KR102338828B1 - 위성과 같은 릴레이에 의해 링크된 액세스 노드들과 사용자 단말기들 간의 통신들을 위한 지상 기반 안테나 빔 형성 - Google Patents

위성과 같은 릴레이에 의해 링크된 액세스 노드들과 사용자 단말기들 간의 통신들을 위한 지상 기반 안테나 빔 형성 Download PDF

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Abstract

말단간 빔 형성 시스템들(500)은 사용자 빔 커버리지 영역들(519)에 위치하는 사용자 단말기들(517)에 통신들을 제공하기 위한 말단간 릴레이들(503, 1202, 3403) 및 지상 네트워크들(502)을 포함한다. 지상 세그먼트는 지리적으로 분산된 액세스 노드들(515) 및 중앙 처리 시스템(505)을 포함할 수 있다. 사용자 단말기들로부터 송신된 역방향 업링크 신호들(525)은 말단간 릴레이에서 복수의 수신/송신 신호 경로(1702)에 의해 유도된 다중 경로를 가지며, 지상 네트워크로 릴레이된다. 지상 네트워크는, 빔 형성기들(513, 531)을 사용하여, 역방향 다운링크 신호들(527)로부터 사용자 단말기들에 의해 송신된 사용자 데이터 스트림들을 복구한다. 지상 네트워크는, 빔 형성기들(513, 529)을 사용하여, 말단간 릴레이에 의한 릴레이 후에 사용자 빔들을 형성하도록 결합되는 순방향 다운링크 신호들(522)을 생성하는 순방향 업링크 신호들(521)을 사용자 데이터 스트림들의 적절하게 가중화된 조합들로부터 생성한다.

Description

위성과 같은 릴레이에 의해 링크된 액세스 노드들과 사용자 단말기들 간의 통신들을 위한 지상 기반 안테나 빔 형성{GROUND BASED ANTENNA BEAMFORMING FOR COMMUNICATIONS BETWEEN ACCESS NODES AND USERS TERMINALS LINKED BY A RELAY SUCH AS A SATELLITE}
개시된 시스템들, 방법들 및 장치들은 말단간 릴레이를 사용하는 시스템에서의 말단간 빔 형성에 관한 것이다.
위성 통신 시스템들과 같은 무선 통신 시스템들은 오디오, 비디오 및 다양한 다른 종류의 데이터를 포함한 데이터가 한 위치에서 다른 위치로 통신될 수 있는 수단을 제공한다. 정보는 제1 지상 기반 국(ground-based station)과 같은 제1 국에서 생성되고, 통신 위성과 같은 무선 릴레이로 송신된다. 무선 릴레이에 의해 수신된 정보는 제2 지상 기반 국과 같은 제2 국으로 재송신된다. 일부 무선 릴레이 통신 시스템들에서, 제1 또는 제2 국(또는 둘 모두)은 에어크래프트(aircraft), 워터크래프트(watercraft) 또는 랜드크래프트(landcraft)와 같은 크래프트 상에 탑재된다. 정보는 단지 한 방향으로(예를 들어, 제1 지상 기반 국으로부터 제2 지상 기반 국으로만) 송신될 수 있거나, 양방향으로(예를 들어, 제2 지상 기반 국으로부터 제1 지상 기반 국으로도) 송신될 수 있다.
무선 릴레이가 위성인 무선 릴레이 통신 시스템에서, 위성은 정지 위성일 수 있으며, 이 경우에 위성의 궤도는 지구의 회전에 동기화되어, 위성의 커버리지 영역을 지구에 대해 본질적으로 정지하도록 유지한다. 다른 경우에, 위성은 위성이 그의 궤도 경로를 통과함에 따라 위성의 커버리지 영역이 지구의 표면 위에서 이동하게 하는 지구 주위의 궤도 내에 있다.
제1 국으로 또는 제1 국으로부터 지향된 신호들은 신호를 좁은 빔으로 포커싱하도록 형상화된 안테나를 사용함으로써 지향될 수 있다. 그러한 안테나들은 전형적으로 빔을 포커싱하기 위한 포물면 형상의 반사기를 갖는다.
일부 경우들에서, 빔은 위상 어레이 안테나의 여러 요소로부터 송신되거나, 수신되거나, 송수신되는 신호들의 이득 및 위상(또는 시간 지연)을 조정함으로써 전자적으로 형성될 수 있다. 위상 어레이 안테나의 각각의 요소에 의해 송신 및/또는 수신되는 상대 위상 및 이득을 적절히 선택함으로써, 빔이 지향될 수 있다. 대부분의 경우, 지상 기반 국으로부터 송신되는 모든 에너지는 하나의 무선 릴레이에 의해 수신되도록 의도된다. 유사하게, 제2 국에 의해 수신되는 정보는 전형적으로 한 번에 하나의 무선 릴레이로부터 수신된다. 따라서, (전자 빔 형성의 사용에 의해서든지 또는 형상화된 반사기를 갖는 안테나의 사용에 의해서든지 간에) 정보를 무선 릴레이로 송신하도록 형성된 송신 빔은 가능한 한 많은 송신 에너지가 무선 릴레이로 지향되는 것을 허용하도록 비교적 좁은 것이 전형적이다. 마찬가지로, 무선 릴레이로부터 정보를 수신하도록 형성된 수신 빔은 다른 소스들로부터의 간섭이 최소인 상태로 무선 릴레이의 방향으로부터 에너지를 수집하기 위해 전형적으로 좁다.
관심 대상의 많은 경우에, 무선 릴레이로부터 제1 및 제2 국들로 송신되는 신호들은 단일 국으로 지향되지는 않는다. 오히려, 무선 릴레이는 비교적 넓은 지리적 영역에 걸쳐 신호들을 송신할 수 있다. 예를 들어, 하나의 위성 통신 시스템에서, 위성은 미국 대륙 전체를 서비스할 수 있다. 그러한 경우에, 위성은 미국 대륙 전체를 포함하는 위성 커버리지 영역을 갖는 것으로 일컬어진다. 그럼에도 불구하고, 위성을 통해 송신될 수 있는 데이터의 양을 증가시키기 위해, 위성에 의해 송신되는 에너지는 빔들로 포커싱된다. 빔들은 지구 상의 지리적 영역들로 지향될 수 있다.
도면들은 예시의 목적으로만 제공되며 단지 예들을 묘사할 뿐이다. 이들 도면은 개시된 방법 및 장치에 대한 독자의 이해를 용이하게 하기 위해 제공된다. 이들은 청구된 발명의 폭, 범주 또는 적용 가능성을 제한하지 않는다. 명료함 및 예시의 용이함을 위해, 이들 도면은 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다.
도 1은 위성 통신 시스템의 예의 예시이다.
도 2는 미국 대륙을 커버하는 빔들의 예시적인 패턴을 나타내는 도면이다.
도 3은 위성이 위상 어레이 빔당 다중 피드(multi-feed per beam) 온-보드 빔 형성 능력을 갖는 위성 통신 시스템의 순방향 링크의 예의 예시이다.
도 4는 지상 기반 빔 형성을 갖는 위성 통신 시스템의 순방향 링크의 예의 예시이다.
도 5는 예시적인 말단간 빔 형성 시스템의 예시이다.
도 6은 역방향으로의 신호들에 대한 예시적인 신호 경로들의 예시이다.
도 7은 사용자 단말기로부터 역방향으로의 예시적인 신호 경로들의 예시이다.
도 8은 예시적인 말단간 역방향 채널 행렬 모델의 단순화된 예시이다.
도 9는 순방향으로의 예시적인 신호 경로들의 예시이다.
도 10은 사용자 빔 커버리지 영역 내에 위치하는 사용자 단말기로의 순방향으로의 예시적인 신호 경로들의 예시이다.
도 11은 예시적인 말단간 순방향 채널 행렬 모델의 단순화된 예시이다.
도 12는 순방향 및 역방향 데이터를 지원하는 예시적인 말단간 릴레이 위성의 예시이다.
도 13은 두 부분으로 분할되는 업링크 주파수 범위의 예의 예시이다.
도 14는 순방향 데이터와 역방향 데이터 간에 시간 다중화되는 예시적인 말단간 릴레이의 예시이다.
도 15는 위성으로서 구현된 예시적인 말단간 릴레이의 컴포넌트들의 블록도이다.
도 16은 위상 시프터를 포함하는 예시적인 트랜스폰더의 블록도이다.
도 17은 몇몇 안테나 요소의 예시적인 신호 강도 패턴들의 그래프이다.
도 18은 몇몇 안테나 요소에 대한 예시적인 3 dB 신호 강도 등고선들의 예시이다.
도 19는 몇몇 안테나 요소의 예시적인 중첩 신호 강도 패턴들의 예시이다.
도 20a 내지 도 20e는 몇몇 안테나 요소에 대한 예시적인 중첩 3 dB 신호 강도 등고선들의 예시이다.
도 21은 16개의 안테나 요소 및 그들의 중첩 3 dB 신호 강도 등고선들의 예시적인 열거의 예시이다.
도 22는 16개의 트랜스폰더를 통한 송신 안테나 요소들에 대한 수신 안테나 요소들의 예시적인 매핑들을 나타내는 표이다.
도 23은 포물면 안테나 반사기 및 포물선의 초점에 중심을 갖는 요소들의 어레이의 단면의 예시이다.
도 24는 포물면 안테나 반사기 및 포물선의 초점으로부터 떨어져 배치된 요소들의 어레이의 단면의 예시이다.
도 25는 예시적인 릴레이 커버리지 영역(단일 크로스 해칭으로 도시됨) 및 6개의 안테나 요소 커버리지 영역 내에 또한 포함되는 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들에 의해 정의된 영역(이중 크로스 해칭으로 도시됨)의 예시이다.
도 26은 릴레이 커버리지 영역 내의 모든 포인트들이 적어도 4개의 안테나 요소 커버리지 영역 내에 또한 포함되는 예시적인 릴레이 안테나 패턴의 예시이다.
도 27은 액세스 노드들(AN들) 및 사용자 빔 커버리지 영역들의 예시적인 분포의 예시이다.
도 28은 전개된 AN들의 수의 함수로서의 정규화된 순방향 및 역방향 링크 용량의 예시적인 그래프이다.
도 29는 말단간 빔 형성 시스템을 위한 예시적인 지상 세그먼트(502)의 블록도이다.
도 30은 순방향/역방향 빔 형성기의 블록도이다.
도 31은 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 이용하는 다수의 역방향 시간-슬라이스 빔 형성기를 포함하는 예시적인 순방향 빔 형성기의 블록도이다.
도 32는 순방향 시간-슬라이스 빔 형성기의 동작을 도시하는 단순화된 예시적인 지상 세그먼트의 예시이다.
도 33은 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 이용하는 다수의 역방향 시간-슬라이스 빔 형성기를 포함하는 예시적인 역방향 빔 형성기의 블록도이다.
도 34는 시간 도메인 다중화를 이용하는 역방향 빔 형성기의 동작을 도시하는 단순화된 예시적인 지상 세그먼트의 예시이다.
도 35는 하위 대역 역다중화 및 다중화를 이용하는 예시적인 다중 대역 순방향/역방향 빔 형성기의 블록도이다.
도 36 및 도 37은 순방향 링크에 대한 예시적인 타이밍 정렬의 예시이다.
도 38은 예시적인 AN의 블록도이다.
도 39는 AN의 예의 일부의 블록도이다.
도 40은 다수의 주파수 하위 대역이 개별적으로 처리되는 예시적인 AN(515)의 블록도이다.
도 41은 상이한 사용자 링크 및 피더 링크 커버리지 영역들을 가능하게 하기 위한 예시적인 말단간 빔 형성 시스템의 예시이다.
도 42는 말단간 역방향 링크 상에서 역방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다.
도 43은 말단간 순방향 링크 상에서 순방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다.
도 44a 및 도 44b는 각각 예시적인 순방향 신호 경로 및 역방향 신호 경로의 예시이다.
도 45는 말단간 릴레이 가시적 지구 커버리지 영역의 예의 예시이다.
도 46은 말단간 릴레이 북미 커버리지 영역의 예의 예시이다.
도 47a 및 도 47b는, 각각, 다수의 사용자 링크 안테나 서브시스템의 선택적 활성화를 각각 갖는 예시적인 순방향 신호 경로 및 역방향 신호 경로의 블록도이다.
도 48a 및 도 48b는 다수의 선택적으로 활성화된 사용자 커버리지 영역을 포함하는 말단간 릴레이 커버리지 영역의 예의 예시이다.
도 49는 다수의 사용자 링크 안테나 서브시스템 및 다수의 피더 링크 안테나 서브시스템의 선택적 활성화를 갖는 예시적인 순방향 신호 경로의 블록도이다.
참조 부호들(예를 들어, 100)은 본 명세서에서 도면들의 태양들을 지시하기 위해 사용된다. 유사하거나 동일한 태양들은 전형적으로 동일한 번호들을 사용하여 도시된다. 유사하거나 동일한 요소들의 그룹은 단일 참조 부호(예컨대, 200)에 의해 집합적으로 지시될 수 있는 반면, 그룹의 개별 요소들은 첨부 문자를 갖는 참조 부호(예컨대, 200a, 200b)에 의해 지시될 수 있다.
도면들은 총망라한 것으로, 또는 청구된 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 개시된 방법 및 장치는 수정 및 변경을 갖고서 실시될 수 있으며, 본 발명은 청구범위 및 그의 등가물들에 의해서만 제한된다.
본 상세한 설명은 다음과 같이 구성된다. 첫째, 위성 통신 및 빔 형성을 사용하는 무선 릴레이 통신 시스템들에 대한 개론이 설명된다. 둘째, 말단간 빔 형성의 응용이 위성 통신들로 제한되지 않지만, 위성 말단간 빔 형성을 예로서 사용하여 말단간 빔 형성이 일반적으로 그리고 시스템 레벨에서 설명된다. 셋째, 순방향 및 역방향 데이터의 동작이 말단간 빔 형성과 관련하여 설명된다. 넷째, 말단간 릴레이들 및 그들의 안테나들이 통신 위성을 예로서 사용하여 설명된다. 다음으로, 말단간 빔들을 형성하기 위한 지상 네트워크들이 지연 등화, 피더 링크 손상 제거, 및 빔 가중치 계산과 같은 관련 태양들을 포함하여 설명된다. 마지막으로, 상이한 사용자 링크 및 피더 링크 커버리지 영역들을 갖는 말단간 빔 형성뿐만 아니라, 다수의 커버리지 영역을 갖는 시스템들이 설명된다.
위성 통신
도 1은 허브 및 스포크 위성 통신 시스템(100)의 예의 예시이다. 위성은 무선 릴레이의 예로서의 역할을 한다. 많은 예가 위성 또는 위성 통신 시스템과 관련하여 본 개시 전반에서 설명되지만, 그러한 예들은 위성으로 제한되도록 의도되지 않으며; 임의의 다른 적합한 무선 릴레이가 사용되고 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 시스템(100)은 지상 기반 지구국(101), 통신 위성(103), 및 사용자 단말기(105)와 같은 지구 송신 소스를 포함한다. 위성 커버리지 영역은 지구 송신 소스 또는 지구 수신기, 예컨대 지상 기반 지구국 또는 사용자 단말기가 그것으로부터 그리고/또는 그것으로 위성을 통해 통신할 수 있는 그러한 영역으로서 광범위하게 정의될 수 있다. 일부 시스템들에서, 각각의 링크에 대한 커버리지 영역(예를 들어, 순방향 업링크 커버리지 영역, 순방향 다운링크 커버리지 영역, 역방향 업링크 커버리지 영역 및 역방향 다운링크 커버리지 영역)은 상이할 수 있다. 순방향 업링크 커버리지 영역 및 역방향 업링크 커버리지 영역은 집합적으로 업링크 위성 커버리지 영역으로 지칭된다. 유사하게, 순방향 다운링크 커버리지 영역 및 역방향 다운링크 커버리지 영역은 집합적으로 다운링크 위성 커버리지 영역으로 지칭된다. 위성 커버리지 영역은 서비스 중인(예를 들어, 서비스 궤도에 있는) 위성에 대해서만 활성이지만, 위성은 지구에 대한 위성의 상대 위치와 무관한 위성 안테나 패턴을 갖는 것으로 간주될 수 있다(예를 들어, 갖도록 설계될 수 있다). 즉, 위성 안테나 패턴은 위성의 안테나로부터 송신되는 (위성의 안테나로부터 송신되거나 그에 의해 수신되는) 에너지의 분포 패턴이다. 위성 안테나 패턴은 위성이 서비스 궤도에 있을 때 특정 위성 커버리지 영역을 조명한다(그에게로 송신되거나 그로부터 수신된다). 위성 커버리지 영역은 위성 안테나 패턴, 위성이 그것에 대해 설계되는 궤도 위치 및 자세, 및 주어진 안테나 이득 임계치에 의해 정의된다. 일반적으로, 관심 대상의 특정 물리적 지역(예컨대, 지구 표면 상의 또는 그 근처의 영역)과 (특정 유효 안테나 이득, 예컨대, 피크 이득으로부터의 3 dB, 4 dB, 6 dB, 10 dB에서의) 안테나 패턴의 교점은 안테나에 대한 커버리지 영역을 정의한다. 안테나는 특정 안테나 패턴(및/또는 커버리지 영역)을 제공하도록 설계될 수 있으며, 그러한 안테나 패턴들은 (예컨대, 분석 또는 시뮬레이션에 의해) 계산적으로 결정될 수 있고/있거나, (예컨대, 안테나 테스트 범위에서 또는 실제 사용에서) 실험적으로 측정될 수 있다.
