改进的点波束卫星系统的制作方法

专利名称：改进的点波束卫星系统的制作方法
技术领域：
本申请总地涉及无线通信，特别涉及卫星通信网络。
背景技术：
随着使用Ka波段卫星的星际网络业务的启动，消费者宽带卫星业务在北 美正在获得吸引力。虽然这样的第一代卫星系统可以提供每卫星每秒多个千兆 比特(Gbps)的全部容量，但这样的系统的设计固有地限制了可以被充分地 服务的消费者的数量。此外，跨多个覆盖区域分散容量的事实进一步限制了每 个用户(subscriber)的带宽。
尽管现有的设计有多个容量限制，但对于这样的宽带业务的需求仍持续增 长。过去若干年已经看到了通信和处理技术中的强大优势。结合选定的创新的系统和元件设计，该技术可以被利用来产生新的无线通信系统来解决这个需 求。

发明内容
本发明涉及一种用于分配传输带宽的方法。该方法包括在由中央单元分 酉己在第一分酉己的发送频道(first assigned frequency channel)中发送卫星上行链 路信号的用户终端侧，通过在第一分配的发送频道中在时间分隔的传输周期中 发送来间歇地发送卫星上行链路信号。该方法进一步包括在用户终端侧，在传 输来自于用户终端的卫星上行链路信号的时间分隔的传输周期之间监视所述 第 一分配的发送频道，以生成关于第 一分配的发送频道中可能存在另 一信号的 至少一个观察结果，并且将所述至少一个观察结果才艮告给中央单元。该方法还 包括在中央单元侧，4^收所述至少一个观察结果，并且基于所述用户终端报告 的所述至少一个观察结果来确定将用户终端重新分配到第二分配的发送频道， 并且将传送重新分配的结果的消息发送到用户终端，以便指引用户终端在第二 分配的发送频道中发送卫星上行链路信号。
根据一个实施例，该方法进一步包括监视与第一分配的发送频道不同的至 少一个带外频道以生成所述至少一个观察结果的步骤，其中所述至少一个观察 结果进一步涉及在所述至少一个带外频道中可能存在的信号。所述至少一个带 外频道可以包4舌与第 一分配的发送频道相邻的邻近频道。
根据一个实施例，至少 一个观察结果指示作为主要频谱许可持有者的外部 源的存在，并且用户终端是次要频谱许可持有者。作为一个例子，所述至少一 个观察结果指示陆地移动数据业务(LMDS)用户的存在。
根据一个实施例，用户终端进一步能够使用第一天线在第一分配的接收频 道中接收卫星下行链路信号，并且使用第二天线监视第一分配的发送频道。例 如，第一天线用于接收卫星信号，并且第二天线用于接收地面信号。
根据一个实施例，在确定将用户终端重新分配给第二分配的发送频道时， 除了用户终端^t艮告的所述至少一个观察结果之外中央单元还考虑其他用户终 端报告的观察结果。
本发明还涉及一种在利用频率重用的多波束卫星系统中通信数据的方法。
该方法包括在卫星和多个用户终端之间建立包括上行链路业务波束和下行链路业务波束的业务波束以形成多个业务波束覆盖区域，每个下行链路业务 波束与不同的业务波束覆盖区域相关。通过重用至少 一个公共上行链^各频道来 将多个上行链路业务波束发送给卫星，并且通过重用至少一个7>共下行链路频 道来从卫星发送多个下行链路业务波束。
该方法进一步包括在卫星和网关终端之间建立至少一个上行链路馈线波 束和至少 一个下行链路馈线波束，所述至少 一个下行链路馈线波束与 一个馈线
波束覆盖区域相关联，所述馈线波束覆盖区域和所述多个业务波束覆盖区域分 开，在卫星侧接收所述至少一个上行链路馈线波束以形成多个下行链^各业务波 束，在卫星侧接收多个上行链路业务波束以形成所述至少一个下行链路馈线波 束。通过进一步重用所述至少一个公共上行链路频道来向卫星发送所述至少一 个上行链路馈线波束，并且通过进一步重用所述至少一个公共下行链路频道来 从卫星发送所述至少一个下行链路馈线波束。
根据本发明的实施例，所述至少一个上行链路馈线波束包4舌多个上行链路 馈线波束，并且所述至少一个下行链路馈线波束包括多个下行链路馈线波束。 通过再次进一步重用所述至少一个公共上行链路频道来向卫星发送多个上行 链路馈线波束。此外，通过再次进一步重用所述至少一个公共下行链;洛频道来 从卫星发送多个下行链路馈线波束。
根据一个实施例，所述至少一个上行链^各馈线波束包括4个载波，其中所
述至少一个公共上行链路频道包括每一个能够由右旋圆极化(RHCP)和左旋 圆极化(LHCP)区分的两个频道，以形成频率和极化的4个独特组合，并且 其中4个载波的每一个使用频率和极化的4个独特组合的一个来发送。
根据一个实施例，所述至少一个下行链路馈线波束包括4个载波，其中所 述至少 一个公共下行链路频道包括每一个能够由右旋圓极化(RHCP )和左旋 圆极化(LHCP)相区分的两个频道，以形成频率和极化的4个独特组合，并 且其中4个载波的每一个使用频率和极化的4个独特组合的一个来发送。
根据一个实施例，每个上行链路业务波束包括1个载波，其中所述至少一 个公共上行链路频道包括每一个能够由右旋圓极化(RHCP)和左旋圓极化 (LHCP)相区分的两个频道，以形成频率和极化的4个独特组合，并且其中 上行链路业务波束的每个载波使用频率和极化的4个独特组合的一个来发送。根据一个实施例，每个下行链路业务波束包括1个载波，其中所述至少一
个公共下行链路频道包4舌每一个能够由右旋圆极化(RHCP)和左旋圆才及化 (LHCP)相区分的两个频道，以形成频率和极化的4个独特组合，并且其中 下行链路业务波束的每个载波使用频率和极化的4个独特组合的一个来发送。 所述至少一个7>共上4于链3各频道包括500MHz的频道。所述至少一个公共下行 链路频道包括500MHz的频道。
本发明还涉及一种在具有多个点波束的卫星系统中发送数据的方法，所述 方法包括在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送宽带信号以中继到至少 一个用户终端。所述方法还包括在通信卫星侧接收所述宽带信号，其中通信卫 星包括一个弯管中继器，所述弯管中继器具有多个基于卫星的传输放大器，每 个基于卫星的传输放大器能够执行放大以生成业务点波束。所述方法还包括使
用多个基于卫星的传输放大器的一个来放大所述宽带信号以产生放大的宽带 信号，其中所述多个基于卫星的传输放大器的一个传输方文大器被用来仅放大所
述宽带信号而不放大来自网关终端的其他宽带信号。所述方法还包括将所述放 大的宽带信号发送至所述至少一个用户终端，所述放大的宽带信号被发送作为 多个业务点波束的一个，所述多个业务点波束的一个业务点波束含盖包括至少 一个用户终端的地球表面覆盖区域，其中所述放大的宽带信号独自占用所述多 个业务点波束的一个。所述方法还包括在所述至少一个用户终端侧接收所述放 大的宽带信号并从所述放大的宽带信号恢复数据。
在一个实施例中，所述放大的宽带信号是单载波信号。所述放大的宽带信 号支持至少1千兆比特每秒(Gbps)的数据率。所述放大的宽带信号具有至 少500MHz的带宽。
多个基于卫星的传输放大器的每一个都包括行波管放大器(TWTA)。在 一个实施例中，多个业务点波束包括60个业务点波束。从网关终端向通4言卫 星发送的宽带信号被包含在从网关终端到通信卫星发送的多个馈线波束的一 个中。在一个实施例中，多个馈线波束包括15个馈线波束。多个馈线波束的 每一个包含4个载波，每个载波表示在从网关终端到通信卫星的前向方向上发 送的分离信号。
本发明还涉及一种利用过剩的卫星巴氏功率的方法。该方法包括在从网关终端到弯管继电器通信卫星的前向方向上发送被包含在至少 一个馈线波束中 的宽带信号以中继到至少 一个用户终端。通信卫星可操作用于提供巴氏功率总 量，其中通信卫星的现有有效载荷消耗巴氏功率总量的占用部分，其中通信卫 星的额外有效载荷消耗巴氏功率总量的其余部分，并且通信卫星包括多个基于 卫星的传输放大器，每个基于卫星的传输放大器能执行放大以生成业务点波 束。该方法还包括在通信卫星侧接收所述宽带信号并且使用所述多个基于卫星 的传输放大器的一个来放大所述宽带信号以产生放大的宽带信号。该方法还包 括向所述至少一个用户终端发送所述放大的宽带信号，所述放大的宽带信号被 发送作为多个业务点波束的一个。该方法还包括在所述至少一个用户终端侧4妄 收所述放大的宽带信号从所述放大的宽带信号恢复数据。
根据一个实施例，所述额外有效载荷支持完整的卫星系统，完整的卫星系 统包括M个馈线波束和N个业务波束。
根据可选实施例，额外有效载荷支持完整的卫星系统的一部分，完整的卫
星系统包括M个馈线波束和N个业务波束。作为例子，完整的卫星系统包括 15个馈线波束(M=15 )和60的业务波束(N-60 ),并且所述额外有效载荷支 持2个馈线波束和8个业务波束。
在一个实施例中，至少一个馈线波束的每一个包括4个信号，每个信号使 用频率和极化的四个不同组合的一个来发送。多个业务波束与不同地球表面覆 盖区域相关，并且应用频率重用来利用至少一个公共频道。与所述多个业务波 束相关的邻近的地球表面覆盖区域使用交替的左右旋圓极化。
可以使用频谱的不同部分。例如，所述至少一个馈线波束和所述多个业务 波束利用Ka波—度的至少一个频道。
本发明还涉及一种利用用户终端和网关终端定位来才喿作多波束卫星系统 的方法。
