具有動態下行鏈路資源分配能力的通信衛星系統的制作方法

專利名稱：具有動態下行鏈路資源分配能力的通信衛星系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及衛星下鏈(下行鏈路)通信，特別涉及依照局部化下鏈信號退化來動態改變區域之間的下鏈資源。
通信衛星系統具有有限的帶寬及功率，用以傳送下鏈通信信號。在一通信衛星系統中有效帶寬的量直接地相應于它可以承載的通信量(亦即，衛星容量)。典型地，衛星下鏈通信被傳送至一廣泛區域上，它可以被一狹帶光束或單元的陣列涵蓋，以形成已分配的物理的或實際帶寬的最大利用。此可讓實際帶寬的頻帶多次使用，因此為衛星通信增加有效的帶寬。每一射束點與一個或多個轉發器相關聯，而每一轉發器具有其本身的功率需求。這些轉發器的功率需求必須與一通信衛星的有限功率資源相符合。
面對衛星通信，特別是在Ku帶(11至12GHz)及在較高頻率通信的一個信號退化問題，是因氣候狀況，如降雨時的通信信號的退化。雨天可造成下鏈信號衰減多至20分貝(雨量逾大則自衛星至地面接收者的信號的退化愈大)。此一極端衰減可戲劇性地降低接收者的信號探測，并因此而影響系統的可用性及能量。在某些地方，特別是具有大致上赤道氣候的地方，冗長的大雨可造成衛星下鏈通信的不可接受的長期衰減。
另一通信信號退化效應是由增大的信號通信量所造成。當一飽和的轉發器內的通信量增加(亦即，添加更多信號)時，每信號的可用電力即減小。同樣地，當通信量由于有更多信號或增加其帶寬而占用更多轉發器的可用帶寬時，每單位帶寬的可用功率(亦即，功率通量密度)減小。即令以一補償的或非飽和的轉發器而言，新信號或帶寬需求在某些環境下可降低所有信號。最終結果是，該接受者的信號探測被退化，或信號的可用率減小。
致力于此類通信信號退化的一種方法是為所有的轉發器在衛星下鏈傳輸功率上提供一固定的增加。以此一常規解決方案有若干問題。首先是，該衛星設計是功率受限(例如15-20KW總功率)，因此，功率增加可能受到限制。另一問題是此一常規解決方法很浪費。即使有信號通信量負荷上持續很長的每日顛峰或一般的赤道氣候的長期的雨季，但仍有大量的時間并不受此一退化影響。其結果，用于解決這些信號退化的固定功率能量往往被浪費(例如，低通信量需求期或相對干燥時期)。
常規解決方法的一變化是僅為那些相應于遭受此類下鏈通信信號退化的所選定的地方的轉發器提供衛星下鏈傳輸功率的固定增加。例如，此選定的地方可以相應于衛星傳送到人口密度最大的區域。一項缺點是此一解決方法也是永遠地自其他轉發器轉移功率，否則，這些功率可以為高需求期或大雨時期使用。這是一嚴重問題，因為，例如，影響高密度人口區的大雨形態，也影響其他區域。將這些其他區域降為次標準的衛星通信服務大致上是一不可接受的解決方法。
美國專利第4,831,619號說明一衛星通信系統，它借在地面上一區域內互連多個終端場地而提供點對點通信。多個無線電頻率上鏈通信信號，其各載有一接收信號，是從此區域內的上鏈終端場地發送至地球同步軌道上的衛星。此上鏈信號在衛星上被接收，并轉換成相應的發送信號，用以傳輸至此區域內的下鏈終端場所。
所有這些發送信號使用衛星上一互連陣列的放大器而被集體地放大，因此，每一發送信號由所有這些放大器集體地放大。此衛星發送多個下鏈信號，其中每一下鏈信號被導向區域特定部分的下鏈終端場所。
美國專利第4,831,619號的衛星系統借增加相應的上鏈信號中的功率而對下鏈信號提供增加的功率。此衛星系統與一地面為基地的網路控制中心共同操作，以保持跟蹤所有正降雨的區域的目標。此網路控制中心使所有正在降雨的下鏈區域與相應的上鏈使用者互相關，并指示每一上鏈使用者為發送到受雨影響區域的信號增大其上鏈功率。上鏈使用者信號的功率上的增加導致由衛星放大器對這些信號的更大集體放大。
美國專利第4,831,619號的衛星系統宣稱以一地面為基地的解決方法來致力于由降雨所造成的衰減，此方法使用地面基地來增加通信信號功率。雖然此一解決方法可以有對點至點通信的應用能力，其中上鏈站具有增加其發送功率的能力，但此一解決方法對廣播通信極不適用，其中信號被廣播于一廣大區域上并至上鏈功率受限或被固定的點對點通信。因為它們沒有一特定的與一相應的因雨而衰減的下鏈接收器直接相關的上鏈發送器，故此一解決方法對廣播通信不適合。因此美國專利第4,831,619號中所說明的這種為點對點通信所提供的解決方法對甚多通信衛星用途是不適用的。