단순화를 위해 하나의 사용자 단말기(105)만이 도면에 도시되지만, 전형적으로 시스템 내에는 많은 사용자 단말기(105)가 있다. 위성 통신 시스템(100)은 점 대 다점 시스템으로서 동작한다. 즉, 위성 커버리지 영역 내의 지구국(101)은 위성 커버리지 영역 내의 임의의 사용자 단말기(105)로 정보를 전송할 수 있고, 그로부터 정보를 수신할 수 있다. 그러나, 사용자 단말기들(105)은 지구국(101)과만 통신한다. 지구국(101)은 통신 네트워크(107)로부터 순방향 데이터를 수신하고, 피더 링크 모뎀(109)을 사용하여 데이터를 변조하고, 순방향 피더 업링크(111) 상에서 데이터를 위성(103)으로 송신한다. 위성(103)은 이 순방향 데이터를 순방향 사용자 다운링크(때때로 순방향 서비스 다운링크로 불림)(113) 상에서 사용자 단말기들(105)로 릴레이한다. 일부 경우에, 지구국(101)으로부터의 순방향 통신은 사용자 단말기들(105) 중 여러 개에 대해 의도된다(예를 들어, 정보가 사용자 단말기들(105)로 멀티캐스팅된다). 일부 경우에, 지구국(101)으로부터의 순방향 통신은 단 하나의 사용자 단말기(105)에 대해 의도된다(예를 들어, 특정 사용자 단말기(105)로 유니캐스팅된다). 사용자 단말기들(105)은 역방향 데이터를 역방향 사용자 업링크(때때로 역방향 서비스 업링크로 불림)(115) 상에서 위성(103)으로 송신한다. 위성(103)은 역방향 데이터를 역방향 피더 다운링크(117) 상에서 지구국(101)으로 릴레이한다. 피더 링크 모뎀(109)은 통신 네트워크(107)로 전송되는 역방향 데이터를 복조한다. 이러한 역방향 링크 능력은 일반적으로 다수의 사용자 단말기(105)에 의해 공유된다.
도 2는 미국 대륙을 서비스하기 위한 위성의 빔 커버리지 영역들의 일 구성의 예를 나타내는 도면이다. 70개의 빔이 예시적인 구성에 도시된다. 제1 빔(201)은 워싱턴주의 대략 2/3를 커버한다. 제1 빔(201)에 인접한 제2 빔(203)은 제1 빔(201)의 바로 동쪽 영역을 커버한다. 제3 빔(205)은 대략 제1 빔(201)의 남쪽의 오레곤주를 커버한다. 제4 빔(207)은 제1 빔(201)의 대략 남동쪽 영역을 커버한다. 전형적으로, 인접한 빔들 사이에는 약간의 중첩이 존재한다. 일부 경우에, 멀티컬러(예를 들어, 2, 3 또는 4 컬러 재사용 패턴)가 사용된다. 4 컬러 패턴의 예에서, 빔들(201, 203, 205, 207)은 개별적으로 주파수(예를 들어, 주파수 범위 또는 범위들 또는 하나 이상의 채널) 및/또는 안테나 편광(예를 들어, 일부 경우에, 안테나는 오른손 순환 편광(RHCP) 또는 왼손 순환 편광(LHCP)을 이용하여 신호들을 송신하도록 구성될 수 있으며; 다른 편광 기술들이 이용 가능함)의 고유 조합을 할당받는다. 따라서, 상이한 빔들(201, 203, 205, 207) 상에서 송신되는 신호들 간에 비교적 적은 상호 간섭이 있을 수 있다. 주파수와 안테나 편광의 이러한 조합들은 이어서 반복 비중첩 "4 컬러" 재사용 패턴에서 재사용될 수 있다. 일부 상황들에서, 원하는 통신 용량이 단일 컬러를 사용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 일부 경우에, 빔들 간의 시간 공유 및/또는 다른 간섭 완화 기술들이 사용될 수 있다.
일부 한계 내에서, 빔들을 더 작은 영역들로 포커싱하고 이에 따라 빔들의 수를 증가시키는 것은 주파수 재사용을 위한 더 큰 기회를 허용함으로써 위성의 데이터 용량을 증가시킨다. 그러나, 빔들의 수를 증가시키는 것은 시스템의 복잡성을 증가시키고, 많은 경우에 위성의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
위성 설계의 복잡성은 전형적으로 더 큰 크기, 더 많은 무게 및 더 큰 전력 소비를 초래한다. 위성들은 궤도 안으로 발사하는 데 비용이 많이 든다. 위성 발사 비용은 위성의 무게 및 크기에 의해 부분적으로 결정된다. 또한, 현재 이용 가능한 로켓 기술을 사용하여 위성이 발사되어야 할 경우, 위성의 무게 및 크기에 대한 절대적인 한계들이 존재한다. 이것은 위성 안에 설계될 수 있는 특징들 간의 트레이드오프들(tradeoffs)을 유발한다. 또한, 위성의 컴포넌트들에 제공될 수 있는 전력의 양이 제한된다. 따라서, 무게, 크기 및 전력 소비는 위성 설계시 고려해야 할 파라미터들이다.
본 개시 전반에서, 용어 '수신 안테나 요소'는 전자기 신호를 전기 신호로 변환하는 물리 트랜스듀서를 지칭하며, 용어 '송신 안테나 요소'는 전기 신호에 의해 여기될 때 전자기 신호를 발하는 물리 트랜스듀서를 지칭한다. 안테나 요소는 호른(horn), 격막 편광 호른(septum polarized horn)(예를 들어, 상이한 편광들을 갖는 2개의 결합된 요소로서 기능할 수 있음), 다중 포트 다중 대역 호른(예를 들어, 이중 편광 LHCP/RHCP를 갖는 이중 대역 20 ㎓/30 ㎓), 공동 백킹 슬롯(cavity-backed slot), 반전 F, 슬롯형 도파관, 비발디(Vivaldi), 헬리컬(Helical), 루프, 패치 또는 임의의 다른 구성의 안테나 요소 또는 상호 접속된 하위 요소들의 조합을 포함할 수 있다. 안테나 요소는 안테나 이득이 방향(또는 각도)의 함수로서 어떻게 변하는지를 설명하는 대응하는 안테나 패턴을 갖는다. 안테나 요소는 또한 안테나 요소가 그것에 걸쳐 (예컨대, 안테나 요소의 피크 이득에 대한 3 dB, 6 dB, 10 dB 또는 다른 값 내의) 원하는 레벨의 이득을 제공하는 영역(예컨대, 지구 표면의 일부) 또는 부피(예컨대, 지구 표면의 일부 + 표면 위의 공간)에 대응하는 커버리지 영역을 갖는다. 안테나 요소의 커버리지 영역은 반사기, 주파수 선택적 표면, 렌즈, 레이돔 등과 같은 다양한 구조들에 의해 변경될 수 있다. 여기서 설명된 것들을 포함한 일부 위성들은, 각각 신호들을 독립적으로 수신하고 송신할 수 있는 여러 개의 트랜스폰더를 가질 수 있다. 각각의 트랜스폰더는 다른 수신/송신 신호 경로들과는 상이한 방사 패턴(안테나 패턴)을 갖는 수신/송신 신호 경로를 형성하도록 안테나 요소들(예를 들어, 수신 요소 및 송신 요소)에 결합되어, 상이한 빔 커버리지 영역에 할당될 수 있는 고유 빔들을 생성한다. 단일 수신/송신 신호 경로가 입력 및/또는 출력 다중화기들을 사용하여 다수의 빔에 걸쳐 공유되는 것이 일반적이다. 둘 모두의 경우에, 형성될 수 있는 동시 빔들의 수는 일반적으로 위성 상에 전개되는 수신/송신 신호 경로들의 수에 의해 제한된다.
빔 형성
통신 링크를 위한 빔 형성은 중첩 커버리지 영역들을 갖는 하나 이상의 안테나 어레이의 다수의 요소에 의해 송신 및/또는 수신된 신호들의 신호 위상(또는 시간 지연) 및 때때로 신호 진폭을 조정함으로써 수행될 수 있다. 일부 경우에, 일부 또는 모든 안테나 요소들은 후술하는 바와 같이 말단간 빔 형성을 가능하게 하도록 협력하는 구성 수신 및/또는 송신 요소들의 어레이로서 배열된다. (하나 이상의 안테나 어레이의 송신 요소들로부터의) 송신들의 경우, 송신 신호들의 상대 위상들 및 때로는 진폭들이 조정되며, 따라서 송신 안테나 요소들에 의해 송신된 에너지가 원하는 위치에서 건설적으로 중첩될 것이다. 이러한 위상/진폭 조정은 일반적으로 송신 신호들에 "빔 가중치들을 적용하는 것"으로 지칭된다. (하나 이상의 안테나 어레이의 수신 요소들에 의한) 수신의 경우, 수신 신호들의 상대 위상들 및 때로는 진폭들이 조정되며(즉, 동일한 또는 상이한 빔 가중치들이 적용되며), 따라서 수신 안테나 요소들에 의해 원하는 위치로부터 수신된 에너지는 그러한 수신 안테나 요소들에서 건설적으로 중첩될 것이다. 일부 경우에, 빔 형성기는 원하는 안테나 요소 빔 가중치들을 계산한다. 용어 '빔 형성'은 일부 경우에 빔 가중치들의 적용을 지칭할 수 있다. 적응성 빔 형성기들은 빔 가중치들을 동적으로 계산하는 기능을 포함한다. 빔 가중치들을 계산하는 것은 통신 채널 특성들의 직접 또는 간접적인 발견을 필요로 할 수 있다. 빔 가중치 계산 및 빔 가중치 적용의 프로세스들은 동일한 또는 상이한 시스템 요소들에서 수행될 수 있다.
안테나 빔들은 상이한 빔 가중치들을 적용함으로써 조종되고/되거나, 선택적으로 형성되고/되거나, 달리 재구성될 수 있다. 예를 들어, 활성 빔들의 수, 빔들의 커버리지 영역, 빔들의 크기, 빔들의 상대 이득 및 다른 파라미터들이 시간에 따라 달라질 수 있다. 그러한 융통성은 소정 상황들에서 바람직하다. 빔 형성 안테나들은 일반적으로 비교적 좁은 빔들을 형성할 수 있다. 좁은 빔들은 (예를 들어, 간섭을 피하기 위해) 하나의 빔 상에서 송신되는 신호들이 다른 빔들 상에서 송신되는 신호들과 구별되는 것을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 좁은 빔들은 더 큰 빔들이 형성될 때보다 더 큰 정도로 주파수 및 편광이 재사용되도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 좁게 형성된 빔들은 중첩되지 않는 2개의 불연속 커버리지 영역을 서비스할 수 있다. 각각의 빔은 오른손 편광 및 왼손 편광 둘 모두를 사용할 수 있다. 더 많은 재사용은 송신 및/또는 수신되는 데이터의 양을 증가시킬 수 있다.
일부 위성들은 온-보드 빔 형성(OBBF)을 사용하여 안테나 요소들의 어레이를 전자식으로 조종한다. 도 3은 위성(302)이 위상 어레이 빔당 다중 피드(multi-feed per beam, MFPB) 온-보드 빔 형성 능력을 갖는 위성 시스템(300)의 예시이다. 이 예에서, 빔 가중치들은 지상 기반 계산 센터에서 계산된 다음, 위성으로 송신되거나 적용을 위해 위성에 미리 저장된다(도시되지 않음). 순방향 링크가 도 3에 도시되지만, 이 아키텍처는 순방향 링크들, 역방향 링크들, 또는 순방향 및 역방향 링크들 둘 모두에 사용될 수 있다. 빔 형성은 사용자 링크, 피더 링크 또는 둘 모두에서 사용될 수 있다. 예시된 순방향 링크는 복수의 게이트웨이(GW)(304) 중 하나로부터 하나 이상의 스팟 빔 커버리지 영역(306) 내의 복수의 사용자 단말기 중 하나 이상으로의 신호 경로이다. 위성(302)은 수신 안테나 어레이(307), 송신 안테나 어레이(309), 하향 변환기(D/C) 및 이득 모듈(311), 수신 빔 형성기(313) 및 송신 빔 형성기(315)를 갖는다. 위성(302)은 피더 링크(308) 및 사용자 링크(310) 둘 모두 상에서 빔들을 형성할 수 있다. 수신 어레이(307)의 L개의 요소 각각은 K개의 GW(304)로부터 K개의 신호를 수신한다. 생성될 K개의 피더 링크 빔(예를 들어, GW(304)당 하나의 빔) 각각에 대해, 상이한 빔 가중치가 (수신 안테나 어레이(307)의) L개의 수신 안테나 어레이 요소 각각에 의해 수신된 각각의 신호에 수신 빔 형성기(313)에 의해 적용된다(예를 들어, 위상/진폭 조정이 이루어진다). 따라서, L개의 수신 안테나 요소를 갖는 수신 안테나 어레이(307)를 사용하여 K개의 빔을 형성하기 위해, L개의 수신 안테나 어레이 요소에 의해 수신된 L개의 신호에 길이 L의 K개의 상이한 빔 가중치 벡터가 적용된다. 위성(302) 내의 수신 빔 형성기(313)는 K개의 수신 빔 신호를 생성하기 위해 L개의 수신 안테나 어레이 요소에 의해 수신된 신호들의 위상/진폭을 조정한다. K개의 수신 빔 각각은 하나의 GW(304)로부터 신호를 수신하도록 포커싱된다. 따라서, 수신 빔 형성기(313)는 K개의 수신 빔 신호를 D/C 및 이득 모듈(311)로 출력한다. 하나의 그러한 수신 빔 신호는 각각의 송신 GW(304)로부터 수신된 신호에 대해 형성된다.
D/C 및 이득 모듈(311)은 K개의 수신 빔 신호 각각을 하향 변환하고 이득을 적절히 조정한다. K개의 신호가 D/C 및 이득 모듈(311)로부터 출력되고 송신 빔 형성기(315)에 결합된다. 송신 빔 형성기(315)는 총 L × K개의 송신 빔 가중치에 대해 K개의 신호 각각에 L개의 가중치의 벡터를 적용하여 사용자 다운링크(310) 상에서 K개의 빔을 형성한다.
일부 경우에, 빔을 형성하는 데 사용되는 각각의 안테나 요소의 위상 및 이득을 제어하기 위해 위성 내에 상당한 처리 능력이 필요할 수 있다. 그러한 처리 능력은 위성의 복잡성을 증가시킨다. 일부 경우에, 위성들은 위성의 복잡성을 줄이면서 좁은 빔들을 전자적으로 형성하는 이점을 여전히 제공하기 위해 지상 기반 빔 형성(GBBF)을 이용하여 동작할 수 있다.
도 4는 순방향 GBBF를 갖는 위성 통신 시스템(400)의 일례의 예시이다. GBBF는 전술한 것과 유사한 L 요소 어레이를 통해 순방향 사용자 링크(317) 상에서 수행된다. 사용자 링크(317) 상에서 송신된 신호들의 위상들/진폭들은 빔들이 형성되도록 가중화된다. 피더 링크(319)는 안테나(324)의 각각의 수신 및 송신 안테나 요소가 하나의 피더 링크 빔에 전용되는 빔당 단일 피드(SFPB) 방식을 사용한다.
GW 또는 GW들(304)로부터의 송신 전에, K개의 순방향 피더 링크 빔 각각에 대해, 송신 빔 형성기(321)는 송신될 K개의 신호 각각에 길이 L을 각각 갖는 K개의 빔 가중치 벡터 각각을 적용한다. L개의 가중치의 K개의 벡터를 결정하고 이들을 신호들에 적용하는 것은 K개의 순방향 빔이 순방향 사용자 다운링크(317)를 위해 지상에서 형성되는 것을 가능하게 한다. 피더 업링크(319) 상에서, L개의 상이한 신호 각각은 다중화기(323)(또는 기타 등등)에 의해 주파수 분할 다중화(FDM) 신호로 다중화된다. 각각의 FDM 신호는 GW들(304)에 의해 피더 링크(319) 상에서 안테나(324) 내의 수신 안테나 요소들 중 하나로 송신된다. 위성(327) 상의 FDM 수신기(325)는 안테나(324)로부터 신호들을 수신한다. 아날로그-디지털 변환기(A/D)(326)는 수신된 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환한다. 디지털 채널 프로세서(328)는 FDM 신호들을 역다중화하고, 이들 각각은 송신 안테나(329)의 송신 안테나 요소들의 어레이의 L개의 요소 중 하나를 통한 송신을 위해 빔 형성기(321)에 의해 적절하게 가중화되었다. 디지털 채널 프로세서(328)는 신호들을 디지털-아날로그 변환기(D/A)(331)로 출력하여 아날로그 형태로 다시 변환되게 한다. D/A(331)의 아날로그 출력들은 상향 변환기(U/C) 및 이득 스테이지(330)에 의해 상향 변환 및 증폭되고 송신 안테나(329)의 관련 요소에 의해 송신된다. 상보적인 프로세스가 역방향 빔들에 대해 역으로 발생한다. 이러한 타입의 시스템에서 FDM 피더 링크는 사용자 빔들만큼 많은 대역폭의 L배를 필요로 하여, 넓은 데이터 대역폭들을 갖는 시스템들 또는 많은 수(L)의 요소를 갖는 시스템들에 대해 그것을 비실용적으로 만든다는 점에 유의한다.
