使用天线及路由器对卫星链路进行频谱分集的方法

使用天线及路由器对卫星链路进行频谱分集的方法
【专利摘要】本发明公开一种介于多个卫星通信路径的起始端和目标端间的卫星通信系统，该卫星通信系统首先辨识建立于多个频谱中的链路性能，再比较该多个频谱(如C频段、Ku频段及Ka频段)，以决定频谱链路。该频谱链路在可接受的可靠度条件下提供最大数据流量。接着在该多个卫星链路间转换，以提供介于该起始端及该目标端间预定的频谱链路。
【专利说明】使用天线及路由器对卫星链路进行频谱分集的方法

【背景技术】
[0001] 以下美国专利申请案和专利公告案与本发明的主题有关。
[0002] 1.美国专利公开第2003/0172182A1号，2003年9月11日，「多路径内容传递整 合」；
[0003] 2.美国专利申请号第09/784,948号，2011年2月15日，「媒体下载期间的呼叫」；
[0004] 3.美国专利申请号第09/784,843号，2011年2月15日，「编程内容传递」；
[0005] 4.美国专利申请号第09/784,843号，2011年2月15日，「声音/影像内容的分布 存储器（分布存储器的应用）」；
[0006] 5.美国专利申请号第09/784, 843号，2001年2月15日，「广播信息管理（广播信 息管理的应用）」；
[0007] 6.美国专利公开第2006/0181472A1号，2006年8月17日，「多光束馈源装配」；
[0008] 7.美国专利公告第7202833B2号，2007年4月10日，「单开端碟型天线用的三端 Kakuku馈源」；
[0009] 8.美国专利公告第US2010/0022238A1号，2010年1月18日，「卫星通信网路中的 信号传输机构及分集增益」；
[0010] 9.美国专利公告第US6442385B1号，2002年8月27日，「关于腾卓轨道上选择性 运作卫星的方法及装置，以为时间多样性信号减少接收缓冲要求」；
[0011] 10.美国专利公告第7711335B2号，2010年5月4日，「用多样性电路在多个接收 天线间转换的数字卫星接收器与方法」；
[0012] 以上所列的十项美国申请及专利参考文献全体皆引用作为本说明书的揭示内容。
[0013] 本发明基本上涉及一种同步卫星通信网络，该同步卫星通信网络包含集线器网络 (hub network)及小型卫星地面站（very small aperture terminal，VSAT)。本发明尤其涉 及一种同步卫星通信系统（"卫星"），该系统通过单一远程天线（single remote antenna dish)及一路由器（router)在典型的固定卫星服务（fixed satellite services, FSS)频 段（如C频段、Ku频段、Ka频段等）上乘载数据及数据流量。
[0014] 传统上，卫星通信网络包含网络集线器与一远程小型卫星地面站（或"远程终 端"(remote terminal))。该远程小型卫星地面站包含卫星天线、馈源（feed)、低噪声放大 器（low noise amplifier，LNA)或低噪声降频器（low noise block down converter，LNB)、 调制器/解调器（调制解调器）与路由器。每个系统包含单天线碟、单馈源、低噪声降频器、 调制器/解调器及路由器。每个系统在各种固定卫星服务频段（即C频段、Ku频段及Ka频 段）都是唯一的。固定卫星服务频段中的数据流量（data throughput)受限于各个频段容 量的大小。频谱愈高，则频谱的利用率愈高，可提供愈大的数据流量。然而，在卫星链路中 使用愈高的频谱常伴随一个问题，即因天气变化而导致链路质量下降的可能性愈高。另一 方面，愈低频谱虽然提供较小的数据流量，但是提供较强大的链路质量。单天线碟中的复馈 电系统（馈源、低噪声放大器或低噪声降频器，以及射频传输）为已知系统。此一已知系统 广泛用于（卫星信号）直播到府（direct to home,DTH)应用中，也就是在单一频谱（如C 频段、Ku频段及Ka频段）或多个频谱（如C频段、Ku频段）中，接收一个以上的卫星广播 服务（broadcast satellite services，BSS)网络的内容。
