JP3252876B2

JP3252876B2 - 衛星通信装置

Info

Publication number: JP3252876B2
Application number: JP62294A
Authority: JP
Inventors: 浩平大幡; 一泰岡田; 秀樹水野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-01-07
Filing date: 1994-01-07
Publication date: 2002-02-04
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: JPH07202781A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディジタル衛星通信に
おいて誤り率の低い通信（特に、同報通信）を行うため
の衛星通信装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】衛星通信においては、伝搬距離が長いこ
と、衛星の重量的・電力的制限等から、衛星側において
伝搬距離に見合う十分な送信電力を確保できず、途中の
伝搬路の影響を受けやすい。また、通信衛星と地上との
距離約３７，０００ｋｍによる信号減衰、降雨による信
号減衰、更に他のシステムからの干渉や送／受信機の持
つノイズなどが加わり、妨害やノイズの電力に対する信
号電力の比が下がり、復調したときの信号の誤り率が大
きくなる。従って、通信の信頼性を確保するためにはマ
ージンを十分に大きくした設計を行う必要がある。

【０００３】従来、信号の受信誤り率（ビット誤り率）
を下げるための対策として、地球局のアンテナ径を大きくする衛星の出力パワーを上げる受信機を高価なローノイズタイプにする誤り訂正符号を用いた通信方式を採用する等の方法が取られている。しかし、例えばビット誤り率
が１０^-10 といった高信頼性を数Ｍｂｐｓ以上の高速伝
送において常に要求することは現実的には不可能であ
り、このような場合、スループットを犠牲にして、デー
タが誤った場合には再送を行って誤りのないデータ通信
を行う再送訂正（ＡＲＱ）方式を用いることになる。

【０００４】上記再送訂正方式により誤り訂正を行う、
従来の衛星通信装置の構成を図６に示す。図６の送信地
球局においては、送信データが送信コントローラ３１に
供給されると、該コントローラ３１により送信データが
ブロックに分割され、そのコピーがデータバッファ３２
に蓄えられる。そして、このブロックに同期情報、ブロ
ックの順番等を示すための制御ビットが付加され、更に
符号化器３３において誤り検出のための冗長パリティシ
ンボルが付加される。このようにブロック符号化された
信号が、送受信機３４内の変調器（モデム）により変調
され、送信される。

【０００５】一方、受信地球局においては、送受信機４
１内の変調器（モデム）により受信された上記ブロック
が復調され、該ブロックに対して復号器４２において誤
り（エラー）検出が行われる。そして、該ブロック中に
誤りがないと判定されると、「ブロックが正しく受信さ
れた」という確認応答信号がリピート・コントローラ４
３および送受信機４１を介して送信地球局に送られると
共に、出力コントローラ４４を介して図示しないデータ
端末にデータが出力される。

【０００６】送信地球局は、送受信機３４を介して上記
確認応答信号を受けると、リピート・コントローラ３５
を介して次のブロックを同様に送信する。また、受信地
球局は、復号器４２を介してブロックに誤りを検出した
場合、リピート・コントローラ４３および送受信機４１
を介して送信地球局に再送要求応答信号を送出する。送
信地球局は、この再送要求応答信号を受け取ると、リピ
ート・コントローラ３５を介してデータバッファ３２に
記憶された上記コピーされたデータを読み出し、再送信
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、衛星通信の
場合は信号の伝搬遅延が大きいため、上記のように受信
地球局から送信地球局に確認応答信号が届くまで次のデ
ータを送信しないようにすると、衛星回線の利用効率が
低下する。そこで、回線の利用効率を最大にするため
に、信号の送信を連続的に続け、再送要求のあったブロ
ックを途中に入れ込んで送信する「選択再送方式」が一
般的に用いられる。

【０００８】この方式では、受信地球局において受信し
たブロックの順番を整えるため、再送されるブロックを
待つ間、受信済みのブロックを一時保持しておくための
バッファメモリが必要になる。同じく、送信地球局にお
いても、確認応答信号を得るまでデータブロックを蓄え
るためのバッファメモリが必要になる。衛星通信では、
受信地球局から送出された再送要求応答信号が送信地球
局に到着するまでの時間遅延は約０．５〜０．６秒であ
るため、この間に受信地球局に到着する分のデータブロ
ックを一時保持する必要があり、伝送速度が大きい場合
には非常に大きなメモリが必要になる。

