CN102440010A

CN102440010A - 靠近业务波束的网关布置

Info

Publication number: CN102440010A
Application number: CN2010800227208A
Authority: CN
Inventors: 马克·J··米勒
Original assignee: Viasat Inc
Current assignee: Viasat Inc
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2012-05-02
Also published as: EP4277162A2; WO2010111041A1; US8107875B2; EP3457587A1; EP3457587B1; EP2412177A1; US20090286467A1; EP2412177B1; ES2693682T3; EP4277162A3; US20120120869A1; EP2412177A4

Abstract

提供了一种用于运行多波束卫星系统的方法和系统，该方法和系统涉及布置与多个业务波束覆盖区域相关的多个业务波束以及布置与馈线波束覆盖区域相关的馈线波束。所述馈线波束覆盖区域与至少一个业务波束覆盖区域接近。所述馈线波束覆盖区域包括至少一个网关。多个业务波束覆盖区域中的每个使用一种颜色。至少所述接近的业务波束覆盖区域使用所述多种颜色中至少一种颜色。所述馈线波束使用至少一种颜色，但不使用至少由接近的业务波束覆盖区域使用的至少一种颜色。

Description

靠近业务波束的网关布置

相关申请的交叉引用

本申请是2007年9月26日申请的申请号为PCT/US07/79567(代理登记号017018-008010PC)的国际申请的部分继续申请，该国际申请主张下面美国临时申请的优先权：

2006年10月3日申请的美国临时申请第60/827,924号(代理登记号017018-008000US)，并且通过引用结合于此。

2006年10月3日申请的美国临时申请第60/827,927号(代理登记号017018-008300US)，并且通过引用结合于此。

2006年10月3日申请的美国临时申请第60/827,959号(代理登记号017018-008500US)，并且通过引用结合于此。

2006年10月3日申请的美国临时申请第60/827,960号(代理登记号017018-008600US)，并且通过引用结合于此。

2006年10月3日申请的美国临时申请第60/827,964号(代理登记号017018-008800US)，并且通过引用结合于此。

2006年9月26日申请的美国临时申请第60/827,038号(代理登记号017018-010400US)，并且通过引用结合于此。

为了所有的目的，本申请特别地将上面的国际申请和美国临时申请的每个的全部内容结合于此。

技术领域

本申请总体地涉及卫星通信系统，特别涉及使用用户和网关终端的布置以及频率重用(re-use)来运行多波束卫星系统。

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。

地球同步卫星可以具有覆盖大部分地球表面(如美国大陆)的有效视图。分配给卫星通信系统的频谱是有限的，然而，系统操作者已经采用点波束系统来将覆盖区域划分为较小的部分，该较小的部分可以重用所分配的频谱。点波束被划分为“多个颜色”，其中不同颜色的信号不相互干扰。颜色服务的每个区域在空间上分离，从而干扰会随距离而减轻。尽管可以使用任意多种技术(如时间分离、正交编码等)来信号正交，颜色通常由频率和极化的唯一组合来限定。为了更好地讨论，使用频率/极化颜色分离。

尽管现有的设计有许多容量限制，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卫星通信系统来解决这个需求。

发明内容

本发明涉及使用用户终端和网关终端布置以及频率重用来运行多波束卫星系统的系统和方法。

在本发明的一个实施例中，提供了一种点波束卫星。该点波束卫星包括天线系统，所述天线系统被配置用于产生具有多种不同颜色的波束图，从而与每种颜色相关的信号和与每种其它颜色相关的信号正交。点波束卫星被配置用于从多个业务波束接收信号和从馈线波束接收信号。每个业务波束具有相关的业务波束覆盖区域，并且馈线波束具有相关的馈线波束覆盖区域。馈线波束覆盖区域与一个或多个业务波束覆盖区域接近，并且将波束图的不相交的颜色组分配给馈线波束和与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束。分配给所述馈线波束的该颜色组包括未分配给与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束的波束图的所有颜色。

在本发明的另一实施例中，提供了一种运行点波束卫星的方法。所述方法包括在所述点波束卫星处从多个业务波束接收数据和从馈线波束接收数据。每个业务波束具有相关的业务波束覆盖区域，并且馈线波束具有相关的馈线波束覆盖区域。点波束卫星被配置用于使用具有多种不同颜色的波束图，从而与每种颜色相关的信号和与每种其它颜色相关的信号正交。馈线波束覆盖区域与一个或多个业务波束覆盖区域接近，并且将波束图的不相交的颜色组分配给馈线波束和与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关业务波束。分配给所述馈线波束的该颜色组包括未分配给与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束的波束图的所有颜色。

附图说明

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。

图1B是表示卫星通信系统的可选实施例的框图。

图2A是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显示了下行数据流信道的实施例。

图9显示了上行数据流信道的实施例。

图10显示了网关发射器的实施例。

图11显示了网关接收器的实施例。

图12A示出前向链路(forward link)分配系统的实施例。

图12B示出返向链路(return link)分配系统的实施例。

图13显示了信道图的实施例。

图14表示根据本发明的一个实施例可以被采用的示例的频率重用(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。

