JP3839679B2 - 多数のアップリンクビームおよび機上信号処理を行う衛星ペイロード用のスイッチマトリクス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にスイッチマトリクスに関し、とくに多数のアップリンクビームおよび機上信号処理を行う衛星ペイロード用のスイッチマトリクスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信衛星は、多数のタイプの通信サービス、例えばデータ転送、音声通信、テレビジョンスポットビームカバレージおよび、その他のデータ転送用途でごく普通に使用されるようになっている。したがって、衛星は地上の種々の地理的位置に信号を供給しなければならない。そのため、一般的な衛星は特定の国または地区に対する信号カバレージを提供するように特注のアンテナ設計を使用する。
【０００３】
多数の衛星ペイロードはアナログまたはデジタルプロセッサを含んでいる。アナログプロセッサは一般に異なった信号を分離し、特定のチャンネル中に結合し（“信号をチャンネル化し”）、地上対衛星（アップリンク）信号の異なった部分を異なった衛星対地上（ダウンリンク）ビームに切替えるために使用される。デジタルプロセッサもまた信号をチャンネル化して切替えるために使用され、また、信号の復調、処理および再変調を行うために使用されてもよい。通常、これらの信号プロセッサは重く、多量の直流電力を消費するので、処理リソースを可能な限り効率的にアップリンクビームに割当ることが有効である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、各アップリンク区域中の人口および経済状況が異なるため、衛星に対する各アップリンクビーム中の信号（“トラフィック”）は異なっている、衛星が打上げられる前に各アップリンクビーム中のトラフィックの量が知られており、衛星の寿命期間にわたって変化しない場合、固定した接続によりリソースの処理をアップリンクビームに割当て、それによりスイッチマトリクスの必要をなくすことができる。しかしながら、一般的に各アップリンクビーム中のトラフィックの量は事前には分からず、あるいは時間とともに変化し、したがってアップリンクビームを衛星上の処理リソースに再度割当て、相互接続するためのある種のスイッチマトリクスが存在していなければならない。
【０００５】
電話交換網における使用のために設計されたクロスバースイッチまたはクロースイッチマトリクスのようないくつかの伝統的なスイッチマトリクスの設計は、現在ポイントツーポイント接続のために設計されている。別のスイッチマトリクスは、コンピュータ内の、またはネットワークコンピュータ間の接続のために設計されている。関連技術のスイッチマトリクス設計においてマイクロ波周波数の分離問題が生じているため、これらの設計のいくつかはマイクロ波周波数の衛星信号には適さない。別のスイッチマトリクスは１点対多点接続に適用される場合には、電力分割によって引き起こされる過剰な信号損失を伴う。多数の設計はまた小型部品からモジュラー方式で形成することが困難である。
【０００６】
宇宙船環境における使用に適したスイッチマトリクスが技術的に必要とされていることが認められことができる。過度の信号損失を伴わずに１点対多点接続を行うスイッチマトリクスが技術的に必要とされていることもまた認められる。さらに、機械的設計および構成を容易にして宇宙船のコストを減少させるスイッチマトリクスが技術的に必要とされていることもまた認められる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の従来技術の制限を克服し、この明細書を読んで理解することにより明らかになるその他の制限を克服するために、本発明は、スイッチマトリクスによって信号を切替える方法および装置を開示している。本発明の装置は、入力モジュールと出力モジュールとを備えている。入力モジュールは、一般に再使用パターン中のセルと同数の複数の入力を有し、その入力が少なくとも１つのアップリンクビームを受ける。入力モジュールはまた複数の出力を有し、その複数の出力は一般にアップリンクビーム中のサブバンドの数に等しい。出力モジュールは、入力モジュールに結合され、入力モジュールからの出力を出力モジュールの出力に選択的に結合する。
【０００８】
本発明の方法は、アップリンク信号を複数のグループにグループ化するステップを含んでおり、アップリンク信号の数が典型的にセルベースの送信マトリクス中のセルの数に等しく、グループの数が典型的にセルベースの送信マトリクス中の再使用パターンにおけるセルの数に等しく、ここで各グループが周波数再使用パターンで使用された各周波数からの信号を含んでいる。その後、アップリンク信号の各グループはサブバンド信号に分離され、その後それらは類似のサブバンド信号のグループにグループ化される。その後、類似のサブバンド信号のグループは衛星システム内で処理するために復調器に転送される。
【０００９】
本発明は、宇宙船環境での使用に適したスイッチマトリクスを提供する。本発明はまた、過度の信号損失を伴わずに１点対多点接続を実現するスイッチマトリクスを提供する。本発明はまた、機械的な設計および構成を容易にして宇宙船の費用を減少するスイッチマトリクスを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、同じ参照符号が対応した部品を一貫して表わす図面を参照して本発明を説明する。
以下の好ましい実施形態の説明において、本発明が実施される特定の実施形態が例示によって示されている添付図面を参照する。本発明の技術的範囲を逸脱することなく、他の実施形態が使用可能であり、構造的な変更が可能であることを理解すべきである。
【００１１】
［関連技術の概要］
スイッチマトリクスは一般に、衛星上の信号の再展開を可能にするために多数の衛星通信システム設計において使用されている。スイッチマトリクスは、入力信号がクロスバースイッチまたは別のタイプのスイッチマトリクスの使用によって所望される任意の出力に経路設定されることを可能にする。