本發明借提供一種衛星通信系統，它動態地分配額外的下鏈資源至選定的下鏈通信信號，以補償信號退化，來克服早期系統的缺點。此類退化的一典型起因是下鏈站所在的地方降雨。此類退化的另一起因是一特定區域內通信量或帶寬需求的增長。
下鏈資源的動態分配提供增大的有效能量及可用率而不必要求增加衛星上的固定下鏈資源。資源被分配到所需要的地方，當它們被需要時，不會象在常規方法中那樣一味地增加衛星的負荷。本發明可增加通信信號的可用率，即令是此發送使用者的上鏈功率被限制亦然。同時，除了點對點通信以外本發明可應用于廣播通信。
當所有通信信號被發送至一區域而無局部化的退化時，此信號接受標準放大，以提供良好的信號強度至所有下鏈場所。在一實施例中，當退化在一特定下鏈區域處被測得時，可以在衛星上增大導向該區域的信號的放大，以補償退化效應。以此一方法，功率被有效地分配，而下鏈信號強度被保持在一可確保接收的電平強度。
在信號退化探測的一實施例中，地面基地的傳感器測得可能要退化的下鏈信號的狀況(例如，在地面下鏈站降雨或增大的通信量負荷)。關于這些狀況的信息被輸送至一地面基地的控制中心，如用電話傳輸，在該處此信息經處理，以決定下鏈信號資源是否要被再分配。如果此下鏈信號資源要被再分配時，將適當的控制信號發送至衛星。
此衛星接收信號退化的信息，并動態地對選定的一個或多個信號通過增加放大功率來提升信號或多個信號。此衛星可在放大器之間分配功率，以便對相應于沒有信號退化的區域的信號減少功率，并對相應于有信號退化的區域的信號增加功率，而勿須增加通信系統的總功率需求。在另一實施例中，一使用者的信號(編)碼(速)率可能響應于信號退化狀況的信息而變化。信號退化補償的另一方法包括頻率賦值變化及改變下鏈天線涵蓋范圍。
本發明的附加目的和優點自其優選實施例的詳細說明將更為顯明，對此將參照附圖進行說明。


圖1是依照本發明運用動態下鏈資源分配的一通信衛星系統的方塊圖。
圖2是有多個分立的下鏈單元的一衛星通信區域的說明。
圖3是一方塊圖，說明一衛星通信系統以一衛星與示范性地面站在通信中。
圖4A和4B是依照本發明的一動態下鏈資源分配過程的一流程圖。
圖5是用于圖4A及4B的方法的一實施例的下鏈功率分配過程的流程圖。
圖6A及6B示意性地說明具有不同相關數據成分和糾錯成分的下鏈信號。
圖7是一流程圖，說明可能被用于圖4A及4B的動態下鏈資源分配過程中的一碼率分配過程。
圖8是一示范性雙帶通信衛星系統的方塊圖，用以說明本發明的下鏈資源分配系統。
圖9和10是一依照季節性降雨圖具有各自的第一及第二區域性下鏈傳輸形態的衛星無線電通信區的說明。
圖11和圖12是顯示一單元被劃分成為多個單元以提供一下鏈資源分配的衛星無線電通信區的說明。
圖1是一使用依照本發明的動態下鏈資源分配的示范性通信衛星系統10的方塊圖。衛星系統10被引介于一地球軌道中的衛星11(圖3)內(例如，地球同步繞行)以接收來自一地面基地或大地傳輸站的上鏈信號，并發送相應的下鏈信號至地面接收站。此上鏈和下鏈信號，例如，可能出現無線電通信信號或視頻或數據廣播信號(亦即，通信信號)。此衛星包括電源，方位和位置控制系統，通信控制系統等，如本領域所熟知。
自衛星接收天線或喇叭13所獲得的通信上鏈信號在一適當的衛星接收機系統14的輸入端12被接收，它包括多個用以接收多個信號的單獨接收機或上鏈通信信號的轉發器。此上鏈信號例如，可能是一大約14GHz的Ku帶信號。接收機系統14以及系統10內的其他系統(下文說明)，會典型地包括比待由系統10所處理的信號和信道的數目更多的單獨接收機。此附加接收機或其他組件提供冗余度，并可能在任何單獨組件失效時被使用。此類冗余度一般被用于在衛星設計中。
依此，接收機系統14包括開關陣列以選定上鏈信號至相應的有源接收機的各信道的路由，并隨后選定信號至相應的低噪音放大器(LNA)和下變頻器系統16內的放大器/變頻器的路由。在所說明的實施例中，低噪音放大器和下變頻器16提供上鏈通信信號的前置放大，并將它們變換成為一較低Ku帶頻率(例如，11-12GHz)。
一輸入多工系統18接收此低噪音放大的及變頻的上鏈信號并信道化，選定此信號至高功率放大器系統22的一個適當的冗余的高功率放大器的路由。放大器系統22，例如，可引用驅動器放大器21，其具有相關的行波電子管放大器23。驅動放大器21有兩種操作模式自動增益及地面可命令增益。行波電子管放大器23提供高可靠性的高功率輸出放大。高功率放大器系統18的輸出是通過一輸出濾波系統24而連接至一個或多個發送喇叭30，用于作為一下鏈信號的傳輸。一控制單元32是以總線連接至這些組件的各不同組件，以控制其操作和相互作用。
