本案要求2015年10月28日提交的美国专利申请62/247,611的优先权，其通过引用结合于此。
本发明涉及卫星系统。
背景技术：
非同步卫星系统包括在地球同步轨道以外的高空(大约距地球表面36,000公里)绕地球运行的一组或一群卫星。由于非同步卫星的轨道较低，处于低地球轨道(leo)的非同步卫星系统比地球同步卫星系统具有更小的传播损耗和更少的传播延迟。因此，这种卫星比地球同步卫星更适合交互通信，如网络服务。
地球同步卫星系统与地球的自转周期相同，因此从地球观测，其出现在天空中的固定位置处。非同步卫星以相对较高的速度移动，因此对于地球上的观测者，其在空中从地平线向地平线经过。由于非同步卫星和地球之间的相对移动，这种卫星在地球用户终端的范围内进出。因此这些终端必须将其通信链路从一个卫星切换到另一个(即切换)以实现连续的通信。
在一些系统中，从卫星到用户终端的无线电传输是以瞄准不同方向的多个独立波束的形式。因此，除了地球上的用户终端要应付在多个卫星之间的切换之外，当卫星的覆盖区域移过特定的用户时，各个卫星的各个波束之间存在切换。
与任何epfd(等效功率通量密度)和波形问题分开的这种卫星系统的数据吞吐量是功率和mhz/km2覆盖范围的函数。对于给定“比特/秒/hz的带宽(bps/hz)”，尽管可以使用功率来提高频谱效率，但是使用理想的充足功率以最高效地操作qpsk(正交相移键控)的比特/赫兹/秒。如果通过算法将功率设置为根据链路预算实现qpsk，接下来要调整的参数以获得更多位的到地面数据是增加mhz/km2。
技术实现要素：
本发明提供了增加卫星系统的通信容量的方式。
对于由信噪比确定的给定频谱效率，可以通过增加更多带宽来增加传输到用户终端的数据量。根据本指导，使用以下一项或多项增加带宽：
·间隙网关波束
·信道堆叠
·容量折叠
间隙网关波束。在一些实施例中，每个卫星包括用于与snp(即，陆基网关天线和相关设备)通信的两个网关天线。卫星需要两根天线，以便其在相邻snp覆盖区域之间移动时进行切换。因此，大多数时候只有一个卫星网关天线是在用的。本发明人认识到，通过添加可以与卫星上的(通常)未使用的网关天线进行通信的另一snp，如间隙snp，可以在指定的地理区域上使数据容量翻倍。
信道堆叠。信道化通常在用的卫星网关天线的可用容量，例如分成具有不同离散频率范围的16个信道/信号，这些信道/信号针对适当的收发机作为“用户”波束传送至地面上的用户终端。术语“信道”和“信号”在本公开内容和所附的权利要求书中可互换使用。
使用间隙网关波束(由间隙snp与其他未使用的网关天线之间的通信产生)，卫星和用户终端之间的通信容量可以通过将来自通常在用的网关波束的16个信道与附加的16个带宽信道(通过间隙波束接收)“叠加”(即求和)来加倍。
容量折叠。如果每个平面的卫星数量增加，每个卫星提供的覆盖面积就会减少。随着覆盖面积的减少，来自相邻卫星的周边波束的覆盖范围重叠。例如，当每个平面的卫星数量从36增加到39时，相邻卫星的(16个)波束中的2个重叠，使得每个卫星只需要14个有效波束。与2个非有效波束相关的带宽可以添加或“折回”到某些有效信道。
举例来说，假设其中一个网关天线提供大约4000mhz的带宽并且该带宽信道化为16个250mhz信道。使用间隙网关波束(与间隙snp结合使用)，可提供额外的4000mhz带宽，总共为8000mhz。将每个平面的卫星数从36个增加到39个，每个网关天线释放出2个信道，从两个网关天线共计释放1000mhz带宽。这种额外的带宽可以为高流量地区提供额外的容量。因此，本文公开的方法能够(在该示例中)将提供给卫星的用户链路覆盖区的带宽从4000mhz增加到9000mhz。
附图说明
图1描绘了用于向家庭等传送互联网服务的卫星系统100。
