CN102273096B

CN102273096B - 天基局域网(sblan)

Info

Publication number: CN102273096B
Application number: CN200980153266.7A
Authority: CN
Inventors: 杰勒德·杨松; 萨利姆·亚吉莫里
Original assignee: Intelsat Global Service Corp
Current assignee: Intelsat Global Service Corp
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN102273096A; US20120020280A1; JP2012507211A; EP2340624A1; EP2340624A4; JP5557844B2; US8693388B2; WO2010051308A1; EP2340624B1

Abstract

一种天基局域网系统，用来为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务，所述系统包括：至少两个客户卫星，其承载卫星间通信有效载荷；主站卫星，其承载卫星间的有效载荷，下行链路通信有效载荷，以及集合器有效载荷；以及地面站，其将数据传输至主站卫星并且接收来自主站卫星的数据；使用集合器有效载荷的主站卫星，将从至少两个客户卫星接收的至少两个数据流集合为一个数据流，所述至少两个数据流由卫星间通信有效载荷经由卫星间链路从至少两个客户卫星接收，通过使用下行链路通信有效载荷所述集合的数据流经由空-地链路被下行链路至地面站。

Description

天基局域网(SBLAN)

相关申请的交叉引用

本发明要求2008年10月28日提交的美国临时申请号为61/109,060的专利申请的优先权。

发明背景

1.发明领域

与本发明相一致的设备，系统体系和方法涉及天基通信(space basedcommunication)，更具体地况，涉及天基局域网(SbLAN)。

2.相关技术的描述

在传统技术中，航天器例如卫星，经由空-地链路通信。航天器中传统的通信子系统必须有利于实现空-地链路，传统的通信子系统从尺寸，重量和功率(SWaP)方面来说是昂贵的。

传统航天器中的传统通信子系统的SWaP限制了用于航天器任务的性能。另外，为了适应有利于实现空-地链路所需的通信子系统的SWaP，需要较大的和较昂贵的航天器。由于需要有利于实现空-地链路的通信子系统，由此增加了运行成本。

发明内容

本发明例举的实施例可以克服上述缺点和其他未在上面陈述的缺点。本发明并不必须要克服上述的至少一些缺点，并且本发明例举的实施例可能不能克服上述的至少一些问题。所附的权利要求应当被认为用来确定本发明实质的范围。

本发明例举的实施例涉及天基局域网系统、天基局域网配套元件以及为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务的方法。

根据本发明的一个例举实施例，提供天基局域网系统，所述天基局域网系统用来为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务。所述系统包括：至少两个客户卫星，其承载卫星间通信有效载荷；主站卫星，其承载卫星间的通信有效载荷、下行链路通信有效载荷以及集合器有效载荷；以及地面站，其将数据传输至主站卫星并且接收来自主站卫星的数据。

主站卫星使用集合器有效载荷将从至少两个客户卫星接收的至少两个数据流集合为一个数据流，所述至少两个数据流由卫星间通信有效载荷经由卫星间链路从所述至少两个客户卫星接收，通过使用下行链路通信有效载荷所述集合的数据流经由空-地链路被下行链路至地面站。

在另一个实施例中，地面站包括天基局域网配套元件，所述配套元件包括：网关路由器，和软件无线电。所述网关路由器通过软件无线电来路由数据，所述软件无线电经由空-地链路将数据传输至主站卫星或者接收来自主站卫星的数据。

在另一个实施例中，所述主站卫星是交换式数字主站，其包括天基局域网配套元件，所述配套元件包括：软件无线电以及因特网协议路由器。在主站卫星处接收的信号被解调并且数据包被路由，并且数据包数据被重新调制到空-地链路或卫星间链路上。

在另一个实施例中，所述软件无线电承载因特网协议路由器。

在另一个实施例中，所述因特网协议路由器与所述软件无线电分开。

在另一个实施例中，该主站卫星是弯管式主站，所述弯管式主站包括具有射频交换网络的天基局域网配套元件。

在另一个实施例中，射频交换网络包括：用于空-地链路的第一专用上行链路和第一专用下行链路RF信道；和用于主站-客户链路的第二专用上行链路和第二专用下行链路Ka-波段信道。

在另一个实施例中，所述射频交换式网络进一步包括用于客户卫星之间通信的Ka-Ka波段转换。

在另一个实施例中，至少两个客户卫星包天基局域网配套元件，所述配套元件包括：软件无线电；以及因特网协议路由器。

在另一个实施例中，因特网协议路由器与软件无线电分开。

在另一个实施例中，使用22.5GHz左右的频带在至少两个客户卫星和主站卫星之间的卫星间链路上进行数据传输。

在另一个实施例中，卫星间链路使用802.16物理层。

在另一个实施例中，802.16物理层使用8PSK调制和低密度奇偶校验码编码方案。

在另一个实施例中，主站卫星进一步包括扇区波束天线，并且至少两个客户卫星进一步包括易操纵的点波束天线。

在另一个实施例中，至少两个客户卫星位于距离主站卫星300km内。

在另一个实施例中，软件无线电包括：第一IF/RF数字切片以及第二IF/RF数字切片。第一IF/RF数字切片和第二IF/RF数字切片的每一个包括多个现场可编程门阵列、特定用途集成电路、高速内存以及I/O端口的集成包。

在另一个实施例中，第一IF/RF数字切片是Ka-波段IF/RF数字切片，并且第二IF/RF数字切片是C-波段IF/RF数字切片。第一IF/RF数字切片包括用于执行Ka-波段信号传输的软件或者固件，并且第二IF/RF数字切片包括用于执行C-波段信号传输的软件或固件。