图16是根据本发明的各种实施例的与业务波束覆盖区域相关的网关的布置的实例。

图17A-B是网关终端可能采用的示意性的频率重用计划，根据本发明的一个实施例该网关终端被布置为接近业务波束A。

图18A-B是网关终端可能采用的示意性的频率重用计划，根据本发明的一个实施例该网关终端被布置为接近业务波束C和D。

具体实施方式

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。本说明仅提供了示意性的实施例，不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施例的随后的描述将向本领域技术人员提供能够实施本发明实施例的具体实施方式。可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下对组件的功能和布置进行各种改变。

由此，不同实施例可以恰当地省略、减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所述方法，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是根据本发明的不同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接口连接，网关115被配置用于通过卫星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100被示例为基于地球同步卫星105的通信系统，应该注意到这里描述的各种实施例不局限于使用在基于地球同步卫星的系统中，例如某些实施例可以是基于近地轨道(low earthorbit，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，并且可以包括例如因特网、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。根据本公开，对于本领域的技术人员来说许多其他的例子是可能和明显的。如多个实施例所述，网络可以连接网关115和与卫星105通信的其他网关(未示出)。

网关115提供网络120和卫星105之间的接口。网关115可以被配置用于接收送往一个或多个用户终端130的数据和信息，并且可以对该数据和信息进行格式化以通过卫星105传送到各个目标设备。类似地，网关115可以被配置用于从卫星105(例如，从一个或多个用户终端)接收送往网络102中的目标的信号，并且可以对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数据报文。网关115可以根据物理层定义对媒体访问控制(MAC)帧进行格式化以传输到卫星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可以使用天线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，该抛物面反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，并且包括运行特征，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。

在一个实施例中，地球同步卫星105被配置用于从天线110的位置在发送的频带和特定极化内接收信号。例如，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帧的信号发送到一个或多个用户终端130。在一个实施例中，卫星105以多波束模式运行，发送多个窄波束，允许频率重复利用，其中每个窄波束指向地球的不同区域。通过这样的多波束卫星105，在卫星上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，其中该卫星在将接收到的载波信号重新发送到它们的目标之前对这些信号进行频率变换，而对该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，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卫星或使用代替星状网络的网状网络)。

一个或多个用户终端130可以通过各个用户天线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130一起包括甚小孔径终端(VSAT)，天线125测量大约0.6米的直径并且具有大约2瓦的功率。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(未示出)。每个用户终端130可以连接至用户终端设备(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(traffic)有效流动的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，分配了多个频道，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(即，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目标。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，物理层技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1A的系统100，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终端系统(Satellite ModemTermination System，SMTS)，其至少部分地基于电缆上数据服务接口规范(Data-Over-Cable 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也使用基于DOCSIS的调制解调器的部分电路。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，而定制其他部分。

虽然上面概括地描述了能够用于本发明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。在该特定例子中要使用大约2千兆赫兹(GHz)的带宽，包括相邻频谱的四个500兆赫兹(MHz)带宽。使用双圆极化产生可用频率，该可用频率包括具有总可用频带4GHz的8个500MHz的不重叠频带。该特定实施例使用与网关115和用户点波束物理分离的多波束卫星105，并且该多波束卫星105被配置用于允许对在不同链路135、140、145、150上的频率重用。对下行数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以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比特每秒每赫兹(bits/s/Hz)，存在大约每点波束1Gbps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，总共的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1GHz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(29.5-30.0GHz)，以及链路D可以是具有右旋极化的Freq 2U(29.5-30.0GHz)。

卫星105被功能化地描述为馈线链路(feeder link)和业务链路之间的四个“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提供业务链路。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，下行数据流上行链路A 135-A通过卫星105从第一频率(即，Freq 1U)转换为第二频率(即，Freq 1D)。其他实施例还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。该实施例显示了来自四组用户终端125的四个上行数据流上行链路145。“弯管”卫星105获取上行数据流上行链路145，可选地改变载波频率和/或极化(未示出)，然后将它们作为上行数据流下行链路140重新导向到网关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之间发生改变，但是极化保持相同。由于网关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，由于重叠，会存在某些干扰问题，从而可能阻止在重叠区域内的频带重用。即使在相邻的业务波束205之间存在某些重叠的情况下，四色图(fourcolor pattern)也使得可以避免干扰。

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所述，网关终端210可以位于业务点波束覆盖的区域内(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置于业务点波束区域之外(例如，第三网关210-3)，可以实现地理的分离以允许重用分配到的频率。

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不能正常工作，则备用网关终端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减弱时(impaired)使用备用网关终端。

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。该实施例将超帧804划分为多个虚拟信道808(1-n)。每个超帧804中的虚拟信道808(1-n)可以是相同的大小或大小不同。可以在不同的超帧804之间改变虚拟信道808(1-n)的大小。可以对不同的虚拟信道808(1-n)任选地使用不同的编码。在某些实施例中，虚拟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或其他访问方案。在一个实施例中，上行数据流信道900具有500MHz的整个带宽。该整个带宽被划分为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，给每个用户终端130提供二维(2D)平面图以用于每个用户终端130的上行数据流通信量。该2D平面图具有多个条目，每个条目都指示频率子信道912和时间段908(1-5)。例如，一个用户终端130被分配了子信道m 912-m、时间段一90g-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中调度器的预期需求来对每个用户终端130动态地调整2D平面图。

