年来射频(RF)通信***已经使用了高架的工作平台。例如，蜂窝电话***，基本电话交换无线电***(BETRS)，个人通信***(PCS)，定点或低地球轨道(LEO)通信卫星，无线电和电视(TV)广播在我们的社会上是到处可见。可是，宽带***(典型值是1MHz)通常是限定于分配式***(即：TV，直接广播***，包括DSS，C，和Ku波段卫星TV***)或者限定于很少几个点(一般是2个点)之间的宽带点-到-点间的交互链路，所以限定接入到很少几个选定的用产。
典型的例子是宽带点-到-点网关接口***，其中欧洲的用户与美国(U.S.)用户之间的通信是通过定点在大西洋上的卫星进行的。一个卫星波束照射区覆盖欧洲的用户以及另一个波束照射区覆盖美国用户。这些宽带的应用是存在的不过目前还只限定于几个通信信道。
一些更新的“无线”***设计(例如，诸如Iridium，Teledesic，Globalstar这样的LEO***)允许全世界范围相互对话，但是它们也仅只保证通话和其他的窄带业务，而实现却耗资数十亿美圆。一般的通信***受到低带宽的制约(一般说10kHz就足以支持4.8kb/s到64kb/s)因为只要低带宽的***就能以全交互的方式全交换地服务于大量的客户。竞争性的通信***的一个重要的实例是美国的电话***-“有线”***。它有1.3亿线的具有全交互的(交换的)64kb/s(大约10kHz或更窄的带宽)信道。完成***的交换部分功能占据了20,000个以上的建筑物，还有超过2000亿美圆附加投资用于电缆，线杆，和建筑物等以实现***的“有线”部分的功能。
提供一个从单个的高架工作平台运行的通信***(或能为很多用户服务的其他***)而该工作平台能应付大量的客户，给他们提供全交互的、交换的可变带宽(根据用户的需要带宽可宽可窄)的服务显然是很需要的。要求这类***运行时具有成本低，重量轻，能处理数字或模拟波形的高性能的交换，以及各式各样的多址接入方式。就发明者目前所知，应用声光器件，诸如“布拉格池(Bragg cell)”和独特的光交换以便提供来自单个的高架工作平台的宽频带，高容量的通信***，还没有被确认。
         发明概要
本发明的目的是创造一个成本低，重量轻，能处理数字或模拟波形的高性能交换，以及多种多址接入方式，作为安置(host)在高架的工作平台上的通信***的整体部件，它没有上面所谈到的缺点。
本发明的一个专门目的是提供一个能组合大量的(例如，10到4,000个)天线束的***，每个天线束覆盖一个特定的地理扇形区，以及利用布拉格池技术的新颖光处理和光交换***。(对于本发明来说，“束”和“扇形区”是同义词：这两者均涉及被一个或多个天线辐射图所覆盖的特定的地理服务区域)。采用将来自不同的束的光信道聚焦在一个光耦合的布拉格池上，可以使光信道所含的频率分量在空间上分离成许多独立的频带。对空间分离开的光信道进行适当的分束(即，复制或再生)创造出一组复制的空间分开的光信道然后再将两组空间分开的光信道沿对角线组合，通过最初选定适当的上行频率，每个进入交换***的输入束可以接入离开交换***的每个输出束。(上行频率仅仅是试图通过交换***与目的地端建立起通信联系的源端的发射频率)。这样就可能，比如，允许同时对大量的用户进行一百万个1MHz(亦即，宽带，全运动的压缩的视频)信号的全交换；这样由一个卫星产生的全交互视频网络能支持的客户数基本上与全美国的电话***相同。
本发明优选实施方案的又一个目的是提供能处理宽信道带宽的交换功能。由本发明所达到的带宽估计是昂贵的LEO***分配给每个用户的带宽的100倍，在一个高架的工作平台上处理同时用户的数量也提高到100倍以上，若使用LEO***处理同样多的用户则需66到840颗卫星。
本发明优选实施方案的又一个目的是提供一个成本低，重量轻的交换***作为无线通信***的一个整体部分。因为本发明***仅需要一个高架工作平台，所以相对于诸如需要数十颗卫星的LEO卫星，或者说需要数千个通信塔架的蜂窝电话网络的类似的***来说，本发明***的成本是比较低的。本发明的主要内部元件包括一个1×N激光二极管阵列，一个1×N的检测器阵列，一个石英“布拉格池”和少量的选定了的透镜和镜片。这就使得实现基本的交换机制时***的重量减轻到只有几磅重，因此使得该交换部件可以用在包括卫星，在轨的或系链着的载体，机载工作平台，塔架，等在内的各种高架工作平台上。