该方法包括在多个业务波束覆盖区域内定位多个用户终端，所述用户终端 能够在用户终端和卫星之间建立上行链路业务波束和下行链路业务波束，下行 链路业务波束与所述多个不同的业务波束覆盖区域相关。通过重用至少一个公 共上行链路频道向卫星发送多个上行链路业务波束，并且通过重用至少一个公 共下行链路频道从卫星发送多个下行链路业务波束。该方法还包括在馈线波束覆盖区域内定位网关终端，所述网关终端能够在 网关终端和卫星之间建立上行链路馈线波束和下行链路馈线波束，下行链路馈 线波束与所述馈线波束覆盖区域相关，所述馈线波束覆盖区域与所述多个业务 波束覆盖区域分开设置，在卫星侧接收上行链路々贵线波束以形成多个下行链路 业务波束，在卫星侧接收多个上行链路业务波束以形成下行链路馈线波束。通 过进一步重用所述至少一个公共上行链路频道向卫星发送上行链路々贵线波束， 并且通过进一步重用所述至少一个公共下行链路频道从卫星发送下^f亍链赠4贵 线波束。
网关终端可以是多个网关终端的一个，每个网关终端浮皮定位在多个^^责线链 路覆盖区域的不同的一个馈线链路覆盖区域内。根据一个实施例，所述多个网 关终端的每一个与所述多个网关终端中的每个其他网关终端分隔的最小距离 为400公里。根据一个实施例所述多个网关终端的每一个被放置在距光纤网络
连接50公里的距离内。根据一个实施例，所述多个网关终端的每一个被放置 在对于指定的时间百分比，所述至少一个公共上4亍链路频道的全部雨衰(例如 时间的99.99% )小于特定量的衰落(例如10dB的衰落)的位置上。


图1A是根据本发明的不同实施例配置的示意性卫星通信系统的框图1B是表示无线通信系统的可选实施例的框图2A是示出根据本发明的不同实施例配置的多波束系统的实例；
图2B是示出根据本发明的不同实施例配置的多波束系统的另一个实例；
图3表示框图形式示出的网关的地面系统的实施例；
图4表示框图形式示出的SMTS的实施例；
图5表示框图形式示出的卫星的实施例；
图6A表示框图形式示出的上行数据流转发器(upstream translator)的实 施例；
图6B表示框图形式示出的下行数据流转发器(downstream translator)的 实施例；
图7是表示一组用户设备的框图，该组用户设备可以位于用户位置以接收 和发送通信信号；图8表示下行数据流信道的实施例； 图9表示上行数据流信道的实施例； 图IO表示网关发射器的实施例； 图ll表示网关接收器的实施例；
图12A表示前向链路(forward link)分配系统的实施例； 图12B表示返向链路(return link)分配系统的实施例； 图13表示信道图的实施例；
图14表示才艮据本发明的一个实施例可采用的示例频率重用(Frequency Re-use)计划；
图15表示根据本发明的一个实施例的说明性的系统，该系统采用了卫星 上行链路频带的自适应使用。
具体实施例方式
本发明的各种实施例包括用于新的宽带卫星网络的系统、方法、设备和软 件。
具体实施方式
中<又4是供了示意性的实施例，不用于限制本发明的范围、应 用性或配置。相反的，实施例的随后的描述将向本领域普通技术人员提供能够 实施本发明的实施例的具体实施方式
。可以对组件的功能和布置进行各种改变 而不偏离本发明的精神和范围。
由此，不同实施例可以恰当地省略、減去或增加各种过程或元件。例如， 应该意识到，在可替换的实施例中，可以通过与所描述的方法不同顺序来执行 方法，并且可以增加、省略或合并不同步骤。而且，针对某些实施例所描述的 特征也可以被合并到不同的其他实施例中。可以以相似的方式合并实施例的不 同方面和组件。此外，可以在下面的实施例之前、之后或同时需要多个步骤。
还应该意识到，下面的系统、方法、设备和软件可以是更大的系统的元件， 其中其他过程可以优先地进行或者修改它们的应用。
图1A是根据本发明的各种实施例配置的示意性的卫星通信系统100的框 图。该卫星通信系统100包括例如因特网的网络120，网络120与网关115相 接口连接，网关115用于通过卫星105与一个或多个用户终端130通信。网关 115有时被称为集线器或地面站。用户终端130有时被称为调制解调器、卫星 调制解调器或用户终端。如上所述，虽然通信系统IOO被示例为基于对地静止的卫星105的通信系统，但应该注意到这里描述的各种实施例不局限于使用在 基于对地静止的卫星的系统中，例如某些实施例可以是基于近地轨道(Low
Earth Orbit, LEO )卫星的系统。
在不同实施例中，网络120可以是任意类型的网络，并且可以包4舌例如因 特网、IP网、内联网、广域网(WAN)、局域网(LAN)、虚拟专用网、公共 交换电话网(PSTN)和/或支持这里描述的设备之间的数据通信的任意其它类 型的网络。网络120可以包括有线和无线连接，包括光链路。根据本^Hf，对 于本领域的普通技术人员来说许多其他的例子是可能的和明显的。如多个实施 例所述，网络可以通过也与卫星105通信的其他网关(未图示)来连接网关 115。
网关115提供网络120和卫星105之间的接口。网关115可以用于接收指 向一个或多个用户终端130的数据和信息，并且可以将该数据和信息进行格式 化以通过卫星105传送到各个目的地设备。类似地，网关U5可以用于从指向 网络120中的目的地的卫星105 (从一个或多个用户终端)接收信号，并且可 以将接收的信号进行格式化以沿着网络120传输。
连接至网络120的设备(未图示)可以通过网关115与一个或多个用户终 端通信。可以从网络120中的设备向网关115发送数据和信息，例如IP数据 报。网关115可以根据物理层定义将媒体接入控制(MAC)帧进行格式化以 便传输到卫星130。本发明的某些实施例可以使用各种物理层传输调制和编码 技术，包括DVB-S2和WiMAX标准定义的那些技术。从网关115到卫星105 的链路135可以在下文中被称为下行数据流上行链路135。
网关115可以1吏用天线110来将信号发送至卫星105。在一个实施例中， 天线110包括抛物面反射器，该抛物面发射器在卫星方向具有高定向性并且在 其他方向具有低定向性。天线110可以包括各种可替换的配置和组件，该可替 换的配置和组件包括操作特征，例如正交极化之间的高隔离性、操作频带的高 效率和低噪声。例如，在一个实施例中天线110可以包括组件阵列。
在一个实施例中，对地静止的卫星105用于从天线110的位置并且在发送 的频带和特定极化中接收信号。诸如，卫星105可以使用反射器天线、透镜天 线、阵列天线、有源天线或现有技术中已知的其他机制来接收这样的信号。卫星105可以处理从网关115接收的信号，并且将来自网关115的包含MAC帧 的信号转发到一个或多个用户终端130。在一个实施例中，卫星105以多波束 模式操作，发送每个指向地球的不同区域的多个窄波束，允许频率重用。通过 这样的多波束卫星105，对卫星可以存在任意数目的不同信号切换配置，允许 来自单个网关115的信号在不同点波束之间切换。在一个实施例中，卫星105 可以被配置为"弯管(bent pipe)"卫星，其中卫星在将接收到的载波信号重 新发送到它们的目的地之前将这些信号进行频率变换，而对信号的内容几乎不 执行或不执行其他处理。根据本发明的某些实施例的卫星105可以使用各种物 理层传输调制和编码技术，包括DVB-S2和WiMAX标准定义的那些技术。对 于其他实施例，对本领域普通技术人员来说显而易见的是，多个配置是可能的 (例如，使用LEO卫星或使用代替星形网络(star network)的网状网络(mesh network))。
一个或多个用户终端130可以通过各自的用户天线125来接收从卫星105 发送的业务信号。在一个实施例中，天线125和终端130—起构成甚小孔径终 端(Very Small Apeture Terminal, VSAT )，天线125测量大约0.6米直径并且具 有大约2瓦功率。在其他实施例中，在用户终端130可以^使用各种其它类型的 天线125来从卫星105接收信号。从卫星105到用户终端130的链路150在下 文中可以被称为下行数据流下行链路150。每个用户终端130可以包括单个用 户终端，或者可选地包括连接到多个用户终端的集线器或路由器(未图示)。 每个用户终端130可以连接至用户端设备(Consumer Premises Equipment ， CPE) 160， CPE 160包括例如计算机、局域网、因特网装置、无线网络等。
在一个实施例中，多频时分多址(MF-TDMA)方案用于上行数据流链路 140、 145，允许通信量的有效流动同时在每个用户终端130之间维持分配容量 的灵活性。在这个实施例中，可以分配多个频道，该多个频道是固定的或者被 以更动态的方式分配。还可以在每个频道中应用时分多址(TDMA)方案。在 该方案中，每个频道可以被划分为可以被分配给连接(例如，用户终端130) 的多个时隙。在其他实施例中，可以以其他方案配置一个或多个上行数据流链 路140、 145，例如，频分多址(FDMA)、正交频分多址(OFDMA )、码分多 址(CDMA)或现有技术中已知的任意数目的混合或其他方案。用户终端，例如130-a，可以通过卫星105将数据和信息发送至网络120 目的地。用户终端130使用天线125-a通过上行数据流上行链路145-a将信号 发送至卫星105。用户终端130可以根据各种物理层传输调制和编码技术，包 括DVB-S2和WiMAX标准中定义的技术来发送信号。在各种实施例中，对于 每个链路135、 140、 145、 150，物理层4支术可以相同或者可以不同。从卫星 105到网关115的链路可以在下文中被称为上行数据流下行链路140。