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等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个虚拟信道808。每个用户终端130可以被分配一个或多个虚拟信道808。m个MF-TDMA信道912成为用户终端(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，以方框图的形式示出了网关115的地面系统300的实施例。例如，一个实施例可以具有15个有源网关115(和可能的备用网关)以生成60个业务点波束。地面系统300包括分别耦合至天线110的多个网关115。所有的网关115连接至如因特网的网络120。该网络用于收集用户终端的信息。此外，每个SMTS使用网络120或其他未示出的工具来与其他SMTS和因特网通信。

每个网关115包括收发器305、SMTS 310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，发射器通过天线110获取下行数据流上行链路135的基带信号，并且对该基带信号进行上变频和放大以用于传输。接收器对该上行数据流下行链路140进行下变频和调谐以及如下所述的其他处理。SMTS 310处理信号以允许用户终端请求和接收信息，并且SMTS 310调度前向和返向信道800、900的带宽。此外，SMTS 310提供配置信息并从用户终端130接收状态。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。每个返向信道耦合至低噪放大器(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SMTS 310中执行进一步的处理。

下面参考图10，示出了网关发射器1000的实施例。从SMTS 310接收在中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在耦合到天线110之前增加前向信道900的幅度。天线110对分离的信号进行极化来保持四个前向信道800在信号被传送至卫星105时不相同。

参考图4，以方框图的形式示出了SMTS 310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执行基带处理。每个SMTS 310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。

下行数据流部分305通过多个下行数据流(Downstream，DS)叶片(blade)412从交换结构(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，其中每个下行数据流信道800对应一个下行数据流发生器408。例如，该实施例使用具有不同频率和/或极化的四个分离(separate)的500MHz频谱范围。四色调制器(Four Color Modulator)436具有分别对应于各DS发生器408的调制器。已调制的信号以中频被耦合至收发器305的发射器部分1000。在该实施例中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接收和处理信息。在收发器305的接收器部分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(US)叶片424。

US叶片424用于在将从卫星105接收到的信息提供到交换结构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协作根据所述需要相应地调整带宽/等待时间。

RM/LB块420分配US和DS叶片之间的通信量。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。可以由于任意数量的原因发生这样的重新分配，例如，缺乏资源和/或者负载考虑。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有由一个主MR/LB块或者在某个其他的中心决定机构作出的决定。例如，用户终端130的重新分配可以使用重叠的业务点波束205。

下面参考图5，以方框图的形式示出了卫星105的实施例。该实施例中的卫星105使用60个馈线和业务点波束225、205来与15个网关115和全部ST130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/或太阳能的能源来提供总线能量512。卫星控制器516用于维持卫星的姿态或者控制卫星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516执行该软件更新。

信息通过卫星105在两个方向上传送。下行数据流转发器508从15个网关115接收信息，使用60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60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15个网关115。本实施例的卫星可以以“弯管”配置的方式转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、900之间进行基带转换。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，以方框图的形式示出了上行数据流转发器504的实施例。接收器和下变频器(Rx/DC)块616接收由点波束205定义的区域的所有返向链路信息，该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路信道。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经过弯管形式的卫星105。

在上行数据流转发器504中每个网关115都具有四个专用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运行，两个在第二频率范围运行。另外，两个使用右旋极化，两个使用左旋极化。在两个极化和两个频率之间，卫星105可以通过四个分离的上行数据流下行链路信道来与每个网关115通信。

下面参考图6B，以方框图的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转换为中频。来自15个网关115的全部60个下行数据流上行链路信道都存在Rx/DC块636。IF开关628连接从网关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调制并放大。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。与上行数据流转发器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数据流信道的载波频率和极化特性。

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和任何用户终端设备(CPE)160，用户终端设备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可以包括VSAT天线、或者任意其他的不同天线类型(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、虚拟信道滤波器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)缓存712以及发送(Tx)缓存716。

在本实施例中，RF前端705具有发送和接收功能。接收功能包括对接收的信号进行放大(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)的信号混合)。在通过虚拟信道滤波器702进行超帧804处理之前，该下变频的信号可以通过RF前端705被再次放大。通过虚拟信道滤波器702从下行数据流信道800挑选每个超帧804的子集，例如，一个或多个虚拟信道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，用于从卫星接收信号和将信号发送至卫星。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，将解调后的虚拟信道808转发到滤波器706，以将打算传送给特定用户终端130的数据从虚拟信道808中的其他信息中剥离出来。

一旦将待传送至特定用户终端130的信息隔离，下行数据流协议变换器718将用于卫星链路的协议转换成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缓存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、访问控制、业务质量等的任务。CPE通常可以使用以太网、WiFi、USB和/或其他标准接口来与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以允许使用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换器722可以用于将接收的数据包变换成DOCSIS或WiMAX可兼容的帧以由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，并且由此可以使用变换器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已知的各种解码、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、笔记本电脑或现有技术中公知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执行用户终端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)，其可以通过任意现有技术的方式编程。可以对控制器编程以访问存储器单元(未示出)。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转换DOCSIS协议之前转换为DOCSIS协议。低速数据在Tx缓存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缓存716发送到调制器725，在这里使用如上所述的一个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“调制编码(modcode)”用于不同的数据包。例如网络和卫星拥堵问题的其他因素也可以是影响决定的因素。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地或远程地作出关于调制编码(modcode)应用性的不同决定。然后RF前端705可以对调制后的信号进行放大和上变频以通过天线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一个或多个用户终端130-a到130-n。这里，前向链路指的是从网关发送至一个或多个用户终端的信号。这样的网关至用户的信号有时也称为下行数据流信号。在相反的方向，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访问(例如因特网访问)。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，从而请求因特网上的网页。网关115通过从网络120搜索(retrieve)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，该弯管中继器能从地面接收一个或多个信号并可能在频率转换和极化修改之后将该信号发送回地面。例如，以特定频率或极性在卫星105接收的每个信号可以以不同频率和/或极化从卫星105发出。该弯管中继器也可以提供转换操作，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)可以被转换以连接至不同的“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)。弯管中继器不会将在卫星处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以在误差校正性能方面获益。即使处理中继器是市场上可买到的，但根据本发明的实施例采用弯管中继器以在前向链路和返向链路通信中获得最优效率。