【００１２】
クロスバースイッチまたはクローススイッチマトリクスのようないくつかの伝統的なスイッチマトリクス設計は本来は電話交換網のために設計されたものであり、ポイントツーポイント接続のために設計される。別のスイッチマトリクスは、コンピュータ内またはネットワークコンピュータ間の接続のために設計された。これらの設計のいくつかは、分離問題のためにマイクロ波信号には適さず、別のスイッチマトリクスは１点対多点接続を実現するためには、電力分割による過度の損失を伴う。多数の設計はまた小型部品からモジュラー方式で形成することが容易ではない。
【００１３】
本発明は、マイクロ波動作に適しており、著しく減少された量の電力分割により１点対多点接続を実現し、また小型部品からモジュラー方式で構成されることができる。
【００１４】
図１は、デジタル処理を行う衛星のアップリンクの例示的なブロック図を示している。
【００１５】
システム100 は、アップリンクアンテナ102 、ダウンコンバータ104 、スイッチマトリクス106 、復調器108 およびデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）110 を備えている。アップリンクアンテナ102 は、個々のダウンコンバータ104 にそれぞれ供給される、この場合は１２８のアップリンクビーム112 である多数のアップリンクビーム112 を受取る。ダウンコンバートされた各アップリンク信号114 はスイッチマトリクス106 に入力され、このスイッチマトリクス106 がその所定の出力に各信号を導く。スイッチマトリクスの出力信号116 は復調器108 に供給され、その後、処理のためにＤＳＰ110 に入力される。ＤＳＰ110 は、複数の復調器108 にサービスする能力を有している。
【００１６】
システム100 は通常、地上の送信機からのアップリンク情報を受取る衛星通信システムで使用される。これらの送信機は“セルラー”パターンで割当られており、各セルが所定の周波数帯域内で衛星に情報を送信する。ある周波数再使用グループのセル内の各セルは異なった周波数帯域を使用し、このようなグループがセルラーパターンで反復されて、システム中のセル全体の周波数再使用パターンが生じる。各セル内では、周波数帯域がサブバンドに分割される。各サブバンドは、加入者装置からの個々の信号を含み、各サブバンドはゼロ以上の信号を含むことができる。
【００１７】
たとえば、図１において、各復調器108 は８つのアップリンクサブバンドのうちの１つを復調する。トラフィックが均一ならば、各アップリンクビーム112 は２個の復調器108 を割当られ、各アップリンクビーム112 がその最大容量の１／４を伝送することができる。このような場合、各アップリンクビーム112 は、１２８のアップリンクビーム112 全てが復調器108 に接続されるまで、スイッチマトリクス106 等を使用せずに２個の復調器108 に直接ハードワイヤされることができる。
【００１８】
しかしながら、一般にトラフィックは均一ではなく、各アップリンクビーム112 は異なった量のトラフィックを伝送するため、スイッチマトリクス10がシステム100 の必要不可欠なものになる。さらに、トラフィック分布は衛星の寿命中に変化し、おそらく１時間等ごとに変化している。スイッチマトリクス106 は、アップリンクビーム112 に復調器108 を動的に割当るために使用される。図１の例では、１２８個の入力と２５６個の出力とを備えたスイッチマトリクス106 が必要である。
【００１９】
図１のスイッチマトリクス106 の最も簡単な設計は、各入力114 が全て任意の出力116 に任意の順序で接続され、各信号がスイッチマトリクス106 中の１つのスイッチに送られることのできるクロスバースイッチである。しかしながら、このような大型のクロスバースイッチマトリクス106 は１２８×２５６＝３２，７６８個のスイッチを必要とし、小型のスイッチからモジュラー方式で製造することは極めて困難である。
【００２０】
スイッチマトリクス106 中のスイッチの個数は、クロースアーキテクチャのようなアーキテクチャを使用することにより若干減少させることができるが、結果的に得られるマトリクスをモジュラー方式で製造することは依然困難である。クロスバーまたはクロース設計のスイッチマトリクス106 は、分離および接続問題のためにマイクロ波スイッチングネットワークに適合しないか、あるいはシステム100 に対して１点対多点要求を満たすことができないので、図１のシステム100 には適さない。
【００２１】
１個のアップリンク信号114 を多数の出力116 に放送するために、スイッチマトリクス106 の内部に電力分割器が必要である。分割されるアップリンク信号114 がさらに多くなると、スイッチマトリクス106 における電力損失がそれだけ一層大きくなる。宇宙船のような電力制限された適用において、この電力損失を可能な限り減少して、システム100 内の増幅器の必要性を減少し、消費電力と衛星上の重量を減少することが非常に重要である。
【００２２】
図１で説明したスイッチマトリクス106 に対して、１個のアップリンク信号114 は２５６個の出力116 のうちの８個に放送される能力を有していなければならない。この能力は一般に、スイッチングネットワークが後続する１：２５６電力分割器をスイッチマトリクス106 内で使用することによって提供される。衛星適用に対して、この方法は許容できないほど高い損失をスイッチマトリクス106 内で発生させる。
【００２３】