在另一个实施例中，所述软件无线电包括Ka-波段IF/RF数字切片。Ka-波段IF/RF数字切片包括多个现场可编程门阵列、特定用途集成电路、高速内存以及I/O端口的集成包，并且，所述Ka-波段IF/RF数字切片包括用于执行Ka-波段信号传输的软件或固件。

附图说明

通过参考附图对本发明例举实施例的详细描述，本发明的上述和其他方面将更加清楚，其中：

图1示出SbLAN的一个例举实施例的系统简图；

图2示出SbLAN的一个例举实施例中的卫星间链路，空-地链路，和地面-宇宙链路(ground-world link)。

图3是根据一个例举实施例的用于地面站的SbLAN配套元件的简图；

图4是根据SbLAN的一个例举实施例的包括单独的IP路由器的交换式卫星数字主站的简图；

图5是根据SbLAN的另一个例举实施例的交换式数字主站的简图，该交换式数字主站中，IP路由功能由软件无线电(SDR)平台承载(hosted)；

图6是根据SbLAN的一个例举实施例的弯管式主站的简图；

图7示出弯管式主站的2-信道实施例；

图8示出弯管式主站的另一个2-信道实施例；

图9示出弯管式主站的4-信道实施例，其中两个信道用作客户卫星的专用交叉链路路径；

图10示出包括单独的IP路由硬件的用于客户卫星的SbLAN配套元件的例举实施例；

图11示出用于客户卫星的SbLAN配套元件的另一个例举实施例，其中IP路由功能承载于SDR中。

图12示出根据一个例举实施例的SDR数字切片(slice)简图；以及

图13示出根据一个例举实施例的基于SDR的主站SbLAN配套元件的数字形式。

本发明的具体实施方式

下面将参考附图详细描述例举的实施例，使其能被本领域普通技术人员容易地实现。本发明可以以各种形式具体化而不受限于文中提出的例举实施例。为了清楚明了，省略不相关部分的描述，并且相同的附图标记始终是指相同的元件。

图1示出SbLAN系统的一个例举实施例。该SbLAN系统是为地球同步轨道(GEO)中多个客户航天器提供动态分配的数据下行链路服务和互连(connectivity)的常用的基础结构。商用的通信卫星被用作主站10，该主站10承载短程卫星间通信有效载荷来提供用于任务或客户卫星11的数据下行链路通信能力。

客户卫星11配备有SbLAN卫星间通信有效载荷并传递客户数据到/从SbLAN主站卫星10。该主站卫星10包括更精密的SbLAN有效载荷，该SbLAN有效载荷在每个客户卫星11和地面站12之间提供按需(on-demand)的多址接入中继服务(multiple access relay service)。服务包括具有600m时延的≥100Mbps的总中继数据下行链路和具有600m时延的≤100Mbps中继数据上行链路。该SbLAN中继链路使用具有基于标准IP的ARQ机制的低密度的奇偶校验检查(LDPC)信道编码来确保在下行链路和上行链路两者中无误差数据的传送。

根据一个例举实施例，该SbLAN体系结构较少了客户通信子系统SWaP并且通过共享的按需服务降低了运行成本，能使客户航天器11更小并且反应更迅速。在一个例举的实施例中，当使用一体的(integrated)路由器时，客户通信子系统的总重量是12.8kg，当使用独立的路由器时，客户通信子系统的总重量是22.8kg。客户通信子系统包括具有尺寸为4.0″(h)x 7.2″(w)x 8.6″(d)的SDR，具有尺寸为8.0″x 8.2″x 14.0″的可选的一体的路由器，四个固态功率放大器，每一个尺寸为1.0″x16.1″x 17.2″，以及易操纵的天线，该天线是直径为11.0″、高度为17.0″的圆柱体。

图1中示出的SbLAN系统中，客户航天器11在距离商用通信主站10150km和300km之间飞行。如图2中所示，卫星间链路(ISL)20在主站卫星10和客户航天器之间150km的范围内提供达到20Mbps的数据服务。主站卫星10使来自一个或者多个客户航天器的多个这些数据流集合为100Mbps的数据流21，该数据流21向下链路至地面站12。在地面站12，数据经过网关路由器并且通过Internet或者全球信息栅格(GIG)22到达经验证的客户。

总结

SbLAN系统的例举实施例包括三个SbLAN配套元件，所述三个SbLAN配套元件是包括所有硬件，软件和接口的总有效载荷包：一配套元件用于地面SbLAN元件，一配套元件用于主站SbLAN元件，以及一配套元件用于客户SbLAN元件。下面描述地面站12和主站10之间以及主站与客户卫星11之间的信号链。

地面站

图3中示出用于地面站12的SbLAN配套元件的一个例举实施例。该配套元件包括网关路由器30，该网关路由器将网络世界连接到SbLAN。该网关路由器30将数据路由经过在地面上的SDR 31，该SDR31通过C波段天线32经由空-地链路(SGL)传送和接收数据至/从主站卫星。可选择地，SDR31通过Ku-，Ka-，S-，或X-波段天线经由SGL链路传送和接收数据至/从主站卫星10。

使用模块化的基于切片的结构来实现SDR 31。典型的切片功能(function)是电源切片，数字切片，以及IF/Rf切片。下面进一步讨论SDR31。地面站12的实现不需要空间受限的硬件，从而地面站12的SbLAN配套元件具有三个SbLAN配套元件中的最低的复杂度。另外，在任务寿命期间，能轻而易举地修改，升级或者替换地面站部件。

