專利名稱：使用自由空間光通信鏈路的無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及類似蜂窩電話系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，特別是那些已增容了的無線通信系統(tǒng)。
類似蜂窩電話系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)是依靠功率相對較小的收發(fā)信機發(fā)出的數(shù)量相對較少的射頻頻率來實現(xiàn)在相對短的距離內傳送信號(如從收發(fā)信機至蜂窩的邊緣構成約1-3英里的工作半經(jīng))。這些完全相同的射頻頻率可以在鄰近的蜂窩上復用于傳輸其它消息，而不會出現(xiàn)由于在不同的蜂窩上使用了同一頻率而造成的不同消息間的令人難以接受的相互干擾。然而，由于這類通信所被允許使用的頻率數(shù)量是受政府法規(guī)以及出于其它方面的考慮限制的，因此，在任何同一時間對于任何給定的蜂窩只支持數(shù)量相對有限的蜂窩電話呼叫。在使用頻繁的地區(qū)，這將導致一些呼叫被中斷和/或強行使一些呼叫處于等待服務狀態(tài)。顯然以上這些是我們所不希望發(fā)生的。
為了實現(xiàn)在某一區(qū)域增加同時可被支持的呼叫數(shù)量，其中一種可能的方案是減小蜂窩尺寸，這樣便可允許對可用頻率進行更多的復用。例如，一個常規(guī)的蜂窩可被再分為多個子蜂窩，其中每一個子蜂窩都擁有一個其功率甚至可能比用于常規(guī)蜂窩的常規(guī)的收發(fā)信機的功率更小的收發(fā)信機。如果將一個常規(guī)的蜂窩再分為四個子蜂窩，則從理論上講，其可支持的呼叫數(shù)量為同一區(qū)域未劃分前常規(guī)蜂窩的四倍。
一種可能的阻礙蜂窩尺寸進一步減小的原因是連至子蜂窩收發(fā)信機位置的高級的硬線通信鏈路(如光纖)的費用是昂貴的。
考慮到以上情況，本發(fā)明的目的是為了降低無線通信系統(tǒng)擴容的成本和難度。
本發(fā)明更具體的目的是為無線通信系統(tǒng)提供了無需使用硬線連接至所有子蜂窩收發(fā)信機位置的子蜂窩。
本發(fā)明的這些及其它一些目的是依照本發(fā)明中的原理來實現(xiàn)完成的，該原理是在無線通信系統(tǒng)蜂窩的中心位置與該蜂窩中的每個子蜂窩收發(fā)信機之間使用點到點的、基本上無導向的、自由空間光通信方式進行通信。例如，中心位置可能是該蜂窩原來已存在的無線電收發(fā)信機的位置，將該收發(fā)信機替換成多個中心光收發(fā)信機，每個子蜂窩也配上一個光收發(fā)信機，該收發(fā)信機位于該子蜂窩的中心位置，且遠離前面所述的中心光收發(fā)信機。每個子蜂窩的光收發(fā)信機通過基本上無導向的、自由空間光通信鏈路分別與各個中心光收發(fā)信機進行光耦合(如，雙向的、視線的、紅外線傳輸)。每個子蜂窩也都包括一個為那些處于該蜂窩內的無線通信單元(如移動電話或蜂窩電話)進行服務的射頻頻率收發(fā)信機。并且，每個子蜂窩內還包括用于將光和射頻頻率收發(fā)信機聯(lián)系起來的電路。中心光收發(fā)信機通常通過硬線通信鏈路與整個系統(tǒng)中超出蜂窩范圍的部分進行通信(如一個連接到移動電話交換局的雙向光纖鏈路)。
