优化的综合高容量数字卫星中继网络 本发明一般涉及卫星通信领域。本发明具体涉及优化的综合高容量数字卫星中继网络系统(又称为多用途宽带通信系统(MPWCS))和方法，用于以功率和带宽的最大使用效率链接同一卫星的相同或不同天线转发器足迹中的多个地面站，从而消除根据希望的下行链路足迹重构卫星转发器的需要。
同步卫星使用地面站和卫星转发器提供灵活地通信中继服务，利用天线以支持地面站之间的点对多点中继服务。卫星运营商通常根据租户希望的功率、带宽、连接、和覆盖区域出租转发器容量。由于不同用户网络之间的共享造成的非最佳方式的卫星功率、带宽、连接、和覆盖区域的出租导致了所使用的功率和带宽达不到最大值。而且，在历史上网络一直是由负责空间部分和地面部分的独立组织开发的，这导致接口的复杂定义而且由卫星轨道得到的总容量以及所分配的频谱也达不到最高效率。依赖于大量卫星设计参数(例如上下行链路频率，天线类型，天线瞄准线，天线尺寸和卫星的发射机功率)，卫星转发器的有效“地面足迹”有地理方面的限制。这种转发器足迹的地理限制约束了可以提供的中继服务类型。
对于在同一个卫星转发器足迹中的两个希望建立通信链路的用户来说，一种普通并且简单的单工服务需要发射用户把他们的地面终端天线指向中继卫星并且以上行链路频率进行发射。卫星转发器利用接收足迹包括发射用户的地面站位置的卫星天线来接收上行链路频率，把该频率转化为下行链路频率，进行信号放大然后把转化并且放大的信号通过用于接收信号的同一个卫星天线进行中继发送。下行链路信号可以被卫星天线足迹内的任一个地面终端接收到。取决于下行链路频率以及上述卫星的物理特性，下行链路足迹可以小到直径为几百英里，也可以大到直径为几千英里。对于在同一个卫星天线足迹中的两个用户而言，这种中继服务形式非常有效。
对于不在同一个卫星天线足迹内但分别在同一个卫星的不同天线足迹内的两个用户而言，可以使用其它技术。其中一种技术需要在同一个卫星的两个天线/转发器之间提供电子“跨接”。经过这样设置之后，其中的一个卫星天线接收来自地面发射站的上行链路信号，另一个卫星天线把该信号进行转化放大以进行中继发送，这后一个卫星天线的足迹包括所希望的接收机。利用这种技术，彼此相距遥远并且位于同一个卫星的较小的不同卫星天线足迹中的两个用户可以使用一个卫星进行中继服务。
各种各样的发明致力于解决这些问题的不同方面。这其中的例子包括：Barkats的美国专利No.5,615,407,Goodman等人的美国专利No.4,720,873,Esch等人的美国专利No.5,283,639,Lee的美国专利No.5,081,703,Mutzig等人的美国专利No.5,276,904,Noreen等人的美国专利No.5,455,823,Rebec等人的美国专利No.5,633,891,Schmelzer等人的美国专利No.5,424,770,Noreen等人的美国专利No.5,303,393。
因此本发明的目的之一是创建一种卫星网络，对其进行优化以使用该组成卫星的全功率和带宽，由此提供运行数字中继网络的最高容量，该网络是建立在综合地面站和卫星以达到最大发射效率的基础之上的。
本发明更进一步的目的是创建高容量卫星通信网络，它的使用率用时间(使用的分钟数)衡量而不是用所租用的功率或带宽衡量。
本发明的另一个目的是利用用于卫星网络的视域内任何通信服务的多个组成卫星的全功率和带宽创建全球数字高容量电信网络。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽集成多服务卫星电信。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽提供语音，数据，传真，视频和普通位流服务。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽提供公用电话交换网络服务。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽为所选择的用户团体提供专用小交换机业务。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽为所选择的用户团体提供覆盖网络服务。