主站卫星

根据SbLAN系统的一个例举的实施例，主站卫星10是交换式数字主站(switched digital hub)。根据SbLAN系统的另一个例举的实施例，主站卫星10是弯管式主站。下面描述交换式数字主站和弯管式主站。

主站卫星10是交换式数字主站的实施例和主站卫星10是弯管式主站的实施例在主站卫星10的功能性上存在区别。交换式数字主站的实施例建立在数字处理结构的基础上，该数字处理结构在卫星上执行解调路由和再调制功能，作为中继服务的部分。在模拟的弯管式主站的实施例中，在牺牲带宽效率，联网灵活性和发射后的可升级性的情况下，复杂性，SWaP和成本都降低了。

交换式数字主站

在SbLAN交换式数字主站的一个例举实施例中，在主站10接收的所有信号被解调，并且数据包被路由。然后，如果数据包数据被下行链路，它们被重新调制到SGL 21上，或者如果数据包被交叉链路，数据包数据被重新调制到ISL20上。根据为SGL 21和ISL 20选用的物理层协议(例如，根据例举实施例的802.16和DVB-S2)，当数据通信被路由经过SGL 21时，在主站可能需要协议转换。

各种SbLAN交换式数字主站的实施例包括网络路由功能的不同实现。图4示出交换式数字主站40的实施例，该交换式数字主站40包括具有700Mbps数据传输速度的独立的全功能的IP路由器(IPR)41。在这个实施例中，所有的网络数据经过IPR 41。在这个实施例中，700Mbps的IP路由能力的获得以独立IPR的额外的SWaP作为代价。

通过空-地RF链路(例如：C-波段天线42)，Ka-波段扇区1天线43以及Ka-波段扇区2天线44在主站40接收的所有信号通过SDR45解调，并且数据包通过IPR 41路由。然后，如果该数据包数据被下行链路，它们通过SDR 45被重新调制到SGL 21上，或者如果数据包数据被交叉链路，它们通过SDR 45被重新调制到ISL 20上。根据为SGL 21和ISL 20选择的物理层协议(例如，根据本发明例举实施例的802.16和DVB-S2)，当数据通信被路由经过SGL 21路由时，在主站可能需要协议转换。

图5示出交换式数字主站50的另一个实施例，表示较低的SWaP的方案。在这个实施例中，以减少路由吞吐量为代价，SDR平台51承载IP路由功能。通过空-地RF链路(例如：C-波段天线42)，Ka-波段扇区1天线43和Ka-波段扇区2天线44在主站50接收的所有信号通过SDR51解调，并且由SDR51执行路由功能。当路由表保持在当前SDR CPU的软件栈中时，如果路由功能承载在SDR 51内的现场可编程门阵列(FPGA)中，则没有增加质量。在这个实施例中，SDR 51的功率消耗(power draw)增加5-10W来提供路由功能。相比独立的IPR实施例的1Gbps吞吐量，基于SDR的路由器的吞吐量减少了，其吞吐量为120Mbps。这两个实施例都满足用以控制100Mbps的DL管的100Mbps的总的主站传输速率。SDR路由器的120Mbps的吞吐量限制是由目前的SDR的存储限制导致的。目前，SDR路由器吞吐量可以以每个额外的存储芯片60Mbps的增量增长，这种增长的代价是每个芯片2W的功率消耗。期待未来对减少这种消耗并提高速度限制作出改进。

模拟的弯管式主站

图6示出包括弯管式主站构造60的SbLAN系统的一个例举实施例。在这个实施例中，主站60基于固定映射对通过空-地RF链路(例如：C-波段天线42)，Ka-波段扇区1天线43和Ka-波段扇区2天线44到达的所有到站信号执行频率转化使成为输出频率。其效果是基于工业标准的模拟RF元件产生较低的成本及较低的SWaP硬件实现。

弯管式实施例60使用RF交换式网络61，该RF交换式网络61具有专用于SGL21的上行链路(UL)地-空RF链路和下行链路(DL)空-地RF链路(例如：C-波段天线)信道。还具有用于主站-客户链路的相应的在Ka-波段的UL和DL信道。图7和8示出从C-波段至Ka-波段70，以及Ka-波段至C-波段73的映射，该映射用于UL和DL信道，其中，F_UL 71和F_DL 72分别是UL和DL信道。然而，为了提供客户-客户通信，如图7中所示，数据必须被下行链路至地面并被上行链路至目标客户卫星，或者如图8中所示，在主站60′必须提供额外的Ka-Ka波段转换80器。如图8中所示，如果使用Ka-Ka波段转换80器，效果是形成全双工广播信道，该全双工广播信道需要在地面控制的时分多址(TDMA)协议。

对于TDMA系统，任何时候可以只存在一个客户卫星11在DL信道上传送，而不管是否使用Ka-Ka转换器80。如果使用Ka-Ka转换器80，那么在任何时候，网络中只有一个节点可以接入UL信道。在可选择的实施例中，如图9中所示，额外的两个信道分配在Ka-波段，作为客户卫星11的专用的交叉链路路径。信道71，72(F_UL，F_DL)完全地专门用于SGL 21UL/DL，并且新的一套Ka-波段信道(F_ISL1，F_ISL2)73，74专门用于客户-客户ISL 20。在2-信道实施例中，(F_ISL1，F_ISL2)73，74信道需要多接入机制，然而，多接入机制未必需要由地面站12管理。而是，可以应用时隙-ALOH A-型方案(slotted-ALOHA-type scheme)，但伴随而来的是该方案固有的缺乏效率的吞吐量。可选择地，可以使用在地面控制的交叉链路TDMA方案。