[0015] 根据本发明，该系统发现将多个固定卫星服务网络（如C频段、Ku频段及Ka频段） 通过单天线碟及路由器使用仍是可行的。经由网络间的无缝转换，可以让目标端用户获得 最大的数据流量。
[0016] 本发明的目的是在多个频谱固定卫星服务涵盖的范围内，为用户增加数据流量。 即使使用较高频谱（如Ku频段及Ka频段）时，仍能维持较低频谱（如C频段）的预设数 据流量（default throughput)。
[0017] 事实上，在某些地理区，较低频谱（C频段）提供较高服务利用率；较高频谱（Ku频 段及Ka频段）提供较低服务利用率。较高频谱的较低服务利用率（或称较低利用率）会 刺激部分地理区的卫星通信网络管理员只在较低频谱中运作。不幸的是，在同一地理区使 用较高频谱，即使利用率较低，在某些情况下仍会产生较大的数据流量。然而，本发明承认 较低利用率并不必然表示零利用率。
[0018] 若专注在「不必然表示零利用率」的效益，可为使用者创造出一种可能性：在统计 基础上可将较高频谱的数据流量最大化。使用者无论何时使用较高频谱，都可以获得较大 的数据流量。当天气状况不能充分满足使用者想要的链路要求时，系统会在用户的接收系 统中无缝地选择较低频谱，例如选择提供较低数据流量但提供较强大链路的频谱。根据实 施例，该系统在频谱转变的过程中也不会减损通信链路的质量。
[0019] 在此将较小数据流量搭配较强大链路的情况定义为"预设数据流量"。将提供预设 数据流量的卫星通信链路定义为"预设链路"（default link)。将只有预设链路建立的情 况定义为"预设情况"。
[0020] 较大数据流量搭配较不强大链路的情况，定义为"可变量据流量"（variable throughput)。提供可变量据流量的卫星通信链路，定义为"可变链路"（variable link)。 当服务管理员决定链路余量已足够而卫星传输参数允许终止时，可变链路便成立。预设链 路和可变链路可能建立的情况，定义为"优势情况"（advantageous condition)。
[0021] 预设情况发生时，使用者会在预设链路上获得预设数据流量。优势情况发生时，使 用者在至少大部分时间会获得可变链路。在优势情况下，使用者会体验到较高的数据速度。 举例来说，使用者浏览因特网或下载/上传数据的时候，会体验到较高的数据速度。
[0022] 预设链路和可变链路彼此间进行切换的过程对使用者而言是透明清楚的。每一链 路所预期的链路余量由存储在调制解调器内的通信参数决定（例如调制机制、卫星参数、 集线器参数、远程终端参数，以及纬度及经度的地理位置）。
[0023] 根据本发明的实施例，当用户通过卫星使用传输控制协议/因特网协议 (transfer control protocol/Internet protocol，TCP/IP)下载像电影、影像等较大量的 数据时，同时使用多个频谱卫星载荷（satellite payload)也是比较普遍，而且TCP/IP协 议较能容许较大范围的可变量据流量。因此，即使是对身处在高降水区的使用者来说，假使 用户可以获得产品的C频段系统或Ku频段系统所提供的回退服务（fall back service)， 较高的数据流量频谱（Ku频段及Ka频段）依旧具有使用上的优势。


【发明内容】

[0024] 本发明的目的在消弭现有市面上在单天线碟及路由器上乘载多个频谱以提供固 定卫星服务的产品的缺点。
[0025] 因此，根据本发明的实施例，该系统藉由使用C频段、Ku频段及Ka频段以将数据 流量极大化。此系统首先确定可利用链路性能，举例来说，信噪比（Eb/No)(即每比特能量 和噪声功率密度的比值）。
[0026] 根据一实施例，预设链路是设定在具有最小可利用的频谱及最大的信噪比的情况 下，该预设链路提供预设数据流量。关于预设链路和预设数据流量的细节信息可以固定地 存储于调制解调器，也可以视状况而改变其内容。
[0027] 预设数据流量和预设链路建立之后，调制解调器可以决定可变量据流量和可变链 路。可变量据流量和可变链路是评估具有较高频谱的链路参数后而决定。通过特定的使用 经验或是选择后的调制机制（例如由服务器管理员或使用者选择或决定该机制是否变成 预设机制）可以做为决定较高频谱的依据。在决定较高频谱后，将决定的较高频谱被设定 为可变链路，再将其相关的附带信息存储于调制解调器中。该系统可以在不同可变链路之 间中切换，然后再回到预设链路。每一个链路都可以在可接受的链路余量状态下提供较大 的数据流量。