由于在中心光收發(fā)信機與子蜂窩收發(fā)信機之間采用了基本上無導向的、自由空間的光通信，這樣就可省去與新的子蜂窩收發(fā)信機進行連接所需增加使用的硬線。這將減少因提供小型無線通信蜂窩所需的成本，同時由于有限數(shù)量的射頻頻率被更多地重用，因此，使通信系統(tǒng)具有了更大的容量。
該發(fā)明進一步的性能、特點及各種優(yōu)越性將通過結合圖示和下面對優(yōu)選實施例的詳細描述得到進一步闡明。


圖1是在依照本發(fā)明所構成的無線通信系統(tǒng)的實施例中一個有代表性部分的簡略原理圖。
圖2是圖1中所示裝置中某一部分的實施例的簡略原理圖。
圖3是圖1中所示裝置的另外一個部分的實施例，雖然更為詳細，但仍然是簡略的原理框圖。
圖1中的虛線條20代表無線通信系統(tǒng)10中的常規(guī)蜂窩的大致邊界。例如，蜂窩20可能是一個以中心天線30為中心的、半徑為1-3英里的大致的圓形。根據(jù)本發(fā)明，蜂窩20被再分為多個子蜂窩40a-d，蜂窩40a-d中的每一個都被各自獨立的天線50a-d所服務。位于天線30的裝置通過硬線通信鏈路60與交換設備70進行通信(如一個移動電話交換局)。鏈路60最好是光纖，但它也可以用電子鏈路替代。蜂窩20僅代表了類似由交換局70服務的一些小型蜂窩。通常，交換局70通過通信鏈路80連接到普通的電話公司的交換設備90上，用于與全局通信網(wǎng)進行通信。如果需要，部件70和90也可以位于同一物理位置。
雖然，一般認為這里討論的通信系統(tǒng)10是一個蜂窩電話系統(tǒng)，但也可以認為本發(fā)明同樣適用于任何類型的無線通信系統(tǒng)(如尋呼系統(tǒng)；具有增強性能的蜂窩電話系統(tǒng)及其它類似系統(tǒng))。
位于天線30的裝置通過天線間基本無導向的光通信方式與位于每個天線50a-d的裝置進行通信。特別指出的是，天線30具備一個可穿越空間向各天線50a-d發(fā)送光波32a-d的光源。各天線50a-d接收到由天線30傳來的光波，再將所收到的、以光形式存在的信息(或部分合適信息)以射頻頻率信號的形式在相應的子蜂窩40a-d的范圍內進行發(fā)射。這樣，在子蜂窩40a-d區(qū)域內使用的蜂窩電話便可接收到這一射頻頻率信息，并可使用其它動態(tài)分配的射頻頻率將其它信息發(fā)回相應的天線50a-d。位于每個子蜂窩天線50a-d的裝置使用一個內置的、調制的光源通過基本無導向光52a-d將信息從天線50a-d發(fā)回天線30。位于天線30的裝置將從天線50a-d接收到的信息置于通信鏈路60上以便向交換局70發(fā)送信息，如果有必要，可再發(fā)送至交換設備90。光鏈路32a-d和52a-d最好用紅外光。
在一方面天線30與另一方面天線50a-d之間采用了基本無導向的、自由空間的光鏈路32a-d和52a-d，便于將蜂窩20再分為子蜂窩40a-d，而不需要花費如將交換局70連至所有天線50a-d的鏈路60那樣的硬線連接。例如，一個位于交換局70與原先的射頻頻率收發(fā)信機30之間的原有鏈路60可在這一系統(tǒng)中復用。將收發(fā)信機30從無線電收發(fā)信機換成多個光收發(fā)信機，用于與收發(fā)信機50a-d進行光通信，而無需在交換局70和收發(fā)信機50a-d之間增加硬線連接。
圖2所示為依照本發(fā)明所構成的有代表性的子蜂窩裝置50中的光學部分的一個實施例。首先要考慮的是對從天線30發(fā)來的入射光32的處理。認為入射光32為一束包括了五種可分離波長的復合光束，其中四個波長分別是由天線30服務的四個子蜂窩40a-d的消息消息信息信號。而第五個波長是被由天線30所服務的子蜂窩40a-d所共用的控制消息信息信號。例如，這個控制信息可決定每個遠地點的天線50a-d所在位置的裝置所使用的射頻頻率。這些射頻頻率用于與由遠地點天線服務的蜂窩電話的通信。