在4-信道实施例中，当使用Ka-Ka频率转换器80时，其硬件和2-信道实施例的硬件相同，但其不存在客户交叉链路和SGL 21之间的冲突。然而，这两个方案的代价，是对光谱资源的高度无效率的使用。对于这种类型的使用，大量的专用的UL信道将不被使用。在4-信道的实施例中，假设这些链路只是很少被使用(但是在那些时候，可能接近最大的吞吐能力)也是合理的，此外，将存在大量的未使用资源。

客户卫星

图10示出用于客户卫星11的SbLAN配套元件的一个例举的实施例，该客户卫星11包括单独的IP路由硬件100，SDR 101以及Ka-波段天线102。图11示出客户卫星11′的SbLAN配套元件的另一个例举的实施例，其中IP路由功能承载在SDR 110中。客户卫星的SbLAN的配套元件也包括Ka-波段天线102。

客户配套元件中的SWaP最大贡献者是IPR 100，贡献10kg重量并消耗32W的功率。然而，如果主站10提供足够的路由性能，则可以不需要客户卫星处的IPR 100。因此，在例举的实施例中，客户SbLAN配套元件只在客户卫星11上提供从/到源/目的节点的切换(switching)。

射频的选择

用于ISL通信20的合适的RF频率(或者多个频率)的选择对SbLAN系统例举实施例的优化是极其重要的。当为SbLAN系统的例举实施例选择最合适的ISL频带时，要考虑诸如以下的要素：如可用带宽、现成可用的(COTS)构件的可获得性、控制干扰的需要以及与管理机构的协调的便捷性。

在仔细地考虑了所有的因素之后，ITU和其他国际管理机构已经分配了用于ISL操作的Ka-波段中的所选频率。在这些频率中，以22.5GHz为中心的频带是最理想的，这是由于该频带的商业可获得性以及航天器技术的成熟性。此外，22.5GHz是水蒸汽的吸收频率并因此提供防止来自地面系统的干扰的自然保护。

因此，在一个例举的实施例中，选择围绕22.5GHz的频带用于SbLAN系统中主站(主站)卫星和客户(任务)卫星之间的ISL数据传输。

调制方案

在SbLAN系统的一个例举实施例中，影响到物理层(PHY)选择的因素包括信道参数和硬件实施两方面。在SbLAN系统的一个例举实施例中，因为客户卫星11将出现在主站10的视野中，信道是基本的视距(LOS)信道，并且由于天线参数和放置的原因，将存在极小的散射/多径源。进一步地，将存在弱的多普勒动态。结果，对多径效应和移动效应的抑制不是问题，并因此正交频分复用(OFDM)信号传送方案的使用没有带来本质上的好处。

考虑到SbLAN卫星间RF环境，根据一个例举的实施例，PHY优选采用简单的单载波调制方案。为此，802.16结合特别为22-23GHz操作频率设计的单载波调制。使用单载波调制的802.16中可用的调制是QPSK，16-QAM以及64-QAM。为了进一步改善提交到放大器的信号包络，PHY可以被修正为使用8-ary PSK的信号星座而不是QAM星座。

天线波束宽度

全向(Omni-directional)服务对于跟踪和寻位处于点对点(ad hoc)位置的相互协作的主站10和客户卫星11是有用的。可替代的方案是是更多的有向性的(directional)天线波束的选择，其性能在全向方案的基础上上得到改善，但它需要确定位置。目前的Ka-波段天线技术提供全向，扇区，或高度方向性的(点波束)的覆盖范围选择。天线的覆盖区域边缘(EOC)增益被限定为其在-3dB(半功率)水平的增益。

SbLAN系统的例举实施例采用用于主站10和任务卫星11的全向天线，扇区覆盖天线和/或高增益易操纵的点波束覆盖天线。全向天线具有0dB的典型EOC增益。扇区覆盖天线具有60°半功率波束宽度及5dB的EOC增益。高增益易操纵的点波束覆盖天线具有6°半功率波束宽度和24.8dB的EOC增益。

为商用通信卫星中的转发器分配的带宽通常为36MHz或54MHz。客户卫星11需要30Mbps的最大数据传输率来游刃有余地传输3-D高清晰TV信号；所需要的计划的(nominal)卫星间数据传输率(客户卫星11到主站10)在大多数应用中为大约20Mbps。随着最新成熟的编码技术(例如：LDPC)和高光谱效率调制(例如：8PSK)的可用性，所需的操作带宽是大约15MHz。因此，主站卫星10中的单个转发器将足以支持多个客户卫星11。

评估放大器功率水平以获得用于SbLAN系统的3dB的最小链路余量

当客户卫星11处于距离主站卫星10 200km处且卫星间数据传输率为30Mbps时，评估HPA的功率需求；当执行链路计算时，不同天线的组合已经被考虑。当获取功率水平时，使用所有天线的EOC增益值。

下面讨论SbLAN系统的各种实施例中采用的天线。

主站和客户卫星上的高增益点波束天线

在这个实施例中，由于天线产生高增益的窄光束，两个天线都需要对目标进行跟踪，从而导致系统庞大。此外，主站卫星10需要跟踪多个客户卫星11，这只能通过复杂的相控阵天线来实现。客户卫星11在天线输入处只需要大约0.3W的RF功率来实现30Mbps的吞吐量。

高增益点波束主站天线和扇区波束客户天线

在这个实施例中，客户卫星11必须将其的位置披露给主站卫星10。此外，主站卫星10需要相控阵天线技术来跟踪多个客户卫星11。每个卫星在天线输入处需要大约30W的RF功率来实现30Mbps的吞吐量。