しかしながら、関連技術のスイッチマトリクス106 は、一般的なシステム100 の構成方法を考慮に入れて最適化されていなかった。第１に、多数のアップリンクビーム112 を備えた衛星ペイロードは一般に、４セルまたは７セル周波数再使用のような周波数再使用方式を使用する。周波数再使用方式では、隣接したセルは同じ周波数を使用できず、したがって同じサブバンドを使用することができない。これは、本発明に関してここで説明したように、スイッチマトリクス106 の接続要求を減少させる。第２に、復調器108 はサブバンドでグループ化されることが多く、たとえば、ある復調器108 は第１のサブバンドだけを復調し、他の復調器108 は第２のサブバンドだけを復調するような使用が行われる。１つの入力信号114 は、異なったサブバンドタイプの復調器108 の全てに放送される能力を有していなければならないが、１つの入力信号114 は所定のグループの復調器の中の２以上の復調器108 に放送される必要はない。したがって、本発明のスイッチマトリクスはシステム100 に必要な相互接続を依然として提供しながら、複雑性をさらに減少するものである。
【００２４】
［本発明の概要］
本発明は、機上処理により処理リソースを衛星ペイロードに対するアップリンクビームにフレキシブルに割当てることを可能にし、それによってプロセッサリソースをもっと効率的に使用できるようにする。このスイッチマトリクスの複雑性の軽減により、飛行任務を遂行するためにプロセッサにより要求される重量および電力が減少する。本発明は比較可能なスイッチマトリクスより簡単であり、また簡単なスイッチから構成されることができるため、衛星ペイロードに対して使用可能である。本発明のスイッチマトリクス内における電力分割量は減少するので、その損失および雑音指数が他の関連技術の設計よりも低くなる。
【００２５】
本発明は、多数のアップリンク信号をいくつかのサブバンドに分割する信号のデジタルまたはアナログ処理が行われる全ての衛星に適応する。本発明は、アップリンクトラフィック分布が時間的に変化するか、あるいはそれが打上げ前にあまりよく知られていない場合に非常に有効である。
【００２６】
図２は、本発明のスイッチマトリクスを示している。本発明のスイッチマトリクス200 を使用する衛星は、ｃセル周波数再使用を使用する多数のアップリンクビーム114 を使用し、ここでｃは再使用パターンのセルの数である。それ故、入力信号202Aは、入力スイッチモジュール204Aに入力され、１つの再使用パターン全体に等しいｃ個のアップリンクビームを含んでいる。ｃは一般に３，４，７，９または１２に等しいが、別の数であることが可能である。ｎは地上における再使用パターンの数である。したがって、アップリンクビーム114 の合計数は、ｎをｃ倍したもの（ｃ×ｎ）である。アップリンクビーム114 を完全に補足するために、ｎ個の入力スイッチモジュール204A乃至204Nがｃ×ｎのアップリンクビーム114 を全て受取るために使用される。
【００２７】
アップリンクビーム114 はマルチキャリアであり、復調を行うためにアップリンク信号114 はｄ個のサブバンドに分割される。したがって、各入力スイッチモジュール204A乃至204Nはｄ個の出力を備えていなければならない。出力スイッチモジュール206A乃至206Dは入力スイッチモジュール204A乃至204Nのそれぞれから１つの入力を受取らなければならず、したがってｎ個の入力を有している。１つの復調器108 はこれらｄのサブバンドの１つを復調することができ、ｍ個の復調器は各サブバンドに与えられる。それ故復調器108 の合計数はｄ×ｍであり、各出力スイッチモジュール206A乃至206Dはｍ個の出力信号を供給しなければならない。したがって、各出力スイッチモジュールはｎ×ｍマトリクスである。
【００２８】
本発明のスイッチマトリクス200 は、ｎ個の入力スイッチモジュール204A乃至204Nと、ｄ個の出力スイッチモジュール206A乃至206Dとを含んでいる。入力スイッチモジュール204Aへの各入力202Aは、単一のアップリンク再使用グループからのものなので、アップリンク周波数を共有できる入力202Aは１つもない。したがって、本発明のスイッチマトリクス200 はｃ×ｍ入力能力とｄ×ｍ出力能力とを有し、それによって過度の重量および電力消費を生ぜずにシステム100 の適切な相互接続を実現する。
【００２９】
［入力スイッチモジュール］
図３は本発明の入力スイッチモジュールの構造を示している。各入力スイッチモジュール204A乃至204Nは入力202A乃至202Nを受信する。簡明にするために、入力スイッチモジュール204Aが代表的な設計として示されている。信号300 および302 を含む信号202Aは、複数すなわち“ｃ”個の１対ｄ電力分割器304A乃至304Cに供給される。各電力分割器304A乃至304Cは、たとえば300 のような単一の入力信号を供給されて、たとえば306A乃至306D等の複数の実質的に等価な電力出力を信号300 から生成する。たとえば電力分割器304Aが１：４電力分割器であり、１００マイクロワット（μＷ）の入力信号300 が電力分割器304Aに供給された場合、電力分割器304Aは、各信号がほぼ２５μＷの４個の出力信号306A乃至306Dを生成する。電力分割器304A中においてある損失が生じており、そのために各信号の２５μＷの出力電力が何パーセントか減少する。関連技術では、類似の入力信号が２５６回分割され、各出力信号を１μＷより低くするため、増幅せずに処理することが困難になる。
【００３０】
各電力分割器304A乃至304Cからの各出力306A乃至306Dはｃ：１スイッチ308A乃至308Dに供給される。スイッチ308A乃至308Dはそれぞれ１つの出力310A乃至310Dだけを生成するため、各モジュール204 中にはｄ個のスイッチ308A乃至308Dが存在している。
【００３１】
［出力スイッチモジュール］
図４は本発明による例示的な出力スイッチモジュールを示している。代表的な出力スイッチモジュール206 として示されている出力スイッチモジュール206Aは集信機であり、たとえば出力スイッチモジュール206Aは入力モジュール204 からｎ個の入力信号310 を受信し、ｎ個のうちｍ個の入力信号310 だけが出力スイッチモジュール206Aからの出力信号116 になることを可能にする。出力スイッチモジュール206Aの各出力116 は全て、ｄ個のサブバンドの１つを復調する復調器108 に接続される。各出力116 は同じなので、出力スイッチモジュール206Aは関連技術のように完全に接続される必要はないが、出力スイッチモジュール206Aは、入力310 がどのように構成されていても入力310 のサブセットが出力116 に切替え可能であることを保証しなければならない。ｃセルの各グループはｄ個より多い復調器を使用できないため、１つのタイプの復調器の数であるｍは、周波数再使用グループの数であるｎ以下でなければにならない。