返回图1B,框图用于表示卫星通信系统100的可选实施例。例如，该通 信系统100可以包括图IA的系统IOO,但是在这个例子中描述得更详细。在 该实施例中，网关115包括卫星调制解调器端接系统(Satellite Modem Termination System, SMTS),其至少部分地基于有线电缆数据服务4妄口^见范 (Data-Over-CaWe Service Interface Standard, DOCSIS )。在这个实施例中的 SMTS包括一系列的调制器和解调器，用于向用户终端130发送信号和从用户 终端130接收信号。网关115中的SMTS通过卫星105执行信号通信量的实时 调度，并且提供连接到网络120的接口 。
在本实施例中，用户终端135也使用部分的基于DOCSIS的调制解调器电 路。由此，SMTS可以使用基于DOCSIS的资源管理、协议和调度器以有效地 提供消息。在不同的实施例中，可以修改基于DOCSIS的元件以适合于用于其 中。由此，某些实施例可以利用DOCSIS规范的某些部分，同时定制其他部分。
虽然上面概括地描述了能够用于不同实施例的卫星通信系统100，但现在 将描述这样的系统100的特定实施例。在该特定例子中要^f吏用大约2千兆赫兹 (GHz)的带宽，包括相邻频谱的四个500兆赫兹(MHz)的带宽。双圆极化 的应用导致包括具有总可用频带4GHz的8个500MHz的不重叠频带的可用频 率。该特定实施例应用与网关115和用户点波束物理分离的多波束卫星105, 并且允许对在不同链^各135、 140、 145、 150的频率重用。对在下行婆t据流下 行链路上的每个业务链路点波束使用单个行波管放大器(TWTA),并且每个 TWTA在完全饱和状态操作以达到最大效率。单个宽带载波信号，例如使用一 个500MHz频带的全部，填充TWTA的整个带宽，由此允许最小数目的空间 硬件组件。点波束尺寸和TWTA功率可以被优化以获得地球表面上的最大通 量密度-118分贝瓦每平方米每兆赫兹(dbW/m2/MHz)。由此，使用近似2比
17特每秒每赫兹(bits/s/Hz),存在大约每点波束lGbps的可用带宽。
参考图12A示出了前向链路分配系统1200的实施例。如图所示，网关115 连接至天线110，这产生四个下行数据流信号。对四个下行数据流上行链路135 的每一个使用具有500MHz频谱的单个载波。在该实施例中， 一共两个频率和 两个极化允许四个单独的下行数据流上行链路135，而仅使用lGHz的频谱。 例如，链路A 135-A可以是具有左旋极化的Freq 1U ( 27.5-28.0GHz )，链路B 135-B可以是具有右旋极化的Freq 1U (27.5-28.0GHz),链路C可以是具有左 旋极化的Freq 2U ( 29.5-30GHz )，以及链路D可以是具有右旋极化的Freq 2U (29.5-30GHz )。
卫星105^皮功能化地描述为馈线链路(feeder link)和业务链^各之间的四 个"弯管，，连接。可以通过卫星105 "弯管"连接来改变载波信号和极化的方 向。卫星105将每个下行数据流上行链路135信号转换为下行数据流下行链路 信号150。
在本实施例中存在四个下行数据流下行链路150,每个下行数据流下行链 路150为四个点波束205 4是供业务链路。下行数据流下行链路150可以如本实 施例的情况中那样在弯管中改变频率。例如，下刊H据流上行链路A135-A通 过卫星105从第一频率(即，FreqlU)改为第二频率(即，Freq ID )。其他实 施例也可以改变给定的下行数据流信道的上行链路和下行链路之间的极化。某 些实施例可以对给定的下行数据流信道的上行链路和下行链路使用相同的极 化和/或频率。
下面参考图12B，示出了返向链路分配系统的实施例。该实施例表示来自 四组用户终端125的四个上行数据流上行链^各145。"弯管"卫星105采用上 行数据流上行链路145,可选地改变载波频率和/或极化(未图示)，然后将它 们作为上行数据流下行链^各140重新导向到用于网关115的点波束。在该实施 例中，载波频率在上行链路145和下行链路140之间改变，但是极化保持相同。 由于至网关115的馈线点波束没有处于业务波束的覆盖区域内，因此可以对业 务链路和馈线链路二者重用相同的频率对。
返回图2A和2B ，示出了根据本发明的不同实施例配置的多波束系统200 的例子。例如，该多波束系统200可以在图1A和1B描述的网络100中实现。图中示出了多个馈线和业务点波束区域225、 205的覆盖范围。在该实施例中， 卫星215通过将天线的方向性隔离到国家(例如，美国、加拿大或巴西)的一 定区域来重用频带。如图2A所示，在馈线和业务点波束205、 225之间存在 完全的地理排他性。但是对于图2B并不是这样的情况，图2B中在某些例子 中存在业务点波束重叠(例如205-c、 205-d、 205-e)，而在其他区域不存在重 叠。然而，通过重叠，存在某些千扰问题，从而可能禁止在重叠区域内的频带 重用。四色图样(Four Color Pattern)即^f吏在相邻业务波束205之间存在某些
重叠的情况下也提供了避免干扰的可能。
在该实施例中，还示出了网关终端210及其馈线波束225。如图2B所示， 网关终端210可以位于由业务点波束覆盖的区域(例如，第一、第二和第四网 关210-1、 210-2、 210-4)。然而，网关也可以位于业务点波束覆盖的区域之外 (例如第三网关210-3 )。通过将网关终端210设置于业务点波束覆盖的区域之 外(例如第三网关210-3),实现地理的分离以允许重用分配的频率。
在给定的馈线点波束225中通常存在备用网关终端210。如果主网关终端 210-4工作不正常，该备用网关终端210-5可以替代主网关终端210-4。此外， 可以在主网关终端因天气损坏时使用该备用网关终端。
下面参考图8，示出了下行数据流信道800的实施例。下行数据流信道800 包括一系列连续的超帧804，每个超帧804可以具有相同的大小或大小不同。 这个实施例将超帧804划分为多个子信道808 ( l-n)。在每个超帧804中的子 信道808 ( l-n)可以是相同大小或大小不同。可以在不同超帧804之间改变子 信道808 (l-n)的大小。可以对不同的子信道808 (l-n)可选地^使用不同编 码。在某些实施例中，子信道在持续时间上和一个符号一样短。
参考图9，示出了上行数据流信道900的实施例。本实施例使用 MF-TDMA,但是其他实施例可以使用CDMA、 OFDM、 FDMA、 TDMA或其 他接入方案。在一个实施例中，上行数据流信道900具有500MHz的整个带宽。 整个带宽^C划分为m个频率子信道，各频率子信道在带宽、调制、编码等上 可以不同并且在基于系统需要的时间上也可以不同。
在本实施例中，向每个用户终端130给出二维(2D )地图(two-dimetional (2D)map)用于它的上行数据流通信量。该2D地图具有多个条目，每个条目
19指示频率子信道912和时间段908 ( 1-5 )。例如， 一个用户终端130被分配了 子信道m912-m、时间段一 908-1;子信道二 912-2、时间段二 908-2;子信道 二 912-2、时间段三908-3等。根据SMTS中调度器的预先的需要来对每个用 户终端130动态地调整2D地图。
参考图13，示出了信道图的实施例。仅示出了单个馈线点波束225和单 个业务点波束205的信道，但是实施例可以包括许多点波束225、 205 (例如， 不同实施例可以具有例如60、 80、 100、 120个每种类型的点波束225、 205 )。 前向信道800包括从网关天线110行进到业务点波束205的n个子信道808。 每个用户终端130可以-陂分配一个或多个子信道808。 m个MF-TDMA信道 912组成用户终端(ST)天线125和馈线点波束225之间的返向信道900。
下面参考图3，以框图形式示出了包括多个网关115的地面系统300的实 施例。例如， 一个实施例可以具有十五个有源网关115 (和可能的备用网关) 以生成六十个业务点波束。地面系统300包括分别连接至天线110的多个网关 115。所有的网关115连接至例如因特网的网络120。网络用于收集用户终端 的信息。此外，每个SMTS使用网络120或其他未图示的手段来与其他SMTS 以及因特网通信。
每个网关115包括收发器305、 SMTS310和路由器325。收发器305包括 发射器和接收器二者。在该实施例中，发射器获取基带信号，并且对该基带信 号进行上变频和放大，用于通过天线110的下行数据流上行链路135的传输。 接收器与如下所述的其他处理一起对该上行数据流下行链路140进行下变频 和调谐。SMTS 310处理信号以允许用户终端请求和接收信息，并且SMTS 310 为前向和返向信道800、 900调度带宽。此外，SMTS 310提供配置信息并接 收用户终端130的状态。任何请求的或返向的信息都通过路由器325转发。