扇区波束主站天线和高增益点波束客户天线

在这个实施例中，主站卫星10上的两个扇区波束天线，一个面向东方向并且一个面向西方向，覆盖在200km距离内的所有客户卫星11。此外，客户卫星11不须将其位置(position)或者方位(location)披露给主站航天器。每一个卫星在天线输入处需要大约30W的RF功率来实现30Mbps的吞吐量。

在主站和客户卫星上的扇区波束天线

在这个实施例中，任何一个航天器都不需要对目标进行跟踪。通过使用150W的工业标准的TWTA输出RF功率，实现的吞吐量是大约1.2Mbps。

高增益点波束主站天线和全向客户天线

在这个实施例中，客户卫星11必须将其位置披露给主站卫星10。此外，主站卫星10需要相控阵天线技术来跟踪多个客户卫星11。每个卫星在天线输入处需要大约95W的RF功率来实现30Mbps的吞吐量。

全向主站天线和高增益点波束客户天线

在这个实施例中，主站卫星10不需要对目标进行跟踪。每个卫星在天线输入处需要大约95W的RF功率来实现30Mbps的吞吐量。

扇区波束主站天线和全向客户天线

在这个实施例中，主站卫星10上的两个扇区波束天线，一个面向东方向并且一个面向西方向，覆盖在200km距离内的所有客户卫星11。通过使用具有150W输出功率的实际的(practical)TWTA，实现的吞吐量大约会是375Kbps。OMNI-DIRECTIONAL HUB ANTENNA AND SECTOR BEAM CLIENTANTENNA

全向主站天线和扇区波束客户天线

在这个实施例中，每一个卫星需要150W的TWTA，吞吐量下降到大约375Kbps。

主站和客户卫星上的全向天线

在这个实施例中，天线结构简单，并具有产生150W输出功率的TWTA，吞吐量下降到大约120Kbps。

根据SbLAN系统的一个例举实施例：a)数据吞吐率应当足够大以维持HDTV传输，b)对客户卫星11优选SSPA；然而，要实现30W输出功率，空间限制是必须的，c)客户卫星11应当显示LPI和LPD特性，并且d)与相控阵天线相比，反射面天线和孔径型天线比较简单并且具有较低的成本。

在SbLAN系统的一个例举实施例中，通过对主站卫星10使用扇区波束天线并且对客户航天器11使用易控制的点波束天线来提供最佳的效果。

对于主站扇区天线124和客户点波束天线120的实施例，所需的最小功率水平是3.2瓦特。在对目前的SSPA技术作出最小的修改的情况下，该功率输出是可实现的，并且该功率输出带来装置的功率和重量方面的巨大节省。

通过将主站10和任一客户卫星11之间相隔的最小距离保持为150km，这些卫星能被保持在两个独立的控制盒中，不需要主站10和客户卫星11之间的协调。因此，用于该150km的主站和客户卫星之间距离的RF功率需求被确定。计划的(nominal)数据吞吐率保持在20Mbps。对于主站扇区波束天线124和客户点波束天线120的实施例，所需的SSPA功率水平是7.1瓦特。

干扰分析

在主站卫星10环境中，主要有两类内部系统散射源：

(1)裸露设备(例如天线馈电喇叭，地面传感器，控制板边缘等等)会导致线散射效应。在典型的情况下，来自这些源的散射的能量最少低于直接(direct)视距(LOS)信号20dB；以及

(2)大的物体(例如反射面天线、太阳辅射阵列控制板(solar radiating arraypanels)等等)会导致镜面反射效果。在一些情况下，该镜面反射信号如LOS信号一样强。

在最差的情况下，会发生信道莱斯衰减并影响预期的LOS通信信号。由此导致的莱斯场是LOS元件和散射场元件的矢量和。对于具有低于LOS场20dB的散射场的线散射源，最大强度的莱斯衰减大约是0.9dB。对于镜面反射源，信道密度函数可以被模拟(modeled)为瑞利分布。根据入射在这种类型的散射体上的信号的强度，瑞利分布干涉会导致极大的衰减或者彻底的信号消除。

SbLAN系统的一个例举实施例中使用的天线减轻了这些干扰问题。在散射源的方向上，高增益的点波束和扇区波束天线显示典型的旁瓣电平，远低于20dB；这些低的旁瓣电平转而导致极小的干扰效应。

SbLAN系统的可选实施例中包括的全向天线通常呈现方位角辐射图样。该天线在散射源方向上提供大约12dB的额外的干扰(rejection)。此镜面反射的最差的情况的衰减水平是大约2.5dB。由于保持有足够的整个系统的余量(最小为3dB)，充分地减轻了这些干扰效应。而且，说明了在主站航天器10中使用扇区波束天线而不是全向天线的更多的好处。

SbLAN系统的一个例举实施例的内部系统的干扰源，主要是因为相同频率下运转的任何GEO，MEO和LEO卫星以及地面系统而产生。ITU没有将Ka-波段ISL频率(22.5GHz)分配给GEO或者MEO位置中的任何通信卫星。在LEO弧线中的铱星星座具有大约23.2GHz的ISL运行。由于SbLAN系统的一个例举实施例具有被提议(proposed)的22.5GHz的ISL频率，将不存在任何来自铱星星座的直接干扰。在铱星系统中使用的ISL天线是高度方向性的并且在GEO方向中具有低的旁瓣辐射；此外，当干扰信号从LEO横穿至GEO时，干扰信号遭受33dB的额外的路径损失。考虑到所有这些因素，来自铱星卫星的最大的干扰信号水平将比一般的SbLAN载波电平低40dB多。由于非常的高的水蒸汽吸收水平，基于地面的系统在此频带上不运转；因此，不存在来自基于地面的系统的已知的干扰源。