【０００９】特に回線の誤り率が大きい場合は再々送信
が必要になる場合もあるため、数Ｍｂｐｓの伝送を行う
場合でも回線でのビット誤り率（Bit Error Rate:ＢＥ
Ｒ）が１０^-5よりも良い状態でなければ、現実的には信
号伝送が行えない。こうした制約から、例えば受信専用
局であっても地球局を小形化すること、特にアンテナ径
を小形化することは困難となっている。また、同報通信
の場合には再送要求／再送に係る動作が受信局の数に応
じて増えるので、信号のスループットが更に低下する。

【００１０】これらの問題点をまとめると、以下のよう
になる。衛星通信で高信頼のデータ伝送を行うために上記Ａ
ＲＱ方式を適用するにしても、回線の品質はビット誤り
率（ＢＥＲ）が「１０^-5」よりも良くならなければなら
ず、従って地球局の設備も規模の大きなものが必要にな
る。衛星回線の遅延を吸収をするために、大きなバッファ
メモリが必要になる。衛星通信の特徴を生かして同報通信のように同じデー
タを多数の受信局に配信するような場合には、従来の再
送訂正方式では送信局が再送するデータが増えてしま
い、再送訂正処理のための負荷が大きく、また、回線の
スループットが大きく低下する。本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、
必要最低限のコスト上昇のみにより、高信頼度のデータ
伝送を可能とする衛星通信装置を提供することを目的と
している。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、送信地球局が通信衛星を介して受信地球
局にディジタル信号を送信する衛星通信装置において、
前記送信地球局と地上回線を介して接続されるととも
に、前記受信地球局と地上回線を介して接続された衛星
通信補助局を設け、前記送信地球局は、前記通信衛星を
介して前記受信地球局に前記ディジタル信号を送信する
とともに、前記地上回線を介して前記衛星通信補助局に
前記ディジタル信号を送信し、前記衛星通信補助局は、
前記送信地球局から地上回線を介して送信されたディジ
タル信号に誤りが有るか否かを検出する第１の誤り検出
手段と、誤りが無いことを確認したディジタル信号を記
憶する第１の記憶手段と、前記受信地球局から地上回線
を介して送信された所定の転送要求信号に基づいて、前
記第１の記憶手段に記憶されたディジタル信号の一部を
地上回線を介して前記受信地球局に送信する制御手段と
を具備し、前記受信地球局は、受信した前記ディジタル
信号に誤りが有るか否かを検出する第２の誤り検出手段
と、誤りが無いことを確認したディジタル信号を記憶す
る第２の記憶手段と、誤りが検出された部分の転送を要
求する転送要求信号を前記衛星通信補助局に送信する転
送要求手段と、該転送要求信号に基づいて前記衛星通信
補助局から送信されたディジタル信号と前記２の記憶手
段に記憶された誤りが無いディジタル信号とを合わせて
出力する出力手段とを具備することを特徴としている。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、受信地球局が受信したディ
ジタル信号の一部に誤りを検出し、衛星通信補助局に対
して当該部分のディジタル信号の再送を要求する転送要
求信号が送信された場合（転送要求動作）、衛星通信補
助局では、該当部分が正しく受信されていれば、制御手
段により第１の記憶手段からディジタル信号が読み出さ
れ、読み出された信号が受信地球局に対して再送信され
る（転送動作）。そして、受信地球局において、上記再
送信されたディジタル信号とすでに記憶された誤りが無
いディジタル信号とが合わせて出力される。