말단간 빔 형성 시스템
여기서 설명된 말단간 빔 형성 시스템들은 말단간 릴레이를 통해 말단간 빔들을 형성한다. 말단간 빔 형성 시스템은 사용자 단말기들을 데이터 소스들/싱크들과 접속할 수 있다. 위에서 논의된 빔 형성 시스템들과는 대조적으로, 말단간 빔 형성 시스템에서, 빔 가중치들은 중앙 처리 시스템(CPS)에서 계산되고, 말단간 빔 가중치들은 (위성에서보다는) 지상 네트워크 내에서 적용된다. 말단간 빔들 내의 신호들은 위성 액세스 노드(SAN)일 수 있는 액세스 노드들(AN들)의 어레이에서 송신 및 수신된다. 전술한 바와 같이, 임의의 적합한 타입의 말단간 릴레이들이 말단간 빔 형성 시스템에서 사용될 수 있으며, 상이한 타입의 AN들이 상이한 타입의 말단간 릴레이들과 통신하기 위해 사용될 수 있다. 용어 "중앙"은 CPS가 신호 송신 및/또는 수신과 관련된 AN들에 의해 액세스될 수 있다는 사실을 지칭하며, CPS가 상주하는 특정 지리적 위치를 지칭하지 않는다. CPS 내의 빔 형성기는 (1) 말단간 릴레이까지의 무선 신호 업링크 경로들; (2) 말단간 릴레이를 통한 수신/송신 신호 경로들; 및 (3) 말단간 릴레이로부터 하향인 무선 신호 다운링크 경로들을 고려하는 말단간 빔 가중치들의 한 세트를 계산한다. 빔 가중치들은 수학적으로 행렬로서 나타내어질 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, OBBF 및 GBBF 위성 시스템들은 위성 상의 안테나 요소들의 수에 의해 설정된 빔 가중치 벡터 차원들을 갖는다. 대조적으로, 말단간 빔 가중치 벡터들은 말단간 릴레이 상의 요소들의 수가 아니라 AN들의 수에 의해 설정된 차원들을 갖는다. 일반적으로, AN들의 수는 말단간 릴레이 상의 안테나 요소들의 수와 동일하지 않다. 또한, 형성된 말단간 빔들은 말단간 릴레이의 송신 또는 수신 안테나 요소들에서 종단되지 않는다. 오히려, 형성된 말단간 빔들은 효과적으로 릴레이되는데, 왜냐하면 말단간 빔들은 업링크 신호 경로들, (위성 또는 다른 적합한 말단간 릴레이를 통한) 릴레이 신호 경로들, 및 다운링크 신호 경로들을 갖기 때문이다.
말단간 빔 형성은 (말단간 릴레이뿐만 아니라) 사용자 링크 및 피더 링크 둘 모두를 고려하기 때문에, 특정 방향의 원하는 말단간 사용자 빔들(예컨대, 순방향 사용자 빔들 또는 역방향 사용자 빔들)을 형성하기 위해 빔 가중치들의 단일 세트만이 필요하다. 따라서, 말단간 순방향 빔 가중치들의 한 세트(이하, 간단히 순방향 빔 가중치들로 지칭됨)는 말단간 순방향 사용자 빔들(이하, 순방향 사용자 빔들로 지칭됨)을 형성하도록 결합하기 위해 AN들로부터 순방향 업링크를 통해, 말단간 릴레이를 통해, 그리고 순방향 다운링크를 통해 신호들이 송신되게 한다. 반대로, 역방향 사용자들로부터 역방향 업링크를 통해, 말단간 릴레이를 통해, 그리고 역방향 다운링크를 통해 송신된 신호들은 말단간 역방향 사용자 빔들(이하, 역방향 사용자 빔들로 지칭됨)을 형성하도록 적용되는 말단간 역방향 빔 가중치들(이하, 역방향 빔 가중치들로 지칭됨)을 갖는다. 일부 조건들하에서, 업링크와 다운링크의 특성들을 구별하는 것은 매우 어렵거나 불가능할 수 있다. 따라서, 형성된 피더 링크 빔들, 형성된 사용자 빔 지향성, 및 개별 업링크 및 다운링크 캐리어 대 간섭비(C/I)는 더 이상 시스템 설계에서 그들의 전통적인 역할을 가질 수 없지만, 업링크 및 다운링크 신호 대 잡음비(Es/No) 및 말단간 C/I의 개념들은 여전히 유의미할 수 있다.
도 5는 예시적인 말단간 빔 형성 시스템(500)의 예시이다. 시스템(500)은 지상 세그먼트(502); 말단간 릴레이(503); 및 복수의 사용자 단말기(517)를 포함한다. 지상 세그먼트(502)는 AN 커버리지 영역에 걸쳐 지리적으로 분산된 M개의 AN(515)을 포함한다. AN들(515) 및 사용자 단말기들(517)은 지구 상에 또는 그 부근에 위치하고 신호의 송신 및 수신 둘 모두를 행하기 때문에 문제의 특정 기능에 따라 지구 수신기, 지구 송신기 또는 지구 송수신기로 집합적으로 지칭될 수 있다. 일부 경우에, 사용자 단말기들(517) 및/또는 AN들(515)은 에어크래프트, 워터크래프트 안에 위치하거나 랜드크래프트 상에 탑재되거나, 기타 등등일 수 있다. 일부 경우에, 사용자 단말기들(517)은 지리적으로 분산될 수 있다. AN들(515)은 지리적으로 분산될 수 있다. AN들(515)은 지상 세그먼트(502) 내의 CPS(505)에 분배 네트워크(518)를 통해 신호를 제공한다. CPS(505)는 예를 들어 인터넷, 비디오 헤드엔드 또는 다른 그러한 엔티티와 같은 데이터 소스(도시되지 않음)에 접속된다.
사용자 단말기들(517)은 (예를 들어, 사용자 단말기들(517a 및 517b)에 의해 예시된 바와 같이) 다른 근처의 사용자 단말기들(517)과 그룹화될 수 있다. 일부 경우에, 사용자 단말기들(517)의 그러한 그룹들은 동일한 사용자 빔에 의해 서비스되고, 따라서 동일한 지리적 순방향 및/또는 역방향 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내에 상주한다. 사용자 단말기(517)는 사용자 단말기(517)가 사용자 빔에 의해 서비스되는 커버리지 영역 내에 있는 경우 그 사용자 빔 내에 있다. 단지 하나의 그러한 사용자 빔 커버리지 영역(519)만이 하나 초과의 사용자 단말기(517)를 갖는 것으로 도 5에 도시되지만, 일부 경우에, 사용자 빔 커버리지 영역(519)은 임의의 적합한 수의 사용자 단말기(517)를 가질 수 있다. 또한, 도 5의 묘사는 상이한 사용자 빔 커버리지 영역들(519)의 상대적인 크기를 나타내도록 의도되지 않는다. 즉, 사용자 빔 커버리지 영역들(519)은 모두 대략 동일한 크기일 수 있다. 대안적으로, 사용자 빔 커버리지 영역들(519)은 다양한 크기들을 가질 수 있고, 이때 일부 사용자 빔 커버리지 영역들(519)은 다른 것들보다 훨씬 더 클 수 있다. 일부 경우에, AN들(515)의 수는 사용자 빔 커버리지 영역들(519)의 수와 동일하지 않다.
말단간 릴레이(503)는 사용자 단말기들(517)과 도 5에 도시된 AN들(515)과 같은 다수의 네트워크 액세스 노드 사이에서 신호들을 무선으로 릴레이한다. 말단간 릴레이(503)는 복수의 신호 경로를 갖는다. 예를 들어, 각각의 신호 경로는 (아래에서 상세히 논의되는 바와 같이) 적어도 하나의 수신 안테나 요소, 적어도 하나의 송신 안테나 요소, 및 적어도 하나의 트랜스폰더를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 수신 안테나 요소는 수신 안테나 어레이를 형성하기 위해 수신 반사기에 의해 반사된 신호들을 수신하도록 배열된다. 일부 경우에, 복수의 송신 안테나 요소는 신호들을 송신하고 이에 따라 송신 안테나 어레이를 형성하도록 배열된다.
일부 경우에, 말단간 릴레이(503)는 위성 상에 제공된다. 다른 경우에, 말단간 릴레이(503)는 에어크래프트, 소형 비행선, 타워, 수중 구조물, 또는 말단간 릴레이(503)가 상주할 수 있는 임의의 다른 적합한 구조물 또는 차량 상에 제공된다. 일부 경우에, 시스템은 업링크들 및 다운링크들에 대해 (동일한 또는 상이한 주파수 대역에서) 상이한 주파수 범위들을 사용한다. 일부 경우에, 피더 링크들 및 사용자 링크들은 상이한 주파수 범위들 내에 있다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(503)는 수동 또는 능동 반사기로서 동작한다.
여기서 설명된 바와 같이, 말단간 릴레이(503)의 다양한 특징들은 말단간 빔 형성을 가능하게 한다. 하나의 특징은 말단간 릴레이(503)가 말단간 빔 형성 시스템과 관련하여 AN들(515)과 사용자 단말기들(517) 사이에 다중 경로를 유도하는 다수의 트랜스폰더를 포함한다는 것이다. 다른 특징은 말단간 릴레이(503)의 안테나들(예컨대, 하나 이상의 안테나 서브시스템)이 말단간 빔 형성에 기여하며, 따라서 적절히 빔 가중화된 신호들이 말단간 릴레이(503)에 의해 유도된 다중 경로를 통해 통신될 때 순방향 및/또는 역방향 사용자 빔들이 형성된다는 것이다. 예를 들어, 순방향 통신 동안, 다수의 트랜스폰더 각각은 다수의(예를 들어, 모든) AN(515)으로부터 (빔 가중화된) 순방향 업링크 신호들(521)의 각자의 중첩된 합성물(여기서 합성 입력 순방향 신호들로 지칭됨)을 수신하고, 트랜스폰더들은 대응하는 합성 신호들(여기서 순방향 다운링크 신호들로 지칭됨)을 출력한다. 순방향 다운링크 신호들 각각은, 말단간 릴레이(503)의 송신 안테나 요소들에 의해 송신될 때, 원하는 위치들(예컨대, 이 경우에, 순방향 사용자 빔들 내의 복구 위치들)에서 사용자 빔들(519)을 형성하도록 중첩되는 빔 가중 순방향 업링크 신호들(521)의 고유 합성물일 수 있다. 역방향 말단간 빔 형성이 유사하게 가능해진다. 따라서, 말단간 릴레이(503)는 다수의 중첩이 발생하게 할 수 있으며, 이에 의해 유도된 다중 경로 채널들을 통한 말단간 빔 형성을 가능하게 할 수 있다.
역방향 데이터
도 6은 말단간 역방향 링크 상에서 역방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다. 역방향 데이터는 사용자 단말기들(517)로부터 AN들(515)로 흐르는 데이터이다. 도 6에서 신호들은 우측으로부터 좌측으로 흐른다. 신호들은 사용자 단말기들(517)에 의해 생성된다. 사용자 단말기들(517)은 말단간 릴레이(503)까지 (역방향 사용자 데이터 스트림들을 갖는) 역방향 업링크 신호들(525)을 송신한다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기들(517)로부터의 역방향 업링크 신호들(525)은 L개의 수신/송신 신호 경로(1702)의 어레이에 의해 수신된다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(503)에 대한 업링크 커버리지 영역은 L개의 수신 안테나 요소(406) 모두가 신호를 수신할 수 있는 포인트들의 그 세트에 의해 정의된다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역은 L개의 수신 안테나 요소(406)의 서브세트(예를 들어, 1개보다 많지만 모두보다는 적은 원하는 수)가 신호들을 수신할 수 있는 포인트들의 그 세트에 의해 정의된다. 유사하게, 일부 경우에, 다운링크 커버리지 영역은 L개의 송신 안테나 요소(409) 모두가 신호를 신뢰성 있게 전송할 수 있는 포인트들의 세트에 의해 정의된다. 다른 경우에, 말단간 릴레이(503)에 대한 다운링크 커버리지 영역은 송신 안테나 요소들(409)의 서브세트가 신호를 신뢰성 있게 전송할 수 있는 포인트들의 그 세트로서 정의된다. 일부 경우에, 수신 안테나 요소들(406) 또는 송신 안테나 요소들(409)의 서브세트의 크기는 적어도 4이다. 다른 경우에, 서브세트의 크기는 6, 10, 20, 100, 또는 원하는 시스템 성능을 제공하는 임의의 다른 수이다.
간략화를 위해, 일부 예들은 L개의 수신 안테나 요소(406) 모두가 업링크 커버리지 영역 내의 모든 포인트로부터 신호들을 수신하고/하거나 L개의 송신 안테나 요소(409) 모두가 다운링크 커버리지 영역 내의 모든 포인트로 송신하는 것으로 설명 및/또는 예시된다. 그러한 설명은 모든 L개 요소가 상당한 신호 레벨에서 신호를 수신 및/또는 송신할 것을 요구하도록 의도되지 않는다. 예를 들어, 일부 경우에, L개의 수신 안테나 요소(406)의 서브세트는 업링크 신호(예를 들어, 사용자 단말기(517)로부터의 역방향 업링크 신호(525) 또는 AN(515)으로부터의 순방향 업링크 신호(521))를 수신하며, 따라서 수신 안테나 요소들(406)의 서브세트는 업링크 신호의 피크 수신 신호 레벨에 가까운 신호 레벨(예를 들어, 가장 높은 신호 레벨을 갖는 업링크 신호에 대응하는 신호 레벨보다 실질적으로 낮지 않음)에서 업링크 신호를 수신하고; 서브세트 내에 있지 않은 L개의 수신 안테나 요소(406) 중 다른 것들은 (예를 들어, 업링크 신호의 피크 수신 신호 레벨보다 훨씬 아래의) 현저하게 더 낮은 레벨에서 업링크 신호를 수신한다. 일부 경우에, 서브세트의 각각의 수신 안테나 요소에 의해 수신된 업링크 신호는 수신 안테나 요소들(406) 중 임의의 것에 의해 수신된 최고 신호 레벨로부터 10 dB 이내의 신호 레벨에 있다. 일부 경우에, 서브세트는 수신 안테나 요소들(406)의 적어도 10%를 포함한다. 일부 경우에, 서브세트는 적어도 10개의 수신 안테나 요소(406)를 포함한다.
유사하게, 송신 측에서, L개의 송신 안테나 요소(409)의 서브세트는 다운링크 신호를 지구 수신기로(예를 들어, 역방향 다운링크 신호(527)를 AN(515)으로 또는 순방향 다운링크 신호(522)를 사용자 단말기(517)로) 송신하며, 따라서 송신 안테나 요소들(409)의 서브세트는 다운링크 신호의 피크 송신 신호 레벨에 가까운 수신 신호 레벨(예를 들어, 가장 높은 수신 신호 레벨을 갖는 다운링크 신호에 대응하는 신호 레벨보다 실질적으로 낮지 않음)로 다운링크 신호를 수신기로 송신하고; 서브세트 내에 있지 않은 L개의 송신 안테나 요소(409) 중 다른 것들은 (예를 들어, 다운링크 신호의 피크 송신 신호 레벨보다 훨씬 아래의) 현저하게 더 낮은 레벨에서 수신되도록 다운링크 신호를 송신한다. 일부 경우에, 신호 레벨은 송신 안테나 요소(409)의 피크 이득에 대응하는 신호 레벨로부터 3 dB 이내이다. 다른 경우에, 신호 레벨은 송신 안테나 요소(409)의 피크 이득에 대응하는 신호 레벨로부터 6 dB 이내이다. 또 다른 경우에, 신호 레벨은 송신 안테나 요소(409)의 피크 이득에 대응하는 신호 레벨로부터 10 dB 이내이다.
일부 경우에, 각각의 수신 안테나 요소(406)에 의해 수신된 신호는 각각의 수신 안테나 요소의 수신 안테나 패턴에서의 중첩으로 인해 동일한 소스(예를 들어, 사용자 단말기들(517) 중 하나)에서 생성된다. 그러나, 일부 경우에, 사용자 단말기가 위치하고, 모든 수신 안테나 요소가 신호를 수신할 수 있지는 않은 말단간 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들이 있을 수 있다. 일부 그러한 경우에, 말단간 릴레이 커버리지 영역 내에 있는 사용자 단말기들로부터 신호들을 수신하지 않는(또는 수신할 수 없는) 상당한 수의 수신 안테나 요소들이 있을 수 있다. 그러나, 여기에 설명된 바와 같이, 말단간 릴레이(503)에 의한 다중 경로의 유도는 적어도 2개의 수신 요소에 의한 신호의 수신에 의존할 수 있다.