[0028] 根据本发明另一实施例，该系统在各种可利用频谱间进行无缝转换。一开始先将 具有最低数据流量的链路作为预设链路。一旦建立了预设链路，该系统持续监督较高频谱 链路的可利用性，并随时间更新较高频谱链路的可利用性。根据用户所设定的偏好设定，该 系统在较高数据流量链路具有可接受的链路余量状态下，会无缝地且自动地转换到较高数 据流量链路或可变链路。
[0029] 根据本发明另一实施例，本发明所提出的方法可利用广泛使用的商规计算机技术 (commercial off-the-shelf, C0TS)的组件来落实，例如天线碟、天线馈源、低噪声放大器 或低噪声降频器、位在网络集线器上及位在远程终端上的路由器等组件。天线馈源特别需 要放到馈源安装系统上，以用于双卫星频谱接收（C频段及Ku频段，或Ku频段及Ka频段， 或C频段及Ka频段）或三卫星频谱接收（C频段、Ku频段及Ka频段）。
[0030] 根据本发明一实施例，本发明提供一装置，该装置具有同步测量通信链路性能参 数及存储这些参数的功能。该功能可以植入于调制解调器内，也可以由外部接口型可程序 化装置（例如微处理器或个人计算机）所提供。
[0031] 根据一实施例，有别于现有的小型卫星地面站系统，本系统的装置具有可程序化 等特色，可以存储于调制解调器或其他装置中。根据本发明的实施例，调制解调器可为多个 具有不同卫星频谱的调制解调器（例如该多个调制解调器分别包含用于不同频谱的射频 基带电路）；调制解调器也可为一特别设计的调制解调器，该调制解调器包含多个用于不 同频谱的射频电路，也同时包含一个具有多个射频接口（C频段、Ku频段及Ka频段）的基 带界面。更进一步地，根据一实施例，该数据机智能管理功能需同时为每一输入及每一调制 机制测量信噪比，并将结果存储于调制解调器本身的内存中，或将结果存储于另一装置的 内存中，以做进一步的分析。

【专利附图】

【附图说明】
[0032] 图1为依据本发明实施例的系统的方块图。
[0033] 图2为依据本发明实施例的网络集线器的方块图。
[0034] 图3为依据本发明实施例的远程终端的方块图。
[0035] 图4为依据本发明实施例的频谱分集的方法流程图，该方法允许多个卫星接收进 入单流量路由器中。

【具体实施方式】
[0036] 请参阅图1，图1为依据本发明实施例的系统的方块图。本发明包含网络集线器 (003) 。网络集线器（003)包含一多频谱发射系统。该网络集线器（003)具备多频谱载荷 性能，用于单个或多个相邻卫星。该网络集线器（003)以开回路方式在多个频谱上将数据 同时发送给用户。远程终端（007)各自独立地选择确定链路，并根据较佳链路性能适时建 立较高数据流量链路。链路性能是根据调制及使用者经验设定，使用者也可自行设定链路 性能。链路性能可以设定成预设值。即使多个链路（确定链路和较高数据流量链路）是建 立在物理层，但是使用者还是可以将该多个链路建立在逻辑层及网际协议链路层。
[0037] 如图1所示，起始端（001)通过网络集线器（003)和系统相连（002)。在起始端 (001)到多个载荷卫星（SAT1，SAT2，SAT3)或到单一卫星之间的卫星系统（005)中，网络集 线器（003)可以同步发射信号到三个不同的向前上行频谱（forward uplink spectrum) (004) (如C频段、Ku频段及Ka频段）。网络集线器（003)也可以从卫星系统（005)的单 一卫星（SAT4)接收信号。每一卫星将上行频谱转译成向前下行频谱（forward downlink spectrum) (006)。远程终端（007)随时可以同步接收不同频谱并监测不同频谱的链路性 能。远程终端（007)将解调信号的数据提供给目标端路径（008)。另一方面，发送路径上的 目标端（009)将该数据提供给远程终端（007)，接着利用回转上行频谱（010)将该数据发送 到卫星（SAT4)，再发送到网络集线器（003)及起始端（001)。卫星（SAT4)将频谱转译成回 转下行频谱（011)。