参考图11，示出了网关接收器1100的实施例。该接收器1100的实施例 处理四个不同业务点波束205的四个返向信道900。可以使用天线极化和/或滤 波1104在四个路径中划分返向信道900。每个返向信道连接至低噪放大器 (LNA)1108。下变频1112将信号混频降到它的中频。多个调谐器1116将每 个上行数据流子信道912从信号中分离。在SMTS310中执行进一步的处理。
下面参考图10，示出了网关发射器IOOO的实施例。从SMTS310接收中
20频的下行数据流信道800。通过分离的路径，使用两个不同载波频率来对每个
下行数据流信道800进行上变频1004。功率放大器1008在连接到天线110之 前增加前向信道900的幅度。天线IIO对分离的信号进行极化来保持四个前向 信道800在将它们传给卫星105时不相同。
参考图4，以框图形式示出了 SMTS310的实施例。多个地理上分开的网 关115对入站(inbound)和出站(outbound)链路135、 140完成基带处理。 每个SMTS310通常被划分为两个部分，具体为，发送信息至卫星105的下行 数据流部分305和从卫星105接收信息的上行数据流部分315。
下4亍tt据流部分305通过多个下行数据流(Downstream, DS )叶片(blade ) 412从开关结构(Switch Fabric) 416获取信息。在多个下行数据流发生器408 中划分DS叶片412。该实施例包括四个下行数据流发生器408，每个下行数 据流信道800对应一个下朽-数据流发生器408。例如，该实施例使用具有不同 频率和/或极化的四个分离的500MHz频谱范围。四色调制器(Four Color Modulator) 436具有分别对于各DS发生器408的调制器。中频的已调制的信 号被耦合至收发器305的发射器部分1000。在该实施例的四个下行数据流发 生器408中的每一个具有J个虚拟DS叶片412。
SMTS 310的上行数据流部分315以基带中频从卫星105接收和处理。在 收发器305的接收器部1100对四个分离的基带上行数据流信号产生所有子信 道912之后，每个子信道912被耦合至不同的解调器428。 一些实施例可以在 解调器428之前包括开关，从而允许将任一返向链路子信道912转到任一解调 器428以允许四个返向信道908之间的动态重新分配。多个解调器专门用于上 行数据流(Upstream, US )叶片424。
US叶片424用来在将从卫星105接收到的信息提供到开关结构416之前 恢复该信息。在每个US叶片424上的US调度器430用于对每个用户终端130 调度返向信道900的使用。可以评估特定返向信道900的用户终端130的进一 步的需要，并且与资源管理器和负载均衡器(RM/LB)块420协作根据需要 相应地调整带宽/等待时间。
RM/LB块420分配US和DS叶片之中的通信量。通过与其他SMTS 310 中的其他RM/LB块420通信，每个RM/LB块420可以将用户终端130和信道800、 900重新分配给其他网关115。可以由于任意原因发生这样的重新分 配，例如，缺乏资源和/或负载考虑。在该实施例中，在多个RM/LB块420中 以分布式方式作出该决定，但是其他的实施例可以由一个主MR/LB块或者在 某个其他的中心决定^/L构作出该决定。例如，用户终端130的重新分配可以j吏 用重叠的业务点波束205。
下面参考图5，以框图形式示出了卫星105的实施例。该实施例中的卫星 105使用六十个^t线和业务点波束225、205来与十五个网关115和全部ST 130 通信。其他实施例可以使用或更多或更少的网关/点波束。使用例如化学燃料、 核燃料和/或声纳能量的能源提供巴氏(buss)能量512。卫星控制器516用于 维持姿态(attitude)并且从其他方面控制卫星105。可以从网关115上传卫星 105的软件更新，并且由卫星控制器506执行该软件更新。
信息通过卫星105在两个方向上传递。下行数据流转发器508从十五个网 关115接收信息，使用六十个业务点波束205来将信息中继到用户终端130。 上行数据流转发器504从占用该六十个点波束区域的用户终端130接收信息， 并且将该信息中继到该十五个网关115。本实施例的卫星可以以"弯管"配置 的方式切换下行数据流或上行数据流处理器508、 504中的载波频率，但是其 他实施例可以在不同的前向和返向信道800、卯O之间进行基带切换。每个点 波束225、 205的频率和极化可以是可编程的或预先配置的。
参考图6A,以框图形式示出了卫星105的上行数据流转发器504的实施 例。接收器和下变频器(Rx/DC)块616接收对于由点波束205定义的区域的 所有返向链路信息作为变换到中频(IF)之前的模拟信号。对每个业务点波束 区域205都存在Rx/DC块616。 IF开关612将特定基带信号从Rx/DC块616 路由到特定上行数据流下行链路信道。使用上变频器和行波管放大器 (UC/TWTA)块620填充上行数据流下行链^各信道。通过该处理可以改变频 率和/或极性，使得每个上行数据流信道都可以通过弯管形式的卫星105。
在上行数据流转发器504中对每个网关115分配四个专用UC/TWTA块 620。在本实施例中，四个专用UC/TWTA块620的两个在第一频率范围操作， 两个在第二频率范围操作。另外，两个使用右旋极化，两个使用左旋极化。在 两个才及4b和两个频率之间，卫星105可以通过四个分离(separate)的上4亍凄t
22据流下行链路信道来与每个网关115通信。
下面参考图6B,以框图形式示出了下行数据流转发器508的实施例。每 个网关115通过使用两个频率范围和两种极化而具有至卫星105的四个下行数 据流上行链路信道。Rx/DC块636获取模拟信号并且将该信号变换为中频。对 来自十五个网关115的全部六十个下行数据流上行链路信道都存在Rx/DC块 636。 IF开关612连4妄从网关115到特定业务点波束205的特定信道800。来 自开关628的每个IF信号通过UC/TWTA块632调制并》文大。天线-使用点波 束将信号广播到占用点波束区域的用户终端130。与上行婆t据流转发器504相 同，下行数据流转发器508可以以弯管形式改变特定下行^t据流信道的载波频 率和极化。
图7包括表示一组用户设备700的框图，用户设备700可以位于用户位置 以接收和发送通信信号。例如，该组用户设备700的元件包括天线125、相关 的用户终端130和任何用户端设备(CPE) 160，用户端设备160可以是计算 机、网络等。
天线125可以从卫星105接收信号。天线125可以包4舌VSAT天线、或者 任意不同其他天线类型(例如，其他抛物面天线、微带天线或螺旋天线)。在 一些实施例中，天线125可以被配置以动态地修改其配置来在某个频率范围或 从某个位置更好地接收信号。信号(可能在某种形式的处理之后)从天线125 转发至用户终端130。用户终端130可以包括射频(RF)前端705、控制器715、 子信道滤波器702、调制器725、解调器710、滤波器706、下行数据流协议变 换器718、上行数据流协议变换器722、接收(Rx)緩存712以及发送(Tx) 緩存716。
在本实施例中，RF前端705具有发送和接收功能。4妄收功能包括对接收 的信号的放大(例如，通过低噪放大器(LNA))。然后下变频该放大的信号(例 如，使用混频器将放大的信号和来自本地振荡器(LO)的信号合并)。该下变 频的信号可以在通过子信道滤波器702进行超帧804的处理之前通过RJF前端 705再次被放大。通过子信道滤波器702从下行数据流信道800挑选每个超帧 804的子集，例如， 一个或多个子信道808被滤除用于进一步处理。
可以在用户终端130使用各种调制和编码技术，用于从卫星接收的信号和
23发送至卫星的信号。在本实施例中，调制技术包括BPSK、 QPSK、 8PSK、 16APSK、 32PSK。在其他实施例中，额外的调制技术可以包括ASK、 FSK、 MFSK和QAM，以及各种模拟技术。解调器710可以解调下变频的信号，将 解调后的子信道808转发到滤波器706以将打算送给特定用户终端130的凄丈据 与子信道808的其他信息剥离。
一旦将去往特定用户终端130的信息隔离，下行数据流协议变换器718 将用于卫星链3各的协议转换成DOCSIS MAC块726使用的协议。可选的实施 例可以-使用WiMAX MAC块或组合DOCSIS/WiMAC块。Rx緩存712用于将 高速接收的脉冲转换为DOCSIS MAC块726可以处理的低速数据流。DOCSIS MAC块726是接收DOCSIS数据流并管理该数据流以用于CPE 160的电路。 DOCSIS MAC块726管理例如供应、带宽管理、接入控制、业务质量等的任 务。CPE通常可以4吏用以太网、WiFi、 USB和/或其他标准接口与DOCSIS MAC 块726连接。在一些实施例中，可以使用WiMAX块726来代替DOCSIS MAC 块726以允许〗吏用WiMAX协议。
同样值得注意的是，虽然下行数据流协议变换器718和上行数据流协议变