도 6에 도시되고 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 일부 경우에, 수신/송신 신호 경로(1702)는 수신 안테나 요소(406), 트랜스폰더(410) 및 송신 안테나 요소(409)를 포함한다. 그러한 경우에, 역방향 업링크 신호들(525)은 각자의 수신 안테나 요소(406)를 통해 복수의 트랜스폰더(410) 각각에 의해 수신된다. 각각의 수신/송신 신호 경로(1702)의 출력은 수신된 역방향 업링크 신호들의 각자의 합성물에 대응하는 역방향 다운링크 신호(527)이다. 역방향 다운링크 신호는 수신/송신 신호 경로(1702)에 의해 생성된다. 역방향 다운링크 신호(527)는 M개의 AN(515)의 어레이로 송신된다. 일부 경우에, AN들(515)은 말단간 릴레이 커버리지 영역 전체에 걸쳐 지리적으로 분산된 위치들(예를 들어, 수신 또는 복구 위치들)에 배치된다. 일부 경우에, 각각의 트랜스폰더(410)는 수신 안테나 요소들(406) 각각을 송신 안테나 요소들(409) 각각과 결합한다. 따라서, 신호가 사용자 빔 커버리지 영역(519) 안에 위치하는 사용자 단말기(517)로부터 특정 AN(515)에 도달하는 L개의 상이한 방식이 존재한다. 이것은 사용자 단말기(517)와 AN(515) 사이에 L개의 경로를 생성한다. 하나의 사용자 단말기(517)와 하나의 AN(515) 사이의 L개의 경로는 집합적으로 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)로 지칭된다(도 8 참조). 따라서, L개의 트랜스폰더(410)를 통해 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 송신 위치로부터 역방향 업링크 신호(525)를 수신하는 것은 트랜스폰더(410) 중 하나로부터 (즉, L개의 함께 배치된 통신 경로를 통해) 각각 송신되는 L개의 역방향 다운링크 신호(527)를 생성한다. 각각의 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)은 업링크 방사 행렬 Ar의 벡터, 페이로드 행렬 E, 및 다운링크 방사 행렬 Ct의 벡터와 관련된다. 안테나 요소 커버리지 패턴들로 인해, 일부 경우에, L개의 경로 중 일부는 비교적 적은 에너지(예를 들어, 6 dB, 10 dB, 20 dB, 30 dB, 또는 다른 경로들보다 작은 임의의 다른 적합한 전력 비율)를 가질 수 있다는 점에 유의한다. 역방향 다운링크 신호(527)의 중첩(1706)은 AN들(515) 각각에서 (예를 들어, 지리적으로 분산된 M개의 수신 또는 복구 위치들에서) 수신된다. 각각의 역방향 다운링크 신호(527)는 복수의 송신된 역방향 다운링크 신호(527)의 중첩을 포함하여, 각자의 합성 역방향 신호를 유발한다. 각자의 합성 역방향 신호는 역방향 빔 형성기(531)에 결합된다(도 5 및 도 29 참조).
도 7은 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내에 위치하는 하나의 사용자 단말기(517)로부터 AN들(515)로의 예시적인 말단간 역방향 링크(523)를 예시한다. 사용자 단말기(517)로부터 송신된 역방향 업링크 신호(525)는 말단간 릴레이(503) 상에서 L개의 수신 안테나 요소(406)의 어레이에 의해 수신된다(예를 들어, 또는 L개의 수신 안테나 요소(406)의 서브세트에 의해 수신된다).
Ar은 L × K 역방향 업링크 방사 행렬이다. 역방향 업링크 방사 행렬의 값들은 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 기준 위치로부터 말단간 릴레이 수신 안테나 요소들(406)로의 신호 경로를 모델링한다. 예를 들어, ArL,1은 제1 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 기준 위치로부터 제L 수신 안테나 요소로의 역방향 업링크 방사 행렬의 하나의 요소(즉, 경로의 진폭 및 위상)의 값이다. 일부 경우에, 역방향 업링크 방사 행렬 Ar 내의 모든 값은 0이 아닐 수 있다(예를 들어, 기준 위치로부터 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 요소 각각으로의 상당한 신호 경로가 있다).
E(차원 L × L)는 페이로드 행렬이고, 수신 안테나 요소들(406)로부터 송신 안테나 요소들(409)로의 경로들의 모델(진폭 및 위상)을 제공한다. 말단간 릴레이(503)의 "페이로드"는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이 일반적으로 신호 통신들이 말단간 릴레이(503)에 의해 수신되고, 그를 통해 릴레이되고, 그로부터 송신될 때 그들에 영향이 주고/주거나 그들에 의해 영향을 받는 말단간 릴레이(503)의 컴포넌트들의 세트를 포함한다. 예를 들어, 말단간 릴레이 페이로드는 안테나 요소들, 반사기들, 트랜스폰더들 등을 포함할 수 있지만; 말단간 릴레이는 배터리들, 태양 전지들, 센서들 및/또는 여기서 (정상적으로 동작할 때 신호들에 영향을 미치지 않기 때문에) 페이로드의 일부로서 간주되지 않는 다른 컴포넌트들을 추가로 포함할 수 있다. 컴포넌트들의 세트의, 페이로드로서의 간주는 말단간 릴레이의 전체 영향을 단일 페이로드 행렬 E로서 수학적으로 모델링하는 것을 가능하게 할 수 있다. 각각의 수신 안테나 요소(406)로부터 각각의 대응하는 송신 안테나 요소(409)로의 주 경로는 페이로드 행렬 E의 대각선 상에 놓인 값에 의해 모델링된다. 수신/송신 신호 경로들 사이의 누화가 없다고 가정하면, 페이로드 행렬의 대각선 밖의 값들은 0이다. 일부 경우에, 누화는 0이 아닐 수 있다. 신호 경로들을 서로 격리하면 누화가 최소화될 것이다. 일부 경우에, 누화가 무시해도 될 정도이기 때문에, 페이로드 행렬 E는 대각선 행렬에 의해 추정될 수 있다. 일부 경우에, 페이로드 행렬의 대각선 밖의 값들(또는 임의의 다른 적합한 값들)은 수학적 복잡성을 감소시키기 위해 그리고/또는 다른 이유들로, 이들 값에 대응하는 약간의 신호 영향이 있는 경우에도 0으로서 취급될 수 있다.
Ct는 M × L 역방향 다운링크 방사 행렬이다. 역방향 다운링크 방사 행렬의 값들은 송신 안테나 요소들(409)로부터 AN들(515)로의 신호 경로들을 모델링한다. 예를 들어, Ct3,2-는 제2 송신 안테나 요소(409b)로부터 제3 AN(515c)으로의 역방향 다운링크 방사 행렬의 값(예를 들어, 경로의 이득 및 위상)이다. 일부 경우에, 다운링크 방사 행렬 Ct의 모든 값들은 0이 아닐 수 있다. 일부 경우에, 다운링크 방사 행렬 Ct의 값들 중 일부는 본질적으로 0이다(예를 들어, 송신 안테나 어레이의 대응하는 송신 안테나 요소들(409)에 의해 설정된 안테나 패턴은 송신 안테나 요소(409)가 유용한 신호들을 AN들(515) 중 일부로 송신하지 않게 한다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 특정 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기(517)로부터 특정 AN(515)으로의 말단간 역방향 다중 경로 채널은 L개의 상이한 경로의 합이다. 말단간 역방향 다중 경로 채널은 말단간 릴레이에서 트랜스폰더들(410)을 통해 L개의 고유 경로에 의해 유도된 다중 경로를 갖는다. 많은 다중 경로 채널에서와 같이, 경로들의 진폭들 및 위상들은 큰 말단간 채널 이득을 생성하기 위해 유리하게(건설적으로) 또는 낮은 말단간 채널 이득을 생성하기 위해 불리하게(파괴적으로) 합산될 수 있다. 사용자 단말기와 AN 사이의 상이한 경로들의 수 L이 클 때, 말단간 채널 이득은 진폭의 레일리 분포(Rayleigh distribution)를 가질 수 있다. 그러한 분포에서, 사용자 단말기(517)로부터 AN(515)으로의 채널 이득의 평균 레벨보다 20 dB 이상 낮은 특정 사용자 단말기(517)로부터 특정 AN(515)으로의 일부 말단간 채널 이득들을 보는 것은 드문 일이 아니다. 이러한 말단간 빔 형성 시스템은 임의의 사용자 단말기로부터 임의의 AN으로의 말단간 경로에 대한 다중 경로 환경을 의도적으로 유도한다.
도 8은 사용자 빔 커버리지 영역들(519)로부터 AN들(515)로의 모든 말단간 역방향 다중 경로 채널들의 예시적인 모델의 간략화된 예시이다. M × K개의 그러한 말단간 역방향 다중 경로 채널(즉, K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 각각으로부터의 M개)이 말단간 역방향 링크 안에 존재한다. 채널들(1908)은 하나의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기들을 L개의 상이한 수신/송신 신호 경로(1702)를 통해 하나의 AN(515)에 접속하며, 각각의 경로는 릴레이의 L개의 수신/송신 신호 경로(및 관련 트랜스폰더) 중 상이한 하나를 통과한다. 이 효과는 여기서 "다중 경로"로 지칭되지만, 이 다중 경로는 (예를 들어, 이동 무선 또는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서의) 통상의 다중 경로와는 다른데, 왜냐하면 여기서의 다수의 경로는 L개의 수신/송신 신호 경로에 의해 의도적으로 유도되기 때문이다(그리고 여기서 설명되는 바와 같이 그에 의해 영향을 받기 때문이다). 특정 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기(517)로부터 생성되는 M × K개의 말단간 역방향 다중 경로 채널 각각은 말단간 역방향 다중 경로 채널에 의해 모델링될 수 있다. 각각의 그러한 말단간 역방향 다중 경로 채널은 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 기준(또는 복구) 위치로부터 AN들(515) 중 하나로이다.
M × K개의 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908) 각각은 M × K 역방향 채널 행렬 Hret의 대응하는 요소를 계산하기 위해 개별적으로 모델링될 수 있다. 역방향 채널 행렬 Hret는 M과 동일한 차원을 각각 갖는 K개의 벡터를 가지며, 따라서 각각의 벡터는 각자의 K개의 사용자 빔 커버리지 영역 중 하나 내의 기준 위치와 M개의 AN(515) 사이의 다중 경로 통신들에 대한 말단간 역방향 채널 이득들을 모델링한다. 각각의 말단간 역방향 다중 경로 채널은 M개의 AN(515) 중 하나를 L개의 트랜스폰더(410)를 통해 K개의 역방향 사용자 빔 중 하나 내의 기준 위치와 결합한다(도 7 참조). 일부 경우에, 말단간 릴레이(503) 상의 L개의 트랜스폰더(410)의 서브세트만이 말단간 역방향 다중 경로 채널을 생성하는 데 사용된다(예를 들어, 서브세트만이 말단간 역방향 다중 경로 채널에 상당한 에너지를 기여함으로써 신호 경로 내에 있는 것으로 간주된다). 일부 경우에, 사용자 빔들의 수(K)는 말단간 역방향 다중 경로 채널의 신호 경로에 있는 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다. 또한, 일부 경우에, AN들의 수(M)는 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)의 신호 경로에 있는 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다. 예에서, 역방향 채널 행렬 Hret의 요소 Hret4,2는 제2 사용자 빔 커버리지 영역(1903) 내의 기준 위치로부터 제4 AN(1901)으로의 채널과 관련된다. 행렬 Hret는 행렬들의 곱 Ct × E × Ar로서 말단간 채널을 모델링한다(도 6 참조). Hret 내의 각각의 요소는 하나의 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)의 말단간 이득을 모델링한다. 채널의 다중 경로 특성으로 인해, 채널은 크게 페이딩될 수 있다. 역방향 사용자 빔들은 CPS(505)에 의해 형성될 수 있다. CPS(505)는 이들 M × K개의 신호 경로의 모델에 기초하여 역방향 빔 가중치들을 계산하고, 역방향 빔 가중치들을 복수의 합성 역방향 신호에 적용함으로써 역방향 사용자 빔들을 형성하며, 각각의 가중치는 하나의 사용자 빔 커버리지 영역 내의 사용자 단말기들(517)을 복수의 AN(515) 중 하나와 결합하는 각각의 말단간 역방향 다중 경로 채널에 대해 계산된다. 일부 경우에, 역방향 빔 가중치들은 합성 역방향 신호를 수신하기 전에 계산된다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 각각으로부터 M개의 AN(515)으로의 하나의 말단간 역방향 링크가 있다. M개의 AN(515)에 의해 수신된 각각의 신호의 가중화(즉, 복소 상대 위상/진폭)는 지상 세그먼트(502) 내의 CPS(505)의 빔 형성 능력을 사용하여 역방향 사용자 빔을 형성하기 위해 그러한 신호들이 결합되는 것을 가능하게 한다. 빔 가중치 행렬의 계산은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 복수의 역방향 사용자 빔을 형성하기 위해 각각의 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)을 어떻게 가중화할지를 결정하는 데 사용된다. 사용자 빔들은 하나의 말단간 릴레이 안테나 요소에 의해 송신된 신호들의, 다른 말단간 릴레이 안테나 요소에 의해 송신된 신호들의 위상 및 진폭에 대한 상대 위상 및 진폭을 직접 조정함으로써 형성되지 않는다. 오히려, 사용자 빔들은 M × K 채널 행렬과 관련된 가중치들을 M개의 AN 신호에 적용함으로써 형성된다. 의도적으로 유도된 다중 경로 채널의 존재하에서 임의의 사용자 단말기로부터의 정보의 성공적인 송신을 가능하게 하기 위해 수신 경로 다이버시티(diversity), 단일 송신기(사용자 단말기) 대 다수의 수신기(AN)를 제공하는 것은 복수의 AN이다.
순방향 데이터
도 9는 말단간 순방향 링크(501) 상에서 순방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다. 순방향 데이터는 AN들(515)로부터 사용자 단말기들(517)로 흐르는 데이터이다. 이 도면 내의 신호들은 우측으로부터 좌측으로 흐른다. 신호들은 말단간 릴레이(503)의 풋프린트 내에 위치하는 M개의 AN(515)에 의해 생성된다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519)이 있다. 각각의 AN(515)으로부터의 신호들은 L개의 수신/송신 신호 경로(2001)에 의해 릴레이된다.
수신/송신 신호 경로들(2001)은 릴레이 신호를 사용자 빔 커버리지 영역들(519) 내의 사용자 단말기들(517)로 송신한다. 따라서, 신호가 특정 AN(515)으로부터 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내에 위치하는 사용자 단말기(517)에 도달하는 L개의 상이한 방식이 존재할 수 있다. 이것은 각각의 AN(515)과 각각의 사용자 단말기(517) 사이에 L개의 경로를 생성한다. 안테나 요소 커버리지 패턴들로 인해, L개의 경로 중 일부는 다른 경로들보다 적은 에너지를 가질 수 있다는 점에 유의한다.
도 10은 지리적으로 분산된 위치들에 있는 복수의 액세스 노드를 말단간 릴레이(503)를 통해 (예를 들어, 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 복구 위치에 위치하는) 사용자 빔 내의 사용자 단말기(517)와 결합하는 예시적인 말단간 순방향 링크(501)를 예시한다. 일부 경우에, 순방향 데이터 신호는 순방향 업링크 신호를 생성하기 전에 빔 형성기에서 수신된다. 복수의 순방향 업링크 신호가 빔 형성기에서 생성되어 복수의 AM(515)으로 통신된다. 예를 들어, 각각의 AN(515)은 그 AN(515)에 대응하는 빔 가중치에 따라 생성된 고유(빔 가중) 순방향 업링크 신호를 수신한다. 각각의 AN(515)은 M개의 업링크 중 하나를 통해 순방향 업링크 신호를 송신하는 출력을 갖는다. 각각의 순방향 업링크 신호는 순방향 사용자 빔과 관련된 순방향 데이터 신호를 포함한다. 순방향 데이터 신호는 사용자 빔에 의해 서비스되는 사용자 단말기들(517)에 의해 수신되도록 의도되기 때문에 순방향 사용자 빔과 "관련"된다. 일부 경우에, 순방향 데이터 신호는 2개 이상의 사용자 데이터 스트림을 포함한다. 사용자 데이터 스트림들은 시분할 또는 주파수 분할 다중화 등에 의해 함께 다중화될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 사용자 데이터 스트림은 동일한 순방향 사용자 빔 내의 복수의 사용자 단말기 중 하나 이상으로의 송신을 위한 것이다.
아래에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 각각의 순방향 업링크 신호는 그의 각자의 송신 AN(515)에 의해 시간 동기화 방식으로 송신된다. AN들(515)로부터 송신된 순방향 업링크 신호들(521)은 말단간 릴레이(503) 상에서 수신 안테나 요소들(406)을 통해 말단간 릴레이(503) 상의 복수의 트랜스폰더(410)에 의해 수신된다. 지리적으로 분산된 위치들로부터 수신된 순방향 업링크 신호들(521)의 중첩(550)은 합성 입력 순방향 신호(545)를 생성한다. 각각의 트랜스폰더(410)는 합성 입력 순방향 신호(545)를 동시에 수신한다. 그러나, 각각의 트랜스폰더(410)는 각각의 트랜스폰더(401)와 관련된 수신 안테나 요소(406)의 위치에 있어서의 차이로 인해 약간 상이한 타이밍에 신호를 수신할 것이다.