[0038] 起始端（001)可为一网际云端（Internet cloud)、因特网服务器、或是任何其他 网络的服务器等。网络集线器（003)通过上行链路路径（004)的三种频谱将数据流量发送 到单卫星系统，该单卫星系统包含多个载荷（005);或将数据流量发送到多个卫星，该多个 卫星的每一个卫星（SAT1，SAT2，SAT3)都包含一单载荷。下行链路路径将频谱转译后，再经 由路径（006)同步提供转译后的频谱给远程终端（007)。
[0039] 起始端（001)通过其中之一的可利用实体链路和目标端（009)通信。该可利用实 体链路同时和卫星系统（005)相连。目标端（009)可为一因特网使用者或多个因特网使用 者。即便多个实体链路已建立的情况下，每次只能使用一个因特网协议与起始端（〇〇1)连 接。举例来说，如图1所示，该系统包含使用单频谱的回转链路（010, 011)，该单频谱提供最 大链路余量，也是作为预设链路的频谱。
[0040] 图2为依据本发明实施例的网络集线器的方块图。该系统包含一集线路由器（hub router) (111)。该集线路由器（111)通过路径（114)连接三个调制器（MODI, M0D2，M0D3)。 该集线路由器（111)使用70兆赫（megahertz，MHz)、140兆赫或L频段（900吉赫（GHz)? 1600吉赫（GHz))等中频。调制器会依据适当的射频频谱输出，也就是射频频谱处于C频 段、Ku频段及Ka频段。调制器输出的每一频谱会通过上行链路天线（uplink antenna) (117, 118, 119)陆续进行馈送、增强及发射。因特网服务器（113)通过调制器（115)发送数 据流量到具有不同数据流量的天线。数据流量是集线路由器根据用户订阅数据而设定的。 如图2所示，该网络包含网际云端（110)、集线路由器（111)及因特网服务器（113)、调制器 (115)、解调器（122)、以及卫星天线（117, 118, 119, 120)。调制器（115)负责每个频谱（C 频段、Ku频段及Ka频段），以及频谱对应的天线。回转链路（121，123)只负责处理被设定 为预设链路的单频谱。
[0041] 图3绘示本发明实施例的远程终端的方块图。如图3所示，远程终端包含天线碟 (221)、C频段、Ku频段及Ka频段接收馈源（222)、低噪声降频器、调制解调器（224)、终端路 由器（226)以及数据终端设备（data terminal equipment, DTE) (228)。天线碟（221)在 运作时会收集多个载荷卫星的射频频谱，以与终端路由器（226)联机。多个载荷卫星的射 频频谱会由通过每一馈源（222)传送后，再由低噪声降频器增强，然后发送至调制解调器 或调制解调器（224)。调制解调器（224)持续测量链路性能参数（信噪比、接收到的信号 等级及有效数据流量）并将每一个链路性能参数存储于内存（224b)。处理器用于选择一 链路，使得下行链路路径（222, 223)及终端路由器（226)可以通过RJ45 (225)接口连接起 来。为了达成无缝连接终端使用者的目的，调制解调器（224)会同时以实体连接的方式连 接其它一个以上的下行链路路径，调制解调器（224)会将当下未与终端路由器（226)逻辑 连接的下行链路路径的数据流量存储下来，已使其对应当下与终端路由器（226)逻辑连接 的下行链路路径的数据流量。一旦发生流量相符，可以通过不同频谱的各种实体连接之间 的转换以保持逻辑连接正常运作，也可以选择较优势的下行链路路径（即可以使用可变链 路时）以提供较大的数据流量。
[0042] 情况不利时，例如天候不允许以较高频谱链路时，逻辑转换替代链路，因此使用者 不至于遭遇无法链路的情况。这样逻辑转换只会让用户遇到数据流量减少的情况，但不会 遇到无法链路的情况。无论如何，确定链路是一个可以提供最大链路余量给相同调制机制 及带宽的链路。带宽连接起始端（001)和目标端（009)。