圖2是有多個單元52(由圓圈所表示)的一衛星無線電通信區50的說明，狹區通信信號是自一衛星，如自具有系統10在地球同步軌道的衛星發送至這些單元。單元52相對于區域50內不同的地理區。為說明的目的，一個選定的單元52被視為定期遭受造成下鏈信號顯著退化的雨天。不同組的單元52接收載于系統10的不同信道上的下鏈信號。在某些應用中，載于一單一信道上的下鏈信號可能被導向至一單一單元52。不過，很顯明，顯示于圖2的地理區僅為說明，而本發明的操作是可應用于其他地理區的。
圖3是一方塊圖，說明一衛星通信系統58以衛星11與示范的地面基地或地面站60-64在通信聯絡。一衛星控制中心60發送并接收衛星控制信號，用以控制衛星11及其操作。一發送使用者站62發送或上連一通信信號至衛星11，予以廣播或下連至一接收者站64，以及典型地甚多其他接收站。接收站64位于單元52之一內。在一實施例中，一本地集線器66為接收站64確定單元內的氣候狀況，要么由本地集經器66(例如，監控氣候雷達)完成確定，或者自接收站或多個站通信至本地集線站66(例如，經由電話線，但其他通信方式亦可使用)。典型地，應包括多個使用者發送站62和本地集線站66，盡管站62和64，集線器66，以及控制中心60被置于不同單元和區域內。
控制中心60包括一通信量控制中心或與其通信聯絡(為說明的目的顯示被包含)，它與發送使用者站62和本地集線站66通信聯絡，以獲得并保持有關衛星通信量及每一單元內的降雨狀況的信息。控制中心60亦保持有關衛星資源組態的信息。在一實施中，控制中心60可通知發送使用者站62根據可用資源(例如，帶寬)要使用的碼率，如在下文中所詳細說明的。不過，很顯明，即作為對一中央控制中心60的另一可供選擇方式，此衛星和通信量控制操作可以分布于多個集線站之間或者在衛星11上實施。控制中心60、發送站62、接收站64和本地集線站66可經由地面或衛星通信鏈而通信聯絡。
圖4A和圖4B是一動態下鏈資源分配程序70的一流程圖，用以在一包含衛星系統10的通信衛星中的信道之間動態地分配下鏈資源。程序70可以用于動態分配下鏈資源至由于降雨或其他大氣狀況，或由于過多通信量或帶寬需求而經受過多下鏈信號退化的區域或單元52。下面對由降雨所造成的信號退化的補償進行說明，但很顯明，即程序70同樣地也可應用于過多通信量負荷需求或其他起因所產生的退化。
程序方塊72指示，該下鏈信號退化被測得。此下鏈信號退化可以各種方式被測得。作為下鏈信號退化的地面基地探測的一范例，下鏈信號退化可以在單獨接收站處被測得，并將此退化信息由地面信道(例如，電話線)發送至一地面控制中心。在實施附加處理之前也可以對此下鏈信號退化按它是否超過可接受的退化的預定最高電平進行分類。此控制中心應包括編程的信息處理或用以處理此信息的計算機系統。作為另一范例，一控制中心可辨識經受顯著降雨的地面區，并指定這些區域為可能要遭受顯著下鏈信號退化的區域。
在一實現中一傳輸的接收者(亦即一終端使用者)可監控自衛星11所發送的衛星信標的信號強度，此解調的信標信號的比特誤碼率(BER)，天空溫度等。當臨界保護系統動作時，此終端使用者的設備將接觸(聯系)一本地集線站66、控制中心站60，或直接接觸(聯系)衛星11(視完成資源分配決定的地方而定)。此接觸(聯系)可以由使用者的設備自動地完成，或者由使用者手動地完成，并可以經由陸地線路，或經由衛星本身完成。
在另一實施中，集線站66監控此信標信號強度或結果的解調比特誤碼率，天空溫度，供此單元用的氣候雷達數據等。集線站66隨后評估供其單元用的資源需求，并此將信息轉發至控制中心60或衛星11(視完成此資源分配決定的地方而定)。此轉播亦可由集線站66自動地達成，或者由集線器操作者以手動完成，并可以經由陸地線路或衛星本身完成。集線站可具有能評估單元通信量負荷的設備，在該情況下，此集線站可直接地為其單元要求額外資源分配。
程序塊74指示該下鏈信號退化是與一單元50互相關的。在一實施中的相關可以在控制中心站60處形成，但另一方式可以在集線站66處或衛星11上形成，如下文所述。
在一實施中，控制中心站60保持有關所有單元內通信量負荷的信息。例如，一發送使用者站62為用以發送一特定通信信號的一“電路”進行賦值(例如，頻率和帶寬分配)而接觸(聯系)控制中心60。因此，此一控制中心60會有來自所有單元的信息，以評估資源需求，并于需要時再分配資源。控制中心和發送使用者之間的接觸(聯系)方式可以是經由陸地線路或經由衛星本身。