参考图6B，如根据本发明的一个实施例所示，可以实施用于处理在从网关到用户终端的下行数据流方向中的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，每个唯一的组合被称为特定“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)，之后是下变频器(DC)，该下变频器将前向链路信号变换为例如中频(IF)的合适的频率。

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。

然后每个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)，之后是基于卫星的传输放大器，上变频器将IF前向链路信号上变频至适于传输的频率。根据本发明的一个实施例，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使用来仅放大一个单载波信号，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，然后使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以及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新颖使用优化了卫星处数据容量与功率消耗之比，以获得卫星设备性能方面的显著改进。

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道外，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谱效率的进一步增加。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例。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、一个下行链路馈线波束、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可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种“颜色”)而被从网关终端发送至卫星。这里，使用两个不同的500MHz上行链路频道，27.5GHz-28GHz和29.5GHz-30GHz，以及两个不同的极化，右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)来形成这4种颜色。

下面示出四个下行链路业务波束4004被从卫星发送至用户终端。存在所示的四种颜色，使用两个不同的500MHz下行链路频道，17.7GHz-18.2GHz和19.7GHz-20.2GHz，以及两个不同的极化RHCP和LHCP来形成这四种颜色。这里，因为四个下行链路业务波束在彼此之间具有空间分集(spatialdiversity)(这有利于频率重用)，对于可以如何使用4种颜色也存在不同的选择。在一个实施方式中，使用全部的四种颜色，每种颜色用于不同的下行链路业务波束。在另一个实施方式中，仅使用两种颜色用于四个下行链路业务波束。例如，表示(1)17.7GHz-18.2GHz及LHCP和(2)17.7GHz-18.2GHz及RHCP的这两种颜色可以用于发送全部的四个下行链路业务波束。由此，可以使用相同的500MHz带宽发送下行链路业务波束，但将极化(LHCP和RHCP)交替分配给物理相邻的下行链路业务波束，以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内。

下面示出四个上行链路业务波束4006被从用户终端发送至卫星。这里，和用于发送上行链路馈线波束4002的相同的四种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来形成这四种颜色。这可能是因为发送上行链路馈线波束4002的网关位于地球上与发送上行链路业务波束4006的用户终端不同的位置处。由此，即使可以使用相同的上行链路频率和极化来发送上行链路馈线波束4002和上行链路业务波束4008，卫星上的定向天线也能够分别地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，对于可以如何使用这四个颜色来发送上行链路业务波束4006存在不同的选择。例如，可以使用全部的四种颜色，或者可以仅使用两种颜色，或者可以采取一些变化。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的相同的四种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来形成这四种颜色。这可能是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处。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内。与此同时，用户终端位于可以接收下行链路业务波束4004的业务波束覆盖区域内。由此，下行链路馈线波束4008和下行链路业务波束4004可以重用相同的下行链路频率和极化，仍然由预期的接收者分别接收。

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、60个下行链路业务波束、60个上行链路业务波束和15个下行链路馈线波束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个业务波束覆盖区域中可能存在的空间分集、通过将15个馈线波束覆盖区域定位得离60个业务波束覆盖区域足够远，以及通过将15个馈线波束覆盖区域定位得彼此足够远而实现的。由此，可以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

根据本发明的一个实施例，提出了具有网关终端的有效布置的卫星系统。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和馈线波束之间的频率重用。同样，网关之间的空间分集也有利于馈线波束之间的频率重用。网关的布置可以考虑这些因素以及其他因素。

在一个实施例中，可以将多个不同业务波束覆盖区域(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支持的指定覆盖区域。例如，覆盖区域可以对应于“服务水平低”(“underserved”)的位置，在这样的位置可能存在大量人口但是高带宽网络访问还不可用。

根据本发明的一个实施例，一个或多个网关远离业务波束的覆盖区域布置，以便于业务波束和馈线波束之间的频率重用。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个网关布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(例如15个网关)布置得彼此足够远，使得可以在不同馈线波束之间进一步采用频率重用。例如，每个网关可能需要被布置为距任意邻近的网关400公里的最小距离。由此，相邻网关可以使用相同的频道而不彼此干扰。

对网关的布置的进一步可能的限制涉及与更高带宽网络访问的物理接近度。例如，网关可以被布置为靠近光纤网络连接。这允许网关具有快速和稳健的网络访问，使得需要访问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，每个网关被布置在距光纤网络连接50公里的距离内。