本发明的另一个目的是利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽提供国内和国际电信服务。
本发明的另一个目的是把本发明的电信服务与其它的通信服务供应商和通信公司相连。
本发明的另一个目的是把本发明的电信服务与其它的地面电信供应商和通信公司相连。
本发明的另一个目的是当所传输的数据是标准或非标准电信协议如(但并不局限于)ATM、帧中继、因特网、XDSL、IP、和/或移动电信协议时，利用用于所有通信的组成卫星的全功率和带宽提供电信服务。
本发明的另一个目的是在使用不同通信标准的国家之间和使用多个协议的一个国家内提供协议转换。
因此本发明的目的是允许一个卫星转发器的卫星天线足迹中的用户通过使用上行链路频率在用户和卫星天线下行链路足迹之间进行选择以灵活地与单个卫星的相同或不同卫星天线足迹中的其他用户进行通信，而无需重构天线转发器。
本发明的另一个目的是提供这种灵活的通信能力用于宽带高数据率通信。
本发明(又称为MPWCS)通常包括三个航天器，每个航天器分别位于三个轨道位置中的一个对地同步轨道上。高容量数字地面站与这三个航天器相互作用。使用移相键控(PSK)技术进行数字调制，要达到最高带宽效率需要8-PSK调制。PSK的使用极大地增加了可以由给定数量的带宽传输的每赫兹信道比特容量。
使用相对大直径的地面站天线以使卫星功率的使用效率达到最大化，例如(但并非限制)目前使用9米的天线。另外，每个地面站有一个相对大的高功率放大器以确保通信链路不受上行链路功率的限制，例如(但并非限制)目前使用350瓦的放大器。数字调制解调器用于本发明的系统将要支持的所有服务。地面部分还使用压缩技术以利用语音交谈中的静寂时间，多个语音信道之间语音活动性的统计利用率，单个语音信道中的冗余以在适当之处在保持高质量并且符合国内和国际标准的情况下把可利用的卫星通信带宽分配给最大数量的语音信道。
最终，在整个系统中执行协议转换以使使用不同协议的通信之间可以互相转换。这使得使用不同协议的国家或地区的通信可以以一种连续和无缝的方式进行。把所有这些特性联系在一起就可以得到基于高容量卫星的数字中继网络。
本发明通过以下方面克服了现有技术的缺点：a)利用可利用的卫星轨道和频率分配集成地面和空间部分以获得最大容量和效率，b)从一个交换中心到另一个交换中心在端对端基础上把综合数字服务提供给用户。另外，同一个卫星上多个天线和转发器的组合被链接到卫星的可以使用上下行链路频谱的相邻部分的混合信号组合器、宽带接收机和混合信号分离器上。在一个实施例中，本发明使用了带有宽带接收机的两个转发器和频谱中由64MHz分开的两个80MHz带宽的部分以使用户在两个卫星天线足迹之间灵活地连接80MHz带宽信号。
在本发明的另一个实施例中，还使用多路复用器把多个转发器相互连接起来，以使用户在上行链路频率的基础上选择两个以上转发器的下行链路足迹。
本发明的这些和其它目的在本领域的普通技术人员审查了下面的详细描述、附图和权利要求书后都会是显而易见的。
图1A是本发明的概览。
图1B显示了本发明卫星的位置。
图1C显示了本发明的PSTN干线服务。
图1D显示了本发明提供的专用服务。
图1E显示出本发明的区域性设置。
图1显示了本发明的一个实施例中卫星转发器的信号流程图。
图2显示了本发明的一个实施例中所使用的频率分配的一个例子。
图3显示了本发明的一个实施例中卫星天线足迹的一个例子。
图4显示了在相同卫星天线足迹中的用户的上下行链路信号的例子。
图5显示了在不同卫星天线足迹中的用户的上下行链路信号的例子。
图6显示了本发明另一个实施例中卫星转发器的信号流程图。
图7显示了本发明另一个实施例中所使用的频率分配的例子。
参照图1A，图中显示了本发明的单个卫星以及与之相关联的地面站的概览。卫星10位于对地同步轨道上，因此便使得该卫星可以相对于地球赤道上的某个地理位置静止。卫星与地面站12进行通信，该地面站有一个大直径天线，它用于最大化卫星通信效率。与天线12相连的是一个区域长途交换机14，它测量卫星链路的使用情况并且还是与各个本地公用电话交换网络、覆盖网络和专用网络进行通信的交换机。各个本地接入交换机16,18,20与区域长途交换机14相连使得该本地接入区域的个人和组织都可以进行接入。