通信系统容量

SbLAN系统体系构造有两个关键方面，它们在系统中驱动路由功能。第一，与主站10相联系的客户11的数量相对于基于地面的LAN是小的。特别地，目标示范系统(target demonstration system)由主站10和两个客户11组成，而预想为计划(nominal)运转的客户11的数量可能是5-10，并且预期不会逐渐超出另一个量级(order of magnitude)。其次，在SbLAN云中的客户11将通过地面站12的网关路由器30与基于地面的全球信息栅格(GIG)或者互联网骨干网22连接。因此，客户数据包只需要被路由到SbLAN中的其他客户11或者网关路由器30，网关路由器30然后将数据包路由到GIG或者互联网骨干网22中。结果，在一个例举的实施例中，在客户11和主站航天器10处的简单的路由表就足够了，并且用于这些路由表的内存和处理能力是最小的。

在具有数字主站40，50的SbLAN系统的一个实施例中，主站卫星10需要天基网络内的路由。为支持这个，可以使用独立的IPR41，或者SDR 51可以承载路由功能。在任一一种情况下，可获得的内存资源远远多于在SbLAN网络内路由所需要的内存资源。进一步地，802.16和DVB-S2协议都包括IP和(在802.16情形下)以太网汇聚子层以完美(seamlessly)地结合IP层路由。

吞吐量目标

SbLAN系统的一个例举实施例的关键输入假设如下：

商用通信卫星中分配的信道带宽通常为36MHz或54MHz。

由于被证实的压缩技术的可用性，在典型的卫星通信有效载荷中，即使高清晰的TV节目也将仅需要10Mbps的吞吐量。

30Mbps的最大的数据吞吐率将帮助SbLAN系统游刃有余地传输非常高质量的3-D信号。为了供应100Mbps的吞吐量，做出与调制和编码相关的一些改进的选择，但是在可能的36MHz和54MHz信道中完全可能处理这样的吞吐量。地面-主站链路容量中可用性的程度推动了这种特定选择。换句话说，地面-主站-地面链路21已经被商用通信占用，这是商用卫星10存在的主要原因。为了提供地面通信到客户卫星11星座和从客户卫星11星座提供地面通信，特定百分比的地面-主站-地面容量必须被分配给客户卫星11。更深层次地说，假设上行链路和下行链路路径之间的链路速度存在差别，计划用于客户卫星11的多余的(双向)地面-链路百分比容量在上行链路和下行链路之间必须不相等地被分配。换一句话说，比起上行链路，下行链路可用性的更高的百分比是契约需要的。

通过应用高效的调制技术，例如8PSK和成熟的编码方案，例如LDPC(低密度奇偶校验码)，30Mbps吞吐量的信号可以以15MHz的频率带宽被传输。DVB-S2(例如16PSK和甚至是32PSK)提供其他可能的结果，DVB-S2可以使更高效率的数据传输速率成为可能，而不用担心对可用信道带宽的潜在干扰。

8PSK需要转发器在很大程度上是非线性的并且几乎以饱和状态运转，与8PSK不同，在更高阶调制的情况下，转发器的线性或者拟线线性可能成为问题。通常，这样的调制方案需要地面站处更高的C/N(载噪比)比和最重要的特定预矫正方法的执行来克服转发器引起的线性效应。

不同的调制/编码方案可以从VCM(可变编码和调制)或者ACM(自适应编码和调制)的结构方案(两者都可以通过DVB-S2标准实现)容易地获得。明显地，执行SDR的FPGA方法是确保实施的关键因素之一。

根据SbLAN系统的一个例举实施例，使用软件开发技术和方法，这样技术和方法使能够在“热”系统(意思是实际运行的系统)上下载软件，而不一定要使系统离线或者关闭系统来升级或交换编码。

主站航天器10中的单个通信转发器支持多个客户卫星11。

SbLAN系统的一个例举实施例中，最大的卫星间数据传输速率是30Mbps；而计划的(nominal)数据传输速率被假定为20Mbps，因为这样的计划的(nominal)吞吐量对大部分SbLAN的应用来说是足够的。

系统监控

SDR平台可以包括自我监控和安全模式控制能力。可用的系统数据的类型包括多点温度监控，电源电压水平，电流消耗，软件/操作系统状态，包括指令日志，指令序列执行结果，系统状态(例如：待命，传输/接收)，协议堆信息(被发送的帧，比特/帧错误量)，链路质量数据，可察觉和可纠正/不可纠正的硬件错误量(由单粒子翻转，SEU引起)等等。此信息通过基于指令可挽救的内部的系统日志和SDR的标准1553数字总线接口上的中心遥测技术(heartbeattelemetry)获得。

下面描述该系统的硬件设计，示出的是建立在SDR内的抗辐射元件，抗辐射元件提供电力供应开始运行的性能和模拟数字遥测汇集(digital telemetrygathering)功能。这些抗辐射元件还提供用于军用标准1553数据总线的通信接口，并且即使任一抗辐射元件的部件存在故障，这些抗辐射元件也将起作用。结果是，带来大范围的(extensive)系统状况监控和日志记录的鲁棒性能，及用于错误校正的诊断和指令(包括重组系统软件和固件)的鲁棒性能。1553总线接口是具有几十年被证明了的飞行遗产的工业标准。随着SbLAN SDR的传输，将产生完美(clear)和全面的(comprehensive)接口控制文档(ICD)来确保与主航天器的完全的兼容性和互通性。