对网关的布置的另一个可能的限制涉及区域天气形态。网关可能需要被布置在经历最小雨衰的区域。举例说明，每个网关可能需要被布置在上行链路频率上的全部雨衰在99.99％的时间小于10dB衰减的位置处。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的布置更具有挑战性，但是采用这样的限制的系统更容易获得卓越的整体性能。

背负式卫星有效载荷

根据一个实施例，通信卫星上的总的总线功率的一部分被用于支持本发明版本的卫星通信系统。这个技术被称作“背负式(piggy-back)”模式，这个技术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)的总的总线功率，并且该卫星已经具有现有的消耗13KW总线功率的有效载荷，那么在卫星上还剩余2KW的多余总线功率。根据本发明的一个实施例，可以通过使用剩余的2KW总线功率来实现如上所述的卫星系统或其一部分。由此，可使用如上所述的通信卫星上剩余的2KW总线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使用60个业务波束和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体现。

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，从网关向卫星发送的每个馈线波束可以包括四个信号(例如，由四种“颜色”表示)，这四个信号产生作为分离的业务点波束的4个分离的单载波信号从卫星发送到达用户终端。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(procurement)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10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(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10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(EIRP)可以是70dBW每点波束，并且G/T可以是27dB/°K每点波束。单个异频雷达收发器(transponder)可以是500MHz量级的宽带。极性可以是圆形的，并且可选的点波束可以交替地使用左旋极化和右旋极化。输入SFD可以以1dB步阶从-105dB到-85dB设置。

根据本发明，通过使用“背负式”模式，由此加入不同大小的有效载荷，以允许卫星上的多余总线功率的有效使用。例如实施的点波束数目的指定参数可以根据系统的需要而改变。

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，而不用考虑其他用户。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，才允许次要频谱许可持有者在该指定的频带上发送。作为次要频谱持有者的用户终端可以利用本发明的不同实施例中描述的卫星上行链路波段的自适应使用，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变换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121控制发送频道的分配，并且接收用户终端(例如130-a-1和130-a-2)使用的频道。中央单元121可以通过网络120耦合至网关115。中央单元121由此也可以连接至其他网关，以控制更大的卫星系统。在可选实施例中，中央单元121可以被包含在例如网关115的网关中。

中央单元121向用户终端130-a-1分配发送卫星上行链路信号145-a-1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。根据本发明的一个实施例，如下对所述基于用户终端进行并报告回中央单元121的发送频谱的本地观察，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-1’的卫星上行链路信号145-a-1的传输可以是实际上间歇的。例如，上行链路信号可以承载仅请求短脉冲数据的网页请求。由此，可以在时间上分隔开的传输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。传输的周期可以根据不从用户终端130-a-1发送传输的时间来分隔。

用户终端130-a-1可以在卫星上行链路信号的这些时间上分隔开的传输周期之间监视分配的发送频道。即，当用户终端131-a-1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分配发送频道时，该发送频道利用了LMDS用户127是主要频谱许可持有者而用户终端130-a-1是次要频谱许可持有者的带宽。由此，如果LMDS用户127正在使用该分配的发送频道时，用户终端130-a-1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-1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-1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接近的信道，以及其他信道。带外频道的监视有助于检测更宽频率范围内的其他信号，例如信号128。这个信息允许关于可能被用户终端130-a-1使用于信号传输的频谱形成更完整的画面。

在一个实施例中，用户终端130-a-1使用第一天线125-a-1来发送和接收卫星信号，并且使用第二天线126-a-1执行频道的监视。这里，该双天线布置提供更容易的实施。第一天线125-a-1可以是指向卫星105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。这仅是一个示例布置。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-1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-1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-1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，不管是否检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-1重新分配到不同的发送频道，以避免与检测到的信号的源相干扰。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-1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视。例如，可以存在缺省的(default)被分配的频道。

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报告回中央单元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-1当前被分配在频道X上发送卫星上行链路信号，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被其他信号使用。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-1。例如，用户终端132-a-2可以被重新分配到频道X，而用户终端130-a-1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(joint)频率计划，允许两个用户终端运行而不干扰其他可能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。

接近业务波束的网关的布置

图16是示出与多个业务波束的位置相关的馈线波束的不同位置的示意性的方框图，每个业务波束与业务波束覆盖区域相关。在该示出中，地理上的业务区域被多个业务波束覆盖，这些业务波束被示出为四行四列的部分重叠的圆圈。在实际的实施例中，这些业务波束可以具有其它的几何形状，如椭圆形的、六边形的或不规则的轮廓，并且它们可以不重叠。在业务波束充分分离的情况下，它们可以利用相同的下行链路频道来使用它们之间的空间分集。当业务波束重叠时，业务波束之间不能再共享相同的下行链路频道，并且重叠的业务波束中的每个业务波束必须使用不同的下行链路频道以避免共信道干扰。根据频率重用方案，显示为A、B、C和D的一组频道(该组还被称为颜色图)被分配用于在每个业务波束中使用。四个频道(颜色)可以包括两个频率，每个频率具有两个不同的极化。例如，两个不同的极化可以是右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)。为了方便阐述，四个相邻的业务波束覆盖区域(每个业务波束覆盖区域使用不同的颜色)被组成群集1610。例如，业务波束覆盖区域205-a中的用户终端使用颜色A，业务波束覆盖区域205-b中的用户终端使用颜色B，业务波束覆盖区域205-c中的用户终端使用颜色C，并且业务波束覆盖区域205-d中的用户终端使用颜色D。然后这种颜色图在其它的群集中重复。