本发明优选实施方案的又一个目的是容纳大量的天线波束，每个天线波束服务于不同的地理扇形区内的用户，在该区域内每个波束可以为多个用户提供服务。例如，OCCS***同时容纳10到4,000个的波束(对于对地静止卫星的基线设计是1000个波束，以便覆盖美国大小的面积)。因为每个波束的覆盖(即，照射区)重叠很小，所以如果对每个波束适当地加以隔离(包括，但并不限于，极化隔离和空间隔离)在每个束内可以再使用全部频谱。每个波束处理1000个客户是可能的(在1000MHz的总带宽中，1MHz/信道)这就使得总的同时使用的客户数约为1百万。每个波束的客户总数目受到多址接入方式和每个用户所需的带宽的限制。尽管本发明是与各种各样多址接入方式和带宽的配置方法相兼容，但本发明既不限制，也不需要使用任何一种特定的波形协议，也不通过使用任何一种特定的波形协议而被改进。
本发明优选实施方案的又一个目的是，例如，进行从一百万个进入的信道到一百万个呼出的信道的信道交换。如前面提到的，目前的电话***需要20,000多个建筑物去实现同样多数目的很低带宽声频信道的交换。而且，本发明是在相当小的高架工作平台(例如，卫星)上，实现同样数目的更高带宽的(例如：1MHz)视频信道的交换。
本发明优选实施方案的又一个目的是使用普通常用的部件。本发明中执行交换功能所必需的器件(即，1×N激光二极管阵列，1×N检测器阵列，布拉格池，以及各种聚焦透镜和镜面)皆是普通常用的。
按照本发明优选实施方案，每个客户的地面装置选择一个与分配给他或她希望与之进行通信的对方的频率相应的频率值(即是，频率选择或编码)。于是地面的终端将在所选的频率上将信号发送给对方。在高架工作平台上为该用户服务的天线接收在该波束内发送来的信号以及通过同一天线波束进行通信的其它的同时用户的所有信号。在高架工作平台上，用每个含有所有的所述频率的波束去调制一个激光二极管，该激光二极管又照射一个″布拉格池″，一个有源驱动的声-光材料，如石英。光信号或者被反射掉或者穿过该声-光材料而遭受折射，不同频率的光束折射角亦不同。并且，每个光信道内的频带，根据它们的调制频率，在空间上将被扩展开。每个在空间上扩展开的离散的频带产生一个光信道元。从其他的每个波束中所接收到的能量也以同样的方式被转换成光信道并同时聚焦在布拉格池的分开的部分上，从而每个光信道被转换成一组离散的光信道元。
布拉格池有效地将宽带光信道分解成多个具有分开的频率的光信道。经过透镜的准直和被分束处理以得到两个基本上是相同的光信道元组后，光信道元沿45°对角线折叠射到一个检测器二极管线性阵列(1×N)上使得每个检测器二极管组合一系列的从每个输入束来的唯一的频率。所以，通过选择合适的上行频率，就可实现输出信道的自动接入和进行通信。返回途径遵循相同的步骤以达到双向通信的目的。
因为本地的通话多半可能比到任何其他束区的通话多，所以可以加上许多特殊的光或电的通路以便把进入束的频率的更大部分改变方向返回到同一个呼出束。这些束内的路径基本上使交换部件旁路，并直接路由至交换的输出处用以发射到指定的地理扇形区。
本发明也计划考虑，如果有需要，可加上特殊的电路以便进一步把一些或全部信道分流成超过100个声道，或者组合多个信道(例如，6个)来用于高清晰度电视(HDTV)传输。此外，如果有需要，交换部件中也可以加上附加的电路以满足本发明为社区服务的特殊需要。
                  附图简述
图1A是使用单颗卫星作为光耦合通信***(OCCS)时本发明优选实施方案的概图。
图1B是当使用单个塔架作为OCCS时本发明第二个实施方案的概图。
图2示明用在OCCS中的光和电处理的细节。
图3A，3B，3C，和3D描述用于对各波束的每个信道作频率分类和循环再组合的方法。
图4A，4B和4C表示在M＝N；M＞N；和M＜N三种情况下频率的分类和循环再组合是如何完成的。
图5描述加到本发明第一或第二实施方案上，或者任何其他的使用频带来区分在分开的地理扇形区的用户的实施方案上的随机交换的“双跳”能力。
图6描述对于旁路该交换处理的“本地”信令的波束内的通信路径。
图7A，7B，和7C是按照本发明的用于产生多波束的天线结构的几种变形。
图8描述在用户端采用一组定向天线以提高扇形区的隔离度的多个高架工作平台***。
图9是电交换***的第三种实施方案概图，该***能用在任何高架工作平台上，包括卫星或塔架。
图10描述交换矩阵，它确定了从一个特定的输入天线接收到的那些频率然后又电联结到特定的输出天线上。
                优选实施方案详述