软件无线电有效载荷

一个例举实施例中的SDR平台被设计为使用模块的，基于切片的结构。典型的切片功能(funtion)是电源供给切片，数字切片，以及IF/RF切片。用于主站10和客户11的SbLAN配套元件的SDR平台设计是相类似的。主站10和客户11的SDR 45，51，101，110之间硬件实现的不同之处是，除了Ka-波段IF/RF切片，主站10还包括用于C-波段SGL21的第二IF/RF切片。在数字切片中执行的软件/固件是主站/客户功能的区别所在。具体地说，主站SDR 45，51包括点-多点拓扑中的典型基站性能，而客户SDR101，110包括客户站功能。如果实现弯管式主站SbLAN配套元件实施例60，由于仍需要充足的调制解调器，数字处理和路由功能，客户SDR 101，110的硬件设计不改变。下面描述SDR 45，51，101，110硬件和软件。

SDR数字切片

图12示出根据一个例举实施例的SDR数字切片结构图。数字切片提供SDR平台强大的灵活性和容量。数字切片是多个FPGA、特定用途集成电路(ASIC)、高速存储器以及I/O端口的集成包。SDR平台的可靠性和程序可重编性的设计原理在数字切片构造的关键元件中得到反映。

内务处理(HK)FPGA120：抗辐射的ASIC提供实时时钟、频率参考、前终端设备或者无线电控制(也就是，能够实现放大器功能等等)、模拟监控接口，FPGA和程序存储擦除和错误检测和校正(EDAC)、1553I/O核和指令路径、以及重置线路。当单元首次被提供电力来启动SDR操作系统和内存保护以及为主站航天器提供指令和诊断遥测I/O时，这些所有的功能都必须是开启的。

中央处理器(CPU)、或者有效载荷微处理器121：承载SDR操作系统的耐辐射部件。通过冗余电路提供的抗单粒子翻转(SEU)缓解、电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)和存储器的嵌入式的EDAC擦除、以及嵌入式检验和在装载新程序和每次启动时进行擦除。该CPU处理来自航天器的指令和中断，并保持SDR其余部分的配置参数。

PROM(可编程只读内存)122：一次烧结的抗辐射芯片包括CPU启动代码、默认/安全模式配置、航天器接口驱动器(1553)，以及基础指令和监控性能。PROM 122包括将新的CPU程序下载到EEPROM的能力。

可重新编程的FPGA(一个或多个)123：耐辐射的可重新编程的FPGA 123执行所有高速的专门的计算和数字处理，包括高速数字I/O。由HK做出的擦除提供的SEU缓解、被保存在EEPROM中的其程序EDAC(每次对FPGA 123的进行加载时，其程序EDAC都受到检查)、以及嵌入式校验和在加载新程序时进行擦除。在SbLAN中，此FPGA块123由两个FPGA构成以提供充分的资源用于高速无线网络所需的高级媒体接入控制(MAC)和PHY实现。所有重要的基于FPGA的功能通常设计为三模冗余形式，这种形式为防止单粒子翻转对这些功能的影响提供特殊的保护。

SDRAM 124：用于CPU121，HK，以及FPGA123处理器的处理功能的高速内存。它是耐辐射，并且具有SEU缓解，该SEU缓解通过CPU指令以及在读取期间由HK做出的EDAC擦除提供。

I/O端口125：高速LVDS端口和缓冲器，1553缓冲器和变压器，ADC，DAC，以及多路复用器都是抗辐射部件。

主站卫星无线电系统

在数字式主站卫星SbLAN配套元件40，50的一个例举实施例中，系统中的每个Tx/Rx链路都存在RF链，并且存在RF链至SDR 45，51和可选择的IPR41的连接。航天器指令，控制和遥测通过标准1553接口提供。

通过使用用于SDR 45，51的以切片为基础的构造，该平台可以被容易地适用于新任务的应用。

图13示出根据本发明的一个例举实施例的基于SDR的主站SbLAN配套元件的数字形式。SbLAN配套元件被动地在输入多路器130和RF功率放大器的前终端冗余转换网络131之间的某点处接入(tap into)通信有效载荷。传送到有效载荷的指令通过通信天线132接收，为了获得通过覆盖航天器操作者指定的地理区域的高增益，该通信天线132已被最优化。RF信号将被过滤并被传送到宽带接收器133用于放大和升频转换为下行链路频率。该信号从接收器133被多路传输进入所形成的36MHz宽信道(典型的)，一个信道已经被预先选为SbLAN专用信道。SbLAN信道与现有的商用通信信道的区别仅在于它具有设有放大器输入冗余转换网络131的两个20dB无源串联(inline)耦合器。无源耦合器将允许数据流从地面站被直接传送到主站卫星10上的SbLAN载荷，然后被传送到任务卫星11，绕过(bypass)经过航天器指令和数据处理系统。

客户卫星无线电系统

在一例举的实施例中，用于客户卫星11、11′的SbLAN配套元件的硬件设计与用于主站的设计相类似。然而，用于客户的SbLAN配套元件只包括单个天线和RF I/O路径。因此，在SDR平台中仅需要一个RF切片，而数字切片是相同的。

SDR软件操作环境

在SDR软件操作环境的一个例举实施例中，选择uCLinux作为SbLAN SDR有效载荷的操作系统/环境。考虑到SbLAN系统的属性以及多个不同操作者/客户并入总的系统中的可能性，结果是以在编码大小和确定性行为方面的小的代价带来更大的灵活性。

虽然已经示出和描述例举的实施例，本领域技术人员可以认识到，在不脱离本发明原则和精神的情况下，可以对这些例举的实施例做出改变，本发明的保护范围在附加的权利要求书和它们的等同物中限定。