【００１３】例えば、ある受信地球局において通信衛星
を介して送信地球局からの信号の受信を開始するにあた
り、受信信号レベル、ないしは信号エネルギー／ノイズ
エネルギー（Ｅｂ／Ｎｏ）、ないしは復調したディジタ
ル信号の誤り率などにより受信信号の品質を確認し、所
要の受信誤り率を確保できないと判断したときに、衛星
通信補助局と受信地球局との間で上記転送要求／転送動
作を行うための地上回線の接続を行い、受信準備を整え
るようにする。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の一実施例に
ついて説明する。図１は、本実施例による衛星通信装置
の構成を示す図である。図１において、１は送信地球局
であり、送信すべきディジタル信号をｎビット毎に分け
るブロック化、該各ブロックに誤り検出／誤り訂正用の
符号を付加する処理、この信号を電波にのせて通信衛星
を介して送信する処理を行う。

【００１５】１０は、通信衛星を介して送信地球局１か
らの電波を受信可能な複数の受信地球局である。すなわ
ち、送信地球局１は、受信地球局１０に対して同報通信
を行う。また、５は、以下に詳細を説明する複数の衛星
通信補助局であり、送信地球局１と地上回線Ｌ１により
接続されている。また、１つの衛星通信補助局５と複数
の受信地球局１０とが、図に示すように地上回線Ｌ２，
Ｌ２’を介して接続されている。

【００１６】次に、図２を用いて、衛星通信補助局５お
よび受信地球局１０の内部構成を中心に、上記衛星通信
装置の詳細な構成を説明する。図２において、送信地球
局１は、受信地球局１０に送信するディジタル信号と同
じ信号を、遅延装置３に供給する。遅延装置３は、送信
地球局１から供給された信号を、送信地球局１〜通信衛
星〜受信地球局１０の距離に対応する伝搬遅延（静止衛
星の場合は約０．２５秒）の分だけ遅らせて上記地上回
線Ｌ１に送出する。なお、この遅延装置３はある方が望
ましいが、省くことも可能である。

【００１７】受信地球局１０は、通信衛星からの電波を
受けるための受信アンテナ１１と、アンテナ１１で受信
した電波をもとのベースバンド信号（ディジタル信号）
に戻す受信装置１２と、このベースバンド信号をブロッ
ク単位に分割して誤り検出および所定の誤り訂正を行う
誤り検出／訂正回路１３と、誤りのないデータおよび誤
り訂正が成功したデータを蓄えるメモリ１４と、データ
の順番を整えて図示しないデータ端末に出力するデータ
組立コントローラ１５とを有している。

【００１８】衛星通信補助局５は、地上回線Ｌ１を介し
て受信したディジタル信号に対して誤り検出および所定
の誤り訂正を行う誤り検出／訂正回路６と、誤りがない
データおよび誤り訂正が成功したことを確認したディジ
タル信号を蓄えるメモリ７と、地上回線Ｌ２を介して供
給される所定の転送要求信号に基づいてメモリ７に記憶
されたディジタル信号の一部を地上回線Ｌ２’に送出す
る再送コントローラ８とを有している。

【００１９】メモリ７の容量は、（衛星回線を通じての
データ転送レートである回線速度）×（（選択再送（転
送）要求をするための回線遅延時間）＋（衛星通信補助
局５が転送要求信号を受信してからメモリ７内の該当す
る信号部分を読み出すためのデータ処理時間））により
算出されるビット数が最低限確保される。

【００２０】メモリ７の内容は古いものから順次書き換
えられるようになっている。本実施例のように衛星通信
補助局５と受信地球局１０との間の再送（転送）要求に
地上回線を用いた場合、数十ｋｍ程度の距離であれば、
上記回線遅延時間とデータ処理時間は合わせて高々１０
ｍｓ程度であると考えられる。よって、例えば衛星通信
の回線速度を２００Ｍｂｐｓとした場合、メモリ容量は
「２００Ｍｂｐｓ×１０ｍｓ」から、２Ｍｂｉｔ（２５
０Ｋｂｙｔｅ）程度でよい。

【００２１】また、遅延装置３を設けずに、送信地球局
１が地上回線Ｌ１に直接ディジタル信号を送出する場
合、衛星通信補助局５においては、衛星回線の遅延によ
る０．２５秒程度分に対応するデータ蓄積量を余分に見
る必要があるため、メモリ容量は約５２Ｍｂｉｔ（６．
５Ｍｂｙｔｅ）程度必要となる。