在一个实施例中，网关终端GW1被布置在地理上与业务波束覆盖区域分离的馈线波束225-1中，对GWI重用与分配给业务波束的颜色同样的4种颜色以从空间分集中获益。图14显示了上行链路馈线波束、上行链路业务波束、下行链路馈线波束和下行链路业务波束的示意性的频率重用计划。应该注意的是，GW1使用包括四种上行链路频道(四种颜色)的一个上行链路馈线波束，并且所述一个上行链路馈线波束将信息数据传送至四个下行链路业务波束。在该实施例中，频率重用可以在业务波束中实现，并且频率重用可以在业务波束和馈线波束之间实现。

在一个实施例中，网关终端GW2可被布置在馈线波束225-2中，馈线波束225-2与业务波束覆盖区域205-a接近(proximate)但不与任何其它的业务波束覆盖区域接近。因为业务波束覆盖区域205-a使用颜色A用于上行链路业务波束与卫星通信，为了避免共信道干扰，在上行链路馈线波束中的GW2不使用颜色A。由此，GW2在上行链路馈线波束中排除使用颜色A并且只使用颜色B、C和D来将信息数据发送至卫星。类似地，GW2在下行链路馈线波束中排除使用颜色A′并且只使用颜色B′、C′和D′来从卫星接收信息数据。

在一个实施例中，网关终端GW3被布置在馈线波束225-3中，馈线波束225-3与业务波束覆盖区域205-c和225-d接近。因为业务波束覆盖区域205-c和225-d在上行链路业务波束中各自使用颜色C和D来与卫星105通信，为了避免共信道干扰，在上行链路馈线波束中的GW3不使用颜色C和D。由此，GW3在上行链路馈线波束中排除使用颜色C和D并且只使用颜色A和B来将信息数据发送至卫星。同样地，因为业务波束覆盖区域205-c和225-d在下行链路业务波束中各自使用颜色C′和D′来与卫星通信，因此GW3在下行链路馈线波束中不能使用颜色C′和D′来从卫星接收信息数据。

应该注意的是，网关终端可以以许多其它的方式布置，并且可以相应地修改频率重用计划。例如，在一个实施例中，GW4可以被布置在与业务波束覆盖区域205-b和225-d接近的馈线波束225-4中。因为业务波束覆盖区域205-b和225-d在上行链路业务波束中各自使用颜色B和D来与卫星105通信，为了避免共信道干扰，在上行链路馈线波束中的GW4不使用颜色B和D。由此，GW4在上行链路馈线波束中排除使用颜色B和D并且只使用颜色A和C来将信息数据发送至卫星。同样地，因为业务波束覆盖区域205-c和225-d在下行链路业务波束中各自使用颜色B′和D′来与卫星通信，因此GW3在下行链路馈线波束中不能使用颜色B′和D′来从卫星接收信息数据。

在另一个实施例中，GW5可以被布置在与业务波束覆盖区域205-a和225-c接近的馈线波束225-5中。因为业务波束覆盖区域205-a和225-c在上行链路业务波束中各自使用颜色A和C来与卫星105通信，为了避免共信道干扰，在上行链路馈线波束中的GW5不能使用颜色A和C。由此，GW5在上行链路馈线波束中排除使用颜色A和C并且只使用颜色B和D来将信息数据发送至卫星。同样地，因为业务波束覆盖区域205-a和225-c在下行链路业务波束中各自使用颜色A′和C’来与卫星通信，因此GW5在下行链路馈线波束中不能使用颜色A′和C’来从卫星接收信息。

图17A是方框图形式的示意性的频率重用，该方框图示出了GW2的上行链路馈线波束的颜色选择。GW2的上行链路馈线波束1702使用颜色B、C和D来与将信息数据发送至卫星，该卫星作为弯管卫星运行并且将上行链路馈线波束1702转换成多个下行链路业务波束。在该示意性的方框图中，颜色A和B占据了频带27.5GHz-28.0GHz，颜色A是左旋圆极化并且颜色B是右旋圆极化。颜色C和D占据了频带29.5GHz-30.0GHz，颜色C是左旋圆极化并且颜色D是右旋圆极化。上行链路业务波束1706-a至1706-d分别与业务波束覆盖区域205-a至205-d相关。因为GW2被布置为接近业务波束覆盖区域205-a，因此为了避免共信道干扰，GW2在上行链路馈线波束中不使用颜色A。

在一个实施例中，频率转换是下变频转换，即，卫星将上行链路馈线波束1702转换成多个下行链路业务波束，该多个下行链路业务波束具有比上行链路馈线波束1702的频率低的频率。在一个实施例中，下行链路业务波束的数量是4。在这种情况下，卫星系统中的每个上行链路馈线波束对应于四个下行链路业务波束。因此，下行链路业务波束与上行链路馈线波束的比例是不变的，并且该比例和与业务波束覆盖区域的位置相关的网关终端的位置无关。在一个优选实施例中，下行链路业务波束与上行链路馈线波束的比例是4，并且上行链路馈线波束使用3种颜色B、C和D以用于GW2与卫星之间的通信(在图17A中不使用对应于17.7-18.2GHz的颜色A，并且颜色A以删除线标记)。