图2描绘了从系统100的卫星发射的波束。
图3描绘了三个snp及其相关的覆盖区域以及卫星在这些区域的移动。
图4a描绘了snp的覆盖面积的区域，其中只有一个卫星网关天线名义上用于snp到卫星的通信。
图4b-4c描绘了根据本发明所阐释的实施例的用于增加带宽的空隙snp的应用。
图5a-5b描绘了根据本发明所阐释的实施例的信道堆叠。
图5c描绘了根据本发明所阐释的实施例的堆叠的进一步说明。
图6a-6c描绘了随着平面中的卫星数目增加，用户链路覆盖区的增加重叠。
图7a描绘了当每个平面有36颗卫星时，提供给卫星的用户链路覆盖区的带宽的示例。
图7b描绘了使用信道堆叠的加倍带宽。
图7c描绘了由于每个平面的增加的卫星数量，如图7b所示带宽的增加。
图8a-8c描绘了根据本发明所阐释的实施例，由于每个平面的卫星数量的增加，为卫星移动时保持在地面上方特定物理区域而折叠和卷曲额外信道的方式。
图8d-8e描绘了根据本发明所阐释的实施例的信道折叠和卷曲的进一步说明。
图9描绘了根据本发明所阐释的实施例中用于定位间隙snp的方法的流程图。
图10描绘了根据本发明所阐释的实施例中通过利用空隙snp来增加可用带宽的方法的流程图。
图11描绘了根据本发明实施例的通过信道堆叠增加带宽的方法的流程图。
图12描绘了根据本发明实施例的通过无效冗余天线波束并将与其相关联的信道重新配置给其他天线波束来增加带宽的方法的流程图。
具体实施方式
定义。下述术语的定义用于本公开和所附权利要求，如下：
●“snp”是“卫星网络门户”的首字母缩略。snp指的是包含多个sap(卫星接入点)的物理站点，其中包括网关天线及rf电子设备和调制解调器以及电源、电缆、路由和控制硬件。术语“陆基网关天线”将与“snp”将互换使用，并且应理解为网关天线只是snp所包含设备的一部分。
●“天线波束”是指卫星的收发机和陆基用户终端之间的传输，也称为“卫星天线波束”或“用户波束”或卫星的网关天线和陆基snp之间的传输，也称为作为“网关波束”。
●“用户链路覆盖区”指卫星天线波束在地面上的覆盖区域。
●“基本上”和“约”，当用于修饰总量/定量/个数或相似的，(例如，基本相等、大约相同等)时，意味着“正负15％”的总量/定量/个数。
全文中贯穿本公开提供了另外的定义。
本发明所阐述的实施例关于申请人给出的卫星系统100，用于为地球上的任何位置带来低成本的宽带互联网服务。本发明的实施例通常可应用于非同步卫星，其使用任何数量的卫星(即一个或多个)产生地面上可测量的辐射束(例如，光学、rf或其他任何物体)。
图1描绘了卫星系统100及其操作环境的阐释性实施例。在较早提交的专利申请中公开的系统100包括核心网络102、网关天线104、leo卫星106和用户终端112。系统100将来自因特网50的数据传输到用户设备70(例如电视、计算机、平板电脑、智能手机或能够接收和/或传输数据的其他设备)，反之亦然。
核心网络102从因特网50接收数据/发送数据到因特网50。在其他功能中，核心网络102选定路线发射数据包至多个网关天线104以传输至多个leo卫星106。同样，核心网络102通过多个网关天线从多个leo卫星接收数据包。除了包含因特网内容等之外，数据包还包含与系统相关的信息，将在下面进一步讨论。
简单起见，图1描绘了单个leo卫星106；然而，应该理解的是，系统100包括被称为“群”的多个这样的leo卫星。例如，在某些实施例中，群包括非常多的卫星，诸如600至700颗卫星。在某些实施例中，卫星群组织成多个轨道“平面”，其中每个轨道平面处于不同的高度。每个轨道平面上通常有(但不一定)有相同数量的卫星。