[0043] 图4绘示频谱分集（spectrum diversity)方法的过程流程图，该方法允许在单流 量路由器中接收多个卫星的数据。参见图4,调制解调器里的所有已接收的信号会在步骤 (300)解调。调制解调器的信噪比、比特率（bit rate)、接收信号等级等主要射频参数在步 骤（301)。在步骤（302)中，远程终端调制解调器内的处理器（224a)会根据所测量的主要 射频参数决定预设链路、预设数据流量、可变链路及可变量据流量，也一并决定可变链路余 量及临界余量（threshold margin)。接着，执行一比较运算。具体来说，当比较运算的结果 是可变链路余量大于或等于临界余量时，则执行步骤（303)以选择可变链路，否则就会执 行步骤（304)以选择预设链路。临界余量可由服务器管理员或使用者依据调制解调器说明 书的内容加以设定。在步骤（305)中，被选择的链路依据TCP/IP协议传输基带信号，并根 据TCP/IP协议在步骤（306)将基带信号传送到IP路由器。
[0044] 更具体来说，所有从C频段、Ku频段及Ka频段接收到的信号在步骤（300)解调。 在步骤（301)中会测量主要射频参数，以使该三个频谱下的每个信噪比、比特率、接收信号 等级等主要射频参数可以通过调制解调器来辨识，并存储于调制解调器中。主要射频参数 在可程序化的装置中进行比较运算，如处理器（224a)，而该处理器（224a)可置于远程终端 之内或之外。远程终端的处理器在步骤（302)决定预设链路、预设数据流量、可变链路及可 变数据流量。当可变链路余量大于或等于临界余量时，则执行步骤（303)以选择可变链路。 在任何情况下，预设链路会随时维保持在回退链路（full back link)的状态，一旦可变链 路余量在某一时段小于临界余量时，则执行步骤（304)以选择预设链路。由于预设链路一 直是处于可利用的状态，所以从使用者的角度来说，转换频谱并不会造成通信传输中断的 现象。进一步来看，从不同频谱传送过来的封包（packet)，只要是内容相同，就会有相同的 封包ID，因此对使用者而言链路的转换是无缝的。因此，本系统可配合使用未实时同步网 络，这是因为TCP/IP协议会同步整理内容。临界余量可由服务器管理员或使用者依据调制 解调器说明书的内容加以设定。在步骤（305)中，被选择的链路依据TCP/IP协议传输基带 信号，并根据TCP/IP协议在步骤（306)将基带信号传送到IP路由器。此流程会一再重复 进行，直到通信链路的实体连接终止。
[0045] 接下来会举例说明如何在预设链路和可变链路之间做选择。请参阅图1，卫星 (005, SAT1)提供多个载荷（例如Ku频段及Ka频段的载荷）给一公共地理区。远程终端 (007)包含指向卫星（001)的Ku频段及Ka频段的双馈源，用于接收主要信号，假设此主要 信号为Ku频段信号。一旦所接收的Ku频段信号等级高于临界量，使得通信链路关闭时，此 Ku频段信号由调制解调器（224)解调。此过程如图4的步骤（300)所示。
[0046] 在步骤（301)中，调制解调器（224)持续测量接收信号等级、比特率及信噪比等射 频参数。调制解调器（224)需要设定最小接收信号等级，以确保不受噪声干扰。最小接收 信号等级一般约为-100分贝毫瓦（dBm, decibel relative to one milliwatt)。调制解 调器（224)也必须根据所选择的调制器（如BPSK、QPSK、8PSK、16APSK等）测量每比特能量 (energy per bit)对噪声密度（noise density, ND)的比率维持在一定的程度，使得通信 链路可以可靠地建立起来。最小接收信号等级、信噪比等参数存储在远程终端的调制解调 器（224)的内存里。
[0047] 下一阶段是在步骤（302)中决定预设链路的最大数据流量。最大数据流量是根据 某些参数而决定。举例来说，根据远程终端的地理地点所得到的实测信噪比及必需链路余 量来决定最大数据流量。当实测信噪比及最小必需链路余量符合某种解调要求，便可以决 定提供给可变链路的最大数据流量。此为可变链路设计的过程一再重复进行。接着此过程 前进到步骤（303)，并持续到步骤（306)。在步骤（303)到步骤（306)中，网际协议会持续 担负起下一个任务，即经由预设链路或可变链路提供流量，以处理基带信号。
【权利要求】