Cr은 L × M 순방향 업링크 방사 행렬이다. 순방향 업링크 방사 행렬의 값들은 AN들(515)로부터 수신 안테나 요소들(406)로의 신호 경로(진폭 및 위상)를 모델링한다. E는 L × L 페이로드 행렬이고, 수신 안테나 요소들(406)로부터 송신 안테나 요소들(409)로의 트랜스폰더 신호 경로들의 모델을 제공한다. 각각의 수신 안테나 요소(406)로부터 복수의 트랜스폰더 중 대응하는 하나를 통해 각각의 대응하는 송신 안테나 요소(409)로의 직접 경로 이득은 페이로드 행렬의 대각선 값들에 의해 모델링된다. 역방향 링크와 관련하여 상기에 언급된 바와 같이, 안테나 요소들 사이에 누화가 없다고 가정하면, 페이로드 행렬의 대각선 밖의 요소들은 0이다. 일부 경우에, 누화는 0이 아닐 수 있다. 신호 경로들을 서로 격리하면 누화가 최소화될 것이다. 이 예에서, 트랜스폰더들(410) 각각은 수신 안테나 요소들(406) 각각을 송신 안테나 요소들(409) 각각과 결합한다. 따라서, 각각의 트랜스폰더(410)로부터 출력된 순방향 다운링크 신호(522)는 순방향 다운링크 신호들(522)이 (빔을 형성하기 위해 원하는 지리적 복구 위치들에 건설적으로 그리고 파괴적으로 중첩함으로써) 순방향 사용자 빔을 형성하도록 복수의 트랜스폰더(410)(도 9 참조) 각각에 의해 송신 안테나 요소(409)를 통해 송신된다. 일부 경우에, 복수의 사용자 빔이 형성되고, 각각은 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기들(517)의 각자의 세트를 서비스하는 지리적 사용자 빔 커버리지 영역(519)에 대응한다. 제1 송신 안테나 요소(409a)(도 10 참조)로부터 제1 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 기준(또는 복구) 위치로의 경로는 순방향 다운링크 방사 행렬의 At11 값에서 주어진다. 역방향 링크와 관련하여 언급된 바와 같이, 이러한 말단간 빔 형성 시스템은 임의의 AN(515)으로부터 임의의 사용자 단말기(517)로의 말단간 경로에 대한 다중 경로 환경을 의도적으로 유도한다. 일부 경우에, 송신 안테나 요소들(409)의 서브세트는 상당한 에너지를 갖는 순방향 다운링크 신호들(522)을 사용자 단말기(517)로 송신한다. 사용자 단말기(517)(또는, 더 일반적으로, 수신 및/또는 복구를 위한 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 기준 또는 복구 위치)는 복수의 순방향 다운링크 신호(522)를 수신하고, 수신된 복수의 순방향 다운링크 신호들(522)로부터 순방향 데이터 신호의 적어도 일부를 복구한다. 송신된 순방향 다운링크 신호들(522)은 서브세트 내의 송신 안테나 요소들(409)에 의해 송신된 다른 신호들 중 임의의 신호로부터의 최고 신호 레벨로부터 10 dB 이내인 신호 레벨에서 사용자 단말기(517)에 의해 수신될 수 있다. 일부 경우에, 송신 안테나 요소들의 서브세트는 말단간 릴레이(503)에 존재하는 복수의 송신 안테나 요소들 중 적어도 10%를 포함한다. 일부 경우에, 송신 안테나 요소들의 서브세트는 말단간 릴레이(503)에 얼마나 많은 송신 안테나 요소(409)가 존재하는지에 관계없이 적어도 10개의 송신 안테나 요소를 포함한다. 하나의 경우에, 복수의 순방향 다운링크 신호를 수신하는 것은 복수의 순방향 다운링크 신호의 중첩(551)을 수신하는 것을 포함한다.
도 11은 M개의 AN(515)으로부터 K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로의 모든 말단간 순방향 다중 경로 채널들(2208)의 모델의 단순화된 예시이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 AN(515)을 각각의 사용자 빔 커버리지 영역(519)에 결합하는 말단간 순방향 다중 경로 채널(2208)이 있다. 하나의 AN(515)으로부터 하나의 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로의 각각의 채널(2208)은 AN(515)으로부터 복수의 트랜스폰더를 통해 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로의 L개의 고유 경로의 결과로서 유도된 다중 경로를 갖는다. 그렇기 때문에, K × M개의 다중 경로 채널(2208)은 개별적으로 모델링될 수 있고, 각각의 모델은 K × M 순방향 채널 행렬 Hfwd의 요소로서의 역할을 한다. 순방향 채널 행렬 Hfwd는 M개의 벡터들을 가지며, 각각의 벡터는 K와 동일한 차원을 갖고, 따라서 각각의 벡터는 M개의 AN(515) 각각과 K개의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역 내의 기준(또는 복구) 위치들 간의 다중 경로 통신에 대한 말단간 순방향 이득을 모델링한다. 각각의 말단간 순방향 다중 경로 채널은 L개의 트랜스폰더(410)(도 10 참조)를 통해 K개의 순방향 사용자 빔 중 하나에 의해 서비스되는 사용자 단말기들(517)과 M개의 AN(515) 중 하나를 결합한다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(503) 상의 L개의 트랜스폰더들(410)의 서브세트만이 말단간 순방향 다중 경로 채널을 생성하는 데 사용된다(즉, 말단간 순방향 다중 경로 채널의 신호 경로 내에 있다). 일부 경우에, 사용자 빔들의 수(K)는 말단간 순방향 다중 경로 채널의 신호 경로에 있는 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다. 또한, 일부 경우에, AN들의 수(M)는 말단간 순방향 다중 경로 채널의 신호 경로에 있는 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다.
H-fwd는 말단간 순방향 링크를 행렬들의 곱 At × E × Cr로서 나타낼 수 있다. Hfwd의 각각의 요소는 경로의 다중 경로 특성으로 인한 말단간 순방향 이득이며, 크게 페이딩될 수 있다. 적절한 빔 가중치는 지상 세그먼트(502) 내의 CPS(505)에 의해 복수의 말단간 순방향 다중 경로 채널들(2208) 각각에 대해 계산되어 M개의 AN(515)의 세트로부터 각각의 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로의 순방향 사용자 빔들을 형성할 수 있다. 복수의 AN들(515)은 의도적으로 유도된 다중 경로 채널의 존재하에서 임의의 사용자 단말기(517)로의 정보의 성공적인 송신을 가능하게 하기 위해 단일 수신기(사용자 단말기)에 대해 다수의 송신기(AN)를 사용함으로써 송신 경로 다이버시티를 제공한다.
결합된 순방향 및 역방향 데이터
도 12는 순방향 및 역방향 통신들 둘 모두를 지원하는 예시적인 말단간 릴레이를 예시한다. 일부 경우에, 말단간 순방향 링크(501) 및 말단간 역방향 링크(523) 둘 모두에 대해 동일한 말단간 릴레이 신호 경로들(예를 들어, 수신 안테나 요소들, 트랜스폰더들 및 송신 안테나 요소들의 세트)이 사용될 수 있다. 일부 다른 경우들은 수신 및 송신 안테나 요소들을 공유할 수 있거나 공유하지 않을 수 있는 순방향 링크 트랜스폰더들 및 역방향 링크 트랜스폰더들을 포함한다. 일부 경우에, 시스템(1200)은 (예를 들어, 특정 국가, 전국, 지역, 전체 가시 영역, 또는 임의의 다른 적합한 지리적 지역(1208)일 수 있는) 동일한 일반 지리적 지역(1208)에 위치하는 복수의 AN 및 사용자 단말기를 갖는다. 단일 말단간 릴레이(1202)(위성 또는 임의의 다른 적합한 말단간 릴레이 상에 배치됨)는 AN들로부터 순방향 업링크 신호들(521)을 수신하고 순방향 다운링크 신호들(522)을 사용자 단말기들에 송신한다. 교대로 또는 다른 주파수들에서, 말단간 릴레이(1202)는 또한 사용자 단말기들로부터 역방향 업링크 신호들(525)을 수신하고 역방향 다운링크 신호들(527)을 AN들에 송신한다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(1202)는 시간 도메인 이중화, 주파수 도메인 이중화 등과 같은 기술들을 사용하여 순방향 데이터와 역방향 데이터 간에 공유된다. 일부 경우에, 순방향 데이터와 역방향 데이터 간의 시간 도메인 이중화는 동일한 주파수 범위를 사용하는데: 순방향 데이터는 역방향 데이터를 송신하는 데 사용되는 것과는 상이한(중첩되지 않는) 시간 간격 동안 송신된다. 일부 경우에, 주파수 도메인 이중화에서, 순방향 데이터 및 역방향 데이터에 대해 상이한 주파수들이 사용되며, 이에 의해 순방향 및 역방향 데이터의 동시적인 비간섭 송신이 허용된다.
도 13은 두 부분으로 분할되는 업링크 주파수 범위의 예시이다. 범위의 하위 주파수(왼쪽) 부분은 순방향 업링크에 할당되고, 범위의 상위 주파수(오른쪽) 부분은 역방향 업링크에 할당된다. 업링크 범위는 순방향 또는 역방향 데이터의 다수 부분으로 분할될 수 있다.
도 14는 시분할 다중화되는 순방향 데이터 및 역방향 데이터의 예시이다. 프레임의 제1 시간 간격 동안 순방향 데이터가 송신되는 반면, 프레임의 최종 시간 간격 동안 역방향 데이터가 송신되는 데이터 프레임 기간이 도시된다. 말단간 릴레이는 제1(순방향) 수신 시간 간격 동안 하나 이상의 액세스 노드로부터, 그리고 제1 수신 시간 간격과 중첩되지 않는 제2(역방향) 수신 시간 간격 동안 하나 이상의 사용자 단말기로부터 수신한다. 말단간 릴레이는 제1(순방향) 송신 시간 간격 동안 하나 이상의 사용자 단말기로, 그리고 제1 수신 시간 간격과 중첩되지 않는 제2(역방향) 송신 시간 간격 동안 하나 이상의 액세스 노드로 송신한다. 데이터 프레임은 반복될 수 있거나 동적으로 변경될 수 있다. 프레임은 순방향 및 역방향 데이터에 대한 다수의(예를 들어, 불연속) 부분으로 분할될 수 있다.
말단간 빔 형성 위성
일부 경우에, 말단간 릴레이(503)는 위성 상에 구현되어, 위성은 (그러한 경우에 위성 액세스 노드(SAN)로 지칭될 수 있는) AN들로부터 사용자 단말기들로 그리고 그 반대로 신호들을 릴레이하는 데 사용된다. 일부 경우에, 위성은 정지 궤도에 있다. 말단간 릴레이로서 동작하는 예시적인 위성은 수신 안테나 요소들의 어레이, 송신 안테나 요소들의 어레이, 및 수신 안테나 요소들을 송신 안테나 요소들에 접속하는 다수의 트랜스폰더들을 갖는다. 어레이들은 전통적인 단일 링크 위상 어레이 안테나들과 유사하게, 중첩 안테나 요소 커버리지 영역들을 갖는 다수의 안테나 요소를 갖는다. 전술한 다중 경로 환경을 생성하는 것은 송신 안테나 요소들 및 수신 안테나 요소들 둘 모두 상의 중첩 안테나 요소 커버리지 영역들이다. 일부 경우에, 대응하는 안테나 요소들에 의해 설정된 안테나 패턴들과, 중첩 안테나 요소 커버리지 영역들(예를 들어, 중첩 컴포넌트 빔 안테나 패턴들)을 초래하는 것들은 동일하다. 본 개시의 목적을 위해, 용어 "동일"은 그들이 공간 내의 포인트들의 주어진 세트에 걸쳐 본질적으로 동일한 전력 분포를 따름으로써, 안테나 요소를 공간 내의 포인트들을 찾기 위한 기준 포인트로서 간주한다는 것을 의미한다. 완벽하게 동일하기는 매우 어렵다. 따라서, 하나의 패턴으로부터 다른 패턴으로의 비교적 작은 편차를 갖는 패턴들은 "동일한" 패턴들의 범위 내에 있다. 다른 경우에, 수신 컴포넌트 빔 안테나 패턴들은 동일하지 않을 수 있으며, 실제로는 상당히 상이할 수 있다. 그러한 안테나 패턴들은 그럼에도 불구하고 중첩 안테나 요소 커버리지 영역들을 초래할 수 있지만, 그러한 결과적인 커버리지 영역들은 동일하지 않을 것이다.
안테나 타입들은 어레이 피딩 반사기들(array fed reflectors), 공동 초점 어레이들, 직접 방사 어레이들 및 다른 형태의 안테나 어레이들을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 각각의 안테나는 하나 이상의 반사기와 같은, 신호의 수신 및/또는 송신을 돕기 위한 추가적인 광학 컴포넌트들을 포함하는 시스템일 수 있다. 일부 경우에, 위성은 시스템 타이밍 정렬 및 빔 형성 교정을 돕는 컴포넌트들을 포함한다.
도 15는 말단간 릴레이(503)로서 사용될 수 있는 예시적인 위성(1502)의 도면이다. 일부 경우에, 위성(1502)은 어레이 피딩 반사기 송신 안테나(401) 및 어레이 피딩 반사기 수신 안테나(402)를 갖는다. 수신 안테나(402)는 수신 반사기(도시되지 않음) 및 수신 안테나 요소들(406)의 어레이를 포함한다. 수신 안테나 요소들(406)은 수신 반사기에 의해 조명된다. 송신 안테나(401)는 송신 반사기(도시되지 않음) 및 송신 안테나 요소들(409)의 어레이를 포함한다. 송신 안테나 요소들(409)은 송신 반사기를 조명하도록 배열된다. 일부 경우에, 동일한 반사기가 수신 및 송신 둘 모두에 사용된다. 일부 경우에, 안테나 요소의 하나의 포트가 수신에 사용되고 다른 포트가 송신에 사용된다. 일부 안테나들은 상이한 편광들의 신호들을 구별하는 능력을 갖는다. 예를 들어, 안테나 요소는, 각각, 오른손 순환 편광(RHCP) 수신, 왼손 순환 편광(LHCP) 수신, RHCP 송신, 및 LHCP 송신을 위한 4개의 도파관 포트를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 시스템의 용량을 늘리기 위해 이중 편광이 사용될 수 있고; 다른 경우에, (예를 들어, 상이한 편광을 사용하는 다른 시스템들과의) 간섭을 감소시키기 위해 단일 편광이 사용될 수 있다.
예시적인 위성(1502)은 또한 복수의 트랜스폰더(410)를 포함한다. 트랜스폰더(410)는 하나의 수신 안테나 요소(406)로부터의 출력을 송신 안테나 요소(409)의 입력에 접속한다. 일부 경우에, 트랜스폰더(410)는 수신 신호를 증폭한다. 각각의 수신 안테나 요소는 고유 수신 신호를 출력한다. 일부 경우에, 수신 안테나 요소들(406)의 서브세트는 역방향 링크 신호의 경우에 사용자 단말기(517) 또는 순방향 링크 신호의 경우에 AN(515)과 같은, 지구 송신기로부터 신호를 수신한다. 이들 경우 중 일부에서, 수신 신호에 대한 서브세트 내의 각각의 수신 안테나 요소의 이득은 비교적 작은 범위 내에 있다. 일부 경우에, 범위는 3 dB이다. 다른 경우에, 범위는 6 dB이다. 또 다른 경우에, 범위는 10 dB이다. 따라서, 위성은 위성의 복수의 수신 안테나 요소(406) 각각에서 신호를 수신할 것이고, 통신 신호는 지구 송신기로부터 생성되며, 따라서 수신 안테나 요소들(406)의 서브세트는 수신 안테나 요소(406)의 피크 이득에 대응하는 신호 레벨보다 실질적으로 낮지 않은 신호 레벨에서 통신 신호를 수신한다.
일부 경우에, 적어도 10개의 트랜스폰더(410)가 위성(1502) 내에 제공된다. 다른 경우에, 적어도 100개의 트랜스폰더(410)가 위성(1502) 내에 제공된다. 또 다른 경우에, 극성당 트랜스폰더들의 수는 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 또는 그 사이 또는 그 초과의 수들의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 트랜스폰더(410)는 저잡음 증폭기(LNA)(412), 주파수 변환기 및 관련 필터들(414) 및 전력 증폭기(PA)(420)를 포함한다. 업링크 주파수 및 다운링크 주파수가 동일한 일부 경우에, 트랜스폰더는 주파수 변환기를 포함하지 않는다. 다른 경우에, 복수의 수신 안테나 요소들은 제1 주파수에서 동작한다. 각각의 수신 안테나 요소(406)는 하나의 트랜스폰더(410)와 관련된다. 수신 안테나 요소(406)는 LNA(412)의 입력에 결합된다. 따라서, LNA는 트랜스폰더(410)와 관련된 수신 안테나 요소에 의해 제공된 고유 수신 신호를 독립적으로 증폭한다. 일부 경우에, LNA(412)의 출력은 주파수 변환기(414)에 결합된다. 주파수 변환기(414)는 증폭된 신호를 제2 주파수로 변환한다.
트랜스폰더의 출력은 송신 안테나 요소들 중 관련된 하나에 결합된다. 이들 예에서, 트랜스폰더(410), 관련 수신 안테나 요소(406) 및 관련 송신 안테나 요소(409) 사이에는 1대1 관계가 있어, 각각의 수신 안테나 요소(406)의 출력은 오직 유일한 하나의 트랜스폰더의 입력에 접속되고, 그 트랜스폰더의 출력은 오직 유일한 하나의 송신 안테나 요소의 입력에 접속된다.
도 16은 예시적인 트랜스폰더(410)의 예시이다. 트랜스폰더(410)는 전술한 바와 같이(예를 들어, 도 15의 위성(1502)) 말단간 릴레이(503)의 트랜스폰더의 예일 수 있다. 이 예에서, 트랜스폰더는 트랜스폰더(410)의 저잡음 증폭기(LNA)(412), 주파수 변환기 및 관련 필터들(414) 및 전력 증폭기(PA)에 더하여 위상 시프터(418)를 포함한다. 도 16에 예시된 바와 같이, 예시적인 트랜스폰더(410)는 또한 위상 시프트 제어기(427)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 위상 시프트 제어기(427)는 말단간 릴레이(503)의 트랜스폰더들의 일부 또는 전부와 (직접적으로 또는 간접적으로) 결합될 수 있고, 따라서 위상 시프트 제어기(427)는 각각의 트랜스폰더에 대한 위상들을 개별적으로 설정할 수 있다. 위상 시프터들은 예를 들어 아래에 논의된 바와 같이 교정에 도움이 될 수 있다.