地面站12可以(举例但并不是限制)与地面站22进行通信，地面站22也包括一个相对大直径地面站天线用于最大化地面站对卫星功率的使用效率。地面站22又进一步与另一个区域长途交换机24相连，而该交换机24通常又与另一个公用电话交换网络区域相连。本地用户再通过一连串本地接入交换机26,28,30进行接入。
参照图1B，图中显示了本发明的三颗卫星的视域区以及它们的轨道位置。按照一般概念(不是限制)本发明需要三颗卫星以实际覆盖整个地球。三颗卫星分别固定在对应与西经16度，东经77度和东经167度的赤道地面位置上方的对地同步轨道上。
参照图1C，图中显示了公用电话交换网络干线设施。按照一般概念(不是限制)显示了四个地面站32,34,36,38。每个地面站都有一个相对大直径天线以最大化与本发明的卫星进行通信的效率。每个地面站又都有一个相关联的区域长途交换机40,42,44和46。另外，中继交换机48,50,52,54直接与每个地面站天线相连并为通过数字中继网络部分进行的交换以及发送和接收的通信提供基础。
本发明的系统还可以与现有的地面干线56相互作用，因此便为现有的地面干线提供了另外一种可供选择的通信方式。因此，可以在适当之处在干线56或在本发明的高容量数字卫星中继网络上进行通信。另外还提供了转接交换机58以允许与本发明覆盖区域以外也就是说未被卫星足迹覆盖的区域的PSTN区60和62进行通信。
参照图1D，图中显示了本发明其它的专用业务。卫星地面站64,66,68和70与本发明的卫星相互作用以提供高容量数字卫星中继网络。地面站70通过它的相关联中继交换机72与各个其它网关74相连。这些网关为其它专用通信网络76提供接入。转接中枢78通过相关联的转接和终端设备82为各个其它国内目的地提供接入。这些其它的国内目的地80可以位于卫星足迹之外或者不直接与本发明的单个地面站相连。
地面站68通过它的相关联中继交换机84与地面光纤或铜线传输网络86相连。单独的专用话音88，专用网络90或专用的数据存取92可以与该地面网络86相连。
这种与地面光纤或铜线传输网络的灵活的连接方式可以在任一个其它的地面站位置进行重复。因此第二个地面网络94也可以有与之相连的专用语音96，专用网络98，专用数据99。因此本发明允许数据，专用网络或任何其它通信穿越广阔的地理区域与其它的地面光纤或铜线传输网络相连。
参照图1E，图中显示了本发明一个任意给定通信区域的典型构造。这是一种与本发明的卫星进行通信的地面站相关联的安装方式。具有大直径天线的地面站150与中继交换机多路复用器152相连。该多路复用器允许多个不同来源的通信通过地面站进行多路复用和传输以最大化带宽的使用率。专用网络168可以直接与中继交换机多路复用器相连。需要注意，在该例子中专用网络或终端用户与中继交换机多路复用器之间不需进行协议转换。
但是本发明的系统在通信来自其它使用不同协议的国家或地区的情况下也能够进行协议转换。例如，可以从给定的PSTN区160通过长途交换机162,164进行通信。这些通信可以通过区域交换机158传输到地面站或地面干线上。如果协议不相同，协议转换器154就把具有不同协议的输入通信进行转换。此后把通信信号连接到中继交换机多路复用器并通过本发明的高容量数字卫星中继网络进行传输。
每个区域性地面站还包括一个冗余呼叫记录器156，它允许把与网络使用相关的计费信息传输给中枢站。这种计费信息可以随时在不干扰的基础上与网络上传输的通信一起传输。
参照图1，图中显示了一个实施例中卫星转发器的信号流程图。图中提供了两个可进行瞄准并且可以进行独立转向的卫星天线101,103以提供不同的地面足迹。从每个卫星天线接收到的信号在进入混合信号组合器109进行信号组合之前先由低噪声放大器(LNA)105,107进行放大。然后把组合信号进行滤波110并输入到宽带接收机111，此处上行链路频率被移位或转化为下行链路频率。然后混合信号分离器113把转化后的频率分离为两个信号通路，之后大功率放大器(HPA)115,117把每个信号进行放大。再之后把每个信号进行滤波119,121并且传输到相应的卫星天线101,103，以相对应的下行链路频率进行转发。