【００３２】
出力スイッチモジュール206 の複雑さは、ｎとｍにより大幅に変化する可能性がある。たとえば、ｍ＝ｎならば、出力スイッチモジュール206 は、切替え不要の入力310 から出力116 への簡単な接続になる。しかしながら、ｎがある数の二乗である場合、この出力モジュールはもっと簡単なサブモジュールから構築されることが可能である。図４に示されている一例のように、入力信号310 の数が６４であり、出力信号116 の数が３２である場合、８個の８×８入力サブモジュール400A乃至400Hと、８個の８×４出力サブモジュール402A乃至402Hとを使用して出力スイッチモジュール206 を構成することができる。出力モジュール206 の出力は全て同じなので、出力モジュールは完全に接続されなくてもよく、そのため本発明では、出力モジュール206 をクロスバーアーキテクチャより簡単なスイッチング方式により構成することが可能になる。しかしながら、示されている出力スイッチモジュール206Aは完全に接続されているので、周波数再使用ルールと、出力スイッチモジュール206 によりサポートされるべきプロセッサの容量とによりサポートされる地上の任意のトラフィックパターンが可能である。それ故、トラフィック分布が衛星の寿命中に変化した場合、新しいトラフィック分布をサポートするようにスイッチマトリクスを再構成することができる。
【００３３】
出力スイッチマトリクス206 を簡単なサブモジュール400 および402 から構成することにより、本発明の設計の製造および試験はフルクロスバースイッチより容易になる。各モジュールはそれ以外のものとは別々に生成され試験されることができ、多数の同じモジュールの生産により製品設計が容易になる。
【００３４】
上記の説明では、各出力サブモジュール402A乃至402Hの出力は、各タイプが異なったサブバンドを復調する異なったタイプの復調器に接続されている。しかしながら、周波数再使用により多数のアップリンクビームを有し、アップリンク帯域をいくつかのサブバンドに分割するデジタルまたはアナログのある種の処理を行う任意のペイロードにより、出力スイッチマトリクス206 を使用することができる。
【００３５】
［本発明の別の実施形態］
図５は、二重偏波アップリンク構成で使用される本発明によるスイッチマトリクスを示している。衛星システムはしばしば二重偏波アップリンクを使用し、いくつかの信号は右方向円偏波（ＲＨＣＰ）キャリアで送信され、その他の信号は左方向円偏波（ＬＨＣＰ）キャリアで送信される。いくつかのシステムでは、アップリンクビームの半分がＲＨＣＰを使用し、アップリンクビームの他の半分がＬＨＣＰを使用するように、特定のアップリンクビーム中のユーザは１つの偏波だけを使用するように制約される。
【００３６】
図５に示されているように、システム500 はアップリンクビーム114 を半分に分割する。再使用グループの中のアップリンクビーム114 の半分はＬＨＣＰであり、１つの入力モジュール502Aの中でグループ化され、一方他方の入力ビームはＲＨＣＰであり、別の入力モジュール502Bの中でグループ化される。結果的に得られるシステム500 は、入力モジュール502A乃至502Bの数がシステム200 の２倍であるが、各入力モジュール502A乃至502Bが有する入力の数は入力モジュール204A乃至204Nの半分である。
【００３７】
システム500 では両偏波が使用されるため、宇宙船の最大容量は２倍になり、これは、２倍の数の復調器108 が宇宙船によって使用可能なことを意味する。したがって、全ての各再使用パターンが両偏波を使用できるため、復調器の数であるｍは、地上での再使用パターンの数である２ｎと同じ大きさになることができる。それ故、出力スイッチモジュール504A乃至504Bは、総数２ｎの入力と総数ｍの出力とを含んでいなければならない。
【００３８】
図５は、アップリンクビーム114 の数が偶数の場合を示している。しかしながら、アップリンクビーム114 の数は奇数であることも可能であり、その場合には２で割切ることが不可能になる。アップリンクビーム114 の数が奇数である場合には、ｃ／２入力ビーム506 は総数（ｃ＋１）／２となり、また出力スイッチモジュール504A乃至504Bへの入力508 の数は２ｃ×ｎ／（ｃ＋１）になる。
【００３９】
図６は、偏波がアップリンクビーム内で変化する二重偏波アップリンク構成で使用される本発明によるスイッチマトリクスを示している。図５に関して説明したように、いくつかの衛星システムは、偏波されたアップリンクビームを使用している。図５は、１つの偏波だけを使用するように制約された特定のアップリンクビームの中のユーザを説明したシナリオを示していた。図５のシナリオは、各アップリンクビームに対して固定された偏波に制限されていたが、この偏波は衛星の寿命中に変化する可能性がある。図６は、このようなシナリオで使用されることのできるスイッチマトリクスを示している。
【００４０】
システム600 は、再使用グループの中の各セルｃ全てからの入力信号144 を使用するが、各入力スイッチモジュール602A乃至602Nからの出力の数を帯域幅の数の２倍、すなわち２ｄに倍増させる。入力スイッチモジュール602A乃至602Nからの出力の数を増加させるために、各出力スイッチモジュール606A乃至606Dへの入力604 の数が地上での再使用パターンの数の２倍、すなわち２ｎに増加される。図５の場合のように、両方の偏波が使用されるので、復調器108 の数、すなわちｍが２ｎと同じ大きさになることにより宇宙船の最大容量が２倍に増加される。しかしながら、システム600 では、各入力スイッチモジュール602 は出力スイッチモジュール606A乃至606Dに結合された２個の出力608A乃至608Dを有しており、たとえば入力スイッチモジュール602Aは、出力スイッチモジュール606A上の番号１および２の入力604 に結合された２個の出力608Aを有している。システム600 はまた、そのシステム内に冗長性を生じさせるために使用されることが可能であり、たとえば、もし入力スイッチモジュール602Aの出力１が故障した場合、出力２が依然として入力スイッチモジュール602Aを出力スイッチモジュール606Aに接続することができる。