【００２２】一方、受信地球局１０においては、メモリ
１４の容量は、（衛星回線を通じてのデータ転送レート
である回線速度）×（（選択再送を要求するための回線
遅延時間）＋（衛星通信補助局５が転送要求信号を受信
してからメモリ７内の該当する信号部分を読み出すため
のデータ処理時間）＋（地上回線Ｌ２’を通じてデータ
転送を行うための回線遅延時間））より算出されるビッ
ト数が最低限確保される。メモリ１４の内容は、同じ
く、古いものから順次書き換えられる。

【００２３】この場合の回線による遅延時間とデータ処
理時間は、合わせて高々２０ｍｓ程度見込めばよい。よ
って、回線速度を同じく２００Ｍｂｐｓとした場合、必
要なメモリ容量は４Ｍｂｉｔ（５００Ｋｂｙｔｅ）程度
となる。現状では、半導体メモリの価格はパーソナルコ
ンピュータの普及によりかなり下がっており、また、デ
ータの再送に要する制御は、モデムに対するごくわずか
な機能付加により可能となる。

【００２４】次に本実施例による通信のフローを、図３
を用いて説明する。なお、図１に示す同報通信による各
回線系統においてはいずれも同様な処理が行われるの
で、図２を参照して、１つの受信地球局１０と衛星通信
補助局５とを対象にした説明を行う。手順：通信衛星を介して受信を始める際、送信地球局
１からあらかじめパイロット信号等が送出される。受信
地球局１０においては、上記パイロット信号等の搬送電
波の強度の測定、あるいは復調したディジタル信号の誤
り率の測定等が行われる。

【００２５】手順：仮に、所望の誤り率を得ることが
できない状態ならば、受信地球局１０は衛星通信補助局
５との地上回線Ｌ２，Ｌ２’を接続状態にし、データ補
完の準備を整える。受信準備が完了したら、送信地球局
１にその旨を伝える信号を送信する。手順：送信地球局１は、通信衛星を介して受信地球局
１０への送信を開始し、衛星通信補助局５に対しては接
続状態にした地上回線Ｌ１を介して同一内容の送信を行
う。この時、衛星通信補助局５に対しては、遅延装置３
を介して衛星回線による遅延時間分を遅らせて送信す
る。

【００２６】手順：受信地球局１０はデータの誤りを
検出すると、衛星通信補助局５に対してデータの転送を
要求する転送要求信号を地上回線Ｌ２を介して送信す
る。衛星通信補助局５は、再送コントローラ８を介して
該転送要求信号により指示されるデータをメモリ７から
読み出し、地上回線Ｌ２’を介して受信地球局１０に転
送する。受信地球局１０は、データ組立コントローラ１
５により、転送されたディジタル信号とメモリに記憶１
４に記憶された誤りが無いディジタル信号とを正しい順
番に組み立てて出力する。手順：送信地球局１からの送信が完了した時には、送
信地球局１と衛星通信補助局５、および、受信地球局１
０と衛星通信補助局５との各地上回線Ｌ１，Ｌ２および
Ｌ２’を開放する。

【００２７】次に、本実施例の効果を具体的な数値によ
り説明する。簡単のため、送信地球局１は十分大きなア
ンテナと送信機を有し、回線全体の品質は受信地球局１
０側の性能で決定されるものとする。また、信号はＱＰ
ＳＫ変調（横軸位相偏移変調）されているものとし、使
用周波数は２０ＧＨｚであるとする。そして、回線の誤
り率（ＢＥＲ）に対する要求値が１×１０^-10 であり、
晴天時にはこの値を満足し、更にマージンを持っている
ものとする。