MAC块726处理，但这些变换器在许多实施例中不是必须的。例如，在不使 用基于DOCSIS或WiMAX的元件的实施例中，用于卫星链路的协议也可以与 MAC块726兼容而不进行这样的变换，并且由此可以排除变换器718、 722。
控制器715管理用户终端130的各种功能。控制器715可以监视现有技术 中的各种解码、交织、译码和解扰技术。控制器还可以管理可应用于信号的和 与一个或多个CPE 160交换处理的数据的功能。CPE 160可以包括一个或多个 用户终端，例如个人计算机、膝上型电脑或现有技术中的任意其他计算装置。
控制器715与用户终端130的其他元件一起在一个或多个特定用途集成电 路(ASIC)中实现，或者在用于执行可应用功能的通用目的处理器中实现。 可选地，可以由一个或多个其他处理单元(或核)在一个或多个集成电路中4丸 行用户终端130的功能。在其他实施例中，可以使用其他类型的集成电路(例 如，结构/平台ASIC、现场可编程门阵列(FPGA)和其他半定制IC)，其可 以通过现有技术中已知的任意方式编程。可以对控制器编程以访问存储器单元(未图示)。控制器可以从存储器单元取指令和其他数据，或者将数据写入存 储器单元。
如上所述，可以在各种通信信号中将数据从CPE 160通过用户终端130 上行发送至卫星105。由此，CPE 160可以将数据发送至DOCSIS MAC块726， 以在上行数据流协议转换器722翻译协议之前转换为DOCSIS协议。低速数据 在Tx緩存716中等待直到其通过卫星链路脉冲发送。
然后处理的数据从Tx緩存716发送到调制器725，在这里使用如上所述 的技术中的一种技术来调制处理的数据。在一些实施例中，可以在这些传输中 使用自适应或可变的编码和调制技术。具体地，根据从天线125到卫星105 的信号质量规格，可以将不同调制和编码的组合或"模码(modcode)"用于 不同数据包。例如网络和卫星拥堵问题的其他因素也可以是确定因素。可以从 卫星或其他源接收信号质量信息，并且可以在控制器本地作出或远程作出关于 模码应用性的各种决定。然后RF前端705可以放大和上变频调制的信号以通 过天线125传输至卫星。 卫星架构
根据本发明的实施例，提出了用于建立具有连接网关和用户终端的前向链 路和返向链路的多波束卫星通信系统的新颖架构。附图示出了这样的多波束卫 星通信系统。例如，参考图1A和图1B，网关115通过卫星105将前向链路信 号发送至用户终端130-a至130-n中的一个或多个用户终端。这里，前向链路 指的是信号从网关发送至一个或多个用户终端。这样的网关至用户的信号有时 也称为下行数据流信号。在相反方向， 一个或多个用户终端130-a到130-n向 网关115发送一个或多个返向链路信号。这样的用户至网关的信号有时也被称 为上行数据流信号。
如图1A和1B所示的系统的许多应用中的一个可以是向用户终端提供网 络接入(例如因特网接入)。例如，用户终端130-a可以通过卫星105使用返 向链路(上行数据流)信号(145-a, 140)向网关115发送网络请求，从而请 求在因特网上的网页。网关115通过从网络120搜索所请求的网页来作出响应， 网络120可以直接地或间接地连接至因特网。然后网关115通过卫星105使用 前向链路(下行数据流)信号(135、 150)向用户终端130-a发送所请求的网页，由此完成网页请求和响应。如本领域的普通技术人员已知的那样，在该处 理中可以执行不同层的网络协议操作。
根据本发明的实施例，卫星105包括弯管中继器，该弯管中继器从地面接 收一个或多个信号并可能在频率转换和极性修改之后将该信号发送回地面。例 如，在卫星105以特定频率或极性接收的每个信号可以以不同频率和/或极性 从卫星105发出。该弯管中继器也可以提供切换操作，使得不同的"馈线信号" (即，发送到网关的信号或从网关发出的信号)可以被切换以连接至不同的"业 务信号"(即，发送到用户终端的信号或从用户终端发出的信号)。弯管继电器 不将在卫星接收的信号解调为例如比特的数据并且不重新调制该数据用于传 输。这与处理中继器相反，处理中继器能够执行这样的解调和重新调制来获得 误差校正性能的增加。即使处理中继器是商业可用的，但根据本发明的实施例 采用弯管中继器可以获得前向链路和返向链路通信中的最优效率。
参考图6B，如根据本发明的一个实施例所示可以实现在从网关到用户终 端的下行数据流方向用于处理前向链路的卫星元件。这里，15个网关一起向 卫星发送60个前向链路信号。具体地，每个网关利用天线发送包括四个不同 的前向链路信号的上行链路馈线波束。使用频带和极化的不同组合来发送四个 前向链路信号的每一个。如前所述，每个独特的组合被称为特定"颜色"。在 卫星在特定接收器模块636接收每个前向链路信号。每个接收器模块636可以 包括接收器，例如低噪放大器(LNA)，下变频器(DC)被安排在低噪放大器 (LNA)之后，该下变频器将前向链路信号变换为例如中频(IF)的方便的频 率。
根据本发明的实施例，每个前向链路信号是宽带信号。这里，术语"宽带" 用于卫星通信的情境，并且具体指的是具有至少250MHz带宽的信号。例如， 在本实施例中，每个前向链路信号是宽带信号并且具有500MHz的带宽。
然后前向链路信号通过开关628连接至恰当的发送模块632。发送模块可 以包括上变频器(UC)，基于卫星的传输放大器被安排在上变频器(UC)之 后，上变频器将IF前向链路信号上变频至适于传输的频率。根据本发明的实 施例，基于卫星的传输放大器可以是行波管放大器(TWTA)，其有效地将信 号放大作为单载波信号。这里，每个基于卫星的传输放大器被应用来仅放大一
26个单载波信号，这允许放大器被更有效地操作。这个设计允许基于卫星的传输 放大器的非常有效的使用。
由此，每个基于卫星的传输放大器产生放大的单载波信号，然后^f吏用天线 来发出该放大的单载波信号以形成到达地球的点波束。由此，该点波束具有地 球表面覆盖区域。处于特定地球表面覆盖区域内的用户终端能够接收前向链路 信号。这里，通过单个基于卫星的传输放大器的输出来形成每个点波束。换句 话说，不需要合并多个传输放大器的输出来形成每个点波束。这排除了功率损 失并且允许更有效地操作基于卫星的传输放大器。
每个基于卫星的传输放大器的单载波信号的新颖使用和在弯管中继器上
每个点波束的单个基于卫星的传输放大器的使用优化了在卫星数据容量与功 率消耗的比率，以从卫星设备获得性能的显著改进。 业务和网关波束的频率重用
根据本发明的实施例，提出了卫星系统采用多级的频率重用来最大化可用 频率带宽的使用。除了在多个业务波束中应用频率重用使得不同的业务波束可 以占用公共频带外，系统进一步通过将网关定位在与业务波束的覆盖区域相分 开的区域中来在业务波束和馈线波束之间应用频率重用。此外，也可以在多个 馈线波束中应用频率重用以允许频镨效率的进一步增加。下面在以下讨论的示 例的系统中将更详细地解释这样的多级的频率重用。
参考图6A和6B所示的示例的系统，星型网络包括15个独立的馈线波束 以支持60个业务波束。由此，每个馈线波束对应于四个业务波束。这里，在 上行链路和下行链路方向均维持该比率。在前向方向上，卫星中继每个上行链 路馈线波束以生成四个下行链路业务波束。在返向方向上，卫星中继每四个上 行链路业务波束以生成一个下行链路馈线波束。由此，星型网络可以被看作具 有15组信号，每组包括一个上行链路馈线波束、 一个下^f于链3各々贵线波束、四 个上行链路业务波束和四个下行链路业务波束。
图14表示根据本发明的实施例采用的示例的频率重用计划400。图14表 示仅对上面讨论的15组信号中的1组重用频率。然而，根据本发明的优选实 施例，相同的频率重用计划400可以应用到15组信号的每一组。图14所示的 特定值，例如指定频道被选择作为示例。其他的值也可以在本发明的范围内使用。
首先，包括4个载波的上行链路馈线波束4002通过利用如前所述的频率
和极化的四个不同组合(4个"颜色")而被从网关终端115发送至卫星105。 这里，使用两个不同的500MHz上行链路频道，27.5GHz-28GHz和 29.5GHz-30GHz,以及两个不同的才及化，右旋圓才及化(RHCP )和左》走圆极化 (LHCP)来形成这4个颜色。
下面示出四个下行链路业务波束4004被从卫星105发送至用户终端130。 存在所示的四个颜色，使用两个不同的500MHz下行链^各频道， 17.7GHz-18.2GHz和19.7GHz-20.2GHz，以及两个不同的极化RHCP和LHCP 来形成这四个颜色。这里，因为四个下行链路业务波束4004在彼此之间具有 空间分集(spatial diversity),这有利于频率重用，对于可以如何使用4个颜色 存在不同的选项。在一个实施方式中，使用全部四个颜色，每个颜色用于不同 的下行链路业务波束4004。在另一个实施方式中，仅使用两个颜色用于四个 下行链路业务波束4004。例如，表示(1) 17.7GHz-18.2GHz及LHCP和(2) 17.7GHz-18.2GHz及RHCP的这两个颜色可以用于发送全部四个下行链路业务 波束4004。由此，可以使用相同的500MHz带宽发送下行链路业务波束4004， 但将极性(LHCP和RHCP)交替分配给物理相邻的下行链路业务波束4004, 允许将彼此紧密间隔的波束区别开来。其他变化是可能的并且处于本发明的范 围。