参照图2，图中显示了对一个实施例进行频率分配的例子。图中示出两个80MHz的上行链路频带201,203，它们之间有一个64MHz的分离频带205。另外还显示出两个80MHz的下行链路频带207,209，它们之间有一个相应的64MHz的分离频带211。图1中天线101的下行链路频率为较低的80MHz频带207(大约12.512至12.592GHz)而天线103的下行链路频率为较高的80MHz频带209(大约12.656至12.736GHz)。
现在参照图3，图中显示了不同转发器的卫星天线足迹的例子。其中一个天线(图1中的101)的足迹覆盖了一个地理区域301，而另一个天线(图1中的103)的足迹覆盖了另一个地理区域303。利用本发明的这个实施例，位于卫星天线足迹301中的第一个用户可以与同样位于卫星天线足迹301中第二个用户通信。作为选择，位于卫星天线足迹301中的第一个用户还可以与位于卫星天线303中的第三个用户通信。
现在参照图4，图中显示了对于位于卫星天线101(图1)的足迹301(图3)中的两个用户的上行链路和下行链路信号的例子。此处，上行链路信号位于两个80MHz频带中较低的频带201中(大约14.744至14.824GHz)，下行链路信号也位于两个80MHz频带中较低的频带207中(大约12.512至12.592GHz)。
参照图5，图中显示了位于不同卫星天线足迹中的用户的上行链路和下行链路信号的例子。本例中，传输用户位于天线101(图1)的卫星天线足迹301(图3)中而接收用户位于天线103(图1)的卫星天线足迹303(图3)中。此处，上行链路信号位于两个80MHz频带中的较高频带203(大约14.888至14.968GHz)中，下行链路信号位于两个80MHz频带中的较高频带209(大约12.656至12.736GHz)中。
再回过来参照图1和图2，在本实施例中，天线(图1中的101,103)和低噪声放大器(图1中105,107)都有足够的带宽把两个80MHz的频带(图2中的201,203)和一个64MHz的分离频带(图2中的205)传输到混合信号组合器(图1中的109)。混合信号组合器(图1中的109)的大约224MHz带宽的输出由宽带接收机(图1中的111)处理，它执行从上行链路频率到下行链路频率的频率转化。然后该宽带接收机转化的频率输出分解成两个80MHz的下行链路信号(图2中的207,209)，之后由两个大功率放大器(图1中的115,117)放大并通过两个天线(图1中的101,103)发射。本例中其中一个转发器下行链路天线(图1中的101)使用两个80MHz频带中的较低频带(图2中的207)，另一个转发器下行链路天线(图1中的103)使用两个80MHz频带中的较高频带(图2中的209)。这样两个转发器就都能够接收两个80MHz的频带(图2中的201,203)。
在本例最后，位于其中一个转发器(图3中的301)的卫星天线足迹中的传输用户若想与同一个转发器(图3中的301)的卫星天线足迹中的另一个接收用户进行通信的话，他需要在两个80MHz上行链路频带中的较低频带(图4中的201)中向上传输。当上行链路频率被转化为下行链路频率时，下行链路频率也同样位于两个80MHz下行链路频带中的较低频带(图2和图4中的207)中。作为选择，位于第一个转发器(图3中的301)的卫星天线足迹中的传输用户若想与位于第二个转发器(图3中的303)的卫星天线足迹中第二个接收用户进行通信的话，他需要在两个80MHz上行链路频带中的较高频带(图2和图5中的203)中向上传输。当上行链路频率被转化为下行链路频率时，下行链路频率将位于两个80MHz下行链路频带中的较高的频带(图2和图5中的209)中。这将具有与传统操作方法中的两个转接器所具有的“跨接”同样的效果。
现在参照图6，图中描述了本发明另一个实施例的信号流程图。该装置使用第一个实施例的转接器对600并且增加了另一个转接器对602而且进一步允许用户在转接器对604之间进行信号交叉。在此结构中，把多路复用器，IMUX601,603置于天线103,605与低噪声放大器107,607之间的信号通路上。IMUX提供替代的信号通路以使信号在转接器对600,602之间交叉。在IMUX601,603把频率进行分离之后，信号通路就与第一个实施例相类似了。具体地，信号由低噪声放大器609,611放大，接下去接收机613,615把上行链路频率转化为下行链路频率。然后被转化频率的信号由大功率放大器617,619在另一个多路复用操作OMUX621,623之前进行放大，并最终由各自的天线103,605进行发射。