图1A描述一个按照本发明利用卫星作主高架工作平台(例如，定点，中地球轨道，或LEO)的OCCS，示出了它有N个波束2每束同时有M个客户。很清楚本发明可以类似地使用其他的主高架工作平台，包括系链的平台，机载平台，塔架，等。这些M个客户仅仅是N个波束2的每个波束的总的潜在的客户的一小部分。然而，因为大约只有1％的客户同时使用双向通信***(在美国的平均数)，这些M个同时的用户也许能代表多达100×M个潜在的用于交互图象的客户或者终端，每个终端皆具有小型天线，收发信机，摄象机和图象显示器。此外，取决于所用的多址接入的波形是否与本发明的内容一致，同时的用户容量必定会随多址接入方式的效率而成比例地增加。例如，这里所述的M个客户事实上能支持1亿个同时用户，其中1000个波束中的每一束通过使用对于每个频率路由子频带具有100个用户的容量的多址接入波形而支持1000个用户；虽然本发明与任何特定的多址接入方式无关。可是，本领域普通技术人员很清楚，此处公开的本发明将会补充到更大通信***的许多其它方面，包括，例如，新的多址接入方式或含有大的时间-带宽积的波形的商业应用。
M个同时的客户(其中M是20至4,000-典型值是1000)会使用一些近于无损的视频压缩技术来将每个信号压缩到1MHz带宽(或数字等效值)，在一般的执行过程中总共有1000个信号。这1000个信号，每个带宽是1MHz，被分配以特定的代码(即，频率编码)以彼此加以区别。波束占用的总的带宽在0.5GHz和1GHz之间，这与波形的特定参数，比如调制，检错和纠错编码，波形协议，和多址接入方式有关。源端通过在定点卫星(没有示出)上的多束接收天线***3产生的N个平行的接收波束(一般N＝1000)中的一个波束内发送一个信号而建立与目的地端的通信。于是OCCS将按照本文的描述将信号选择路由送到目的地端。源端和目的地端的通信一经建立，通过完成类似的反向路径即可进行双向通信。
在卫星上，由接收天线***3接收到的1000个波束是沿着N个电信道4传送的，每个波束皆含有1000个同时的全频带的用户。这些信道由接收天线***3进行适当的下变频(如果有需要)以便支持电-到-光调制器5。例如调制器是一个1×N激光二极管阵列(例如，一般的光纤光学驱动器)，不过也可以使用任何的光调制器件阵列，然后形成N个光信道6，每个接收波束一个信道。
N个光信道6，(每个信道携带着来自M个用户1的信号)被传送到一个频率分解器7。频率分解器7把每个来自在N个光信道6的每个光信道中的M个用户1的信号分离开以产生N×M个光信道8。N×M个光信道8连接到一个分束器图象级联器9上，它复制N×M个信道产生N×2M个光信道10(即，光信道元)，每个皆可被看作为一个光信道元。N×2M个光信道10中被选择的那些(即选定的光信道元)在一个对角线光组合器11中按照信道指定的地理目的地被循环地组合(再定向和成组)。然后通过一个多束形成器13(例如，二极管检测器阵列)将输出的光信道12转换成N个电信道(信号)14。N个电信道(信号)14再经适当地频移和放大后，被用来馈送给包含N个发射天线的发射天线***15。显然，多束形成器13和N个电信道14也可能被包括在发射天线***15之内。类似地，N个光输出信道12，多束形成器13和N个电信道14也可能增大对角线光组合器11。
图1B是第二个优选实施方案的概图。该***与图1A所示的***相同，只不过高架工作平台是塔架，而不是卫星。每个波束(或扇形区，这里当作为同义词)的单独的M个客户1位于特定的角扇形区16内。工作情况完全如图1A所述。相邻的扇形区必需彼此隔离开，方法可以是通过频率偏移，极化(例如，线极化或圆极化)，或编码，或终端天线的定向性(每种隔离方法将在后面详细介绍)。
OCCS的内部处理参照图2，图3A，3B，3C，和3D，以及4A，4B，4C被详细地示明。在优选实施方案中，接收天线100，作为接收天线***的一个部分，接收服务于M个客户1的频率编码信号，每束(总共N束)大约1000个客户，将接收的电磁能转换成N个电信道4。通过驱动一个1×N的激光二极管阵列110的驱动器105，将这些N个电信道4，和在每个信道内的M个信号，转换成适当频率。N个光信道6，从1×N激光二极管阵列110被输出，参见图3A，其中N个光信道6的每一个光信道皆包含有存在于相应的N个电信道4内的M个信号。图2和图3A，3B，3C，和3D表示M＝N时的优选实施方案。(M不等于N的其他情况也能适当地工作并将在下面再详述)。M＝N的情况是优选的，因为这时通过一个频率双工器(频率双工器作为一种在收发信机应用中用于隔离接收和发送能量的装置，在天线电路技术中是大家所熟知的)在输入和输出两种情况下可以用同样的天线。