【００２８】ところで、送受信局が固定である衛星通信
においては、伝送路に加わる雑音はランダム雑音と考え
ることができる。受信フィルタに、入力信号波形に整合
した整合フィルタを用いた場合に、フィルタ入力におけ
る信号１ｂｉｔあたりのエネルギーＥｂとランダム雑音
の電力密度Ｎｏとの比「Ｅｂ／Ｎｏ」（ｄＢ）とビット
誤り率（ＢＥＲ）の関係は、理論的に図４のようになる
ことが知られている。図４より、ビット誤り率（ＢＥ
Ｒ）が「１×１０^-10 」である場合の所要の比「Ｅｂ／
Ｎｏ」は１３ｄＢである。更に、晴天時にはマージンと
して３ｄＢを加え、比「Ｅｂ／Ｎｏ」として１６ｄＢが
得られているものとする。

【００２９】次に、図５に、東京における使用周波数２
０ＧＨｚでの降雨減衰率（ｄＢ）と年間（全期間）確率
Ｐ（該降雨減衰率がある値以上である確率：％）との関
係を示す。これは１０年以上にわたる日本の各地の統計
値から求めたものである。この図より、例えば年間確率
Ｐが０．３％の豪雨状態（図中矢印参照）においては
７．５ｄＢの降雨減衰が生じるため、比「Ｅｂ／Ｎｏ」
は、上記１６ｄＢからこの７．５ｄＢを引いた値である
８．５ｄＢになってしまう。

【００３０】通常では、上記所要のビット誤り率「１×
１０^-10 」におけるマージンを考えない場合の比「Ｅｂ
／Ｎｏ」＝１３ｄＢとこの８．５ｄＢとの差４．５ｄＢ
分は、受信アンテナの利得をあげることで達成すること
になる。衛星通信用の高周波・高利得アンテナの場合、
アンテナの利得と価格とはほぼ比例関係にあり、利得を
４．５ｄＢ上げる（約３倍にする）とアンテナ単体の価
格も約３倍になる。

【００３１】また、衛星通信では、ほとんどの場合、パ
ラボラ鏡面などの鏡面アンテナが用いられる。このタイ
プのアンテナでは、利得の大きさに比例してアンテナの
面積が増えるので、利得に比例してアンテナ設置に必要
な面積や取付け用の構造物の耐風速度も大きくしなくて
はならないなど、その波及効果はアンテナ単体の価格差
の何倍にもなると考えられる。

【００３２】また、誤り訂正によって見掛け上の利得向
上を図る場合、誤り訂正符号化の特徴として、比「Ｅｂ
／Ｎｏ」が８ｄＢ程度と比較的小さい値の時は誤り訂正
による利得はあまり得られない。逆に、現実のシステム
では、ローノイズアンプの雑音、局部発信機の位相雑
音、フィルタの特性等、理想の状態から外れることによ
る信号の劣化が生じ、誤り訂正符号化による利得は、こ
の劣化分を補う程度にしかならない。

【００３３】これに対して、本実施例の場合、データ転
送機能を持つ受信地球局１０については、比「Ｅｂ／Ｎ
ｏ」が上記８．５ｄＢにおけるビット誤り率「約１×１
０^-4」（図４参照）の状態において、地上網（地上回
線）を使った再送処理により補えばよいことになる。例
えば６Ｍｂｐｓの回線で、ブロック長が「１００」程度
の場合は約１／１００のブロックを再送（転送）すれば
良いことになるため、「６Ｍｂｐｓ×（１／１００）＝
６０Ｋｂｐｓ」となり、再送用の回線は６４Ｋｂｐｓの
ＩＳＤＮのＢチャンネル１本で十分である。すなわち、
設備コストを低くおさえることができる。

【００３４】また、このような再送用の回線を使う必要
が生じる時間は上述した晴天時の回線マージン３ｄＢを
越える降雨がある場合であり、前掲図５より、平均的な
年において１％程度の時間確率となるため、衛星回線使
用料に対する割合でいえば非常に微々たるものになる。
また、送信地球局１と衛星通信補助局５との間の地上回
線Ｌ１としてディジタル回線を用いた場合には、ビット
誤り率（ＢＥＲ）が「１×１０^-8」以下といった低い値
になるので、誤り訂正符号化により容易にＢＥＲを「１
×１０^-10 」以下にすることができる。よって、必要な
らば送信地球局１と衛星通信補助局５との間で再送によ
る誤り訂正処理を行っても良い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受信地球局から地上回線を介して送信された所定の転送
要求信号に基づいて、あらかじめ送信地球局から受信し
て記憶されたディジタル信号の一部を受信地球局に送信
する衛星通信補助局が設けられるので、必要最低限のコ
スト上昇のみにより、通信衛星の伝送路のスループット
を落とすことなく高信頼度のデータ伝送が可能となる。