图7描述了与此实施例相对应的频率分配实例。除了第一个实施例的技术外，利用正交极化技术，上行链路天线(图6中的103)能够接收和传输两个80MHz的频带701,703并且还带有一个64MHz的分离频带705。如第一个实施例一样这两个80MHz的频带被接收并转化为下行链路频带707,709。但是，通过上行链路天线(图6中的103)传输到IMUX(图6中的601,603)的带宽除了一个10MHz的分离频带713外还包括一个34MHz的频带711。该例子中，这个268MHz(34+10+80+64+80MHz)的宽带信号被IMUX(图6中的601,603)划分为两个信号通路。一个信号通路，较高的224MHz象第一个实施例那样进行处理。另一个信号通路，较低的34MHz711被传输到另一个转发器对(图6中的602)。这个34MHz的信号711(14.700至14.734GHz)由低噪声放大器(图6中的611)处理并且由接收机(图6中的615)把频率转化为下行链路频率。在该例子中，34MHz的上行链路频率711被转化为34MHz的下行链路频率715(11.057至11.091GHz)，然后由大功率放大器(图6中的617)放大并由OMUX(图6中的621)与其它信号一起进行多路复用，最终通过天线(图6中的605)进行发射。
从卫星天线605的卫星天线足迹发射到卫星天线103的卫星天线足迹的信号流与从卫星天线103到卫星天线605的类似。但是实例中的频率分配却是不同的。参照图7，上行链路频率717(大约15.216至15.247GHz)和下行链路频率719(大约12.769至12.803GHz)宽度为34MHz。
对于位于卫星天线605的卫星天线足迹中的传输用户，他若想把信号传输到位于卫星天线625的卫星天线足迹中的接收用户的话，上行链路频率将为721(大约15.130至15.180GHz)，下行链路频率将为723(大约10.977至11.027GHz)。对于位于卫星天线625的卫星天线足迹中的传输用户，他若想把信号传输到位于卫星天线605的卫星天线足迹中的接收用户的话，上行链路频率将为725(大约15.271至15.321GHz)，下行链路频率将为727(大约11.121至11.171GHz)。
再次参照图1，用于完成本发明的硬件必须具有确定的性能。独立可转向的卫星天线101,103必须具有足够的指向精度以足够的增益跟踪并保持瞄准线从而提供所要求的性能。低噪声放大器105,107在所希望的频谱上必须具有平坦响应曲线和足够的增益从而提供所要求的性能。混合信号组合器109必须能够接收两个信号源并且可以把它们适当地组合为一个复合信号(没有不利的噪音，衰减或非自然信号)从而提供所要求的性能。滤波器110必须有合适的截止点和选择性从而提供所要求的性能。宽带接收机111必须能够以足够的增益把输入信号频率转化为所希望的输出信号频率从而提供所要求的性能。混合信号分离器113必须能够把具有特定带宽的单个信号分离为多个具有指定带宽的信号而没有不利的衰减或非自然信号。大功率放大器115,117必须能够以平坦响应曲线对输入频谱进行放大。最后，滤波器119,121必须有合适的截止点和选择性从而提供所要求的性能。
再次参照图6，用于实现本发明另一个实施例的硬件必须具有确定的性能。附加的独立可转向的卫星天线625,605必须具有足够的指向精度以足够的增益跟踪并保持瞄准线从而提供所要求的性能。输入多路复用器IMUX601,603置于天线103,605之后的信号通路上，它们必须具有足够的带宽以提供所要求的性能。低噪声放大器107，607,609和611在所希望的频谱上必须具有平坦响应曲线和足够增益从而提供所要求的性能。宽带接收机613,615必须能够以足够的增益把输入信号频率转化为所希望的输出信号频率从而提供所要求的性能。大功率放大器617,619必须能够以平坦响应曲线对输入频谱进行放大。最后，输出多路复用器OMUX612,623必须具有能提供所要求性能的带宽。
以上描述了优化的综合高容量数字卫星中继网络。本领域的技术人员在不脱离本发明的范围基础上可以对以上所描述的系统进行一些小变动。