阵列110的N个光输出6中的每一个皆通过柱形聚焦透镜115然后再经过准直透镜120，被反射掉或者通过一个布拉格池125(一种常用的和在技术上是熟知的声-光器件)，它有一个合适的声驱动器130(位于布拉格池125的一个适当的面上)。布拉格池125是一个声-光器件，当驱动时，在布拉格池媒体内传播的光学折射率出现空间的周期性波动。每个含有包括M个信号的宽带频率分量的光信道与这种波动这样地相互作用以使得M个信号按照其频率分量在空间上被分离开。N个光信道中的每一个又被转换成为分布在一个方向上的M个光信道，总的N个光信道被转换成为N×M个光信道。
因为在光能内的不同频带当通过布拉格池125时每个进行不同的交互作用，因此出现空间扩展现象。较高频的光能反射的角度与较低频光能稍有不同。当宽带光通过布拉格池125时产生二次的光栅波瓣。光栅波瓣的角度是对频率敏感的：较高频率时的二次光栅波瓣将以比较低频率时的二次光栅波瓣小的锐角传播。因此，从每束M个用户来的信号在垂直于N个信道传播方向的平面内光学地散布开。因为M个客户中的每一个客户的信号是用不同的频率编码的，每个光信道中的M个信号中的每个信号将以稍许不同的角度135从布拉格池125中射出来并产生总数为N×M个光信道8。
一旦N×M个光信道8已分得足够开，用准直透镜140使它们变成平行光束。在准直之后，总的离散的束形成N×M个光信道元159。这些光信道元159在一个1/2镜面分束器145上穿过/被反射，再被一个全反射镜面150反射以便产生两个边靠边的虚阵列—一个“双虚阵列”。该双虚阵列155，如图3B所示，包含有频率f1到fN，并且对于原先的N束中的每一束重复着f1到fN(记住这是在M＝N的优选实施方案的情况)。所以，双虚阵列155含有总数N×2M(或如图所示N×2N)个光信道元159，这是由布拉格池125射出的两组基本上相同的N×M个光信道8构成的。该双虚阵列155是“虚”的，因为它仅存在于空间且不需要聚焦或成象在任何面上。随后双虚阵列155的N×2M个光信道元159选择性地通过一个柱形聚焦透镜160。因为柱形聚焦透镜160相对于双虚阵列155的行156或列157皆成45°夹角，所以只有位于双虚阵列155的M条对角线158的每一条上的光信道元159被组合在一起(即是选择性聚焦)。而且，被柱形聚焦透镜加在一起的仅仅是在双虚阵列155中的位于相同对角线158上的那些光信道元159。如图3C所示，柱形聚焦透镜160的输出包含一个从原先的N个波束2中每个波束来的频带(它对应于在一个特定束中原先M个用户1中的一个)。这是本发明交换***的精髓所在：束1中的f1和束2中的f2组合，等等，而不需要将信道变换成基带，也不需要在交换***中作任何处理。况且，源端(即，用户端之一)和目的地端(另一个用户端)包含有使信号通过交换***合适地路由的一切必要的电子控制设备。事实上，为了有效地交换到合适的收信束/扇形区，终端只需要确定上行频率。安置在高架工作平台上的OCCS光学部件和电子部件不需要用于进行信号交换的控制电子设备或中枢控制电子设备：源端通过选择合适的发射(上行)频率而对交换起作用。此外，用户们确定他们彼此间如何唯一地寻址：在破译地址时交换机不起作用。
柱形聚焦透镜160的N个输出12的每个输出被聚焦在1×N行的检测器165的一个相应的检测器上。于是每个检测器的输出包含有从f1到fN的所有频率，但是如图3D所示每个频率是来自不同的输入束。来自N个检测器的N个电输出(14图2中没有示出)的每一个输出被转换成适当的发射波段，经驱动器170放大后用来驱动相应的发射天线175，天线的每个波束为M个同时的客户服务。
所以，只需简单地选择合适的发射(即，上行)频率，任何一个束内被服务的任何客户可以同任何束中的任何其他客户建立联系。接收客户对于已经唯一地分配给接收客户的频带、特别的子带、编码、前置码或其他的协议手段仅仅监视在接收客户束内的能量。一旦检测到，双方即可开始完全的图象交互通信。
图4A，4B，和4C表示在M和N值的三种可能的组合的每种组合下是如何实施内处理和终端编码的：图4A，N＝M；图4B，M＞N；以及4C，M＜N。如图4A所示，如果M＝N，于是在(N个束的)任何束中的任何子带(即，含有N个子带的频带中的任何一个子带)可以与任何输出束链接，因此，实现边靠边的N×N-与-N×N交换矩阵。
然而如果M＞N，如图4B所示，每个束有较多的用户M信号，这意味着每束子带的数目M多于束数，即，N束。假使这样的话，OCCS产生M个输出，如图所示。每个输出是来自三个输入束的三个子带的组合。扩大点说，这也许能作为一种分配方式，其中数目较小的源信道(比如说10,000个)可以与一百万个客户中的任何一个进行交换。M＞N时的主要的问题是在″视频拨号音″应用上，这里分配***对交互地分配娱乐信息的能力有限，对多个目的地端也如此。另一方面，为支持每个输出，需要有附加的发射天线(即，M个天线)。