안테나
다중 경로 환경을 생성하기 위해, 안테나 요소 커버리지 영역들은 동일한 극성, 주파수 및 타입(각각, 송신 또는 수신)의 적어도 하나의 다른 안테나 요소의 안테나 요소 커버리지 영역들과 중첩될 수 있다. 일부 경우에, 동일한 수신 편광 및 수신 주파수(예를 들어, 공통적으로 수신 주파수의 적어도 일부를 가짐)에서 동작 가능한 복수의 수신 컴포넌트 빔 안테나 패턴이 서로 중첩된다. 예를 들어, 일부 경우에, 동일한 수신 편광 및 수신 주파수(예를 들어, 공통적으로 수신 주파수의 적어도 일부를 가짐)에서 동작할 수 있는 수신 컴포넌트 빔 안테나 패턴들의 적어도 25%는 수신 안테나 요소들의 적어도 5개의 다른 수신 컴포넌트 빔 안테나 패턴과 중첩된다. 유사하게, 일부 경우에, 동일한 송신 편광 및 송신 주파수(예를 들어, 공통적으로 송신 주파수의 적어도 일부를 가짐)에서 동작할 수 있는 송신 컴포넌트 빔 안테나 패턴들의 적어도 25%는 적어도 5개의 다른 송신 컴포넌트 빔 안테나 패턴과 중첩된다. 중첩의 양은 시스템마다 다를 것이다. 일부 경우에, 수신 안테나 요소들(406) 중 적어도 하나는 동일한 수신 주파수(예를 들어, 공통적으로 수신 주파수의 적어도 일부를 가짐) 및 동일한 수신 편광에서 동작할 수 있는 다른 수신 안테나 요소들(406)의 안테나 패턴들과 중첩하는 컴포넌트 빔 안테나 패턴들을 갖는다. 따라서, 복수의 수신 안테나 요소 중 적어도 일부는 동일한 소스로부터 동일한 신호들을 수신할 수 있다. 유사하게, 송신 안테나 요소들(409) 중 적어도 하나는 동일한 송신 주파수(예를 들어, 공통적으로 송신 주파수의 적어도 일부를 가짐) 및 송신 편광에서 동작할 수 있는 다른 송신 안테나 요소들(409)의 안테나 패턴들과 중첩하는 컴포넌트 빔 안테나 패턴들을 갖는다. 따라서, 복수의 송신 안테나 요소 중 적어도 일부는 동일 편광에서 동일한 주파수를 갖는 신호들을 동일한 수신기로 송신할 수 있다. 일부 경우에, 중첩 컴포넌트 빔 안테나 패턴들은 공통 지리적 영역에 걸쳐 3 dB(또는 임의의 다른 적합한 값) 미만만큼 상이한 이득들을 가질 수 있다. 수신이든지 또는 송신이든지 간에, 안테나 요소들은 넓은 컴포넌트 빔 안테나 패턴을, 그리고 이에 따라 비교적 넓은 안테나 요소 커버리지 영역을 가질 수 있다. 일부 경우에, 사용자 단말기(517) 또는 액세스 노드(515)와 같은 지구 송신기에 의해 송신된 신호들은 말단간 릴레이(예를 들어, 위성)의 모든 수신 안테나 요소들(406)에 의해 수신된다. 일부 경우에, 요소들(406)의 서브세트가 지구 송신기로부터 신호를 수신한다. 일부 경우에, 서브세트는 수신 안테나 요소들의 적어도 50%를 포함한다. 다른 경우에, 서브세트는 수신 안테나 요소들의 적어도 75%를 포함한다. 또 다른 경우에, 서브세트는 수신 안테나 요소들의 적어도 90%(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)를 포함한다. 수신 안테나 요소들(406)의 상이한 서브세트들이 상이한 지구 송신기들로부터 신호를 수신할 수 있다. 유사하게, 일부 경우에, 요소(409)의 서브세트는 사용자 단말기(517)에 의해 수신될 수 있는 신호를 송신한다. 일부 경우에, 서브세트는 송신 안테나 요소들의 적어도 50%를 포함한다. 다른 경우에, 서브세트는 송신 안테나 요소들의 적어도 75%를 포함한다. 또 다른 경우에, 서브세트는 송신 안테나 요소들의 적어도 90%(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)를 포함한다. 요소들(409)의 상이한 서브세트들이 상이한 사용자 단말기들에 의해 수신되는 신호들을 송신할 수 있다. 또한, 사용자 단말기들은 몇몇 형성된 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내에 있을 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 안테나 패턴은 안테나로 송신되거나 안테나로부터 수신되는 에너지의 분포 패턴이다. 일부 경우에, 에너지는 안테나 요소로부터/로 직접 방사될 수 있다. 다른 경우에, 하나 이상의 송신 안테나 요소로부터의 에너지는 안테나 요소 패턴을 형상화하는 하나 이상의 반사기에 의해 반사될 수 있다. 유사하게, 수신 요소는 에너지를 직접 수신할 수 있거나, 에너지가 하나 이상의 반사기에서 반사된 후에 수신할 수 있다. 일부 경우에, 안테나들은 여러 요소로 구성될 수 있으며, 이들 각각은 대응하는 안테나 요소 커버리지 영역을 설정하는 컴포넌트 빔 안테나 패턴을 갖는다. 유사하게, 복수의 수신 안테나 요소가 동일한 AN(515)으로부터 신호를 수신하고/하거나 복수의 송신 안테나 요소가 신호를 동일 AN(515)으로 송신하도록 AN들(515)에 대해 신호를 수신하고 송신하는 수신 및 송신 안테나 요소들의 모두 또는 서브세트가 중첩될 수 있다.
도 17은 3 dB 포인트들에서 교차하는 몇몇 안테나 요소(수신 안테나 요소(406) 또는 송신 안테나 요소(409))에 의해 생성된 컴포넌트 빔 안테나 패턴들의 예시이다. 제1 안테나 요소의 컴포넌트 빔 안테나 패턴(1301)은 조준(1303)을 따라 피크 컴포넌트 빔 안테나 이득을 갖는다. 컴포넌트 빔 안테나 패턴(1301)은 컴포넌트 빔 안테나 패턴(1305)과 교차하기 전에 약 3 dB 감쇠하는 것으로 도시된다. 2개의 인접한 컴포넌트 빔 안테나 패턴의 각각의 쌍은 컴포넌트 빔 안테나 패턴의 비교적 작은 부분에 대해서만 3 dB 라인(1307)에 대해 중첩되기 때문에, 이들 컴포넌트 빔 안테나 패턴을 생성하는 안테나 요소들은 중첩되지 않는 것으로 간주된다.
도 18은 문자 'x'로 표기된 피크 이득을 갖는 몇몇 요소(406, 409)의 이상화된 3 dB 안테나 등고선들(3901, 3902, 3903)을 도시한다. 등고선들(3901, 3902, 3903)은 등고선들이 간략화를 위해 원형으로 도시되기 때문에 여기서 "이상화된" 것으로 지칭된다. 그러나, 등고선들(3901, 3902, 3903)은 원형일 필요는 없다. 각각의 등고선은 송신 또는 수신 신호가 피크 레벨보다 3 dB 아래인 장소를 나타낸다. 등고선 밖에서, 신호는 피크보다 3 dB 초과로 낮다. 등고선 안에서, 신호는 피크보다 3 dB 미만으로 낮다(즉, 피크로부터 3 dB 이내). 수신 컴포넌트 빔 안테나 패턴의 커버리지 영역이 수신 컴포넌트 빔 안테나 이득이 피크 수신 컴포넌트 빔 안테나 이득으로부터 3 dB 이내인 모든 포인트들인 시스템에서, 등고선 안의 영역은 안테나 요소 커버리지 영역으로 지칭된다. 각각의 요소(406, 409)에 대한 3 dB 안테나 등고선은 중첩되지 않는다. 즉, 3 dB 안테나 등고선(3901) 내의 영역 중 비교적 작은 부분만이 인접한 3 dB 안테나 패턴들(3902, 3903) 안에 있는 영역과 중첩된다.
도 19는 몇몇 안테나 요소(수신 안테나 요소들(406) 또는 송신 안테나 요소들(409))의 안테나 패턴들(1411, 1413, 1415)의 예시이다. 도 17의 컴포넌트 빔 안테나 패턴들과는 대조적으로, 도 19에 도시된 컴포넌트 빔 안테나 패턴들은 3 dB 라인(1307) 위에서 교차한다(1417).
도 20a 내지 도 20e는 문자 'x'로 표기된 빔 중심 포인트(피크 이득)를 갖는 몇몇 안테나 요소(406, 409)에 대한 3 dB 안테나 등고선들을 예시한다. 도 20a는 제1 안테나 요소(406)의 특정 안테나 등고선(1411)을 도시한다. 도 20b는 2개의 특정 요소(406)에 대한 3 dB 안테나 등고선들(1411, 1413)을 도시한다. 도 20c는 3개의 요소(406)에 대한 3 dB 안테나 등고선들을 도시한다. 도 20d는 4개의 안테나 요소(406)에 대한 3 dB 안테나 등고선들을 도시한다. 도 20e는 16개의 안테나 요소(406)의 어레이에 대한 3 dB 안테나 등고선들을 도시한다. 3 dB 안테나 등고선들은 중첩되는 것으로 도시된다(1418)(예를 들어, 16개의 그러한 3 dB 안테나 등고선이 도시된다). 수신 또는 송신 안테나 내의 안테나 요소들은 여러 개의 상이한 구성 중 임의의 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 요소들이 일반적으로 원형 피드 호른을 갖는 경우, 요소들은 벌집 구성으로 배열되어 소량의 공간 내에 요소들을 빽빽히 팩킹할 수 있다. 일부 경우에, 안테나 요소들은 수평 행들 및 수직 열들로 정렬된다.
도 21은 수신 안테나 요소들(406)과 관련된 수신 안테나 3 dB 안테나 등고선들의 상대적 위치들의 예시적인 예시이다. 요소(406) 빔 중심은 1 내지 16으로 넘버링되며, 요소(4064)는 빔 중심 지시자 'x'의 좌상의 숫자 '4'에 의해 식별된다. 일부 경우에, 16개보다 많은 수신 안테나 요소(406)가 있을 수 있다. 그러나, 간략화를 위해, 도 21에는 16개만이 도시되어 있다. 송신 안테나 요소들(409)의 대응하는 어레이 및 이들의 관련 3 dB 안테나 등고선들은 도 21과 유사하게 보일 것이다. 따라서, 간략화를 위해, 수신 안테나 요소들(406)의 어레이만이 도시된다. 중심의 영역(2101)은 모든 안테나 요소 커버리지 영역들이 중첩되는 곳이다.
일부 경우에, 릴레이 커버리지 영역(예를 들어, 위성 커버리지 영역) 내의 적어도 하나의 포인트는 몇몇 안테나 요소(406)의 컴포넌트 빔들의 3 dB 안테나 등고선 내에 속한다. 하나의 그러한 경우에, 적어도 하나의 포인트는 적어도 100개의 상이한 안테나 요소(406)의 3 dB 안테나 등고선 내에 있다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역의 적어도 10%는 적어도 30개의 상이한 안테나 요소의 3 dB 안테나 등고선들 내에 있다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역의 적어도 20%는 적어도 20개의 상이한 안테나 요소의 3 dB 안테나 등고선들 내에 있다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역의 적어도 30%는 적어도 10개의 상이한 안테나 요소의 3 dB 안테나 등고선들 내에 있다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역의 적어도 40%는 적어도 8개의 상이한 안테나 요소의 3 dB 안테나 등고선들 내에 있다. 다른 경우에, 릴레이 커버리지 영역의 적어도 50%는 적어도 4개의 상이한 안테나 요소의 3 dB 안테나 등고선들 내에 있다. 그러나, 일부 경우에, 이러한 관계들 중 하나 초과가 사실일 수 있다.
일부 경우에, 말단간 릴레이는 업링크 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들 중 적어도 25%가 적어도 6개의 수신 안테나 요소(406)의 중첩 커버리지 영역들 내에 있는(예를 들어, 걸치는) 릴레이 커버리지 영역(예를 들어, 위성 커버리지 영역)을 갖는다. 일부 경우에, 업링크 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들의 25%가 적어도 4개의 수신 안테나 요소(406)의 중첩 커버리지 영역들 내에 있다(예를 들어, 걸친다). 일부 경우에, 말단간 릴레이는 다운링크 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들 중 적어도 25%가 적어도 6개의 송신 안테나 요소(409)의 중첩 커버리지 영역들 내에 있는(예를 들어, 걸치는) 커버리지 영역을 갖는다. 일부 경우에, 다운링크 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들의 25%가 적어도 4개의 송신 안테나 요소(409)의 중첩 커버리지 영역들 내에 있다(예를 들어, 걸친다).
일부 경우에, 수신 안테나(402)는 대략적으로 송신 안테나(401)와 동일한 커버리지 영역을 향할 수 있으며, 따라서 일부 수신 안테나 요소 커버리지 영역들은 자연적으로 특정 송신 안테나 요소 커버리지 영역들에 대응할 수 있다. 이들 경우에, 수신 안테나 요소들(406)은 트랜스폰더들(410)을 통해 그들의 대응하는 송신 안테나 요소들(409)에 매핑되어, 각각의 수신/송신 신호 경로에 대한 유사한 송신 및 수신 안테나 요소 커버리지 영역들을 생성할 수 있다. 그러나, 일부 경우에, 수신 안테나 요소들(406)을 동일한 컴포넌트 빔 커버리지 영역에 대응하지 않는 송신 안테나 요소들(409)에 매핑하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 수신 안테나(402)의 요소들(406)의, 송신 안테나(401)의 요소들(409)에 대한 매핑은 무작위로(또는 다른 방식으로) 치환될 수 있다. 그러한 치환은 수신 안테나 요소들(406)이 어레이 내의 동일한 상대적 위치 내의 송신 안테나 요소들(409)에 매핑되지 않는 결과를 가져오는, 또는 동일한 커버리지 영역을 갖는 경우를 포함한다. 예를 들어, 수신 안테나 요소 어레이 내의 각각의 수신 안테나 요소(406)는 송신 안테나 요소 어레이의 미러 위치에 위치하는 송신 안테나 요소(409)와 동일한 트랜스폰더(410)와 관련될 수 있다. 임의의 다른 치환이 치환에 따라 수신 안테나 요소들(406)을 송신 안테나 요소들(409)에 매핑하는 데 사용될 수 있다(예를 들어, 수신 안테나 요소(406) 및 송신 안테나 요소(409)의 특정 치환에 따라 관련 송신 안테나 요소(409)가 결합되는 동일한 트랜스폰더와 각각의 수신 안테나 요소(406)를 페어링하는 데 사용될 수 있다).
도 22는 16개의 트랜스폰더(410)를 통한 수신 안테나 요소들(406)의 송신 안테나 요소들(409)에 대한 예시적인 매핑들을 보여주는 표(4200)이다. 각각의 트랜스폰더(410)는 관련된 수신 안테나 요소(406)에 독점적으로 결합된 입력 및 관련된 송신 안테나 요소(409)에 독점적으로 결합된 출력을 갖는다(예컨대, 각각의 수신 안테나 요소(406), 하나의 트랜스폰더(410) 및 하나의 송신 안테나 요소(409) 사이에 일대일 관계가 존재한다). 일부 경우에, 일대일 관계로 구성되지 않은(그리고 말단간 빔 형성 시스템의 일부로서 동작하지 않는) 다른 수신 안테나 요소들, 트랜스폰더들 및 송신 안테나 요소들이 말단간 릴레이(예컨대, 위성) 상에 존재할 수 있다.
표(4200)의 제1 열(4202)은 트랜스폰더(410)를 식별한다. 제2 열(4204)은 제1 열의 트랜스폰더(410)가 결합되는 수신 안테나 요소(406)를 식별한다. 표(4200)의 제3 열(4206)은 트랜스폰더(410)의 출력이 결합되는 관련 송신 안테나 요소(409)를 식별한다. 각각의 수신 안테나 요소(406)는 표(4200)의 동일 행에서 식별되는 트랜스폰더(410)의 입력에 결합된다. 유사하게, 각각의 송신 안테나 요소(409)는 표(4200)의 동일 행에서 식별되는 트랜스폰더(410)의 출력에 결합된다. 표(4200)의 제3 열은 수신 안테나 어레이의 각각의 수신 안테나 요소(406)가 송신 안테나 어레이 내의 동일한 상대적 위치에서 송신 안테나 요소(409)와 동일한 트랜스폰더(410)에 결합되는 직접 매핑의 예를 도시한다. 표(4200)의 제4 열(4208)은 제1 수신 안테나 요소(406)가 제1 트랜스폰더(410) 및 제10 송신 안테나 요소(409)에 결합되는 인터리빙 매핑(interleaved mapping)의 예를 도시한다. 제2 수신 안테나 요소(406)는 제2 트랜스폰더(410) 및 제9 송신 안테나 요소(409)에 결합되고, 기타 등등이다. 일부 경우는 수신 안테나 요소(406) 및 송신 요소(409)의 트랜스폰더(410)와의 특정 페어링이 무작위로 선택되는 무작위 매핑을 포함한 다른 치환들을 갖는다.
각각의 수신/송신 신호 경로에 대해 가능한 것과 유사하게 송신 및 수신 안테나 요소 커버리지 영역들을 유지하려고 시도하는 직접 매핑은 일반적으로 시스템의 최고 총 용량을 산출한다. 무작위 및 인터리빙 치환들은 일반적으로 약간 더 적은 용량을 산출하지만, AN 장애, 지상 네트워크의 광섬유 장애, 또는 말단간 릴레이 상의(예컨대, 하나 이상의 트랜스폰더에서의) 전자 장애로 인한 수신/송신 신호 경로들의 손실에 대하여 더 강건한 시스템을 제공한다. 무작위 및 인터리빙 치환들은 더 낮은 비용의 비-중복 AN들이 사용되는 것을 가능하게 한다. 무작위 및 인터리빙 치환들은 또한 최상 성능 빔의 용량과 최악 성능 빔의 용량 사이의 더 적은 편차를 제공한다. 무작위 및 인터리빙 치환들은 또한 AN들의 단지 일부만으로 시스템을 초기에 동작시키는 데 더 유용할 수 있어서, 총 용량의 일부만이 커버리지 영역의 손실 없이 이용 가능할 수 있다. 이것의 예는 AN들의 증분 롤아웃이며, 이 경우에 시스템은 초기에 AN들의 50%만이 전개된 상태로 동작되었다. 이것은 전체 용량보다 적은 용량을 제공하면서, 여전히 전체 커버리지 영역에 걸쳐 동작할 수 있게 할 수 있다. 수요가 증가함에 따라, 모든 AN이 활성화되어 전체 용량이 달성될 때까지 더 많은 AN을 전개하여 용량을 증가시킬 수 있다. 일부 경우에, AN들의 구성에 있어서의 변화는 빔 가중치들의 재계산을 유발한다. 구성에 있어서의 변화는 하나 이상의 AN의 수 또는 특성을 변경하는 것을 포함할 수 있다. 이것은 말단간 순방향 및/또는 역방향 이득들의 재추정을 요구할 수 있다.