下面示出四个上行链路业务波束4006被从用户终端130发送至卫星105。 这里，用于发送上行链路馈线波束4002的相同四个颜色可以被重用来发送四 个上行链路业务波束4008。具体地，使用两个不同的500MHz上行链路频道， 27.5GHz-28GHz和29.5GHz-30GHz，以及两个不同的极化RHCP和LHCP来 形成这四个颜色。这种方案是可行的，因为发送上行链^各馈线波束4002的网 关115位于地球上与发送上行链路业务波束4006的用户终端130不同的位置。
4002和上行链路业务波束4008，卫星105上的定向天线也能够分开的接收上 行链路馈线波束4002和上行链路业务波束4008。此外，因为四个上行链路业 务波束4006在彼此之间具有空间分集，这便于频率重用，对于可以如何使用
28这四个颜色来发送上行链i 各业务波束4006存在不同的选项。例如，可以使用 全部四个颜色，或者可以仅使用2个，或者可以采用一些变化。这个情况类似 于上面对四个下行链路业务波束4004的描述。
最后示出包括四个载波的下行链路馈线波束4008被从卫星发送至网关终 端。这里，用于发送下行链路业务波束4004的相同四个颜色可以被重用来发 送下行链路馈线波束4008。具体地，使用两个不同的500MHz上行链路频道， 17.7GHz-18.2GHz和19.7GHz-20.2GHz，以及两个不同的极化RHCP和LHCP 来形成这四个颜色。这种方案是可行的，因为接收下行链路馈线波束4008的 网关位于地球上与接收下行链路业务波束4004的用户终端不同的位置。即， 网关位于可以接收下行链路馈线波束4008的馈线波束覆盖区域中。用户终端 130分开地位于可以4妻收下行链3各业务波束4004的业务波束覆盖区域中。由
路频率和极化，仍然由预期的接收者分开接收。
如前所述，可以对15组信号的每一组应用相同的频率重用计划400。即， 包括15个上行链路馈线波束4002、 60个下行链路业务波束4004、 60个上行 链路业务波束4006和15个下行链路馈线波束4008的整个系统可以同时采用 相同的频率重用计划400。这是通过利用60个业务波束205覆盖区域中可能 存在的空间分集、通过将15个馈线波束225覆盖区域定位得离60个业务波束 205覆盖区域足够远以及通过将15个馈线波束225覆盖区域定位得彼此足够 远而获得的。由此，实现三个不同级别的频率重用。首先，在业务波束之间实 现频率重用。其次，在业务波束和馈线波束之间实现频率重用。再次，在馈线 波束之间实现频率重用。 将网关远离业务波束布置
根据本发明的实施例，提出了具有网关终端115的有效布置的卫星系统 100。如前所述，网关和用户终端之间的空间分集有利于业务波束205和馈线 波束225之间的频率重用。同样，网关之间的空间分集也有利于馈线波束225 之间的频率重用。网关的布置可以考虑这些和其他因素。
在一个实施例中，可以将多个不同业务波束205覆盖区域(例如60个业 务波束覆盖区域)设计为对覆盖区域仅提供策略性选定的部分覆盖。总的来说，对地理区域提供通信的典型卫星系统试图获得全部覆盖，使得业务对整个区域 可用。然而，根据本发明的本实施例，卫星系统可以被设计为对特定区域仅提 供策略性选定的部分覆盖。例如，覆盖区域可以包括包含美国的西部、东部和 南部的地域。可以以不同方式选定业务波束205支持的指定覆盖区域。例如，
覆盖区域可以对应于"服务不足"("underserve")的位置，在这样的位置可 能存在大量人口但是高带宽网络接入还不可用。
根据本发明的实施例， 一个或多个网关远离业务波束205的覆盖区域力文 置，以1"更于业务波束205和馈线波束225之间的频率重用。在如上所述的示意 性的系统中，假设60个上行链路和下行链路业务波束具有跨越美国的西部、 东部和南部的地域中的覆盖区域。然后将15个网关放置在远离业务波束的覆 盖地域的地域，例如美国的中部。
此外，可能需要将多个网关115 (例如15个网关)放置得彼此足够远， 使得可以在不同馈线波束225之间进一步采用频率重用。例如，每个网关115 与其任何相邻网关间的最小距离可能需要被放置成400公里。由此，相邻网关 可以使用相同的频道而不彼此干扰。
对网关115的布置的进一步可能的限制涉及与更高频带网络入口的物理 接近度。例如，可以靠近光纤网络连接放置网关115。这允许网关具有快速和 鲁棒(Robust)的网络接入，使得需要接入网络的数据通信不被打扰。根据本 发明的一个实施例，除了其他的需要之外，每个网关被;改置在距光纤网络连4妄 50公里距离内。
对网关115的布置的另一个可能的限制涉及区域天气形态。网关可能需要 被放置在经历最小雨衰(rain fade)的区域。举例说明，每个网关115可能需 要被放置在在上行链路频率上的全部雨衰对于99.99%的时间小于10dB的衰 落的位置上。这进一步限制了网关终端的可能位置的选择。
由此，根据本发明的实施例，网关115的布置可能考虑例如如上所述的多 个因素。虽然满足这样的多个限制可能使得网关115的放置更具有挑战性，但 是采用这样的限制的系统更容易获得卓越的整体性能。 背驮卫星有效载荷
根据一个实施例，通信卫星上的总巴氏功率(buss power)的一部分被用
30于支持本发明版本的卫星通信系统100。这个技术被称作"背驮(piggy-back)" 模式，允许如上所述的整体卫星通信系统或其一部分由还承载其他通信有效载 荷的卫星支持。例如，如果特定卫星具有可用的15千瓦(KW)的总巴氏功 率，并且该卫星已经具有现有的消耗13KW巴氏功率的有效载荷，那么在卫 星上还剩余2KW的多余巴氏功率。根据本发明的一个实施例，可以通过使用 剩余的2KW巴氏功率来实现如上所述的卫星系统或其一部分。由此，使用如 上所述的通信卫星上的过剩的2KW巴氏功率来配置在前向和返向链路方向上 有8个业务波束和2个相应的馈线波束的示例系统。
附加的有效载荷可以构建独立的卫星通信系统。可选地，附加的有效载荷 可以构建一部分卫星系统。例如，如上所述，整个卫星系统在前向链路和返向 链路方向可以应用60个业务波束205和15个对应的馈线波束。这样的系统的 一部分可以对应于在前述前向和返向链路方向上的8个业务波束和2个对应的 馈线波束。全部卫星系统的特征可以实质上在这部分系统中表现。
附加的有效载荷可以采用类似于如上所述的实施例中描述的独立卫星架 构的结构。例如，在前向链路方向，从网关115向卫星105发送的每个馈线波 束225可以包括四个信号(例如，由四个"颜色，，表示)，该四个信号产生从 卫星作为分离业务点波束发送的4个分离的单载波信号以到达用户终端。可以 类似地采用其他卫星架构特征用于在作为附加的有效载荷实现的系统中使用。
不同的实施方式是可能的。下面作为示例的目的简要描述一个实施方式。 这里，附加的有效载荷包括可以被加入到现有的卫星采购的Ka数据包。这样 的系统可以以一个非常高的水平来平衡设计，使得数据包对整个卫星设计的物 理设计、布局、重量和功率的影响最小化。这种附加的有效载荷的示例市场可 以是消费者宽带市场。该数据包能够具有IO个点波束，每个点波束在发送和 接收时为近似0.35度的半功率波束宽度(Half Power Beam Width, HPBW)。 TWTA冗余应当与轨道寿命相同。该系统可以利用用于馈线链路的IO个点波 束中的两个进行四色重用。数据包的有效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power, EIRP )可以是70dBW每点波束，并且G/T可以是27 dB/。K每 点波束。单个收发器(transponder)可以是500MHz量级的宽带。极性可以是 圓形的，并且交替点可以交替地使用左旋和右族j及化。输入SFD可以以ldB步阶从-105dB到-85dB设置。
根据本发明，通过使用"背驮"模式，由此加入不同大小的有效载荷，以 允许卫星上的多余巴氏功率的有效使用。例如实施的点波束的数目的指定参数 可以根据系统的需要而不同。 卫星上行链路波段的自适应使用
根据本发明的实施例，应用卫星上行链路波段的自适应使用。这样的技术 的一个示意性的实施方式允许作为次要频谱许可持有者的用户终端灵活使用 频道。次要频谱许可持有者的在指定频带上发送的权利相对于主要频谱许可持 有者来说是次要的。即，无论何时主要频谱许可持有者能够在它选定的频带上 发送信号，而不关心其他用户。相反地，仅在主要频谱许可持有者不在指定波 段上发送的时候，允许次要频谱许可持有者在该指定的频带上发送。作为次要
波段的自适应使用，以确保当检测到另一个信号，例如主要许可持有者的信号 时，执行发送频道的重新分配来将卫星上行链路传输移动到不同频率从而不与 主要频谱许可持有者相干扰。
图15表示根据本发明的一个实施例应用卫星上行链路波段的自适应使用 的示例系统。这里，中央单元(远程处理器，或远程终端)121控制发送频道 的分配，并且接收用户终端(例如130-a-l和130-a-2)使用的频道。中央单元 121可以通过网络120连4妄至网关115。中央单元121由此也可以连4妄至其他 网关，以控制更大的卫星系统。在可选实施例中，中央单元121可以^皮包含在 例如网关115的网关中。