【００３６】特に、広範な範囲に多数の地球局に対して
同報通信を行うような場合には、以下のような効果が得
られる。再送要求／再送動作のための回線を長距離部分は各衛
星通信補助局につき一回線で済ませることが可能であ
り、多数の地球受信局に対しては衛星通信補助局との間
の短距離の伝送だけですむので、トータルで見れば通信
コストの削減につながる。再送処理の分散が可能になるため、従来のように送信
地球局で集中処理するための高い処理能力を有する設備
を設ける場合に比べ、トータルの設備コストが安くな
る。従来のように衛星回線を介して再送訂正を行う場合に
比較して、より誤りの多い通信回線でも十分に高信頼の
信号伝送が可能になる。これにより、地球局の規模を小
形化することが可能である。衛星通信補助局を複数の送信地球局で共有することも
可能であり、この場合コスト面で更に有利になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による、衛星通信装置の構
成を示す図である。

【図２】同実施例における、衛星通信補助局５、およ
び受信地球局１０の内部構成を示すブロック図である。

【図３】同実施例における通信手順を示すフローチャ
ートである。

【図４】同実施例における、受信フィルタ入力におけ
る信号１ｂｉｔあたりのエネルギーＥｂとランダム雑音
の電力密度Ｎｏとの比「Ｅｂ／Ｎｏ」と、ビット誤り率
（ＢＥＲ）との関係を示す図である。

【図５】東京における使用周波数２０ＧＨｚでの降雨
減衰率と年間（全期間）確率Ｐとの関係を示す図であ
る。

【図６】従来の衛星通信装置の構成を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１送信地球局５衛星通信補助局６誤り検出／訂正回路（第１の誤り検出手段）７メモリ（第１の記憶手段）８再送コントローラ（制御手段）１０受信地球局１３誤り検出／訂正回路（第２の誤り検出手段、転送
要求手段）１４メモリ（第２の記憶手段）１５データ組立コントローラ（出力手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−167565（ＪＰ，Ａ) 特開平４−26234（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−285532（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 7/14 - 7/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】送信地球局が通信衛星を介して受信地球
局にディジタル信号を送信する衛星通信装置において、前記送信地球局と地上回線を介して接続されるととも
に、前記受信地球局と地上回線を介して接続された衛星
通信補助局を設け、前記送信地球局は、前記通信衛星を介して前記受信地球
局に前記ディジタル信号を送信するとともに、前記地上
回線を介して前記衛星通信補助局に前記ディジタル信号
を送信し、前記衛星通信補助局は、前記送信地球局から地上回線を
介して送信されたディジタル信号に誤りが有るか否かを
検出する第１の誤り検出手段と、誤りが無いことを確認
したディジタル信号を記憶する第１の記憶手段と、前記
受信地球局から地上回線を介して送信された所定の転送
要求信号に基づいて、前記第１の記憶手段に記憶された
ディジタル信号の一部を地上回線を介して前記受信地球
局に送信する制御手段とを具備し、前記受信地球局は、受信した前記ディジタル信号に誤り
が有るか否かを検出する第２の誤り検出手段と、誤りが
無いことを確認したディジタル信号を記憶する第２の記
憶手段と、誤りが検出された部分の転送を要求する転送
要求信号を前記衛星通信補助局に送信する転送要求手段
と、該転送要求信号に基づいて前記衛星通信補助局から
送信されたディジタル信号と前記２の記憶手段に記憶さ
れた誤りが無いディジタル信号とを合わせて出力する出
力手段とを具備することを特徴とする衛星通信装置。