準直透鏡110將入射光32聚焦于光纖120內，該光纖連至向前傳輸?shù)墓猸h(huán)行器130的端口2，這類裝置就是普通的常規(guī)裝置。向前傳輸?shù)墓猸h(huán)行器130將光信息從端口1傳至端口2，并從端口2傳至端口3，但不能從端口3傳至端口1(這一屬性適用于任意端口號)。這樣，圖2中所示的光環(huán)行器130將入射光從端口2傳至與端口3相連接的光纖140。
光纖140包括布拉格網(wǎng)柵濾波器150a-c，后者用于阻斷另外三個不被該子蜂窩裝置使用的消息信息信號波長的繼續(xù)傳輸，而這種有代表性的蜂窩裝置我們在前面已經(jīng)討論過了。這另外三個波長是被蜂窩20內的其它三個子蜂窩40分別使用的消息信息信號波長。每個布拉格網(wǎng)柵150都是一個置于光纖140內的、對需由網(wǎng)柵阻斷的波長具有近100％反射率的波長選擇鏡。布拉格網(wǎng)柵150a-c的累積效果是僅允許將被子蜂窩裝置50所使用的消息信息信號波長和控制信號波長加于向前傳輸?shù)墓猸h(huán)行器160的端口1(注意環(huán)行器130阻斷了被布拉格網(wǎng)柵150反射回來的光，這是因為環(huán)行器130既不能由端口3向端口2傳輸，也不能由端口3向端口1傳輸)。
環(huán)行器160將從其端口1接收到的光傳送到與其端口2相連的光纖170上。光纖170包括一個布拉格網(wǎng)柵濾波器180，用于阻斷控制信號波長沿光纖的繼續(xù)傳輸。這樣一來，只有能被子蜂窩裝置50使用的消息信息信號波長才能通過布拉格網(wǎng)柵180，并被光耦合到光檢測器190。
光檢測器190是子蜂窩裝置50中電子電路200的消息信息信號輸入端。
布拉格網(wǎng)柵180將控制信號波長反射回光環(huán)行器160的端口2，相應地，光環(huán)行器160將控制信號波長從端口2傳輸至與其端口3相連接的光纖210。光纖210又被光耦合至光檢測器220，而光檢測器220是電子電路200的控制信號輸入端。
電子電路200將其從元素190和220接收到的控制和消息信息信號制作成無線電信號頻率并發(fā)射出去，送往所在子蜂窩40中的蜂窩電話。電子電路200也接收和處理從那些蜂窩電話發(fā)回的信號。子蜂窩裝置50工作于射頻頻率的方式實際上沒有什么特別(除了裝置的發(fā)射功率和接收靈敏度與常規(guī)蜂窩20相比相對地減小了，這是與子蜂窩40的地理區(qū)域相對較小相對應的)。
被子蜂窩裝置50接收到的、由該子蜂窩內的蜂窩電話發(fā)回的射頻頻率信號經(jīng)電子電路進行常規(guī)處理后被用作光源230的調制信號。從光源230發(fā)出的光被耦合到與光環(huán)行器130的端口1相連接的光纖240上。相應地，從環(huán)行器130的端口1發(fā)出的光被傳至光纖120，并通過準直透鏡110發(fā)射出去，以基本無導向光52的形式傳回給收發(fā)信機30。
光源230的波長應優(yōu)先考慮選用與其它所有入射光波長32不同的波長，位于蜂窩20內的每一個子蜂窩40都應優(yōu)先考慮擁有自己獨立的光源230的波長。