对于M＜N的那些应用，如图4C所示，输入M的数目(每个束的子带数)小于束N的数目。如图所示，OCCS仍将产生M个输出。每个输出将只有三个子带，它们是从四个输入波束中的三个选择来的。这类似于从大量的潜在输入中产生少量的输出的选择过程。
在一个稍许更复杂的实施方案中，可以在至少一个居间终端上加上″双跳″的功能(即，一个用户端至少能够发射，接收，以及编码要通过OCCS路由的信号)，它能用作为智能性中继站。关于图5，比如，当扇形区J内的终端A400(源端)企图与扇形区K中的终端B410(目的地端)建立通信关系，但是在为终端A400服务的波束内的信道401，即fM401已被占用，所以终端A400和终端B410之间的通信遭堵塞时，将使用居间终端。正常工作时终端A400经置于高架工作平台上的交换***发送信号，直接与终端B410进行通信。在发生堵塞时，终端A400通过利用终端A的信道检测电路450(例如，用许多熟知的能量检测电路中的任何一种)检测到信道401已被占用，信号被重新编码(例如，用预定的编码方式改变上行频率)使得重新编码后的信号重新选择路由通过没有被全占用的某个扇形区(例如，扇形区L420)中的信道402。于是该重新编码的信号被路由通过远处的居间终端或收发信机(或位于地面或在高架的工作平台上)，即位于扇形区L中的终端C430。于是终端C430检测要被路由的信号，第二次再编码其目的地为终端B410的信号，并以适当的信道fq403发送该信号，通过扇形区K20k到达终端B410。所以，如果从第J个波束到第K个波束的链路已经在使用，我们可以从J波束传到在第L个波束中的收发信机，以后再从L波束传到K波束—″双跳″。居间终端可以是地面终端也可以是位于高架工作平台上的终端。
该″双跳″能力使得当波束内的任何一个信道被占用或发生堵塞时可以随机地进行交换。可以料到，那些为人口众多的市区服务的波束似乎最易遭受堵塞。反之，为远处农村服务的波束发生堵塞的程度就相当低，所以它们是所需要的支持***的″双跳″随机交换能力的居间终端的最佳侯选者。也可以用某些其他的配置来支持″双跳″。例如，可以用分布在许多负荷轻的波束中的专用转发器做到这一点或者将全部的客户单元设计成当该单元没有在常规使用时容纳这类服务。
图6描述一个稍许更复杂的实施例，其中OCCS的交换部分(即，图6中的元件5，6，7，8，9，10，11，12，和13)被一组K个频率唯一的束内信号旁路，而存在于N个电信道4的每个信道中的M个附加信号最终被传送到OCCS的光交换部分。束内信号是被K个频率选择滤波器500从N个电信道4中提取的并被直接送到被连接到发射天线***15的N个电输出信道14上。这种特点使得***可以容纳大量的″本地呼叫″而不需要增加交换***资源。换言之，这允许在一个束或扇形区内进行无交换的通信。
频率选择旁路电路500被安置在N个电信道4(输入)和N个电信道14(输出)之间。旁路电路500通过使用惯用的旁路滤波技术从在N个电信道4的每一个信道上的M个附号信号中将每组K个频率唯一的信号隔离出来。N个电信道4的全部能量最终被传送到主交换处理功能块以进行束间交换。来自主交换处理功能块的N个光输出信道12中的每一个信道连接到一个将N个光信道12转换成N个电信道14的电路(例如，一组二极管检测器)上。然后这N个电信道14与来自旁路电路500的K个频率唯一的信号的输出相组合。于是现在将含有K个束内信号和M个″交换过″的束间信号的N个输出信道14传送至发射天线***15进行发射。
图7A和7B示出了两种由一个天线产生多个天线束的方法，其中每个束可以被定向以便为不同的地理扇形区提供服务。图7A表示标准的多馈源曲面反射器结构，通常称为″Gregorian″馈源多束天线。在该天线中，一系列的实际的RF馈源21位于曲面反射器22的焦平面上以便产生一系列束23，它们能够覆盖大的面积(例如，U.S.大陆)。图7B表示一个RF Luneburg透镜，一种利用具有作为半径的函数的可变介电常数的电介质球24，以便将任何平行射线聚焦在球的远边的一个点上。如果M个馈源是处在合适的位置25，则能产生覆盖所需区域的M个束23。
上述两个多天线束技术已为该技术领域内的普通技术人员所熟知，因此在这里就不需要详述。