1. 一种通过使用不同频谱的多个卫星链路对目标端进行通信的方法，其在单天线碟及 路由器中使用C频段、Ku频段及Ka频段来进行数据通信，并在该数据通信期间测量链路性 能参数，其特征在于，比较该链路性能参数和默认条件，允许从该C频段、该Ku频段及该Ka 频段之中选择其中之一频段对该目标端进行数据通信。
2. 如权利要求1所述的方法，其进一步包含下列步骤： a. 实时测量该链路性能参数； b. 在该目标端存储测量到的该链路性能参数； c. 实时更新已存储的该链路性能参数； d. 决定一链路，以作为确定通信链路； e. 决定一替代链路，该确定通信链路的数据流量较该替代链路的数据流量小； f. 从该卫星链路的起始端和目标端同步建立多个实体连接； g. 在该确定通信链路及该替代链路之间进行切换，以随时在该起始端和该目标端之间 建立单一因特网协议链路。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法为在该起始端和该目标端之间进行 双向通信，且该链路包含两个不同频谱分集。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，该链路包含三个不同频谱分集。
5. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含使用一远程终端智能调 制解调器以及一网络集线器调制解调器进行通信，并存储已测量的该链路性能参数于该调 制解调器中。
6. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据一调制机制决定该链路，且该链路性能 参数可以预先设定或由使用者设定。
7. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据该链路性能参数将该替代链路自该通 信链路分离。
8. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，该链路发生于该因特网协议层。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法应用于一装置，用于接收该多个频谱 的一通信路径，该装置包含单天线碟、多个天线馈源、多个低噪声降频器、单路由器，以及位 在该远程终端的智能调制解调器。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使用于非实时同步网络。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法于该因特网协议层进行。
12. -种用于目标端的装置，用于使用不同频谱以分别接收多个卫星链路的数据，其包 含：一天线、一路由器、通过不同频谱来进行数据通信的多个频段、一智能调制解调器，用来 在数据通信期间测量链路性能参数，其特征在于，该智能调制解调器根据已测量的该链路 性能参数和默认条件的比较，允许从该多个频段之中选择其中之一频段形成通信链路以进 行数据通信。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，该多个频段包含C频段、Ku频段及Ka频 段的至少其中两个频段。
14. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，该链路性能参数包含该通信链路的射频 参数。
15. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，该链路性能参数包含信号噪声比、比特率 及接收信号等级。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该智能调制解调器包含处理器及内存，且 该处理器用来从该多个频段之中选择其中之一频段。
【文档编号】H01Q3/00GK104115330SQ201280063549
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月17日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】蔡·汤玛士·凯, 梅迪多默·赛亚乔科 申请人:亚洲传播卫星有限公司