中央单元121向用户终端130-a-l分配发送卫星上行链路信号145-a-l的 发送频道和接收卫星下行链路信号150的接收频道。类似地，中央单元121 向用户终端130-a-2分配发送卫星上行链路信号145-a-2的发送频道和接收卫 星下行链路信号150的接收频道。根据本发明的实施例，如下所述，基于用户 终端对发送频谱的本地观察并将本地观察报告回中央单元121，中央单元121 可以采用自适应方案来将发送频道分配给一个或多个用户终端。
在分配的发送频道中用户终端130-a-l的卫星上行链路信号145-a-l的传 输可以实际上是间歇的。例如，上行链路信号可以传递仅请求短脉冲数据的网
32页请求。由此，可以在传输的时间分隔周期中发送卫星上行链路信号。即，可 以在持续时间上限制每个传输的周期。传输的周期可以通过不从用户终端
130-a-1发送传^T的时间来分隔。
用户终端130-a-l可以在卫星上行链路信号的这些传输的时间分隔周期之 间监视分配的发送频道。即，当用户终端131-a-l没有在发送时，它可以监视 分配的发送频道可能存在的来自外部源的其他信号。可以具有不同类型的这样 的外部源，例如陆地移动数据业务(LMDS)用户127。其中可能引起这样的 场景的情境是当中央单元121分配利用了 LMDS用户127是主要频谱许可持 有者而用户终端130-a-l是次要频谱许可持有者的带宽的发送频道时。由此， 如果LMDS用户127正在使用分配的发送频道时，用户终端130-a-l不使用该 信道。
除了监视分配的发送频道之外，用户终端130-a-l还监视与分配的发送频 道不同的至少一个带外频道。例如，用户终端130-a-l还可以监视一个或多个 邻近频道。邻近频道可以包括在分配的发送频道周围的多个信道。这些信道可 以包括与当前分配的发送频道紧邻的信道，以及其他信道。带外频道的监一见有 助于检测更宽的频率范围内的其他信号，例如信号128。有关于可被用户终端 130-a-l潜在使用于信号传输的频谱，这个信息允许形成更完整的画面。
在一个实施例中，用户终端130-a-l使用第一天线125-a-l来发送和接收 卫星信号，并且使用笫二天线126-a-l执行频道的监视。这里，该双天线布置 允许更容易地实施。第一天线125-a-l可以是指向卫星150的抛物面反射天线。 由此，第一天线适于发送和接收卫星信号。第二天线126-a-2可以是为地面信 号设计的双极天线。第二信号可以很好地适于检测沿着地平线的方向行进的地 面信号，例如从LMDS用户127发送的信号128。这仅是一个实例布置。在本 发明的范围内可以进行变型。
当检测到例如来自LMDS用户127的例如信号128的信号时，用户终端 130-a-l通知中央单元121 。这可以使用报告回中央单元121的观察结果来完成。 该观察结果可以以不同方式生成。作为一个例子，用户终端130-a-l可以周期 性地自动生成观察结果。作为另一个例子，中央单元121可以在恰当的时期从 用户终端130-a-l请求观察结果。此外，根据实施方式可以以不同格式报告观察结果。格式可以是布尔值、数值等。在一个实施方式中，不管是否^^测到另 一个信号的存在，都发送观察结果。在可选的实施方式中，只有检测到另一个 信号的存在时才发送观察结果。
作为响应，中央单元121可以将用户终端130-a-l重新分配到不同的发送
频道，以避免与检测的信号的源相干扰。在这种情况下，频率重新分配用于防
止干扰可能是主要频谱许可持有者的LMDS用户127发送的信号128。中央单 元121可以以不同方式为用户终端130-a-l确定新的发送频道。在某些实施例 中，该确定很简单，并不考虑在其他用户终端上执行的监一见。例如，可以存在 被分配的缺省频道。
在其他实施例中，该确定考虑了在其他用户终端上执行的监视。 一些或全 部用户终端可以执行频道监视并且将观察结果"^艮告回中央单元121。然后中央 单元121可以决定考虑了多个用户终端的需要的整体频率分配。由此，可以将 对每个用户终端确定新分配的发送频道作为整体频率分配的一部分。下面描述 简单的例子作为示例。
假设用户终端130-a-l当前一皮分配在频道X上发送卫星上行链^各信号，并 且报告了它观察到频道X和绝大多数其他频道正在被其他信号(例如来自 LMDS用户的信号128 )使用并且仅有一个特定频道Y没有被其他信号使用。 进一步假设用户终端130-a-2当前被分配在频道Y上发送卫星上行链路信号， 并且报告了它观察到频道Y和绝大多数其他频道没有^C其他信号使用。作为 响应，中央单元121可以确定最优整体频率分配包括将用户终端130-a-2重新 分配到除了 Y之外的发送频道，从而信道Y可以被分配到用户终端130-a-l。 例如，用户终端132-a-2可以;故重新分配到频道X，而用户终端130-a-l可以 被重新分配到频道Y。通过考虑在两个用户终端作出的观察以对用户终端达到 联合频率计划，允许两个用户终端操作而不干扰其他代表了主要频谱许可持有 者的信号。当然，这仅是涉及两个用户终端的简单例子。涉及更多用户终端的 频率分配也包含在本发明的范围内。
应该注意的是上面讨^r的系统、方法和软件实质上仅作为示例。必须强调 不同实施例可以恰当地省略、替代或增加不同的处理或元件。例如，应该意识 到在可选实施例中，可以以不同于上述的顺序执行方法，可以加上、省略或合
34并不同的步骤。同样，对于某个实施例描述的特征也可以与不同的其他实施例 结合。可以以相似的方式合并实施例的不同的方面和组件。此外，应该强调的 是，技术在发展，由此许多组件仅用于示例而不应被解释为限制本发明的范围。 在说明书中给出了特定细节以提供实施例的完整理解。然而，本领域的普 通技术人员应该理解到实施例可以不需要这些特定细节而被实施。例如，示出 了公知的电路、处理、算法、结果和技术而没有不必要的细节，以避免难以理 解实施例。
此外，还应该注意到，实施例可以净皮描述为由流程图、结构图、或框图表 述的处理。虽然它们可以将操作描述为时序过程，但许多操作可以并行或同时 发生。此外，操作的顺序可以被重新排列。处理在完成操作时终止，但是处理 可能有额外的没有包括在图中的步骤。
此外，在此术语"存储介质，，或"存储装置，，可以表示一个或多个用于存
储数据的装置，包括只读存储器(ROM)、随机读写存储器(RAM)、磁性RAM、 核心存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置或其他用于存储信息的计 算机可读介质。术语"计算机可读介质"包括但不局限于便携或固定存储装置、 光存储装置、无线信道、SIM卡、其他智能卡，以及能够存储、包含或承载指 令或数据的各种其他介质。
此外，可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其组 合来实现实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要任务的 程序代码或代码段可以被存储在例如存储介质的机器可读介质中。处理器可以 执行必要的任务。
已经描述了 一些实施例，本领域的普通技术人员应该意识到可以使用各种 修改、可选结构或等效替换而不偏离本发明的精神。例如，上面的组件可以仅
用。此外，可以在考虑上述组件之前需要多个步骤。由此，上面的描述不应当 被认为是限制由权利要求定义的本发明的范围。
权利要求
1.一种在具有多个点波束的卫星系统中发送数据的方法，所述方法包括在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送宽带信号，以中继到至少一个用户终端；在通信卫星侧接收所述宽带信号，通信卫星包括弯管中继器，所述弯管中继器具有多个基于卫星的传输放大器，每个基于卫星的传输放大器都能够执行放大以生成业务点波束；使用多个基于卫星的传输放大器中的一个来放大所述宽带信号以产生放大的宽带信号，所述多个基于卫星的传输放大器中的所述一个传输放大器被用来仅放大所述宽带信号而不放大来自网关终端的其他宽带信号；将所述放大的宽带信号发送至所述至少一个用户终端，所述放大的宽带信号被发送作为多个业务点波束中的一个，所述多个业务点波束中的所述一个业务点波束含盖包括所述至少一个用户终端的地球表面覆盖区域，所述放大的宽带信号独自占用所述多个业务点波束中的所述一个；以及在所述至少一个用户终端侧从所述放大的宽带信号接收和恢复数据。
2. 根据权利要求1所述的方法，所述放大的宽带信号是单载波信号。
3. 根据权利要求2所述的方法，所述放大的宽带信号支持至少1千兆比 特每秒的数据速率。
4. 根据权利要求2所述的方法，所述放大的宽带信号具有至少500MHz 的带宽。
5. 根据权利要求1所述的方法，所述多个基于卫星的传输放大器的每一 个都包括行波管放大器。
6. 根据权利要求1所述的方法，所述多个业务点波束包括60个业务点波束。
7. 根据权利要求1所述的方法，从网关终端向通信卫星发送的所述宽带 信号被包含在从网关终端向通信卫星发送的多个馈线波束的一个中。
8. 根据权利要求7所述的方法，所述多个馈线波束包括15个馈线波束。