일부 경우에, 안테나는 포물면 반사기를 갖는 어레이 피딩 반사기 안테나이다. 다른 경우에, 반사기는 포물면 형상을 갖지 않는다. 수신 안테나 요소들(406)의 어레이는 반사기에 의해 반사된 신호들을 수신하도록 배열될 수 있다. 유사하게, 송신 안테나 요소들(409)의 어레이는 반사기를 조명하기 위한 어레이를 형성하도록 배열될 수 있다. 중첩 컴포넌트 빔 안테나 패턴들을 갖는 요소들을 제공하는 하나의 방법은 반사기의 초점 평면이 요소들(406, 409)의 어레이 뒤에(또는 앞에) 있는(즉, 수신 안테나 어레이가 수신 반사기의 초점 평면 밖에 위치하는) 결과로서 요소들(406, 409)이 디포커싱(언포커싱)되게 하는 것이다.
도 23은 중심 피딩 포물면 반사기(1521)의 단면의 예시이다. 초점(1523)은 반사기(1521)의 중심 축(1527)에 수직인 초점 평면(1525) 상에 있다. 중심 축(1527)에 평행하게 반사기(1521)에 부딪치는 수신 신호들은 초점(1523) 상에 포커싱된다. 마찬가지로, 초점에 위치하는 안테나 요소로부터 송신되고 반사기(1521)에 부딪치는 신호들은 반사기(1521)로부터 중심 축(1527)에 평행하게 포커싱 빔으로 반사될 것이다. 그러한 배열은 각각의 빔의 지향성을 최대화하고 인접한 피드들에 의해 형성된 빔들과의 중첩을 최소화하기 위해 빔당 단일 피드 시스템들에서 종종 사용된다.
도 24는 다른 포물면 반사기(1621)의 예시이다. 초점 평면 밖에(예를 들어, 반사기(1621)의 초점 평면(1625)의 전방에) 안테나 요소들(1629)(수신 안테나 요소들 또는 송신 안테나 요소들(406, 409, 3416, 3419, 3426, 3429)을 위치시킴으로써, 반사기(1621)에 부딪치는 송신 신호들(1631)의 경로는 그들이 반사기(1621) 밖으로 반사될 때 서로 평행하지 않아서, 포커싱된 경우에서보다 더 넓은 빔 폭을 유발할 것이다. 일부 경우에, 포물면 이외의 형상을 갖는 반사기들이 사용된다. 그러한 반사기들이 또한 안테나의 디포커싱을 유발할 수 있다. 말단간 빔 형성 시스템은 이러한 타입의 디포커싱 안테나를 사용하여 인접 안테나 요소들의 커버리지 영역에서 중첩을 생성하고, 이에 따라 릴레이 커버리지 영역 내의 주어진 빔 위치들에 대한 다수의 유용한 수신/송신 경로를 제공할 수 있다.
하나의 경우에, 말단간 릴레이가 전개될 때(예컨대, 말단간 위성 릴레이가 서비스 궤도 안에 있을 때) 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들의 25%가 적어도 6개의 컴포넌트 빔 안테나 패턴의 안테나 요소 커버리지 영역들 내에 있는 릴레이 커버리지 영역이 설정된다. 대안적으로, 릴레이 커버리지 영역 내의 포인트들의 25%가 적어도 4개의 수신 안테나 요소의 안테나 요소 커버리지 영역들 내에 있다. 도 25는 (단일 크로스 해칭으로 도시된) (위성 커버리지 영역으로도 지칭되는, 말단간 위성 릴레이에 대한) 예시적인 릴레이 커버리지 영역(3201) 및 6개의 안테나 요소 커버리지 영역(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215) 내에 또한 포함되는 릴레이 커버리지 영역(3201) 내의 포인트들에 의해 정의되는 (이중 크로스 해칭으로 도시된) 영역(3203)의 예시이다. 커버리지 영역(3201) 및 안테나 요소 커버리지 영역(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215)은 수신 안테나 요소 커버리지 영역들 또는 송신 안테나 요소 커버리지 영역들일 수 있고, 순방향 링크와만 또는 역방향 링크와만 관련될 수 있다. 안테나 요소 커버리지 영역들(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215)의 크기는 시스템에 의해 제공될 원하는 성능에 의해 결정된다. 에러에 대해 더 많은 내성이 있는 시스템은 내성이 더 적은 시스템보다 더 큰 안테나 요소 커버리지 영역들을 가질 수 있다. 일부 경우에, 각각의 안테나 요소 커버리지 영역(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215)은 컴포넌트 빔 안테나 이득이 컴포넌트 빔 안테나 패턴을 설정하는 안테나 요소에 대한 피크 컴포넌트 빔 안테나 이득으로부터 10 dB 이내인 모든 포인트들이다. 다른 경우에, 각각의 안테나 요소 커버리지 영역(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215)은 컴포넌트 빔 안테나 이득이 피크 컴포넌트 빔 안테나 이득으로부터 6 dB 이내인 모든 포인트들이다. 또 다른 경우에, 각각의 안테나 요소 커버리지 영역(3205, 3207, 3209, 3211, 3213, 3215)은 컴포넌트 빔 안테나 이득이 피크 컴포넌트 빔 안테나 이득으로부터 3 dB 이내인 모든 포인트들이다. 말단간 릴레이가 아직 전개되지 않은 때에도(예컨대, 말단간 위성 릴레이가 서비스 궤도에 있지 않은 때에도), 말단간 릴레이는 여전히 위의 정의에 따르는 컴포넌트 빔 안테나 패턴들을 갖는다. 즉, 궤도 내의 말단간 릴레이에 대응하는 안테나 요소 커버리지 영역들은 말단간 릴레이가 서비스 궤도 내에 있지 않을 때에도 컴포넌트 빔 안테나 패턴들로부터 계산될 수 있다. 말단간 릴레이는 빔 형성에 기여하지 않는, 그리고 이에 따라 전술한 특성들을 갖지 않을 수 있는 추가 안테나 요소들을 포함할 수 있다.
도 26은 릴레이 커버리지 영역(3301)(예를 들어, 위성 커버리지 영역) 내의 모든 포인트가 또한 적어도 4개의 안테나 요소 커버리지 영역(3303, 3305, 3307, 3309) 내에 포함되는 말단간 릴레이(예를 들어, 위성) 안테나 패턴(3300)의 예시이다. 다른 안테나 요소들이 말단간 릴레이 상에 존재할 수 있고, 릴레이 커버리지 영역(3301) 내의 모든 포인트보다 적은 포인트를 포함하는 안테나 요소 커버리지 영역들(3311)을 가질 수 있다.
시스템은 임의의 적합한 스펙트럼에서 동작할 수 있다. 예를 들어, 말단간 빔 형성 시스템은 C, L, S, X, V, Ka, Ku 또는 다른 적합한 대역 또는 대역들에서 동작할 수 있다. 일부 그러한 시스템들에서, 수신 수단은 C, L, S, X, V, Ka, Ku 또는 다른 적합한 대역 또는 대역들에서 동작한다. 일부 경우에, 순방향 업링크 및 역방향 업링크는 동일한 주파수 범위(예를 들어, 30 ㎓ 부근)에서 동작할 수 있고; 역방향 다운링크 및 순방향 다운링크는 비-중첩 주파수 범위(예를 들어, 20 ㎓ 부근)에서 동작할 수 있다. 말단간 시스템은 임의의 적합한 대역폭(예를 들어, 500 ㎒, 1 ㎓, 2 ㎓, 3.5 ㎓ 등)을 사용할 수 있다. 일부 경우에, 순방향 및 역방향 링크들은 동일한 트랜스폰더들을 사용한다.
시스템 타이밍 정렬을 돕기 위해, L개의 트랜스폰더 간의 경로 길이들은 일부 경우에 예를 들어 적절한 케이블 길이 선택을 통해 신호 경로 시간 지연들과 매칭하도록 설정된다. 일부 경우에 말단간 릴레이(예를 들어, 위성)는 교정 지원 모듈(424)(도 15 참조) 내에 릴레이 비컨 생성기(426)(예컨대, 위성 비컨)를 갖는다. 비컨 생성기(426)는 릴레이 비컨 신호를 생성한다. 말단간 릴레이는 릴레이 비컨 신호를 브로드캐스팅하여 시스템 타이밍 정렬을 도울 뿐만 아니라 피더 링크 교정을 지원한다. 일부 경우에, 릴레이 비컨 신호는 높은 칩 레이트(예를 들어, 100, 200, 400 또는 800 Mcps(million chips per second), 또는 임의의 다른 적합한 값)로 동작하는 PN 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 신호와 같은 의사 랜덤(PN으로 알려짐) 시퀀스이다. 일부 경우에, RHCP 및 LHCP 안테나들 둘 모두에 의해 수신될 수 있는 선형 편광 릴레이(예를 들어, 위성) 비컨은 안테나 호른(도시되지 않음)과 같은 안테나에 의해 넓은 커버리지 영역에 걸쳐 브로드캐스팅되거나, 관련 송신 안테나 요소(409)를 통한 송신을 위해 트랜스폰더들(410) 중 하나 이상 내로 결합된다. 예시적인 시스템에서, 빔들은 Ka 대역을 통해 다수의 500 ㎒ 대역폭 채널에서 형성되고, 400 Mcps PN 코드는 500 ㎒ 대역폭 채널 내에서 적합하도록 필터링되거나 펄스-형상화된다. 다중 채널이 사용될 때, 동일한 PN 코드가 각각의 채널에서 송신될 수 있다. 시스템은 각각의 채널에 대해 하나의 비컨을 사용하거나, 둘 이상의 채널에 대해 하나의 비컨을 사용할 수 있다.
말단간 릴레이에는 다수의 수신/송신 신호 경로가 있을 수 있기 때문에, 개별 수신/송신 신호 경로들의 중복은 필요하지 않을 수 있다. 수신/송신 신호 경로의 장애 시에, 빔 형성 계수들의 변경이 손실을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 시스템은 여전히 그의 이전의 성능 레벨에 매우 근접하게 동작할 수 있다.
지상 네트워크
예시적인 말단간 빔 형성 시스템의 지상 네트워크는 공통 말단간 릴레이를 향하는 다수의 지리적으로 분산된 액세스 노드(AN) 지구국을 포함한다. 먼저 순방향 링크를 살펴보면, 중앙 처리 시스템(CPS)은 사용자 데이터의 송신을 위한 빔 가중치들을 계산하고, 분배 네트워크를 통해 AN들에 인터페이스한다. CPS는 또한 사용자 단말기들에 제공되는 데이터의 소스들에 인터페이스한다. 분배 네트워크는 다양한 방식으로, 예를 들어 광섬유 케이블 기반구조를 사용하여 구현될 수 있다. CPS와 SAN 사이의 타이밍은 결정적이거나(예를 들어, 회선 교환 채널을 사용) 비결정적(예컨대, 패킷 교환 네트워크 사용)일 수 있다. 일부 경우에, CPS는 단일 사이트에서, 예를 들어 맞춤 주문형 집적 회로(ASIC)를 사용하여 신호 처리를 핸들링하도록 구현된다. 일부 경우에, CPS는 분산 방식으로, 예컨대 클라우드 컴퓨팅 기술을 사용하여 구현된다.
도 5의 예로 돌아가면, CPS(505)는 복수의 피더 링크 모뎀(507)을 포함할 수 있다. 순방향 링크의 경우, 피더 링크 모뎀들(507)은 각각 인터넷, 비디오 헤드엔드(도시되지 않음) 등과 같은 다양한 데이터 소스로부터 순방향 사용자 데이터 스트림들(509)을 수신한다. 수신된 순방향 사용자 데이터 스트림들(509)은 모뎀들(507)에 의해 K개의 순방향 빔 신호(511)로 변조된다. 일부 경우에, K는 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 또는 그 사이 또는 그 초과의 수의 범위일 수 있다. K개의 순방향 빔 신호 각각은 K개의 순방향 사용자 빔 중 하나 상에서 송신될 순방향 사용자 데이터 스트림들을 운반한다. 따라서, K = 400인 경우, 400개의 순방향 사용자 빔 중 관련된 하나를 통해 순방향 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로 각각 송신될 400개의 순방향 빔 신호(511)가 있다. K개의 순방향 빔 신호(511)는 순방향 빔 형성기에 결합된다.
M개의 AN(515)이 지상 세그먼트(502)에 존재하면, 순방향 빔 형성기의 출력은 K개의 순방향 빔 신호(511)의 일부 또는 전부에 대응하는 가중 순방향 빔 신호들을 각각 포함하는, M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)이다. 순방향 빔 형성기는 K × M 순방향 빔 가중치 행렬과 K개의 순방향 데이터 신호의 행렬 곱에 기초하여 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 생성할 수 있다. 분배 네트워크(518)는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호 각각을 M개의 AN(515) 중 대응하는 하나에 분배한다. 각각의 AN(515)은 각자의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 포함하는 순방향 업링크 신호(521)를 송신한다. 각각의 AN(515)은 말단간 릴레이의 순방향 수신/송신 신호 경로들 중 하나 이상(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)을 통해 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들 중 하나 이상(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)으로의 릴레이를 위해 그의 각자의 순방향 업링크 신호(521)를 송신한다. 말단간 릴레이(503) 내의 트랜스폰더들(410, 411)은 복수(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)의 AN(515)에 의해 송신된 순방향 업링크 신호들(521)의 중첩(550)을 포함하는 합성 입력 순방향 신호를 수신한다. 각각의 트랜스폰더(예를 들어, 릴레이를 통한 각각의 수신/송신 신호 경로)는 합성 입력 순방향 신호를 순방향 다운링크를 통해 사용자 단말기들(517)에 각자의 순방향 다운링크 신호로서 릴레이한다.
도 27은 AN들(515)의 예시적인 분포의 예시이다. 더 작은 넘버링된 원들 각각은 AN(515)의 위치를 나타낸다. 더 큰 원들 각각은 사용자 빔 커버리지 영역(519)을 나타낸다. 일부 경우에, AN들(515)은 말단간 릴레이(503)의 커버리지 영역에 걸쳐 대략 균일하게 이격된다. 다른 경우에, AN들(515)은 전체 커버리지 영역에 걸쳐 불균일하게 분산될 수 있다. 또 다른 경우에, AN들(515)은 릴레이 커버리지 영역의 하나 이상의 하위 지역에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분산될 수 있다. 전형적으로, 시스템 성능은 AN들(515)이 전체 커버리지 영역에 걸쳐 균일하게 분산될 때 가장 좋다. 그러나, 고려 사항은 AN 배치에서의 절충을 지시할 수 있다. 예를 들어, AN(515)은 간섭의 양, 비 또는 다른 환경 조건, 부동산 비용, 분배 네트워크에 대한 액세스 등에 기초하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 비에 민감한 위성 기반 말단간 릴레이 시스템의 경우, 더 많은 AN(515)이 비가 유발하는 페이딩을 겪을 가능성이 적은 영역들(예컨대, 미국 서부)에 배치될 수 있다. 다른 예로서, AN들(515)은 비 페이딩의 효과에 대응하기 위한 소정의 다이버시티 이득을 제공하기 위해 비가 많은 지역들(예컨대, 미국 동남부)에 더 밀집하여 배치될 수 있다. AN들(515)은 AN들(515)과 관련된 분산 비용들을 감소시키기 위해 광섬유 라우트들을 따라 배치될 수 있다.
AN들(515)의 수(M)는 몇몇 기준에 기초하여 선택될 수 있는 선택 가능한 파라미터이다. 더 적은 AN들은 더 간단하고 더 저렴한 비용의 지상 세그먼트, 및 분배 네트워크에 대한 더 낮은 운영 비용을 유발할 수 있다. 더 많은 AN들은 더 큰 시스템 용량을 유발할 수 있다. 도 28은 예시적인 시스템에 전개된 AN들의 수의 함수로서의 정규화된 순방향 및 역방향 링크 용량의 시뮬레이션을 도시한다. 정규화된 용량은 M개의 AN에 의한 용량을 시뮬레이션에서 가장 큰 수의 AN으로 얻어진 용량으로 나눈 값이다. 용량은 AN들의 수가 증가함에 따라 증가하지만, 제한 없이 증가하지는 않는다. 순방향 링크 및 역방향 링크 용량들 둘 모두는 AN의 수가 증가됨에 따라 점근적 한계에 접근한다. 이 시뮬레이션은 L = 517개의 송신 및 수신 안테나 요소 및 커버리지 영역에 걸쳐 균일하게 분산된 AN들로 수행되었지만, 용량의 이러한 점근적 거동은 L에 대한 다른 값들 및 다른 AN 공간 분포들에서 볼 수 있다. 도 28에 도시된 것들과 같은 곡선들은 전개될 AN들의 수(M)의 선택에, 그리고 앞서 논의된 바와 같이 AN들이 점증적으로 전개될 때 시스템 용량이 어떻게 조정되는지를 이해하는 데에 도움이 될 수 있다.