圖3更詳細地表示了元素30、60和70的實施例細節(jié)。位于中心天線30的多個自由空間光收發(fā)信機330a-d分別對準子蜂窩天線50a-d。每一個收發(fā)信機330a-d將其所接收到的、經(jīng)光纖60從移動電話局70發(fā)來的光傳送給相應的子蜂窩天線50a-d。如前所述，這種從天線30至天線50a-d的傳輸為自由空間光傳輸32a-d。所有收發(fā)信機330a-d也許實際傳輸?shù)氖峭恍畔ⅲ@一信息中包括用于各個子蜂窩40a-d的各自不同的消息信息波長和可再分的控制信息波長，而后者的信息波長中包括用于對所有子蜂窩40a-d進行控制的信息。每個子蜂窩裝置利用前面圖2所示的方法濾出其所需的消息信息波長和控制信息波長。
每一個收發(fā)信機330a-d也接收從相應的子蜂窩天線50a-d發(fā)回到中心天線30的光52a-d。正如前面圖2所示，每個子蜂窩50a-d優(yōu)先使用獨立的光波長將信息發(fā)回天線30。
耦合器320將從光纖60入射到光纖322a-d的光分配到收發(fā)信機330a-d。在相反方向耦合器320將接收到的從子蜂窩天線50a-d發(fā)回來的光進行合成產(chǎn)送往光纖60。光纖60可以包括一個常規(guī)的摻鉺光纖放大器310，用于對沿光纖進行單向或雙向傳輸?shù)墓膺M行光學放大。
在移動電話局70，向前傳輸?shù)沫h(huán)行器350將從其端口2入射的、來自光纖60的入射光再通過與其端口3相連的其它光纖導引至分路器360。分路器360將其從光環(huán)行器的端口3接收到的復合的光波長分離成各自獨立的光信號362a-d。而上述每一個光信號將被送至一個光檢測器，以便制成可被常規(guī)呼叫處理電路370所使用的電信號。
呼叫處理電路370也產(chǎn)生用于發(fā)送給每個子蜂窩40a-d的電信號。而所有這些電信號又被轉換成具有不同波長的、獨立的光信號372a-e。信號372a-d是各子蜂窩40a-d獨自的消息信息信號，而372e是所有子蜂窩40a-d所共用的控制信號。耦合器380將這五個光信號混合成一束波長分離混合型光信號，并將其送往光環(huán)行器350的端口1。光環(huán)行器350將這一信號從其端口1傳輸至端口2并送往光纖60用于傳輸給中心天線30。
需要注意的是，在這里所描述的優(yōu)選實施例中，在移動電話交換局70與中心天線30之間存在一條光纖鏈路60，以便實際上光纖60既可以與自由空間鏈路32a-d進行直接傳輸，也可以與自由空間鏈路52a-d進行直接傳輸，而在這些光纖和自由空間鏈路之間無需電路耦合。這將更能保證在移動電話交換局70與子蜂窩40a-d之間進行高速無誤的通信。
當然，以上所述僅是闡述本發(fā)明的原理的一些例子。熟練的技術人員在不超出本發(fā)明范圍和基本的前提下可以進行一些改進。例如，將蜂窩20分為四個下級子蜂竄40a-d，這僅僅是舉個例子。一個蜂窩可以被再分為任意個子蜂窩。在本發(fā)明范圍內的另外一項改進的例子是，上述圖中所示的各種元器件僅是目前的優(yōu)選件，但如果需要的話，在具體實施中，本發(fā)明中的各個部分均可用其它元器件代替。這里所談的光通信，對于被傳輸?shù)墓饪梢圆捎脭?shù)字調制，也可以采用模擬調制。對于使用復合光波長向多個子蜂窩分別傳輸信息的一種可能的替代方法是，所有子蜂窩的信息以一個波長進行傳輸，而每一個子蜂窩都包括一個能將為己所用的信息以電子方式提取出來的裝置。這樣一來，子蜂窩用于光發(fā)射和光處理的光學處理裝置無疑會簡化了。但這卻會增加每一個子蜂窩所需的電子電路200的復雜程度。
權利要求