9. 根据权利要求7所述的方法，所述多个馈线波束的每一个都包含4个载波，每个载波表示在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送的分离信号。
10. —种在具有多个点波束的卫星系统中发送数据的设备，包括 至少一个用户终端；网关终端，能够通过前向方向发送宽带信号至通信卫星，以中继到所述至 少一个用户终端；通信卫星，用于接收所述宽带信号，通信卫星包括弯管中继器，所述弯管 中继器具有多个基于卫星的传输放大器，每个基于卫星的传输放大器都能够执 行放大以生成业务点波束；所述多个基于卫星的传输放大器中的一个，用于仅放大所述宽带信号而不 放大来自网关终端的其他宽带信号以产生放大的宽带信号；所述放大的宽带信号适于作为多个业务点波束中的一个被传输到所述至 少一个用户终端，所述多个业务点波束中的所述一个含盖包括所述至少一个用 户终端的地球表面覆盖区域，所述放大的宽带信号独自占用所述多个业务点波 束中的所述一个；以及所述至少一个用户终端用于从所述放大的宽带信号接收和恢复数据。
11. 根据权利要求10所述的设备，所述放大的宽带信号是单载波信号。
12. 根据权利要求11所述的设备，所述放大的宽带信号支持至少1千兆 比特每秒的数据速率。
13. 根据权利要求11所述的设备，所述放大的宽带信号具有至少500MHz 的带宽。
14. 根据权利要求10所述的设备，所述多个基于卫星的传输放大器的每 一个都包括行波管放大器。
15. 根据权利要求10所述的设备，所述多个业务点波束包括60个业务点 波束。
16. 根据权利要求10所述的设备，从网关终端向通信卫星发送的所述宽 带信号被包含在从网关终端向通信卫星发送的多个馈线波束的一个中。
17. 根据权利要求16所述的设备,所述多个馈线波束包括15个馈线波束。
18. 根据权利要求16所述的设备，所述多个馈线波束的每一个都包含4 个载波，每个载波表示在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送的分离信
19. 一种在具有多个点波束的卫星系统中发送数据的系统，包括 在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送宽带信号以中继到至少一个用户终端的装置；在通信卫星侧接收所述宽带信号的装置，通信卫星包括弯管中继器，所述 弯管中继器具有多个基于卫星的传输放大器，每个基于卫星的传输放大器都能 够执行放大以生成业务点波束；使用多个基于卫星的传输放大器中的一个来》文大所述宽带信号以产生放 大的宽带信号的装置，所述多个基于卫星的传输放大器中的所述一个被用来仅 放大所述宽带信号而不放大来自网关终端的其他宽带信号；将所述放大的宽带信号发送至所述至少一个用户终端的装置，所述放大的 宽带信号被发送作为多个业务点波束中的一个，所述多个业务点波束中的所述 一个业务点波束含盖包括所述至少一个用户终端的地球表面覆盖区域，所述》文大的宽带信号独自占用所述多个业务点波束中的所述一个；以及在所述至少一个用户终端侧从所述放大的宽带信号接收和恢复^t据的装置。
20. —种利用过剩的卫星巴氏功率的方法，包括在从网关到通信卫星的前向方向上接收馈线波束中的信号以中继到用户 终端；使用通信卫星的现有有效载荷消耗通信卫星的巴氏功率的可用量的被占 用部分；对于使用多个基于卫星的传输放大器执行放大以生成各个业务点波束的 额外负荷消耗巴氏功率的可用量的其余部分；在通信卫星侧接收所述信号并且使用所述多个基于卫星的传输》文大器的 一个来放大所述信号以产生放大的信号；以及将所述放大的信号发送至用户终端，所述放大的信号被发送作为业务点波束。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述额外有效载荷支持整个卫 星系统，所述整个卫星系统包括M个馈线波束和N个业务波束。
22. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述额外有效载荷支持整个卫 星系统的一部分，所述整个卫星系统包括M个馈线波束和N个业务波束。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中，所述整个卫星系统包括15个馈 线波束和60个业务波束，并且所述额外有效载荷支持2个馈线波束和8个业 务波束。
24. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个馈线波束的每一 个都包括4个信号，每个信号都使用频率和极化的四个不同组合中的一个来发 送。
25. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述多个业务波束与不同的地 球表面覆盖区域相关联，并且应用频率重用来利用至少一个公共频道。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中，与所述多个业务波束相关联的 邻近的地球表面覆盖区域使用交替的左旋圆极化和右旋圆极化。
27. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个馈线波束和所述 多个业务波束利用Ka波段中的至少一个频道。
28. —种利用过剩卫星巴氏功率的系统，包括 用户终端；通4言卫星；以及网关，用于在前向方向上发送被包含在至少一个馈线波束中的信号至通信 卫星以中继到用户终端，其中通信卫星用于提供巴氏功率总量，其中通信卫星的现有有效载荷消耗巴氏 功率总量的被占用部分，通信卫星的额外有效载荷消耗巴氏功率总量的其余部 分，并且通信卫星包括多个基于卫星的传输放大器，每个基于卫星的传输放大 器用于"t丸行放大以生成业务点波束，通信卫星还用于接收所述信号并且使用所述多个基于卫星的传输放大器 的一个来放大所述信号以产生放大的信号，并且所述用户终端用于接收所述放大的信号并从所述放大的信号恢复数据。
29. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述额外有效载荷支持整个卫 星系统，所述整个卫星系统包括M个馈线波束和N个业务波束。
30. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述额外有效载荷支持整个卫星系统的一部分，所述整个卫星系统包括M个馈线波束和N个业务波束。
31. 根据权利要求30所述的系统，其中，所述整个卫星系统包括15个馈 线波束和60个业务波束，并且所述额外有效载荷支持2个馈线波束和8个业 务波束。
32. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述至少一个馈线波束的每一 个都包括4个信号，每个信号都使用频率和极化的四个不同组合中的一个来发 送。
33. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述多个业务波束与不同地球 表面覆盖区域相关联，并且应用频率重用来利用至少一个公共频道。
34. 根据权利要求33所述的系统，其中，与所述多个业务波束相关联的 邻近的地球表面覆盖区域使用交替的左旋圓极化和右旋圓极化。
35. 根据权利要求28所述的系统，其中，所述至少一个馈线波束和所述 多个业务波束利用Ka波段中的至少一个频道。
36. —种利用过剩卫星巴氏功率的系统，包括在从网关到通信卫星的前向方向上发送被包含在至少 一个馈线波束中的 信号以中继到至少 一个用户终端的装置；通信卫星，可"t喿作用于提供巴氏功率的可用量，其中，通信卫星的现有有 效载荷消耗巴氏功率的可用量的被占用部分，通信卫星的额外有效载荷消耗巴 氏功率的可用量的其余部分，并且通信卫星包括多个基于卫星的传输放大器， 每个基于卫星的传输放大器能执行放大以生成业务点波束；接收和放大装置，所述接收和放大装置在通信卫星侧接收所述信号并且使 用所述多个基于卫星的传输放大器的一个来放大所述信号以产生放大的信号；向所述至少一个用户终端发送所述放大的信号的装置，所述放大的信号被 发送作为多个业务点波束的一个；以及位于所述至少一个用户终端侧接收所述放大的信号并从所述放大的信号 恢复数据的装置。
全文摘要
本发明涉及改进的点波束卫星系统。提出了一种在具有多个点波束的卫星系统中发送数据的方法，包括在从网关终端到通信卫星的前向方向上发送宽带信号以中继到至少一个用户终端；在通信卫星侧接收宽带信号，其中通信卫星包括弯管中继器，所述弯管中继器具有多个基于卫星的传输放大器；使用多个基于卫星的传输放大器的一个来放大所述宽带信号而不放大其他来自网关终端的宽带信号以产生放大的宽带信号；向所述至少一个用户终端发送所述放大的宽带信号作为多个业务点波束的一个；以及在所述至少一个用户终端接收所述放大的宽带信号并从所述放大的宽带信号恢复数据。
文档编号H04B7/185GK101582715SQ20091014609
公开日2009年11月18日 申请日期2007年9月26日 优先权日2006年9月26日
发明者克里斯蒂·安·贾斯卡, 斯蒂文·R.·哈特, 罗伯特·威尔森, 马克·D.·丹克伯格, 马克·J.·米勒 申请人:维尔塞特公司