图7C描述提供多天线束的第三种方法，每个束是为不同的地理扇形区服务的。第三种方法特别适合于本发明的第二优选实施方案的地面上的高架工作平台，如通信塔架，包括用于其他目的的塔，如有源TV或无线电广播塔。一圈反射式天线27，其个数在3和500之间，优选值是20，被装在塔架26上以便覆盖连续的角扇形区28。每个天线是定向的并且具有指向不同的地理扇形区的主束29。本领域的技术人员很清楚，可以用许多种更昂贵的多束天线来替代反射式天线的任何子集。相邻的角扇形区28在空间上是隔离开的，但也可通过采用可替换的极化30或者通过使用分开的和不同的频带31而使其进一步地彼此隔离开。线极化(垂直和水平)，或者优选地替换的圆极化30可被用来将每个束与最靠近的束隔离。例如，通过利用任意的编号方法，奇数号天线可使用RHC(右旋圆极化)，而偶数号天线可使用LHC(左旋圆极化)。相邻扇形区之间频率隔离可以与极化隔离或其他独立的隔离技术一起使用。比如，优选地扇形区1可在频带f1接收和在频带f2发射，而扇形区2可在频带f2接收，和在f1发射31。
另一个频率隔离的方法是扇形区1在频带f1接收和发射，而最邻近的相邻扇形区在频带f2接收和发射，这里f1和f2不重叠。当然，这样频带没有得到充分利用。
又一个增进相邻束或扇形区隔离的方法是对每个用户分配代码。就像各种使用具有大的时间-带宽积的信号的***的情况那样，在接收机检测电路中相邻束/扇形区的干扰将得到抑制。使用该方法的一个限制是可能发生可用的编码数被用尽。
另外一个改善扇形区之间隔离的方法参照图8加以描述。这种改善隔离度的方法需要使用多个高架工作平台和客户终端的定向天线。高架工作平台700发射和接收许多个扇形区/波束内的信号，其中之一记为扇形区/波束#1 715。第二个高架工作平台705发射和接收在许多扇形区/波束内的信号，这些扇形区/波束覆盖的地理区域与第一个高架工作平台700相同，其中之一记为扇形区/波束#2 720。扇形区/波束#1 715和扇形区/波束#2 720可以覆盖相同的频段，但不干扰。它们不发生干扰的原因是因为客户终端(例如，710)使用定向天线，它只获取落在它的主瓣725之内的高架工作平台之一700的信号。扇形区/波束#1 715和扇形区/波束#2 720基本上是重叠的只要它们有适当的间隔(例如，对定点通信卫星大约4°，对塔架大约5英里)。通过使用频率分开和/或极化隔离可以使这种隔离方法进一步得到改善。
图9和图10说明本发明的另一种实施方案，其中利用了等效于光耦合通信交换的电交换。从天线***(例如，一组N个天线)的电输出对应于来自各个天线的单独输出，和相应的波束。每个波束内包含的信号是来自其覆盖的M个用户的信号，每个信号又是用f1到fM个频带来加以区分的。用低噪声放大器205(它是天线***的一部分)对电输出加以适当地放大，然后通过一排M个频率选择(带通)滤波器210。也可以采用其他的合适的信道化技术如信道化接收机。根据各自的频率成分不同，一排M个频率选择滤波器210将M个信号电隔离开。然后每个信号由电导线212或其他的用来传输电通信信号的装置(例如，光纤，光信道，RF转发器，等)传到技术上是熟知的一组N个相加器件215的一个器件上。每个信号按照图8所示的布线矩阵被选择路由，下面的例子将对其加以说明。按照图8，每个相加器件215含有来自每个天线束的f1到fM的一个频率；只要用户选择合适的上行频率，任何束中的任何源端可以将其信号传给任何输出束。而且，因为每个相加器件的输出是通过发射天线***的部件，包括本机振荡器(L.O.)225驱动的混频电路220和放大器230，被电联接到一个天线输入端上，用户通过最初选择合适的发射频率可以将信号发射给任何扇形区内的任何其它用户。以图8为例，如果天线1所覆盖的扇形区内的某个用户希望与位于天线3所覆盖的扇形区内的用户通信，则该用户以对应于f3，1的频带发射信号，正如图8加圆圈的信道元所示。
与对本发明的前面所介绍过的实施方案附加上″双跳″相同，对本发明的此处所述的实施方案也可以附加″双跳″随机交换能力。这种“双跳”能力又需要使用一个能够通过不同的扇形区再路由信号的附加远程终端。
同样地，束内信令实现的方式与已介绍过的光通信交换***相同。具体地，在滤波器排210处可以加K个频率选择滤波器以提取所有束内信号。然后这些“本地信号”可以由专门为该特定扇形区服务的发射天线直接发射。
尽管已经参照各种优选实施方案对本发明加以了详细说明，但对于那些熟悉本领域的技术人员来说，在本发明的范围和精神范围内作各种改变和修改将是显而易见的。所以本发明被认为仅仅是由附加的权利要求书所限定。

Claims (38)

1.可用于单个高架工作平台的双向光通信交换***，所述光通信交换***能够交换大量的宽带信道，包括：
一个安置所述光通信交换***的高架工作平台；
一个接收第一组N束的接收天线***，所述第一组N束的每一束是为M个客户服务的；
电-到-光调制器，用来从所述N束的各个束形成第一组的N个光信道；