在图1所示的实施例中，用户设备70经由用户终端112从卫星106接收数据和/或向卫星106发送数据。用户设备70描述为位于结构60内。在某些其他实施例中，用户设备70在室外使用，如由用户终端112与用户设备之间适当的扩展电信连接提供支持。
在阐释性实施例中，用户终端112描述为安装在作为住宅的结构60上。在某些其他实施例中，结构60是住宅之外的建筑物，诸如商业楼(例如，办公楼、餐馆、仓库等)、棚或者甚至是缓慢移动的船舶(诸如巡航船等)。通常，一个用户终端112定位于每一个位置(例如住宅，商业楼等)以向其提供互联网连接。用户终端112的实施例在2015年2月20日提交的标题为“userterminalhavingalineararrayantennawithelectronicandmechanicalactuationsystem”的美国申请序列号14/627,577中提供。
leo卫星106配备有多个实例中的至少两种不同类型的天线。天线108a和108b用于与包括陆基网关天线104的snp进行通信。每个这种天线每次与一个snp通信。
天线110用于与用户终端112通信。在所阐释的实施例中，天线110是用于向地球表面发射无线电信号(或从其接收信号)的无线电天线(和相关联的收发机)。在图2中描述这种传输方式，作为波束210，其每一个为地球表面提供覆盖区212。当用户终端112在波束210之一的覆盖区212内时，该用户终端从无线电传输接收数据。在阐释性的实施例中，leo卫星106具有用于发射(或接收)十六个波束的十六个天线。
间隙snp和网关波束。图3a至图3c描绘了相邻的snp以及卫星沿着其轨道在snp的覆盖区域上的移动。这些图中的每一幅描绘了三个snp314a、314b和314c及其相关联的理想化的覆盖区域316。snp314a、314b和314c在本文中称为“最小集snp”。最小集snp代表了为系统100提供期望的通信覆盖范围所必需的那些snp。最小集snp区别于“间隙snp”的是，后者用于选择覆盖区域时增加带宽/系统容量，如下将更全面讨论的。应该理解的是，需要比图3a到图3c中描绘的三个最小集snp多得多的snp，由图由此提供全球通信覆盖范围。
图3a至3c的每一幅都描绘了卫星318及其相关联的理想化用户链路覆盖区域320(即，卫星波束的地面覆盖区域)。在某些实施例中，snp覆盖区域316的直径大约为4200公里。用户链接覆盖区320理想化为具有边长约为1000公里的正方形。
图3a至3c表示在大多数时间里，卫星318通过单个网关波束与单个最小集snp通信，使得卫星(至少)两个网关天线中仅有一个正在使用(参见例如fig1，网关天线108a和108b)。例如，在图3a中，卫星318使用其网关天线中的一个经由网关波束3222与最小集snp314a通信。
对于常规操作，使用卫星的第二网关天线的唯一时间是在越区切换期间，如图3b中所描绘。具体而言，卫星网关天线之一与第一最小集snp通信，例如经由网关波束3222与snp314a通信，并且卫星的第二网关天线经由网关波束3221与相邻的最小集合snp314b通信。图3c描述了切换之后的情况，其中再次只有卫星的网关天线之一正在使用；也就是说，卫星318经由网关波束3221与最小集snp314b通信。
图4a描绘了区域422，其示出了与最小集snp314b相关联的覆盖区域中的面积，其中只有卫星的网关天线中一个将使用(即没有切换)。从图中可以看出，区域422代表snp覆盖区域的重要部分。
现在参考图4b，根据本发明的实施例，在区域422中定位一个或多个额外的snp(“间隙snp”)使得卫星的通常空闲的第二网关天线能够用于有效地在区域422的至少一个部分中加倍可用带宽。该部分-区段424-是snp314b的覆盖区域316和间隙snp414b的覆盖区域416重叠处。