在另一實施中，衛星11具有機載遙控感測設備，以測量在各單元內的降雨感應的退化狀況。額外資源信息應包括每一轉發器內的功率監控器，以評估目前通信量需求及帶寬需求。此一信息隨后可能被轉接至控制中心，供資源分配決定形成用。另一可供選擇方式，此衛星可自動地監控，評估并再分配單元資源。
詢問方塊75表示一項詢問，有關于是否有未使用的資源可用于經受下鏈信號退化的單元52。此未使用的資源可特別地分配給單元52，或者可用于多個或所有單元。作為一特殊分配資料的范例，相應于單元52的放大器可以在其最大功率電平之下操作。當有未使用的可用資源可提供給遭受下鏈信號退化的單元52時，詢問方塊75行進至處理方塊76。當沒有未使用的資源可用于遭受下鏈信號退化的單元52時，詢問方塊75行進至處理方塊77。
處理方塊76指示遭受下鏈信號退化的該單元52使用此可用的未使用資源。例如，使用于經受下鏈信號退化的此單元52的工作在其最大輸出功率電平之下的放大器的輸出功率電平增大。
處理方塊77指示，該遭受下鏈信號退化的單元52與例如在控制中心所保持的單元傳輸優先級互相關。每一單元被指定相對于其他單元的優先級。單元52的優先級有關典型地信號通信量，人口密度，服務費率或其他因素，以確定對各單元52保持下鏈信號品質的相對優先級。例如，涵蓋主要都會區的單元一般會分配到比以人口密度較低的郊區為目標的單元更高的優先級。單元傳輸優先級表可以作為一表格或數據庫保持在本地集線站或控制中心，或另一可選擇方式保持在衛星上的信息處理或計算機系統內。
詢問方塊78表示一項詢問，有關于遭受下鏈信號退化的單元52的優先級是否比其他單元52高。當遭受下鏈退化的單元52的優先級比其他單元高時，此詢問方塊78進行至處理方塊80。當遭受下鏈退化的單元的優先級不比其他單元高時，此詢問方塊78行進至結束方塊90。
處理方塊80指示，該遭受下鏈信號退化的較高優先級單元52是在控制中心處與由衛星系統01所載的相應信道互相關。遭受下鏈信號退化的單元52與由衛星系統10所載的相應信道之間的互相關產生要求額外資源分配的信道的識別。
處理方塊82指示，較低優先級的單元或多個單元52，一般為最低優先級的單元，亦在控制中心處與由衛星系統10所載的相應信道互相關。較低優先級的單元或多個單元52和由衛星系統10所載相應信道之間的互相關產生信道的識別、為較高優先級的單元或多個單元的利益而分配資源。
處理方塊84指示，該衛星11在一控制信號傳輸中被指令，依照對要求額外資源分配的信道和資源將要被分配的信道的識別來再分配資源。
處理方塊86指示該衛星11再分配下鏈信號資源。例如，衛星控制單元32于信道間再分配下鏈信號資源，以增強分配至要求額外資源分配的信道的下鏈資源，同時減少分配至經識別的較低優先級的單元或多個單元52的資源。資源的分配，首先自一個或多個單元移出資源(例如，為一個或多個單元減少轉發器的輸出功率)，然后將此資源施加至另一單元(例如，為該單元增加轉發器的輸出功率)。在一實施中，一需要額外資源的低優先級單元，只有在較高優先級單元過多時，才可獲得資源。不過，單元優先級為一動態次序。一高優先級單元僅借其被分配資源的全部優點而保持之。
在另一實施中，要求額外資源的一單元可以依照下列優先級來分配資源(1)如果額外帶寬為可用時，發送使用者可減低碼率，并使用額外帶寬來保持總處理能力或數據速率；(2)如果沒有額外帶寬可用時，此發送使用者可減少碼率(但伴隨數據速率的減少)，或者額外功率可以分配至適當的單元，或者此通信信號可以選定路由至對雨天衰減可受較少影響，或有更多的帶寬的不同頻帶，如下文中所詳細說明的。
在另一實施中，晝間和季節性氣象圖和通信量負荷的歷史資料可以用于預測資源需求。資源可以再分配給已被預測需要增加資源的單元(例如，選通信信號路由至一較高功率的行波電子管放大器(TWTA)或再構形此天線涵蓋區)。此一預測資源變化可以單獨地用作分配系統資源的基礎。另一可供選擇方式，實時通信量負荷及雨天衰減信息可用于以實時方式來分配額外資源。
處理方塊88指示，該下鏈資源再分配已完成。其結果，此通信信號以額外資源被發送至單元52，其下鏈信號退化被測得的接收站。
動態資源分配程序70使用下鏈信號探測與單元優先級一起的組合，以完成衛星為基地的下鏈傳輸資源的分配。程序70可讓一衛星的固定資源，依照如因降雨所造成的退化，以相對于將發送傳遞至一特定區域的重要性，而予以分配。下鏈信號退化的測定和信道或單元之間的功率分配可以用若干方式來實施。