1.一個無線通信系統(tǒng)包括一個蜂窩中包括的多個中心光收發(fā)信機；多個位于遠地點的光收發(fā)信機，其中每一個遠地點的光收發(fā)信機分別與所述蜂窩內的多個子蜂窩中的一個子蜂窩相對應，并通過在所述遠地點的光收發(fā)信機與對應的中心光收發(fā)信機之間所使用的基本無導向光來與所述中心收發(fā)信機中相應的一個中心收發(fā)信機分別進行通信；以及每個所述遠地點光收發(fā)信機所具備的，用于在相應子蜂窩的無線電信號與所述遠地點光收發(fā)信機的用以通信的光信號之間進行轉換的電路。
2.在權利要求1中所定義的裝置中還包括遠離所述中心和遠地點光收發(fā)信機的無線通信控制電路；以及一條位于所述無線通信控制電路和所述中心光收發(fā)信機之間的通信鏈路。
3.在權利要求2中所定義的裝置，其中所述通信鏈路的裝置包括位于所述無線通信控制電路與所述中心光收發(fā)信機之間的光纖。
4.在權利要求1中所定義的裝置，其中將唯一波長的光用于每個所述子蜂窩的信息通信。
5.在權利要求1中所定義的裝置，其中用第一個唯一波長的光向每個子蜂窩發(fā)送信息，并用第二個唯一波長的光從每個子蜂窩發(fā)回信息。
6.在權利要求5中所定義的裝置，其中每個所述的中心光收發(fā)信機向相應的遠地點光收發(fā)信機發(fā)出含有用于與所有所述子蜂窩進行通信的所述波長的光。
7.在權利要求6中所定義的裝置，其中每個所述遠地點光收發(fā)信機包括一些光濾波器裝置，用于從所述收發(fā)信機接收到的光波長中選擇出用于與相應子蜂窩進行通信的波長。
8.在權利要求7中所定義的裝置，其中所述光濾波器裝置包括布拉格網(wǎng)柵裝置。
9.在權利要求5中所定義的裝置，其中使用另一種唯一波長的光向所有所述子蜂窩傳送控制信息。
10.在權利要求9中所定義的裝置，其中每個中心光收發(fā)信機向對應的遠地點的光收發(fā)信機傳送光波。該光波包括用于向所有子蜂窩傳輸所述信息和所述控制信息的各種所述波長的光。
11.在權利要求10中所定義的裝置，其中每個所述遠地點光收發(fā)信機包括光濾波器裝置，用于從所述收發(fā)信機接收到的光波長中選擇出用于向相應的子蜂窩傳送所述消息信息的波長和用于向所有所述子蜂窩傳送所述控制信息的波長。
12.在權利要求11中所定義的裝置，其中所述濾波器裝置包括布拉格網(wǎng)柵裝置。
13.在權利要求3中所定義的裝置，其中所述光纖將光信號從所述無線通信控制電路傳輸至所述中心光收發(fā)信機，每一個所述中心光收發(fā)信機將所述光信號的一部分傳給與之對應的遠地點光收發(fā)信機。
14.在權利要求13中所定義的裝置，其中所述光纖包括對利用所述光纖進行傳輸?shù)墓庑盘栠M行光學放大的摻鉺光纖放大器裝置。
15.在權利要求3中所定義的裝置，其中所述光纖向所述無線通信控制電路傳送每一個所述中心光收發(fā)信機從對應的遠地點的光收發(fā)信機接收到的光信號。
16.在權利要求15中所定義的裝置，其中每一個所述遠地點的光收發(fā)信機向對應的中心光收發(fā)信機傳送唯一波長的光，并且，為了供所述光纖使用，所述裝置還包括一個用于將所有從各所述遠地點光收發(fā)信機傳來的、由各所述中心光收發(fā)信機接收的光進行合成的光耦合裝置。
17.在權利要求15中所定義的裝置，其中所述光纖包括一些摻餌的光纖放大器，用于對依靠所述光纖從所述中心光轉換器向所述無線通信控制電路傳輸?shù)墓膺M行光學放大。