一个频率分解器，用来将所述的第一组N个光信道的每一个沿一个方向分布，以产生第一组N×M个光信道元；
一个分束器图象级联器，用来复制所述第一组N×M个光信道元以产生基本上相同的第二组N×M个光信道元，所述第一组N×M个光信道元和所述第二组N×M个光信道元相邻以形成具有N×2M个光信道元和M个对角线的双虚阵列，所述M个对角线的每个对角线包括M个光信道元；
一个对角线光组合器，用来把每个所述M个对角线上的所述M个光信道元组合到N个光输出中，以形成第二组N个束；和
一个发射天线***，用来发射所述第二组N束，每一束同时服务于M个客户。
2.权利要求1的***，其特征在于，所述频率分解器包括一个布拉格池。
3.权利要求2的***，其特征在于，还包含一个源端和一个目的地端，所述源端通过所述的光通信交换***路由信号，以建立与所述目的地端的通信，所述源端和所述目的地端包括控制电子设备用来通过所述光通信交换***路由信号。
4.权利要求3的***，其特征在于，信号是宽频带信号。
5.权利要求3的***，其特征在于，所述的信号包括许多在每个子带内可用来为附加的客户服务的信号。
6.权利要求2的***，其特征在于，所述频率分解器还包含：
一个放置在所述布拉格池和所述分束器图象级联器之间的准直透镜，所述准直透镜用来准直所述N×M个光信道元。
7.权利要求2的***，其特征在于，所述分束器图象级联器包括，
一个分束器，用来将所述第一组N×M个光信道元的每一个分束以形成所述第二组N×M个光信道元，以及
一个放置在所述的分束器和所述双虚阵列之间的常规镜面，所述常规镜面用来反射所述第二组N×M个光信道元以产生一个和第二N×M虚阵列相邻的第一N×M虚阵列，所述第一N×M虚阵列和所述第二N×M虚阵列组成所述的双虚阵列。
8.权利要求2的***，其特征在于，所述对角线光组合器包括一个放置在所述双虚阵列和所述发射天线***之间的柱形聚焦透镜，所述柱形聚焦透镜用来组合所述M个对角线上的所述M个光信道元以形成N个光输出信道，所述对角线光组合器又包括一个多束形成器用于将所述N个光输出信道转换成所述第二组N波束。
9.权利要求2的***，其特征在于，所述高架工作平台是卫星。
10.权利要求2的***，其特征在于，所述高架工作平台是地面的塔架。
11.权利要求2的***，其特征在于，还包括一个源端，一个目的地端，和一个居间终端，在按照预定的编码方式所选的特殊信道被占用时，所述源端对信号重编码以便通过居间终端路由所述信号到目的地端。
12.权利要求11的***，其特征在于，所述的源端包括检测电路用来检测占用信道以及当检测到信道被占用时对所述信号用预定的编码方式进行重编码，所述居间终端包括检测装置，用来检测所述的预定编码并重新路由用所述的预定编码方式编码后的所述信号。
13.权利要求11的***，其特征在于，所述居间终端是一个高架工作平台。
14.权利要求1的***，其特征在于，所述宽频带信道是可供M个客户选择的单向分配式视频服务信道。
15.权利要求1的***，其特征在于，所述接收天线***和所述发射天线***包括一组定向天线，所述天线使用可供选择的极化以提高隔离度。
16.权利要求1的***，其特征在于，所述N个波束通过使用在相邻的所述N个波束之间的频率分隔开的方法进一步被隔离。
17.权利要求1的***，其特征在于，所述波束通过使用至少一个第二高架工作平台进一步被隔离，所述的高架工作平台和所述第二高架工作平台把源端和目的地端覆盖在重叠扇形区，各个端使用定向天线对所述高架工作平台或所述第二高架工作平台之一进行空间隔离。
18.权利要求1的***，其特征在于，还包括：
旁路电路，用于从所述第一组N波束提取一组选定的束内信号，所述束内信号直接路由到所述第二组N个波束以供所述发射天线***发射用。
19.权利要求1的***，其特征在于，所述N个波束中交替的一些束交替发射频率和接收频率以增强波束的隔离。
20.可用于单个高架工作平台的双向通信交换***，所述通信交换***能交换大量的宽频带的信道，包含有：
用于接收第一组N个波束的接收天线***，所述第一组N个波束中的每个波束为M个客户服务；
用于安放所述通信交换***的高架平台；
一排频率选择滤波器，用来从所述N个波束的各波束形成第一组N个信道，所述第一组N个信道中的每一个信道具有M个信号，所述M个信号的每个信号用频率分隔开；
一组相加装置，用来形成第二组N个信道，每个信道含有M个信号，所述M个信号的每个信号来自所述第一组N个信道中的分开的一个信道；
路由装置，用来把来自所述第一组N个信道中每个信道的所述M个信号路由到所述相加装置；和
发射天线***，用于将所述N个信道转换成所述第二组N个波束，以及发射所述同时为M个客户服务的第二组N个波束。