圖5是被使用到衛星系統10的一衛星上的功率分配程序100的流程圖。程序100作用增加下鏈信號強度，與經由轉發器或天線增益的上鏈信號強度無關。作一比較，美國專利第4,831,619號增加上鏈信號強度并因此而增大了下鏈信號強度，當轉發器已飽和時，它就比較無效用。程序100可能是一種以處理方塊86為準的下鏈信號資源的再分配的實施。
處理方塊102指示，此衛星接收依照處理方塊84所發送的控制信號。
處理方塊106指示，該控制單元32降低載有相應于較低優先級單元的通信信號的高功率放大器系統22內驅動放大器的放大。很顯明，在此放大中的降低可以是逐漸地或者可能包括完全地消除放大以及一下鏈信號至較低優先級單元的傳輸，由是而減少由系統10承載的信道數量。
如果行波管式放大器(TWTA)23工作在被補償形態時，為增加放大功率，此驅動器增益可以增加，因此增加行波管式放大器23的輸出功率電平。如果TWTA23工作在飽和形態，為增加放大功率，TWTA23可以有更多它可工作的輸出功率電平，并因此可以被命令按要求而工作在一較高或較低輸出功率。在另一實施中，高及低功率的TWTA23可以選擇性地指定至不同區域或單元，以達成功率分配。此一實施對工作在比全功率低的功率電平的某些放大器的利益，與工作在全能量的低功率放大器相比，其效果甚微。因此，在高和低功率TWTA23之間的選擇可提供比高功率的TWTA的低功率使用更有效的操作。參看圖1，不同功率的一TWTA23或多個TWTA23的功率電平之間的選擇可以由一酬載構形控制裝置107(圖1)與控制單元32通信聯絡來控制。
處理方塊108指示，控制單元32在載有相應于較高優先級單元的通信信號的一高功率放大器系統22內增加驅動放大器的放大。
一下鏈資源可以依照資源分配程序70再分配，以補償在一較高優先級單元中的下鏈信號退化的另一范例為不同單元所使用的數據碼率。下鏈信號可以按一數字數據格式以選擇的頻率發送，它包括一數據成份和一糾錯成份。圖6A示意性地說明一數字數據格式120a具有一數據成份122a和一糾錯成份124a(成份124a和124b之相關部分為說明而被夸大)。此糾錯成份124a由數據成份122a測定，并確保該數據成份122a在傳輸中的錯誤經識別并被糾正，如本領域所熟知。
此典型的糾錯成份124a組成此整個數字數據格式120a的預先測定分數，以提供適合于正常傳輸狀況的糾錯能力。例如說，當因當地降雨所造成的過多下鏈信號退化，此典型的糾錯成份124a是不足以改正所發生的大量傳輸錯誤的。典型的結果是下鏈信號退化。不過，依照本發明，至下鏈信號的糾錯成份所分配的下鏈信號的增大分數可補償此過多下鏈信號退化。圖6B示意性地說明一下鏈信號120b具有一增強的糾錯成份124b和一相應的數據成份122b。
碼率(R)由R＝k/n所界定，并可以解釋為每發送的比特的信息比特數，此處K為信息比特122的數量，以及n為所發送比特的總數(亦即比特122和124的總和)。糾錯編碼產生架空，因此n＞k以及R＜1。由于減小碼率，則需要更多比特，以發送同量的信息，但此傳輸對信號退化更堅定。要獲得同一信息總處理能力，當碼率下降時帶寬必須增大。
圖7為一流程圖，說明碼率分配程序110，它可以使用于圖4A及4B的動態下鏈資源分配程序70。
處理方塊112指示，該信號退化如在處理方塊72內所討論地被測得。
詢問方塊114表示一項詢問，有關于額外通信信號帶寬是否可獲得。當額外信號帶寬可獲得時，詢問方塊114進行至處理方塊116。當額外信號帶寬不可獲得時，詢問方塊114進行至處理方塊118。額外帶寬的可獲率可表示，在當時未被使用的帶寬，或者使用者之間的帶寬的分配，經此分配，將起初分配給一低優先級使用者的帶寬重新分配給一較高優先級的使用者。
處理方塊116指示，該發送使用者經指令要降低上鏈或發送碼率，并保持信息傳輸速率。此將導致分配給發送使用者及由其所使用的帶寬的增加。對發送使用者的指令可以自控制中心60或衛星11或本地集線站66依照資源分配決定所達成的地方而送出。
處理方塊118指示，該發送使用者經指令要降低上鏈或發送碼率，并保持通信信號帶寬。此將導致信息傳輸速率上的降低。對發送使用者的指令可以依照資源分配決定所達成的地方自控制中心60或衛星11或本地集線站66而送出。對兩個處理方塊116和118言，降低碼率產生一更堅定的信息的傳輸。