18.一個無線通信方法包括(a)在一個通信網(wǎng)絡和一個中心位置之間進行信息通信；(b)在所述中心位置與眾多遠地點位置中的每一個之間，通過穿越所述中心位置與每個所述遠地點位置之間的基本無導向光，進行至少是一些所述信息的通信；并且(c)在每一個所述遠地點位置和所述遠地點位置附近的無線通信設備之間，利用其間的無線電信號發(fā)射，進行至少是一些所述信息的通信。
19.在權利要求18中所定義的方法，其中所述通信網(wǎng)絡與所述中心位置之間的通信是采用光通信。
20.在權利要求19中所定義的方法，其中所述光通信通過在所述通信網(wǎng)絡與所述中心位置之間的光纖進行。
21.在權利要求18中所定義的方法，其中在所述通信網(wǎng)絡與所述中心位置之間的所述通信是雙向的。
22.在權利要求18中所定義的方法，其中在所述中心位置和每一個所述遠地點位置之間的所述通信是雙向的。
23.在權利要求18中所定義的方法，其中在所述遠地點位置與所述無線通信設備之間的所述通信是雙向的。
24.在權利要求18中所定義的方法，其中所述信息包括消息信息和控制信息。
25.在權利要求24中所定義的方法，其中所述控制信息包括射頻頻率分配信息，該信息用于控制在所述遠地點位置與所述無線通信設備之間進行所述通信的射頻頻率的選擇。
26.在權利要求19中所定義的方法，其中在所述通信網(wǎng)絡與所述中心位置之間的所述通信是雙向的，并且，每一個方向的通信使用不同波長的光。
27.在權利要求21中所定義的方法，其中不同方向的通信使用不同波長的光。
28.在權利要求26中所定義的方法，其中所述信息包括消息信息和控制信息，并且其中使用不同波長的光將所述消息信息和所述控制信息從所述通信網(wǎng)絡傳輸至所述中心位置。
29.在權利要求27中所定義的方法，其中所述信息包括消息信息和控制信息，并且其中使用不同波長的光將所述消息信息和所述控制信息從所述中心位置傳輸至所述遠地點位置。
30.在權利要求28中所定義的方法，其中所述消息信息包括多個消息內容，其中每一個消息內容分別用于不同的所述遠地點位置，并且其中使用不同波長的光將每個不同的所述消息內容從所述通信網(wǎng)絡傳輸?shù)剿鲋行奈恢谩?br> 31.在權利要求29中所定義的方法，其中所述消息信息包括多個消息內容，其中每一個消息內容分別用于不同的所述遠地點位置，并且其中使用不同波長的光將每個不同的所述消息內容從所述中心位置傳輸?shù)剿鲞h地點位置。
32.在權利要求31中所定義的方法，其中所述中心位置將所有所述消息內容傳輸給所有所述遠地點位置。
33.在權利要求32中所定義的方法還包括在每一個所述遠地點位置進行濾波，以選出適用于那個遠地點位置的消息內容所使用的波長，并且濾除用于其它所述遠地點位置所使用的消息內容的波長。
34.在權利要求22中所定義的方法，其中使用不同波長的光從每一個所述遠地點位置向所述中心位置進行通信。
全文摘要
一個無線通信系統(tǒng)中的蜂窩可以被再分為一些更小的子蜂窩,而在每一個子蜂窩中有效的射頻頻率可以被復用,從而使系統(tǒng)得到更高密度的使用。為了避免使用硬線通信鏈路與子蜂窩的發(fā)射天線相連接,在常規(guī)蜂窩天線與子蜂窩天線之間采用了基本無導向的、自由空間的光通信。而原來用于中心天線與無線通信系統(tǒng)結構中剩余設備的硬線連接仍可繼續(xù)用于與蜂窩的往來通信。
文檔編號H04B10/105GK1190828SQ9810382
公開日1998年8月19日 申請日期1998年2月11日 優(yōu)先權日1997年2月13日
發(fā)明者克里斯托弗L·拉特利奇 申請人:美國電報電話公司