图17B是方框图形式的示意性的频率重用，该方框图示出了GW2的下行链路馈线波束1708的颜色选择。由于GW2接近业务波束覆盖区域205-a，因此GW2的下行链路馈线波束1708只使用颜色B′、C′和D′来从卫星接收信息数据。在该示意性的频率重用的方框图中，颜色A′和B′占据了频带17.7GHz-18.2GHz，颜色A′是左旋圆极化并且颜色B′是右旋圆极化。颜色C′和D′占据了频带19.7GHz-20.2GHz，颜色C′是左旋圆极化并且颜色D’是右旋圆极化。下行链路业务波束1704-a至1704-d分别与业务波束覆盖区域205-a至205-d相关。因为GW2被布置为接近业务波束覆盖区域205-a，因此为了避免共信道干扰，GW2不使用颜色A′。在一个优选实施例中，下行链路业务波束与上行链路馈线波束的比例是4。下行链路馈线波束1708使用颜色B′、C′和D′，为了避免共信道干扰而不使用颜色A′(不被使用的颜色A′在图17B中以删除线标记)。

在另一个实施例中，GW3可以被布置在与业务波束覆盖区域205-c和205-d接近的馈线波束225-3中(如图16)。因为业务波束覆盖区域205-c和205-d在上行链路业务波束中各自使用颜色C和D来与卫星通信，为了避免共信道干扰，GW3在上行链路馈线波束1802中不使用颜色C和D。由此，GW3排除颜色C和D并且只使用颜色A和B来将信息数据发送至卫星。

图18A是示出了GW3的上行链路馈线波束的颜色选择的示意性的方框图。GW3的上行链路馈线波束1802只使用颜色A和B来将信息数据发送至卫星，该卫星作为弯管卫星运行并且将上行链路馈线波束1802转换成多个下行链路业务波束。在一个实施例中，该转换是下变频转换，其中上行链路馈线波束频道被频率转换成具有更低频带的多个下行链路业务波束。在另一个实施例中，下行链路业务波束的数量是4，即卫星系统中的每个上行链路馈线波束对应于四个下行链路业务波束。因此，下行链路业务波束与上行链路馈线波束的比例是不变的，并且该比例和与业务波束覆盖区域相关的网关终端的位置无关。不被上行链路馈线波束1802使用的颜色C和D在图18A中以删除线标记。

图18B是方框图形式的示意性的频率重用，该方框图示出了GW3的下行链路馈线波束1808的颜色选择。GW3的下行链路馈线波束1808只使用颜色A′和B′来从卫星接收信息数据。在该示意性的频率重用的方框图中，颜色A′和B′占据了频带17.7GHz-18.2GHz，颜色A′是左旋圆极化并且颜色B′是右旋圆极化。颜色C′和D′占据了频带19.7GHz-20.2GHz，颜色C′是左旋圆极化(LHCP)并且颜色D是右旋圆极化(RHCP)。下行链路业务波束1804-a至1804-d分别与业务波束覆盖区域205-a至205-d相关。因为GW3被布置为接近业务波束覆盖区域205-c和205-d，为了避免共信道干扰，GW3不使用颜色C′和D′(分别对应于颜色C′和D′的LHCP和RHCP以删除线示出)。在其它的实施例中，网关终端可以被布置为接近其它的业务波束覆盖区域，并且必须相应地调整该频率重用计划。

应该注意的是上面讨论的系统、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、替代或增加不同的步骤或元件。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元件。此外，应该强调的是，技术在发展，由此许多元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，实施例可以被描述为由流程图、结构图、或框图表述的处理。虽然它们可以将操作描述为顺序的过程，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在不偏离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改、可选结构或等效替换。例如，上面的组件可以仅是更大系统的元件，其中其他规则可以替换原来的规则或者修改本发明的应用。此外，可以在考虑上述元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。

Claims

1.一种点波束卫星，包括：

天线系统，所述天线系统被配置用于生成具有多种不同颜色的波束图，从而与每种颜色相关的信号和与每种其它颜色相关的信号正交，所述点波束卫星被配置为从多个业务波束接收数据以及从馈线波束接收数据，每个业务波束具有相关的业务波束覆盖区域，所述馈线波束具有相关的馈线波束覆盖区域，

其中，所述馈线波束覆盖区域与一个或多个业务波束覆盖区域接近，

其中，将来自所述波束图的不相交的颜色组分配给所述馈线波束和与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束，以及

其中，分配给所述馈线波束的颜色组包括未分配给与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束的所有颜色。

2.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述点波束卫星包括用于接收所述多个业务波束和所述馈线波束的定向天线，以及其中，所述卫星被配置用于使用波束起源的方向和波束的颜色来识别从所述业务波束和馈线波束接收到的信号。

3.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，如果与业务波束相关的业务波束覆盖区域不与任何其它的业务波束覆盖区域或馈线波束覆盖区域接近，则将所述波束图的所有颜色分配给所述业务波束。

4.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，如果与第一业务波束相关的第一业务波束覆盖区域不和与第二业务波束相关的第二业务波束覆盖区域接近，则将所述波束图的第一颜色组分配给所述第一业务波束以及将所述波束图的第二颜色组分配给所述第二业务波束，其中，所述第一颜色组和第二颜色组是不相交的组。