下鏈資源可以再分配，以補償較高優先級單元之中的下鏈信號退化的另一范例是下鏈信號頻率賦值。甚多通信衛星包括多頻率操作帶。例如，某些衛星通信系統借包括平行Ku-帶和C-帶中繼器組件而支承Ku帶(例如，14/12 GHz)通信和低頻率C-帶(例如，6/4 GHz)通信兩者。不過，很明顯，以C和Ku帶頻率為基準是說明性的，而本發明同樣地也可應用于其他頻帶。
由于下鏈信號的降雨感應的退化對Ku-帶以及較高頻率通信最有問題，故C-帶下鏈資源可以使用，以取代因降雨而衰減的Ku-帶下鏈信號。(因為Ku-帶中有相當大的帶寬可獲得，故Ku-帶在甚多通信應用中較C帶更適當)。相反地，因通信量負荷的退化，由于頻率相關的帶寬差異，故對較低頻率通信比對較高頻率通信更有問題。當一較低頻率下鏈資源因為通信量負荷而退化時，可用較高頻率資源替代。下列參照降雨感應的退化進行說明，但同樣地可應用于通信量負荷感應的退化。
要使用此類頻率賦值分配，系統10應改變其一般傳統式設計。圖8是一使用依照本發明的動態通信信號頻率分配的示范性雙帶衛星通信系統150的方塊圖。衛星系統150包括Ku-帶系統10和一普通的傳統式C-帶系統152。
C-帶系統152包括一寬頻帶接收機154，它在一輸入端155從接收天線或喇叭153接收C-帶上鏈信號，并將它們傳送至一輸入多工器156，此多工器將此通信信號分開至各信道。經信道化的信號被輸送至輸入環式交換器158，并隨后至一組高功率放大器，優選為固態功率放大器(SSPA)160。為自SSPA160放大的信號選定至輸出環式交換器162，并隨后至一輸出多工器164的路由，此多工器再組合此信道化的信號并它們輸送至一發送喇叭或多個喇叭166，用以發送下鏈信號。
衛星系統150亦包括一Ku-至C-帶下變頻器168，借適當的聯接開關，被聯接于系統10的LNA和下轉換器系統16的輸出和輸入環式轉換器158的輸入之間。下變頻器168用作將Ku-帶信號下變頻為下鏈信號，同時也將下變頻的Ku-帶信號傳送至C帶系統152。下變頻器168可以被占用，使用C-帶下鏈資源以取代降雨衰減的Ku-帶下鏈信號，很明顯，即在一C帶信道或多信道上的前者Ku帶信號的此種取代將分裂相應的原始C帶信號的傳輸。此一分裂可以依照原始Ku帶和C-帶通信的相對優先級而完成。
當甚多先前說明業已針對在下鏈接收站因降雨所造成的下鏈信號退化時，很明顯，即本發明同樣地也可應用于自其他起因所產生下鏈信號退化。例如，本發明可以為響應在一區域或單元內由過多通信量或帶寬需求所造成的信號退化而被使用。然而由降雨所造成的信號退化是Ku帶及高頻率操作的特性，由通信量或帶寬所造成的信號退化可在任何頻率發生。依此，響應于過多通信量或帶寬需求的下鏈資源分配可適用所有通信衛星下鏈頻率。
圖4A的資源分配程序70，用以動態地分配下鏈資源，是參照地面控制中心而說明，此中心獲得下鏈信號退化信息，并使此信息與一單元傳輸優先級表互相關。很明顯，作為在控制中心處的所說明的編程的信息處理或計算機系統可以以選擇方式搭載在帶有系統10或150的衛星上。
在一實施例中，下鏈信號強度在一地面基地的下鏈接收機被監控。當此下鏈信號遭受退化時，自該單元的一上鏈信號將此信號狀況直接通信至衛星，此衛星隨后完成適當的資源分配，以為此信號退化作補償。在另一實施例中，此衛星可包括感測器，用以探測地面上的天候狀況，并依照探測的狀況而分配下鏈資源，或者可將資料貯存于衛星處，同時此衛星處理此資料，以補償預測的信號退化。
上文所說明的下鏈資源分配處理，包括功率分配程序100和碼率分配程序130，同樣地也可應用于利用此類區域廣闊的下鏈傳輸模式的衛星。可以利用一可構形的相控陣列，反射鏡的機械式變形，“可調諧”的饋給網路等而動態地塑造服務于一較大區域的天線模式，以給常降雨地區或高通信量地域提供更多輻射的功率。
在一上文說明的實施中，白晝和季節性氣象圖及通信量負荷的歷史數據可以用來預估資源需要。資源可以再分配給經預估需要增加資源的單元。此一預估的資源變化可以單獨地用來作為分配系統資源的基礎。另一可供選擇方式，為實時通信量負荷和雨天衰減信息可被用于按實時方式來分配額外資源。
圖9和圖10說明一范例，其中區域之間的功率分配是以季節的氣象圖為基礎來完成。圖9說明一衛星無線電通信區域180有一連續的區域廣闊的廣播區182，在該區內下鏈功率等量線顯示局部化的增大的下鏈功率所指向的區域184(例如，SEUSA)。此一示范性功率分配可被形成，以補償在夏季月份中有規律地發生的季節性的雨天。圖10說明衛星無線電通信區180有連續的區域廣闊的廣播區180，在此區域內下鏈功率等量線顯示局部化的增大的下鏈功率所指向的區域186(例如，NW USA)。此一功率分配可被形成，以補償在冬季月份中有規律發生的季節性的雨天。功率可以分配至為遭受雨天衰弱或增加通信量負荷的區域服務的轉發器組。資源可能來自為有過多資源的區域服務的轉發器組。