【００４１】
図７は、多数の偏波を同時に使用することのできる本発明によるスイッチマトリクスを示している。システム700 は、各偏波に対して１つづつビームごとに２個の出力ポートを使用するアップリンクアンテナを使用するシステムを示している。この２個の出力ポートの使用によりアンテナ出力の数が２倍になり、それによってスイッチマトリクス700 への入力114 の数が２倍になる。入力スイッチモジュール702A乃至702Nの数は２ｎに倍増し、各セルグループに対して１個の入力スイッチモジュール702A乃至702Nが割当られる。図５および６の場合のように、両方の偏波が使用され、したがって復調器108 の数が地上でのセルパターンの数の２倍に等しくなり、それによって強制的に出力スイッチモジュール704A乃至704Dへの入力の数が２ｎにされ、また出力の数が２ｎと同じ大きさのｍにされるため、宇宙船の最大容量が２倍に増加される。
【００４２】
［冗長設計］
図２乃至７の設計は全て、単一地点の故障に対して若干弱い。しかしながら、宇宙船内における単一地点故障を回避するために、冗長性が本発明のスイッチマトリクス中において設計されることができる。たとえば、出力モジュール206Aの出力ポート上のスイッチが故障した場合、スイッチに後続する復調器108 はもはや入力を受信しないため使用できない。このために、信号が本発明のスイッチマトリクスを通ってそのサブバンドに対して再度ルート設定されることを可能にするために、各サブバンド中に付加的な復調器108 が設置されることができる。
【００４３】
本発明はまた、マトリクス自身の中の単一地点故障を回避するために冗長性を内蔵することができる。たとえば、図２を参照すると、ｎ×ｄの相互接続が入力スイッチモジュール204A乃至204Nと出力スイッチモジュール206A乃至206Dとの間に存在する。ｍ×ｄの出力116 しか存在せず、またｍ＜ｎであるため、入力スイッチモジュール204A乃至204Nと出力スイッチモジュール206A乃至206Dとの間相互接続のいくつかを通って伝送される信号は使用できない。これらの相互接続のいずれかの側でスイッチのいくつかが損傷を受けて使用不可能になった場合、システムに対する影響は一般にそれ程大きくはない。
【００４４】
他方、スイッチマトリクスへの入力ポートの故障はかなり深刻である。再び図２を参照すると、アップリンクビーム114 を受ける入力ポートの１つが使用できない場合、そのポートに接続されたアップリンク114 もまた使用不可能である。この結果、その端末が衛星にアップリンクすることのできない衛星のカバーレージ中の穴が発生する。入力ポートは１：ｃ電力分割器に接続され、またこの受動装置は一般に能動スイッチほど頻繁には故障しないが、わずかな故障の可能性であっても許容できないことが多い。これらの場合には、入力モジュールは、それがもっと冗長になるように再設計されることができる。
【００４５】
図８は、本発明による冗長な入力接続を備えた単一の入力モジュールを示している。
【００４６】
一般に、スイッチマトリクスへの入力は、図１に示されているようにダウンコンバータ104 を含んでいる。スイッチマトリクスに対する入力の冗長性は、ダウンコンバータ104 の冗長性と結合されることができる。たとえば、アップリンクセル112 は、ダウンコンバータ104 へ直接的な入力でされる代りに、冗長マトリクス800 への入力される。冗長マトリクスは、任意のレベルの冗長性を提供するために使用されることができるが、説明を容易にするために、ここではｃに対するｃ＋１の冗長性を説明する。たとえば、ｃ個のセルが再使用グループ中に存在しているため、入力スイッチモジュール204A上の１つの入力ポートの故障が、所定のアップリンクビーム112 に対する単一地点故障とならないようにするために１個の付加的な出力が各冗長マトリクス800 から提供される。これは入力スイッチモジュール204Aに入力802A乃至802Nを与え、それによって（ｃ＋１）×ｄマトリクスになる。ｃマトリクスに対して冗長マトリクス800 をｃ＋ｎにし、また入力スイッチモジュールを（ｃ＋ｎ）×ｄマトリクスにすることによって付加的な冗長性または別の冗長性方式が提供されることが可能なことを理解することができる。
【００４７】
図９は、図５の実施形態に関連した本発明の冗長入力マトリクスの別の例を示している。セルごとに固定された偏波を有する４個のセルの再使用システムに対する入力ビーム112 は、７に対して８の冗長性を提供する冗長マトリクス801 への４個の入力を使用する。冗長マトリクス801 は、単一の偏波に対して８個の出力、すなわち802A乃至802Hを生成する。入力スイッチモジュール204Aおよびモジュール304A乃至304Dのそれぞれに対して各出力802A乃至802Hが与えられる。合計８つのサブバンドが存在し、したがってモジュール304A乃至304Dは８個の出力を生成する。ダウンコンバータ104 の冗長性は、入力スイッチモジュール204Aへの入力のように７に対して８である。
【００４８】
冗長マトリクス800 はまた、各アップリンクビーム112 に冗長性を提供する。入力スイッチモジュール204Aへの入力、たとえば入力802Aが故障した場合、番号１のアップリンクビーム112 は、後に入力スイッチモジュール204Aおよびモジュール304Aを通って番号１のアップリンクビーム112 を切換えることのできる入力802Bに対してルートを再度設定されることができる。これは、アップリンクビーム112 を入力802Aまたは802Bのいずれかにルート設定することのできるハイブリッド900 および902 を使用することによって行われる。アップリンクビーム112 の全てに対して同じ結果が得られる。