图4c和4d描绘了移动穿越区段424的卫星318。如这些图中所示，卫星的两个网关天线之一经由网关波束3221与最小集snp314b通信，并且卫星的另一个网关天线经由网关与间隙snp414b通信波束3222。
以这种方式使用第二网关天线提供了将从地面(上行链路)发送至卫星或相反(下行链路)的信息量加倍的能力。在实际使用情况中，间隙snp策略性地放置于带宽需求高的地区，如人口中心。因此，与“最小集snp”相反，如在本公开和所附权利要求中使用的所定义为“间隙snp”意指：相对于最小集snp与卫星网关天线之一之间的单个通信链路标称提供的带宽/容量，提供(至最近的最小集snp的覆盖区域的一部分)增加的带宽/容量。
如图4c和4d所示，通常将间隙snp距离至少一个最小集snp，定位得比任何最小集snp相对于另一最小集snp都更接近。例如，如图4c和4d所示，间隙snp414b与最小集snp314b之间比最小集snp314a、314b和314c中的任一个彼此之间都更接近。
附图阐述了使用单个间隙snp来提供额外的带宽，因为在所阐释的实施例中，卫星仅具有两个网关天线。还有其他一些情况，其中不止一个间隙snp能够用于增加特定区域的带宽。例如，如果拥有三个网关天线的卫星，那么该卫星有可能同时与三个snp进行通信。
图9描绘了根据本发明所阐释的实施例中，用于定位间隙snp的方法900的流程图。在任务901中，识别位于最小集snp的覆盖区域中并且具有比标称带宽需求相对高的地理区域。在任务902中，在一位置处安装间隙snp，使得更高需求的地理区域被间隙snp的覆盖区域所涵盖。该位置通常比任意其他最小集snp更接近于最接近的最小集snp。
图10描绘了根据本发明所阐释的实施例中通过利用空隙snp来增加可用带宽的方法1000的流程图。在任务1001中，在最小集snp与卫星上的至少两个网关天线中的第一个之间建立第一通信链路。因此，具有一定量带宽(例如，4000mhz等)的第一网关波束向卫星传输数据和从卫星传输数据。在任务1002中，在间隙snp与卫星上的至少两个网关天线中的第二个之间建立第二通信链路。
信道堆叠。图5a描述了，例如在卫星系统100的常规操作期间在卫星处接收的ka波段网关波束3221，其中卫星318与单个最小集snp314b通信，如图3c所示。卫星因此接收ka波段网关波束3221，这在图5a中有所描绘，其在中信道化为16个信道(即信号)ai，其中i＝1,16。这些信道下变频为ku波段信号ui，其中i＝1,16并且应用至卫星的波束210(图2)，其用于传输至用户终端112(图1)。尤其是，信号馈送至与各种卫星天线相关联的收发机(未示出)，以传输到用户终端。
图5b示出了ka波段网关波束3221和ka波段网关波束3222，例如根据本教导的实施例，在卫星系统100的操作期间在卫星处接收，其中卫星318与两个snp通信；最小集snp314b和间隙snp418b，如图4c和4d所示。
卫星因此接收ka波段网关波束3221和ka波段网关波束3222。两个波束信道化为16个信道；ka波段网关波束3221信道化为信道ai，其中i＝1,16，而ka波段网关波束3222信道化为信道bi，其中i＝1,16。ka波段信道/信号ai下变频成ku波段信道ui，其中i＝1,16，而ka波段信道/信号bi下变频成ku频带信道ui，其中i＝17,32。“叠加”两组信道，即两个信道应用于传输到用户终端112的每个卫星波束。
图5c描绘了卫星的有效载荷图以进一步说明堆叠技术。该图描绘了两个ka波段网关波束(一个在卫星“a”天线处接收，另一个在卫星的“b”天线处接收)。ka波段信号通过放大器526放大，信道化(对于两个输入信号中的每一个都示出了六个信道)，由下变频器528向下变换成ku波段，然后类似于来自两个输入波束的频率信道在组合器530处合计。