資源分配的另一形態可以劃分一單元成為多個單元，以便能增加選定的單元內的有效帶寬和信號強度。圖11是有示范性單元192(由圓圈代表)的一衛星無線電通信區域190的說明。圖12是區域190的說明，其中圖11的單元192之一被分成多個單元194。如果若干局部化的單元有過多資源，它們可以組合成為一大單元，因此減少其帶寬和功率分配(它因此可以再分配)。此一資源分配的單元劃分方法可以白晝和季節性氣象圖，正常通信量負荷，或由于實時降雨或通信量負荷的退化為基礎，如上文所述。
可將服務于一區域的天線模式或構型上的變化動態地具體化，如圖9至圖12中所顯示，來分劃單元或給常降雨地區或高通信量負荷地區提供更多的輻射功率。參看圖1，這些變化，如本領域所熟知，借利用一可構形的相控陣列，反射鏡的機構變形，可調諧的饋給網路等可以達成，它們是以一天線構形控制裝置108(圖1)與控制單元32通信聯絡而受到控制。
有鑒于本發明的原理可應用于甚多可能的實施例，故應予了解，即此詳細實施例僅為說明性質而不應視為對本發明的范圍的限制。例如，當所說明的實施例主要地針對下鏈通信信號上的退化時，本發明同樣地也可應用于其他類型的下鏈信號(例如，控制信號)。依此，本發明包括所有此類可能落入所附權利要求和等同于它的精神和范圍內的實施例。
元件標號對照10 通信衛星系統120a數位數據格式11 衛星120b下鏈信號12 輸入122 信息比特13 天線122a，b 數據成份14 接收機系統 124a，b 糾錯成份16 下變頻器系統150 雙帶衛星系統18 多工系統150 C帶系統21 驅動放大器 153 天線、喇叭22 高功率放大器系統154 寬頻帶接收機23 行波電子管放大器155 輸入24 輸出濾波系統156 多工器30 發送喇叭158 環式交換器(輸入)32 控制單元160 固態功率放大器50 衛星無線電通信區162 輸出環式交換器52 單元164 多工器58 衛星通信系統166 喇叭60-64地面站 168 下變頻器60 衛星控制中心180，190衛星無線電通信區62 發送使用者站182，184廣播區64 接收站 186 局部化區域66 本地集線器 192 示范單元107 酬載構形控制裝置 194 次區域
權利要求
1.一種用以在多個區域間分配下鏈資源的動態下鏈資源分配方法，在一有地球軌道衛星的通信衛星系統中，該衛星具有至少一個上鏈及對多個區域的多個下鏈，對該多個區域的下鏈利用衛星上的多個下鏈信號資源，該方法包含探測一退化的下鏈信號，該信號被導向該區域中的至少一個；以及將衛星上額外的下鏈信號資源自選擇的其他下鏈信號分配給退化的下鏈信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中下鏈載有廣播信號至多個區域內的多個站。
3.如權利要求1所述的方法，還包含建立一優先級表，列出多個區域的相對優先級，使退化的下鏈信號所導向的一個或多個區域與此優先級表互相關，決定額外下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配是否會負面地影響較高優先級區，以及將衛星上額外的下鏈資源分配給退化的下鏈信號，勿論何時，此信號相應的區域不應負面地影響較高優先級區。
4.如權利要求3所述的方法，其中此優先級表包括一與人口密度有關的優先級標準。
5.如權利要求3所述的方法，其中此優先級表包括一與通信負荷有關的優先級標準。
6.如權利要求3所述的方法，其中此優先級表包括一與服務費率有關的優先級標準。
7.如權利要求1所述的方法，其中衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配，包括將衛星上額外的放大資源分配給退化的下鏈信號。
8.如權利要求7所述的方法，其中衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配，包括自選定的區域撤回衛星上的放大資源，該被選定的區域不屬于退化的下鏈信號所導向的至少一個區域。