【００４９】
ダウンコンバータ104 がどのように構成されるかに応じて、番号３のアップリンクビーム112 からの信号は、番号２のアップリンクビーム112 からの信号または番号４のアップリンクビーム112 からの信号と対にされることができる。番号２、３および４のアップリンクビーム112 は全て同じ偏波割当てを有していなければならず、番号３のアップリンクビーム112 は、番号２のアップリンクビーム112 や番号４のアップリンクビーム112 と周波数を共有する可能性のないセルから発生しなければならない。好ましくは、冗長マトリクス800 に割当られたアップリンクビーム112 は全て同じ偏波割当てを有していなければならず、また隣接する入力に割当られたアップリンクビーム112 は、同じセル周波数再使用パターン中にあるため、周波数を共有する可能性のないセルから発生しなければならない。
【００５０】
図９の設計は、ある冗長性をダウンコンバータ104 および入力スイッチモジュール204Aの入力の中に提供するが、図９の設計は単一の冗長マトリクス800 中の２個のダウンコンバータ104 が故障することを許容できず、また入力スイッチモジュール204Aの入力モジュール304A乃至304Dに対して何等の冗長性も与えない。
【００５１】
図１０は、ダウンコンバータおよび本発明の入力スイッチモジュール中に冗長性を提供する設計を示している。
【００５２】
システム1000は、２個の冗長マトリクス800 を含んでいる。各冗長マトリクス800 内において、各アップリンクビーム112 がハイブリッド電力分割器900 に入力され、このハイブリッド電力分割器900 が２個の異なったダウンコンバータ104 に出力する。この構成は、ダウンコンバータ104 を完全に１に対して２の冗長性を有するものにするため、２以上のダウンコンバータ104 が単一の冗長マトリクス800 において故障することができる。
【００５３】
各アップリンクビーム112 はまた、入力スイッチモジュール204A内の２個の異なった電力分割器モジュール304A乃至304Hに送られる。たとえば、アップリンクビーム112 の主出力1002はモジュール304A上の入力に送られ、一方アップリンクビーム112 の冗長出力1004は、別のモジュール304B上の入力に送られる。図１０の構成により、入力スイッチモジュール204Aは１個の入力モジュール304A乃至304Hの故障に耐えることができる。図９の場合のように、アップリンクビーム112 は、隣接した入力が同じ偏波割当てを有するセルから入来し、セル周波数再使用パターン内に入るように対にされなければならない。
【００５４】
図１１および１２は、図１０の構成における故障の例を示している。図１１に示されているように、番号１１のアップリンクビーム112 に対する主ダウンコンバータ104 であるダウンコンバータ104Pが故障している。宇宙船は、自律動作、ダウンコンバータ104Pの監視あるいは手動介入のいずれかにより、冗長ダウンコンバータ104Rに切換えることができる。モジュール304Gへの入力1100は、もはやダウンコンバータ104Pからの入力を受信しない。しかしながら、番号１１のアップリンクビーム112 は依然として、入力スイッチモジュール204Aを通ってモジュール304Fへの入力1102に切換えられることができる。別のアップリンクビーム112 もまた、干渉を防止するために入力スイッチモジュール204Aを通って切換えられなければならない可能性がある。たとえば、代表的に番号９のアップリンクビーム112 は番号１１のアップリンクビーム112 と共に４セル再使用パターン内に入っていないので、番号９のアップリンクビーム112 もまた、この番号９のアップリンクビーム112 に関連した冗長ダウンコンバータ104Rに切換えられる。入力1104は番号９のアップリンクビーム112 からの入力をもはや受信せず、この番号９のアップリンクビーム112 からの入力は、入力スイッチモジュール204Aを通ってモジュール304E上の入力1106にスイッチされ、番号８のアップリンクビームと対にされる。トラフィック密度が低い場合、また、番号９のアップリンクビーム112 が番号１１のアップリンクビーム112 と同じサブバンドを使用する必要がない場合、番号９のアップリンクビーム112 は、主ダウンコンバータ104Pが故障するまで、あるいはその番号９のアップリンクビーム112 と番号１１のアップリンクビーム112 が同じサブバンドを使用しなければならないほど十分にその領域中のトラフィックが重くなるまで、この主ダウンコンバータ104Pへの入力1104を続行することができる。
【００５５】
図１２は、入力スイッチマトリクス204A中のモジュール304Bが故障した例を示している。モジュール304Bが故障した場合、入力スイッチモジュール204Aはこのモジュール304Bに対する全ての入力を使用できなくなる。主入力1200および1202は、冗長入力1204および1206にそれぞれスイッチされなければならない番号３のアップリンクビーム112 と番号４のアップリンクビーム112 に関連している。
【００５６】
正しいアップリンクビーム112 のペアリングを維持するために、入力スイッチマトリクス204A内において別のスイッチングを行わなければならないかもしれない。たとえば、番号５、６および７のアップリンクビーム112 もまた、適切なペアリングまたはトラフィック密度を維持するために入力1208乃至1212にそれぞれスイッチされる必要がある。トラフィック密度が十分に低い場合、関連した主ダウンコンバータ104 により番号５、６および７のアップリンクビーム112 のいくつかが維持される可能性があるが、単一のモジュール304 上に３個の活動的な入力が存在している場合は常に、ペイロードが関連したセルに容量を集中する能力が低下している可能性がある。
【００５７】