5.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，如果与第一业务波束相关的第一业务波束覆盖区域不和与第二业务波束相关的第二业务波束覆盖区域接近，则将所述波束图的相同的颜色组分配给所述第一业务波束和第二业务波束。

6.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述业务波束包括上行链路部分和下行链路部分，并且将不同的频率分配给所述上行链路部分和下行链路部分。

7.根据权利要求6所述的点波束卫星，其中，所述卫星被配置用于将从上行链路部分接收到的信号从与所述上行链路相关的第一频率转换为与所述下行链路相关的第二频率。

8.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述馈线波束进一步包括具有至少一个共用频道的上行链路馈线波束以及具有至少一个共用频道的下行链路馈线波束，其中，与所述上行链路馈线波束相关的至少一个共用频道使用第一频率范围，与所述下行链路馈线波束相关的至少一个共用频道使用第二频率范围，以及其中，所述第一频率范围不同于所述第二频率范围。

9.根据权利要求8所述的点波束卫星，其中，所述卫星被配置用于将从上行链路部分接收到的信号从与所述上行链路相关的第一频率转换为与所述下行链路相关的第二频率。

10.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述波束图的每种颜色与不同的频率组相关。

11.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述波束图的每种颜色与不同的极化相关。

12.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述波束图的每种颜色与频率和极化的不同组合相关。

13.根据权利要求1所述的点波束卫星，其中，所述卫星被配置用于从所述第二馈线波束接收数据，所述第二馈线波束与第二馈线波束覆盖区域相关，其中，所述第二馈线波束覆盖区域不与任何业务波束覆盖区域接近，以及其中，将波束图的所有颜色分配给所述第二馈线波束覆盖区域。

14.一种点波束卫星的运行方法，所述方法包括：

在点波束卫星处从多个业务波束接收数据和从馈线波束接收数据，每个业务波束具有相关的业务波束覆盖区域并且所述馈线波束具有相关的馈线波束覆盖区域，所述点波束卫星具被配置用于产生具有多种不同颜色的波束图的天线系统，从而与每种颜色相关的信号和与其它的每种颜色相关的信号正交，

其中，将所述波束图的不相交的颜色组分配给所述馈线波束和与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束，以及

其中，分配给所述馈线波束的颜色组包括未分配给与一个或多个业务波束覆盖区域中每个与所述馈线波束接近的业务波束覆盖区域相关的业务波束的波束图的所有颜色。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述点波束卫星包括用于接收所述多个业务波束和所述馈线波束的定向天线；所述方法进一步包括：

使用波束起源的方向和波束的颜色通过所述定向天线来识别从所述

业务波束和馈线波束接收到的信号。

16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：如果与业务波束相关的业务波束覆盖区域不是与任何其它的业务波束覆盖区域或馈线波束覆盖区域接近，则将所述波束图的所有颜色分配给与所述点波束覆盖区域相关的所述业务波束。

17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：如果与第一业务波束相关的第一业务波束覆盖区域和与第二业务波束相关的第二业务波束覆盖区域接近，则将所述波束图的第一颜色组分配给所述第一业务波束以及将所述波束图的第二颜色组分配给所述第二业务波束，其中，所述第一颜色组和第二颜色组是不相交的组。

18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：如果与第一业务波束相关的第一业务波束覆盖区域和与第二业务波束相关的第二业务波束覆盖区域接近，则将所述波束图的相同的颜色组分配给所述第一业务波束和第二业务波束。

19.根据权利要求18所述的卫星通信系统，进一步包括：如果与第二业务波束相关的第二业务波束覆盖区域和与第三业务波束相关的第三业务波束覆盖区域接近，则将所述波束图的第一颜色组分配给所述第二业务波束以及将所述波束图的第二颜色组分配给所述第三业务波束，其中，所述第一颜色组和第二颜色组是不相交的组。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述业务波束包括上行链路部分和下行链路部分，并且将不同的频率分配给所述上行链路部分和下行链路部分。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：在所述卫星系统处，将从上行链路部分接收到的信号从与所述上行链路相关的第一频率转换为与所述下行链路相关的第二频率。

22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述馈线波束进一步包括具有至少一个共用频道的上行链路馈线波束以及具有至少一个共用频道的下行链路馈线波束，其中，与所述上行链路馈线波束相关的至少一个共用频道使用第一频率范围，与所述下行链路馈线波束相关的至少一个共用频道使用第二频率范围，以及其中，所述第一频率范围不同于所述第二频率范围。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：在所述点波束卫星处，将从上行链路部分接收到的信号从与所述上行链路相关的第一频率转换为与所述下行链路相关的第二频率。

24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述波束图的每种颜色与不同的频率组相关。

25.根据权利要求14所述的方法，其中，所述波束图的每种颜色与不同的极化相关。

26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述波束图的每种颜色与频率和极化的不同组合相关。

27.根据权利要求14所述的方法，其中，所述波束图的每种颜色与频率和极化的不同组合相关。

28.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：使用所述点波束卫星将数据提供给所述第二馈线波束，其中，所述第二馈线波束覆盖区域不与任何业务波束覆盖区域接近，以及其中，将波束图的所有颜色分配给所述第二馈线波束。