9.如權利要求7所述的方法，其中此衛星包括較低及較高功率放大器，而衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配包括衛星上較低和較高功率的放大器之間的切換。
10.如權利要求1所述的方法，其中衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配，包括將衛星上額外的帶寬資源分配給退化的下鏈信號。
11.如權利要求10所述的方法，其中衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配，包括從選定區域撤回衛星上的帶寬資源，而被選定的區域不屬于退化的下鏈信號所導向的至少一個區域。
12.如權利要求1所述的方法，其中此退化的下鏈信號被載于一第一下鏈頻帶內，而衛星上額外的下鏈信號資源至此退化的下鏈信號的分配包括將一第二下鏈頻帶分配給退化的下鏈信號。
13.如權利要求12所述的方法，其中第二下鏈頻帶是比第一下鏈頻帶還低的頻率。
14.如權利要求12所述的方法，其中第二下鏈頻帶是比第一下鏈頻帶還高的頻率。
15.如權利要求1所述的方法，其中額外下鏈資源的分配與上鏈中的資源分配無關。
16.如權利要求1所述的方法，其中此下鏈信號退化是雨天誘發的下鏈信號退化。
17.如權利要求1所述的方法，其中此下鏈信號退化是通信負荷誘發的下鏈信號退化。
18.如權利要求1所述的方法，其中衛星上額外的下鏈信號資源僅在退化的下鏈信號大于預定閾值信號退化時才分配給該退化的下鏈信號。
19.如權利要求1所述的方法，其中此衛星包括一具有下鏈天線構形的下鏈天線，而衛星上額外的下鏈信號資源至退化的下鏈信號的分配包括改變此下鏈天線構形。
20.如權利要求1所述的方法，其中此退化的下鏈信號是一通信下鏈信號。
21.一種用以在多個區域間分配下鏈資源的動態下鏈資源分配系統，在一有地球軌道衛星的通信衛星系統中，該衛星具有至少一個上鏈及對多個區域的多個下鏈，對該多個區域的下鏈利用衛星上的多個下鏈信號資源，該系統包含探測裝置，用以探測一退化的下鏈信號，該信號被導向該區域中的至少一個；以及分配裝置，用以將衛星上額外的下鏈信號資源分配給與上鏈信號功率無關的退化的下鏈信號。
22.如權利要求21的系統，其中的探測裝置被裝載于衛星上。
23.如權利要求21的系統，其中的分配裝置被裝載于衛星上。
24.如權利要求23的系統，其中此分配裝置包括可變增益放大器，用以將下鏈傳輸功率選擇性地分配給退化的下鏈信號。
25.如權利要求23的系統，其中此衛星通信系統工作在一對頻帶內，一第一帶，在大約Ku帶的一頻率或一較高頻率，以及一第二帶，在比Ku帶為低的頻率，而此分配裝置包括頻率分配裝置，用以將第二帶內的下鏈信號分配給第一帶內的上鏈信號。
26.如權利要求21的系統，其中此分配裝置包括一優先級表，列出多個區域的相對優先級，以及用以將衛星上額外的下鏈信號資源分配給退化的下鏈信號的裝置，無論何時，與此信號相應的區域不應負面地影響較高優先級的區域。
27.如權利要求21的系統，其中此分配裝置包括用以將碼率能量選擇性地分配給退化的下鏈信號的裝置。
28.一種用以在多個區域間分配下鏈資源的動態下鏈資源分配方法，在一有地球軌道衛星的通信衛星系統中，該衛星具有至少一個上鏈及對多個區域的多個下鏈，對該多個區域的下鏈利用衛星上的多個下鏈信號資源，該方法包含預測被導向至少一個區域的退化下鏈信號；以及將衛星上額外的下鏈信號資源自選定的其它下鏈信號分配給被預測為退化的下鏈信號。
29.如權利要求28的方法，其中退化的下鏈信號的預測是以季節性的降雨圖為根據的。
30.如權利要求28的方法，其中退化的下鏈信號的預測是以白晝降雨圖為根據的。
31.如權利要求28的方法，其中退化的下鏈信號的預測是以正常通信量負荷為根據的。
32.如權利要求28的方法，還包括探測被導向至少一個區域的退化的下鏈信號；以及將衛星上額外的下鏈信號資源自選定的其它下鏈信號分配給被探測為退化的下鏈信號。
全文摘要
通信衛星系統(58)將衛星(11)上額外的下行鏈路資源動態地分配給選定的下行鏈路信號,以補償信號退化。此種退化的典型起因是下行鏈路站所在地區降雨。此種退化的另一起因是在特定的區域內通信業務或帶寬需求的增長。
文檔編號H04B7/185GK1262823SQ99800379
公開日2000年8月9日 申請日期1999年3月19日 優先權日1998年3月25日
發明者馬克·A·湯普森, 威廉·L·史耐爾 申請人:寇德史培斯公司