図１３は、本発明のスイッチマトリクスの完全な設計を示している。各セルが偏波の１つだけを使用する２つの偏波を伴う４セル再使用パターンに対して、図１３のシステム1300を使用することができる。設計は、総数１１２個のアップリンクセルを使用するため、１１２個のアップリンクビーム112 がダウンコンバータ104 中に送られる。ダウンコンバータ104 の冗長性は１に対して２であり、主および冗長ダウンコンバータ104 はスイッチマトリクスへの別々の接続を有し、総接続数は２２４である。入力モジュール304 は４個の入力と８個の出力とを有し、図１０に示されているようにダウンコンバータ104 に接続されている。アップリンク帯域幅は８つのサブバンドに分割されるため、８個の異なるタイプの復調器108 が存在している。各サブバンドに対して３２個の復調器108 が使用されているが、一般的に、容量仕様を満たすのに必要とされる復調器はもっと少なく、たとえば２８個である。各サブバンドにおける余分の４個の復調器108 は冗長の目的で使用される。
【００５８】
［パッケージング］
図１４のＡおよびＢは従来技術と比較される本発明のパッケージングを示している。
【００５９】
図１４のＡは、本発明のスイッチマトリクスに対するパッケージ方式を示している。スイッチマトリクス1400は、入力マトリクス1402と、インターフェース板1404と、出力マトリクス1406とから構成されている。入力マトリクスは多数の“スライス”1408を有し、各スライスが入力モジュール1410を含んでいる。出力マトリクス1406は、相互接続マトリクス1412および出力モジュール1414を含んでおり、複数の“スライス”から構成され、各スライスが相互接続マトリクス1412および出力モジュール1414を含んでいる。入力モジュール1410は、インターフェース板1404によって相互接続マトリクス1412に接続されている。したがって、入力モジュール1410を相互接続マトリクス1412に適切に接続するために非常に多数の信号がインターフェース板1404を通過しなければならない。
【００６０】
図１４のＢは、本発明のスイッチマトリクス1416に対する簡単なパッケージ設計を示す別のパッケージング設計を示している。スイッチマトリクス1416は、インターフェース板1404または相互接続マトリクス1412を必要とせずに出力モジュール1414に直接結合された入力モジュール1408を含んでいる。これによって信号密度が低下し、したがってスイッチマトリクス1416の複雑さが軽減され、本発明のスイッチマトリクス1416の製造、試験および宇宙船への集積がさらに容易になる。しかしながら、スイッチマトリクス1416は図１４のＡのパッケージング設計のように完全に接続されたマトリクスではない。したがって、スイッチマトリクス1416が飛行中に信号を再度分配する能力は低くなる。これは、ビームが特定のセクションにグループ化され、また、あるセクションと別のセクションとの間でのスイッチングはできないためである。しかしながら、多くの適用において完全に接続されたマトリクスは必要ではなく、したがってスイッチマトリクス1416の製造、試験および宇宙船への集積を簡単にするために図１４のＢのパッケージングが使用されることができる。
【００６１】
［プロセスチャート］
図１５は本発明を実施するために使用されるステップを示すフローチャートである。
【００６２】
ブロック1500において、アップリンク信号を複数のグループにグループ化するステップが行われ、グループの数は少なくともセルベースの送信マトリクス中のセルの個数に等しく、各グループは周波数再使用パターンで使用される各周波数からの信号を含んでいる。
【００６３】
ブロック1502において、アップリンク信号の各グループをサブバンド信号に分離するステップが行われる。
【００６４】
ブロック1504において、類似するサブバンド信号のグループを生成するためにアップリンク信号のグループからの同様のサブバンド信号をグループ化するステップが行われる。
【００６５】
ブロック1506において、衛星システム内で処理するために同様のサブバンド信号のグループを復調器に転送するステップが行われる。
【００６６】
［結論］
これは、本発明の好ましい実施形態の説明の結論である。以下のパラグラフにおいて、同じ目的を達成するいくつかの別の方法を説明する。本発明は、ＲＦおよび電気システムに関して説明されているが、同じ目的を達成するために光学システムにより使用されることも可能である。さらに、スイッチマトリクス中のスイッチは、実際のスイッチ、ハイブリッド電子装置、あるいは同様に機能するその他のスイッチング機構であることができる。
【００６７】
要約すると、本発明は、スイッチマトリクスによって信号をスイッチする方法および装置を開示している。本発明の装置は、入力モジュールと出力モジュールとを備えている。入力モジュールは、一般に再使用パターン中のセルと同数の複数の入力を有し、その入力が少なくとも１つのアップリンクビームを受ける。入力モジュールはまた複数の出力を有し、その複数の出力は一般にアップリンクビーム中のサブバンドの数に等しい。出力モジュールは、入力モジュールに結合され、入力モジュールからの出力を出力モジュールの出力に選択的に結合する。
【００６８】
本発明の方法は、アップリンク信号を複数のグループにグループ化するステップを含んでおり、グループの数は典型的にセルベースの送信マトリクス中の再使用パターンにおけるセルの数に等しく、各グループが周波数再使用パターンで使用された各周波数からの信号を含んでいる。その後、アップリンク信号の各グループはサブバンド信号に分離され、その後それらは類似のサブバンド信号のグループにグループ化される。その後、類似のサブバンド信号のグループは衛星システム内で処理するために復調器に転送される。
【００６９】
上記の本発明の好ましい実施形態の説明は例示および説明のために記載されたに過ぎず、それ以外のものを排除するものではなく、本発明を開示されたとおりの形態に制限するものでもない。上記の教示にしたがって多数の修正および変形が可能である。本発明の技術的範囲は、この詳細な説明ではなく、添付された特許請求の範囲により限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】デジタル処理を行う衛星のアップリンクの例示的なブロック図。