因此，利用间隙snp的可用性，来自间隙网关波束的带宽可以“堆叠”在来自第一网关波束的带宽上。这有效地将最小snp和间隙snp的覆盖区域中的可用带宽加倍。
信道折叠。图6a至图6c描绘了标识为区域632中，随着平面中的卫星数目的增加，卫星318的用户链路覆盖区增加重叠。作为相邻卫星的用户链路覆盖区重叠的结果，某些波束可能停用。例如，对于每平面36颗卫星的标准系统设计，表i显示了当平面中的卫星数量增加时，对于具有16和20个有效波束的标准卫星设计，有效波束的减少情况。
表i
图11描绘了根据本发明实施例的用于通过信道堆叠增加带宽的方法的流程图。在任务1101中，第一网关波束的带宽(通过最小集snp和卫星上的第一网关天线之间的第一通信链路传输)信道化为多个信道。在任务1102中，间隙网关波束的带宽(通过间隙性snp和卫星上的第二网关天线之间的第二通信链路传输的)信道化为多个信道。在某些实施例中，每份多个信道包含16个信道，每个信道具有250mhz的带宽。在某些其他实施例中，每份多个信道包含20个信道，每个信道具有200mhz的带宽。
根据任务1103，两个信道组“堆叠”，并且在任务1104中，分配至卫星上的多个无线电收发机，用于向陆基用户终端来回传输。“堆叠”不是一种物理操作；它仅仅指示识别具有来自两个不同网关波束的相同频率范围的信道，并且然后根据任务1104根据其频率范围分配至卫星上的相同无线电收发机。
容量折叠。根据表i，当每个平面的卫星数目的增加，每个卫星的有效波束数量减少。这种减少导致额外的信道，其实际上可以折回到有效信道上，使用例如适当的内部开关矩阵。
如图7a至7c所示描述了容量折叠的实施例。参考图7a，举例来说，假定每个平面具有36颗卫星的卫星群。假设最小集snp与其中一个卫星的网关天线之一之间的通信链路提供大约4000mhz的带宽。并假设带宽信道化并下变频为16个ku波段，250mhz信道ui；i＝1，16。
图7b描绘的是通过使用间隙snp使带宽增加一倍，其中间隙snp链接到卫星的另外未使用的第二网关天线，并且其中“堆叠”额外的带宽，从而提供8000mhz的带宽作为ui；i＝1，16和ui；i＝17，32。
图7c描绘了相对于图7b，由于每个平面的卫星数目从36个增加到39个，带宽的增加。如表i所示，这种增加导致2个天线波束的失效。对于信道堆叠，这相当于4个信道(每个250mhz)，总共有额外的1000mhz可以重新分配至剩余的其他有效波束。在图7c中，信道ui；i＝29，32重新分配。因此，本文公开的方法能够(在该示例中)将提供给卫星的用户链路覆盖区的带宽从4000mhz增加到9000mhz。
由“额外”信道表示的附加容量可以分配至一些有效波束。当那些带宽增强的波束与对带宽需求相对较高的地理位置上的用户终端链接时，额外的带宽得到很好的利用。但是，随着卫星移动，这些波束将失去与那些用户终端的链接。
根据本发明的某些实施例，通过将信道“卷曲”或重新分配至不同的有效波束来解决该问题，使得额外信道在卫星移动时保持固定于地面的物理区域上。这个概念在图8a至8c中示出。
图8a描绘了从卫星发射的十六个天线波束的、在地球上的覆盖区域812。为了便于解释，每个覆盖区域描绘为矩形。每个波束分配为在a(最低频率)到h(最高频率)范围内的特定频率信道上传输。在某些实施例中，继续在内部波束上的信道a-d以及外部波束上的信道e-h上进行特定分配。这种分配模式将更高的频率放置于传播最大距离(从卫星到地面)的波束上，得到更高的天线增益，从而部分补偿自由空间损耗。为了简单起见，仅示出了源自一个网关天线的信道。