Claims

1.天基局域网系统，用来为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务，所述系统包括：

至少两个客户卫星，其承载卫星间通信有效载荷并且仅与其他卫星进行通信；

主站卫星，其承载卫星间通信有效载荷、下行链路通信有效载荷以及集合器有效载荷；以及

地面站，其将数据传输至主站卫星并且从主站卫星接收数据，

其中，主站卫星使用集合器有效载荷将从所述至少两个客户卫星接收的至少两个数据流集合为一个数据流，所述至少两个数据流是由卫星间通信有效载荷经由卫星间链路从所述至少两个客户卫星接收的，通过使用下行链路通信有效载荷所述经集合的数据流经由空-地链路被下行链路至所述地面站。

2.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中所述地面站包括天基局域网配套元件，所述配套元件包括：

网关路由器；和

软件无线电，

其中，所述网关路由器通过软件无线电来路由数据，所述软件无线电经由空-地链路将数据传输至主站卫星或者从主站卫星接收数据。

3.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中所述主站卫星是交换式数字主站，其包括天基局域网配套元件，所述配套元件包括：

软件无线电；以及

因特网协议路由器，

其中在主站卫星接收的信号被解调并且数据包被路由，以及

其中所述数据包数据被重新调制到空-地链路或卫星间链路上。

4.根据权利要求3所述的天基局域网系统，其中，所述软件无线电承载因特网协议路由器。

5.根据权利要求3的天基局域网系统，其中因特网协议路由器与软件无线电分开。

6.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中主站卫星是弯管式主站，所述弯管式主站包括具有射频交换网络的天基局域网配套元件。

7.根据权利要求6所述的天基局域网系统，其中所述射频交换网络包括：

用于空-地链路的第一专用上行链路和第一专用下行链路RF信道；

用于主站-客户链路的第二专用上行链路和第二专用下行链路Ka-波段信道。

8.根据权利要求7所述的天基局域网系统，其中所述射频交换式网络进一步包括用于客户卫星之间通信的Ka-Ka波段转换。

9.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中所述至少两个客户卫星包括天基局域网配套元件，所述配套元件包括：

软件无线电；以及

因特网协议路由器。

10.根据权利要求9所述的天基局域网系统，其中所述软件无线电承载因特网协议路由器。

11.根据权利要求9所述的天基局域网系统，其中因特网协议路由器与软件无线电分开。

12.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中使用22.5GHz左右的频带在至少两个客户卫星和主站卫星之间的卫星间链路上进行数据传输。

13.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中卫星间链路使用802.16物理层。

14.根据权利要求13所述的天基局域网系统，其中，802.16物理层使用8PSK调制和低密度奇偶校验码编码方案。

15.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中主站卫星进一步包括扇区波束天线，并且所述至少两个客户卫星进一步包括易操纵的点波束天线。

16.根据权利要求1所述的天基局域网系统，其中所述至少两个客户卫星位于距离主站卫星300km内。

17.根据权利要求3所述的天基局域网系统，其中所述软件无线电包括：

第一IF／RF数字切片；以及

第二IF／RF数字切片，其中

第一IF／RF数字切片和第二IF／RF数字切片都包括多个现场可编程门阵列、特定用途集成电路、高速内存以及I／O端口的集成包。

18.根据权利要求17所述的天基局域网系统，

其中第一IR／RF数字切片是Ka-波段IF／RF数字切片，并且第二IF／RF数字切片是C-波段IF／RF数字切片，

其中第一IF／RF数字切片包括用于执行Ka-波段信号传输的软件或者固件；并且

其中，第二IF／RF数字切片包括用于执行C-波段信号传输的软件或固件。

19.根据权利要求9所述的天基局域网系统，其中所述软件无线电包括Ka-波段IF／RF数字切片，

其中Ka-波段IF／RF数字切片包括多个现场可编程门阵列、特定用途集成电路、高速内存以及I／O端口的集成包，并且

其中，所述Ka-波段IF／RF数字切片包括用于执行Ka-波段信号传输的软件或固件。

20.用于主站卫星的天基局域网配套元件，所述天基局域网为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务，所述天基局域网配套元件包括：

软件无线电；以及

因特网协议路由器，

其中所述软件无线电和因特网协议路由器被配置为解调在主站卫星处接收的信号，所述信号经由卫星间链路接收自仅与其他卫星进行通信的至少两个客户卫星，或者经由空-地链路接收自地面站，所述软件无线电和因特网协议路由器还被配置为路由数据包，并且将数据包重新调制到卫星间链路和空-地链路之一上。

21.一种用于为地球同步轨道中的航天器提供动态分配的下行链路服务的方法，所述方法包括：

在主站卫星处从仅与其他卫星进行通信的至少两个客户卫星接收经由卫星间链路传输而来的数据；

集合从所述至少两个客户卫星经由所述卫星间链路传输而来的数据；以及

将所述集合的数据从主站卫星经由空-地链路传输到地面站。

22.权利要求21的所述方法，其中所述卫星间链路和RF空-地链路使用C-波段信道、Ku-波段信道、Ka-波段信道、S-波段信道、或X-波段信道中的至少一个信道。

23.权利要求21的所述方法，其中使用22.5GHz左右的频带在所述至少两个客户卫星和所述主站卫星之间经由卫星间链路进行数据传输。

24.权利要求21的所述方法，其中卫星间链路使用802.16物理层。

25.权利要求24的所述方法，其中所述802.16物理层使用8PSK调制和低密度奇偶校验码编码方案。