【図２】本発明のスイッチマトリクスの概略図。
【図３】本発明の入力スイッチモジュールの構造の概略図。
【図４】本発明による出力スイッチモジュールの概略図。
【図５】二重偏波アップリンク構成で使用される本発明によるスイッチマトリクスの概略図。
【図６】偏波がアップリンクビーム内で変化する二重偏波アップリンク構成で使用される本発明によるスイッチマトリクスの概略図。
【図７】多数の偏波を同時に使用することのできる本発明によるスイッチマトリクスの概略図。
【図８】本発明による冗長入力接続を備えた単一の入力モジュールの概略図。
【図９】本発明の冗長入力マトリクスの特定の例を示す概略図。
【図１０】ダウンコンバータおよび本発明の入力スイッチモジュール中に冗長性を提供する設計を示す概略図。
【図１１】図１０の構成内における故障の例示した説明図。
【図１２】図１０の構成内における故障の例示した説明図。
【図１３】本発明のスイッチマトリクスの完全な設計の概略図。
【図１４】従来技術と比較される本発明のパッケージングを示す概略図。
【図１５】本発明を実施するために使用されるステップを示すフローチャート。

Claims (11)

1. 入力モジュールと、
   出力モジュールとを備えており、
   前記入力モジュールは、複数の入力と複数の出力とを有しており、前記複数の入力が再使用パターン中のセルの数に等しいか、再使用パターン中のセルの数より１だけ大きい数であり、あるいは再使用パターン中のセルの数の２倍だけ大きい数であり、その入力が少なくとも１つのアップリンクビームを受信し、前記複数の出力がアップリンクビーム中のサブバンドの数以上であり、
   前記出力モジュールは入力モジュールに結合され、入力モジュールからの出力が出力モジュールの出力に選択的に結合され、前記出力モジュールの出力が復調器に結合されていることを特徴とするアップリンクビームを復調器に結合するスイッチマトリクス。
2. 出力モジュールは入力モジュールに直接結合されている請求項１記載のスイッチマトリクス。
3. 入力モジュールは冗長モジュールを含んでいる請求項１記載のスイッチマトリクス。
4. 入力モジュールは異なった偏波のアップリンクビームを受信する請求項１記載のスイッチマトリクス。
5. 入力モジュールは単一の偏波のアップリンクビームを受信する請求項４記載のスイッチマトリクス。
6. セルパターン中のセルから入力を受信する衛星システム中の復調器にアップリンクビームを結合するスイッチマトリクスにおいて、
   複数の入力モジュールと、
   複数の出力モジュールを具備し、
   前記複数の入力モジュールは、それぞれ衛星システムに対する再使用パターンにおけるセルの数に等しいか、再使用パターン中のセルの数より１だけ大きい数であり、あるいは再使用パターン中のセルの数の２倍だけ大きい数である複数の入力を具備し、
   前記各入力モジュールは、
   衛星システムに対する再使用パターンにおけるセルの数に等しいか、再使用パターン中のセルの数より１だけ大きい数であり、あるいは再使用パターン中のセルの数の２倍だけ大きい数である複数の電力分割器と、
   前記複数の電力分割器に結合され、それぞれ衛星システムに対する再使用パターンにおけるセルの数に等しいか、再使用パターン中のセルの数より１だけ大きい数であり、あるいは再使用パターン中のセルの数の２倍だけ大きい数である複数の入力を受取る複数のスイッチモジュールとを具備し、
   前記各電力分割器は、各入力を複数の実質的に等しい電力出力に分割し、分割された電力出力の数が衛星システムにより使用されるサブバンドの数以上であり、
   前記複数のスイッチモジュールの数は、衛星システムにより使用されるサブバンドの数以上であり、
   前記複数の出力モジュールは、前記複数のスイッチマトリクスを通って前記入力モジュールに結合され、各出力モジュールがセルパターン中のセルの数以上の複数の入力を有しており、
   前記出力モジュールは、
   第１の組の出力マトリクスと、
   第２の組の出力マトリクスとを具備し、
   第１の組の出力マトリクスの各出力マトリクスが衛星システムにより使用されるサブバンドの数以上の複数の入力を具備し、
   第２の組の出力マトリクスは第１の組の出力マトリクスに結合され、第２の組の出力マトリクスの各出力マトリクスが各サブバンドにおいて衛星システムによって使用される復調器の数以上の複数の出力を有していることを特徴とするスイッチマトリクス。
7. 各出力モジュールは入力モジュールに直接結合されている請求項６記載のスイッチマトリクス。
8. 入力モジュールは冗長モジュールを含んでいる請求項６記載のスイッチマトリクス。
9. 入力モジュールは異なった偏波のアップリンクビームを受信する請求項６記載のスイッチマトリクス。
10. 各入力モジュールは単一の偏波のアップリンクビームを受信する請求項９記載のスイッチマトリクス。
11. アップリンク信号がセルベースの送信マトリクスによって発生され、周波数再使用パターンがセルマトリクス中で使用され、アップリンク信号がサブバンド信号を含んでいる、衛星システム中のスイッチマトリクスによるアップリンク信号のスイッチング方法において、
    アップリンク信号を複数のグループにグループ化し、このグループの数がセルベースの送信マトリクスのセル再使用パターンの数に等しいか、再使用パターン中のセルの数より１だけ大きい数であり、あるいは再使用パターン中のセルの数の２倍だけ大きい数であり、各グループが周波数再使用パターンにおいて使用された各周波数からの信号を含んでおり、
    アップリンク信号の各グループをサブバンド信号に分離し、
    類似のサブバンド信号のグループを生成するためにアップリンク信号のグループからの類似のサブバンド信号をグループ化し、
    衛星システム内で処理するために類似のサブバンド信号のグループを復調器に転送するステップを含んでいることを特徴とする方法。

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