21.权利要求20的***，其特征在于，还包含源端和目的地端，所述源端通过所述通信交换***路由信号以便建立与目的地端的通信联系，所述源端和所述目的地端包括控制电子设备用来通过所述通信交换***路由信号。
22.权利要求21的***，其特征在于，信号是宽频带信号。
23.权利要求21的***，其特征在于，所述接收天线***和发射天线***包含有一组定向天线，每个天线具有定向波束以便服务于不同的地理扇形区。
24.权利要求21的***，其特征在于，所述信号包括大量的在每个子频段之内的信号可用来服务于附加的客户。
25.权利要求21的***，其特征在于，所述源端包括检测电路用来检测占用信道以及当检测到信道被占用时对所述信道按预定的编码方式进行重新编码，所述居间终端包括检测装置用来检测所述的预定编码并重新路由用所述预定编码方式编码后的所述信号。
26.权利要求21的***，其特征在于，所述高架工作平台是卫星。
27.权利要求21的***，其特征在于，所述高架工作平台是地面塔架。
28.权利要求21的***，其特征在于，所述波束通过使用至少一个第二高架工作平台进一步被隔离，所述高架工作平台和所述第二高架工作平台把源端和目的地端覆盖在重叠扇形区，每个端使用定向天线对所述高架工作平台或所述第二高架工作平台之一进行空间隔离。
29.权利要求20的***，其特征在于，所述波束通过在交替所述波束中的一些波束时所采用的选择极化的能量的方法进一步被隔离。
30.权利要求20的***，其特征在于，所述波束通过使用在所述波束的相邻波束之间的频率分隔开的办法进一步被隔离。
31.权利要求20的***，其特征在于，所述宽频带信道是可供M个客户选择的单向分配式视频服务信道。
32.权利要求20的***，其特征在于，还包括源端，目的地端，和居间终端，在按照预定编码方式所选的特殊信道被占用时所述源端能对信号重新编码以便通过居间终端路由所述信号到达目的地端。
33.按照权利要求32的***，其特征在于，所述居间终端是一个高架工作平台。
34.权利要求20的***，其特征在于，还包括：
旁路电路，用于从所述第一组N个波束中提取一组所选的束内信号，所述束内信号直接路由到所述第二组N个波束以供所述发射天线***发射用。
35.可用于单个高架工作平台的双向光通信交换***，所述光通信交换***能交换大量的宽带信道，包括：
一个安置所述光通信交换***的高架工作平台；
用于接收第一组N个波束的装置，所述第一组N个波束中的每一束为M个客户服务；
光信道形成装置，用来从所述N个波束的各个波束形成第一组的N个光信道；
分布装置，用于将所述的第一组N个光信道的每一个光信道沿一个方向分布，以产生第一组N×M个光信道元；
N×M个光信道元的复制装置，用来复制所述第一组N×M个光信道元以产生基本上相同的第二组N×M个光信道元，所述第一组N×M个光信道元和所述第二组N×M个光信道元被放置成以形成具有N×2M个光信道元和M条对角线的双虚阵列，所述M条对角线的每条对角线包括M个光信道元；
选择聚焦装置，用来把每个所述M条对角线上的所述M个光信道元组合到所述第二组N个束中；以及
发射装置，用来发射所述第二组N个束，每个束同时服务于M个客户。
36.权利要求35的***，其特征在于，所述分布装置包括一个布拉格池。
37.权利要求36的***，其特征在于，还包含源端和目的地端，所述源端通过所述光通信交换***路由信号，以建立与所述目的地端的通信关系，所述源端和所述目的地端包括控制电子设备用来通过所述光通信交换***路由信号。
38.用来同时将第一组N个波束的每个波束中的第一组M个用户的宽带信号与第二组N个波束的每个波束中的第二组M个用户的任何一个进行交换的方法，包括以下各步骤：
接收第一组N个波束，所述N个波束的每个波束服务于M个客户，
将所述N个波束的每个波束由电磁能量转换成N个电信道；
将所述N个电信道转换成第一组N个光信道；
对所述N个光信道聚焦；
准直所述第一组N个光信道；
将所述N个光信道聚焦在布拉格池上；
将所述N个光信道转换成N×M个光信道；
准直所述N×M个光信道；
复制所述N×M个光信道以形成一个具有N×2M个光信道元和M条对角线的双虚阵列，所述的M条对角线中的每一条具有M个光信道元；
组合所述M条对角线中的每一条上的M个光信道元；
由所述的M条对角线的组合的M个光信道元形成第二组N波束；以及
发射所述第二组N波束以便为所述N个波束的每个束中的第二组M个客户服务。
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