在图8b中，区域832表示地面上的固定区域，其对带宽的需求比周围区域相对较高，并且将由额外的信道覆盖。这些额外信道的带宽来自底部三个波束14-16的失效(即，贯穿以“x”表示的发射频率f-g-h覆盖区)。在相同轨道平面上的下一颗卫星将覆盖这些现在失效的波束覆盖的区域。当然，这假设卫星群已经增长至相邻卫星的用户链路覆盖区域有足够的重叠以允许关闭所有卫星上的三个波束的地步。在区域832中选择什么频率信道是任意的，只要该区域中的每个波束不会使用相同的频道两次。再次，为了简单起见，仅示出了来自一个网关天线的流量。
图8c描绘了相同的卫星但是在稍后的时间点的覆盖区，使得卫星恰好移动了一个波束宽度。地面上接收额外带宽的地区832已经相对于卫星移动(当然，地面上的区域没有移动，而是卫星已经移动)。在任何情况下，都需要将额外带宽转移以“跟随”区域832。这是通过去除至波束9的额外带宽连接并同时将额外带宽应用于波束6来完成的。重复该过程，直到额外容量的区域在卫星用户链路覆盖区之外。
图8d和图8e描绘卫星有效载荷的图表，以进一步说明信道折叠技术。这些图详述了图5c描绘的内容，但合计点(图8e)现在接受多于两个输入，如图5c所示。
图8d描述了两个ka波段网关波束(一个在卫星“a”天线处接收，另一个在卫星的“b”天线处接收)。在“a”天线接收的ka波段信号信道化为六个信道1a至6a，并且在“b”天线接收的信号信道化为六个信道1b至6b。由“星号”(即，1、2、5和6)标识的信道代表通常将发送至可失效的波束的信道(取决于卫星飞行的路径)。无论如何，它们都是外部波束。因此，这些信道可用于重新分配。所以，如图8e所示，每个波束能够接收本来被引导至外部波束的额外信道。通过打开或关闭每一行的放大器来完成选择和控制。在某些其他实施例中，通过开关(未示出)执行选择和控制。在另一些其他实施例中，切换/合计可以在处理器中用数字计算的方法来执行。合计的信号随后发送至卫星上合适的收发机，以传输到陆基用户终端。
图12描绘了用于通过无效冗余天线波束并重新分配与其相关联的信道至其他天线波束来增加带宽的方法1200的流程图，如图8a至8c所示。
如前所述，随着附加卫星移入平面，就发生了来自相邻卫星的卫星天线波束之间的重叠。因此，每个卫星上的几个收发机(产生这样的波束)可能无效。任务1201叙述了无效卫星上的至少一个无线电收发机(即，卫星天线波束)。
任务1202叙述了将与一个或多个无效的无线电收发机相关联的信道分配至有效的无线电收发机，使得有源收发机向其中存在相对高于标准的带宽需求的地理区域进行传输。由于卫星正在移动，具有额外带宽的卫星天线波束(由于信道的重新分配)将移出感兴趣的地理区域的范围，失去与其的连接性。特定卫星天线波束将要保持连接的时间量是多种因素的函数，但其通常将在约8-15秒的范围内。因此，在任务1204查询之前，卫星天线波束是否仍然与感兴趣的区域连通，在任务1203中存在一段时间的“停止”。该停止时段应明显小于8-15秒(大约<0.25秒)。如果任务1204对查询的回答是“是”，意味着具有额外带宽的天线波束仍在向感兴趣的区域传输，则在任务1204重复查询之前等待一段时间。
如果任务1204对查询的响应是“否”，则任务1205查询任何有源无线电收发机是否与感兴趣的区域连通。如果任务1205对查询的答案是“否”，则意味着卫星的所有波束都在感兴趣的区域的范围之外，并且在任务1207处结束(对于该区域)处理。
如果任务1205处对查询的响应为“是”，则在任务1206处，将先前分配的信道重新分配至将传输至感兴趣的地理区域的另一有源无线电收发机，然后循环回到任务1203以停止。重复任务序列1203→1204(否)→1205(是)→1206→1203等，直到卫星超出感兴趣的区域范围。
应该理解的是，本公开描述了一些实施例，并且本领域技术人员在阅读本公开之后可以容易地设计出本发明的许多变型，并且本发明有以下的权利要求确定。