도 29는 말단간 빔 형성 시스템을 위한 예시적인 지상 세그먼트(502)의 블록도이다. 도 29는 예를 들어 도 5의 지상 세그먼트(502)를 예시할 수 있다. 지상 세그먼트(502)는 CPS(505), 분배 네트워크(518) 및 AN들(515)을 포함한다. CPS(505)는 빔 신호 인터페이스(524), 순방향/역방향 빔 형성기(513), 분배 인터페이스(536) 및 빔 가중치 생성기(910)를 포함한다.
순방향 링크의 경우, 빔 신호 인터페이스(524)는 순방향 사용자 빔들 각각과 관련된 순방향 빔 신호들(FBS)(511)을 획득한다. 빔 신호 인터페이스(524)는 순방향 빔 데이터 다중화기(526) 및 순방향 빔 데이터 스트림 변조기(528)를 포함할 수 있다. 순방향 빔 데이터 다중화기(526)는 사용자 단말기들(517)로의 송신을 위한 순방향 데이터를 포함하는 순방향 사용자 데이터 스트림들(509)을 수신할 수 있다. 순방향 사용자 데이터 스트림들(509)은 예를 들어 도 5의 말단간 빔 형성 시스템(500)을 통해 사용자 단말기들(517)로 송신하기 위한 데이터 패킷들(예를 들어, TCP 패킷들, UDP 패킷들 등)을 포함할 수 있다. 순방향 빔 데이터 다중화기(526)는 순방향 빔 데이터 스트림들(532)을 획득하기 위해 순방향 사용자 데이터 스트림들(509)을 그들 각자의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역에 따라 그룹화(예를 들어, 다중화)한다. 순방향 빔 데이터 다중화기(526)는 예를 들어 시간 도메인 다중화, 주파수 도메인 다중화 또는 다중화 기술들의 조합을 사용하여 순방향 빔 데이터 스트림들(532)을 생성할 수 있다. 순방향 빔 데이터 스트림 변조기(528)는 하나 이상의 변조 방식(예를 들어, 데이터 비트들의 변조 심벌들로의 매핑)에 따라 순방향 빔 데이터 스트림들(532)을 변조하여, 순방향/역방향 빔 형성기(513)로 전달되는 순방향 빔 신호들(511)을 생성할 수 있다. 일부 경우에, 변조기(528)는 멀티캐리어 빔 신호(511)를 생성하기 위해 다수의 변조 신호를 주파수 다중화할 수 있다. 빔 신호 인터페이스(524)는 예를 들어 도 5를 참조하여 논의된 피더 링크 모뎀들(507)의 기능을 구현할 수 있다.
순방향/역방향 빔 형성기(513)는 순방향 빔 형성기(529) 및 역방향 빔 형성기(531)를 포함할 수 있다. 빔 가중치 생성기(910)는 M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)을 생성한다. M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)을 생성하기 위한 기술들은 아래에서 더 상세히 논의된다. 순방향 빔 형성기(529)는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호들(516)을 계산하는 행렬 곱셈기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 계산은 M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)의 행렬 곱 및 K개의 순방향 빔 신호(511)의 벡터에 기초할 수 있다. 일부 예에서, K개의 순방향 빔 신호(511) 각각은 F개의 순방향 주파수 하위 대역 중 하나와 관련될 수 있다. 이 경우에, 순방향 빔 형성기(529)는 F개의 순방향 주파수 하위 대역 각각에 대해 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)에 대한 샘플들을 생성할 수 있다(예를 들어, K개의 순방향 빔 신호(511)의 각자의 서브세트에 대해 F개의 하위 대역 각각에 대한 행렬 곱 연산을 효과적으로 구현함). 분배 인터페이스(536)는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 (예를 들어, 분배 네트워크(518)를 통해) 각자의 AN들(515)에 분배한다.
역방향 링크의 경우, 분배 인터페이스(536)는 (예컨대, 분배 네트워크(518)를 통해) AN들(515)로부터 합성 역방향 신호들(907)을 얻는다. 사용자 단말기들(517)로부터의 각각의 역방향 데이터 신호는 다수(예를 들어, 최대 전부 그리고 전부를 포함)의 합성 역방향 신호(907)에 포함될 수 있다. 빔 가중치 생성기(910)는 K × M 역방향 빔 가중치 행렬(937)을 생성한다. K × M 역방향 빔 가중치 행렬(937)을 생성하기 위한 기술들은 이하에서 더 상세하게 논의된다. 역방향 빔 형성기(531)는 K개의 역방향 사용자 빔 커버리지 영역에 대한 K개의 역방향 빔 신호(915)를 계산한다. 예를 들어, 이 계산은 역방향 빔 가중치 행렬(937)의 행렬 곱 및 각자의 합성 역방향 신호(907)의 벡터에 기초할 수 있다. 빔 신호 인터페이스(524)는 역방향 빔 신호 복조기(552) 및 역방향 빔 데이터 역다중화기(554)를 포함할 수 있다. 역방향 빔 신호 복조기(552)는 K개의 역방향 사용자 빔 커버리지 영역과 관련된 K개의 역방향 빔 데이터 스트림(534)을 획득하기 위해 각각의 역방향 빔 신호를 복조할 수 있다. 역방향 빔 데이터 역다중화기(554)는 K개의 역방향 빔 데이터 스트림(534) 각각을 사용자 단말기들(517)로부터 송신된 역방향 데이터 신호들과 관련된 각자의 역방향 사용자 데이터 스트림(535)으로 역다중화할 수 있다. 일부 예에서, 역방향 사용자 빔들 각각은 R개의 역방향 주파수 하위 대역 중 하나와 관련될 수 있다. 이 경우에, 역방향 빔 형성기(531)는 R개의 역방향 주파수 하위 대역 각각과 관련된 역방향 빔 신호들(915)의 각자의 서브세트를 생성할 수 있다(예를 들어, 역방향 빔 신호들(915)의 각자의 서브세트를 생성하기 위해 R개의 역방향 주파수 하위 대역 각각에 대한 행렬 곱 연산을 효과적으로 구현함).
도 30은 예시적인 순방향/역방향 빔 형성기(513)의 블록도이다. 순방향/역방향 빔 형성기(513)는 순방향 빔 형성기(529), 순방향 타이밍 모듈(945), 역방향 빔 형성기(531) 및 타이밍 모듈(947)을 포함한다. 순방향 타이밍 모듈(945)은 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516) 각각을, 신호가 말단간 릴레이에 언제 도달하는 것이 요구되는지를 나타내는 타임 스탬프와 관련시킨다(예를 들어, 타임 스탬프를 다중화된 액세스 노드 고유 순방향 신호 내의 액세스 노드 고유 순방향 신호와 다중화한다). 이러한 방식으로, 순방향 빔 형성기(529) 내의 분할 모듈(904)에서 분할되는 K개의 순방향 빔 신호(511)의 데이터는 각각의 AN(515)에 의해 적절한 시간에 송신될 수 있다. 타이밍 모듈(947)은 타임 스탬프들에 기초하여 수신 신호들을 정렬한다. M개의 AN 합성 역방향 신호(CRS)(907)의 샘플들은 말단간 릴레이로부터 특정 샘플들이 언제 송신되었는지를 나타내는 타임 스탬프들과 관련된다. 타이밍 고려 사항 및 타임 스탬프의 생성은 아래에서 더 상세히 논의된다.
순방향 빔 형성기(529)는 데이터 입력(925), 빔 가중치 입력(920) 및 액세스 노드 출력(923)을 갖는다. 순방향 빔 형성기(529)는 K개의 가중 순방향 빔 신호를 각각 갖는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(521)를 생성하기 위해 K개의 순방향 데이터 신호(511) 각각에 M × K 빔 가중치 행렬의 값들을 적용한다. 순방향 빔 형성기(529)는 분할 모듈(904) 및 M개의 순방향 가중화 및 합산 모듈(533)을 포함할 수 있다. 분할 모듈(904)은 K개의 순방향 빔 신호(511) 각각을 K개의 순방향 빔 신호의 M개의 그룹(906)으로 분할(예컨대, 복제)하며, 하나의 그룹(906)은 M개의 순방향 가중화 및 합산 모듈(533) 각각에 대한 것이다. 따라서, 각각의 순방향 가중화 및 합산 모듈(533)은 K개의 순방향 데이터 신호(511) 모두를 수신한다.
순방향 빔 가중치 생성기(917)는 M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)을 생성한다. 일부 경우에, 순방향 빔 가중치 행렬(918)은 아래에 추가로 논의되는 바와 같이 순방향 채널 행렬을 형성하기 위해 요소들이 K × M 말단간 순방향 다중 경로 채널들 각각에 대한 말단간 순방향 이득들의 추정치들인 채널 행렬에 기초하여 생성된다. 말단간 순방향 이득의 추정치들은 채널 추정기 모듈(919)에서 생성된다. 일부 경우에, 채널 추정기는 아래에 더 상세히 논의되는 바와 같이 말단간 다중 경로 채널들의 다양한 파라미터들과 관련된 데이터를 저장하는 채널 데이터 저장소(921)를 갖는다. 채널 추정기(919)는 순방향 빔 가중치 생성기(917)가 순방향 빔 가중치 행렬(918)을 생성하도록 허용하기 위해 추정된 말단간 이득 신호를 출력한다. 가중화 및 합산 모듈들(533) 각각은 순방향 빔 가중치 행렬(918)의 빔 형성 가중치들의 각자의 벡터를 수신하도록 결합된다(간결성을 위해 단지 하나의 그러한 접속만이 도 30에 도시되어 있다). 제1 가중화 및 합산 모듈(533)은 M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)의 1,1 요소의 값과 동일한 가중치를 K개의 순방향 빔 신호(511) 중 제1 순방향 빔 신호에 적용한다(이하에서 더 상세히 논의됨). M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)의 1,2 요소의 값과 동일한 가중치가 K개의 순방향 빔 신호(511) 중 제2 순방향 빔 신호에 적용된다. 행렬의 다른 가중치들은 M × K 순방향 빔 가중치 행렬(918)의 1,K 요소와 동일한 값으로 가중화되는 제K 순방향 빔 신호(511)를 통해 동일한 방식으로 적용된다. 이어서, K개의 가중 순방향 빔 신호(903) 각각은 합산되어, 제1 가중화 및 합산 모듈(533)로부터 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)로서 출력된다. 이어서, 제1 가중화 및 합산 모듈(533)에 의해 출력된 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)는 타이밍 모듈(945)에 결합된다. 타이밍 모듈(945)은 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 분배 네트워크(518)를 통해 제1 AN(515)으로 출력한다(도 5 참조). 유사하게, 다른 가중화 및 합산 모듈들(533) 각각은 K개의 순방향 빔 신호들(511)을 수신하고 K개의 순방향 빔 신호들(511)을 가중화 및 합산한다. M개의 가중화 및 합산 모듈들(533) 각각으로부터의 출력들은 분배 네트워크(518)를 통해 M개의 관련된 AN(515)에 결합되며, 따라서 제m 가중화 및 합산 모듈로부터의 출력은 제m AN(515)에 결합된다. 일부 경우에, 분배 네트워크를 통한 지터 및 불균일 지연뿐만 아니라 일부 다른 타이밍 고려 사항이 타이밍 모듈(945)에 의해 타임 스탬프를 데이터와 관련시킴으로써 핸들링된다. 예시적인 타이밍 기술의 상세들이 도 36 및 도 37과 관련하여 아래에서 제공된다.
지상 세그먼트(502)에서 순방향 빔 형성기들(529)에 의해 적용된 빔 가중치들의 결과로서, 말단간 릴레이(503)를 통해 AN들(515)로부터 송신된 신호들은 사용자 빔들을 형성한다. 형성될 수 있는 빔들의 크기 및 위치는 전개되는 AN들(515)의 수, 신호가 통과하는 릴레이 안테나 요소들의 수 및 안테나 패턴, 말단간 릴레이(503)의 위치, 및/또는 AN들(515)의 지리적 간격의 함수일 수 있다.
이제 도 5에 도시된 말단간 역방향 링크(523)를 참조하면, 사용자 빔 커버리지 영역들(519) 중 하나 내의 사용자 단말기(517)는 말단간 릴레이(503)까지 신호들을 송신한다. 그 다음, 신호들은 지상 세그먼트(502)로 아래로 릴레이된다. 신호들은 AN들(515)에 의해 수신된다.
다시 한 번 도 30을 참조하면, M개의 역방향 다운링크 신호들(527)은 M개의 AN(515)에 의해 수신되고, 분배 네트워크(518)를 통해 M개의 AN(515)으로부터 합성 역방향 신호들(907)로서 결합되고, 역방향 빔 형성기(531)의 액세스 노드 입력(931)에서 수신된다. 타이밍 모듈(947)은 M개의 AN(515)으로부터의 합성 역방향 신호들을 서로 정렬하고, 시간 정렬된 신호들을 역방향 빔 형성기(531)로 출력한다. 역방향 빔 가중치 생성기(935)는 채널 추정기(943) 내의 채널 데이터 저장소(941)에 저장된 정보에 기초하여 역방향 빔 가중치들을 K × M 역방향 빔 가중치 행렬(937)로서 생성한다.역방향 빔 형성기(531)는 역방향 빔 형성기(531)가 그것을 통해 역방향 빔 가중치 행렬(937)을 수신하는 빔 가중치 입력(939)을 갖는다. M개의 AN 합성 역방향 신호(907) 각각은 역방향 빔 형성기(531) 내의 M개의 분할기 및 가중화 모듈(539) 중 관련된 하나에 결합된다. 각각의 분할기 및 가중화 모듈(539)은 시간 정렬된 신호를 K개의 사본(909)으로 분할한다. 분할기 및 가중화 모듈(539)은 K × M 역방향 빔 가중치 행렬(937)의 k, m 요소를 사용하여 K개의 사본(909) 각각을 가중화한다. K × M 역방향 빔 가중치 행렬에 관한 추가 상세들이 아래에서 제공된다. 이어서, K개의 가중 합성 역방향 신호(911)의 각각의 세트는 결합 모듈(913)에 결합된다. 일부 경우에, 결합 모듈(913)은 각각의 분할기 및 가중화 모듈(539)로부터 출력된 제k 가중 합성 역방향 신호(911)를 결합한다. 역방향 빔 형성기(531)는 K개의 역방향 사용자 빔(519) 중 하나와 관련된 샘플들(예를 들어, M개의 AN 각각을 통해 수신된 샘플들)을 각각 갖는 K개의 역방향 빔 신호(915)를 출력하는 역방향 데이터 신호 출력(933)을 갖는다. K개의 역방향 빔 신호(915) 각각은 하나 이상의 사용자 단말기(517)로부터의 샘플들을 가질 수 있다. K개의 결합되고 정렬된 빔 형성 역방향 빔 신호(915)는 피더 링크 모뎀들(507)(도 5 참조)에 결합된다. 역방향 타이밍 조정은 분할 및 가중화 후에 수행될 수 있음을 주목한다. 유사하게, 순방향 링크의 경우, 순방향 타이밍 조정은 빔 형성 전에 수행될 수 있다.
상기에 논의된 바와 같이, 순방향 빔 형성기(529)는 K개의 순방향 빔 신호(511)의 입력 샘플들에 대해 행렬 곱 연산을 수행하여 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 실시간으로 계산할 수 있다. 빔 대역폭이 (예를 들어, 더 짧은 심벌 지속기간을 지원하기 위해) 증가하고/하거나 K 및 M이 커짐에 따라, 행렬 곱 연산은 계산 집약적이 되고, 단일 컴퓨팅 노드(예컨대, 단일 컴퓨팅 서버 등)의 능력을 초과할 수 있다. 역방향 빔 형성기(531)의 동작은 유사하게 계산 집약적이다. 순방향/역방향 빔 형성기(513)에서 다수의 컴퓨팅 노드의 컴퓨팅 자원을 분할하기 위해 다양한 접근법이 사용될 수 있다. 일례에서, 도 30의 순방향 빔 형성기(529)는 상이한 컴퓨팅 노드들로 분산될 수 있는 M개의 AN(515) 각각에 대해 별개의 가중화 및 합산 모듈들(533)로 분할될 수 있다. 일반적으로, 구현들을 위한 고려 사항은 비용, 전력 소비, K, M 및 대역폭에 대한 확장성, (예를 들어, 노드 장애 등으로 인한) 시스템 가용성, 업그레이드 가능성, 및 시스템 지연을 포함한다. 위의 예는 각 행(또는 열)에 대한 것이다. 그 반대도 가능하다. 행렬 연산들을 그룹화하는 다른 방식들이 고려될 수 있다(예컨대, [1,1 to K/2,M/2], [...]를 갖는 4로 분할되고, 개별적으로 계산되고 합산됨).
일부 경우에, 순방향/역방향 빔 형성기(513)는 시간 슬라이스 빔 형성기에 의한 빔 가중화 동작들의 처리를 위한 시간 도메인 다중화 아키텍처를 포함할 수 있다. 도 31은 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 이용하는 다수의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기를 포함하는 예시적인 순방향 빔 형성기(529)의 블록도이다. 순방향 빔 형성기(529)는 순방향 빔 신호 역다중화기(3002), N개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006) 및 순방향 액세스 노드 신호 다중화기(3010)를 포함한다.
순방향 빔 신호 역다중화기(3002)는 순방향 빔 신호들(511)을 수신하고 N개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)로의 입력을 위해 K개의 순방향 빔 신호(511)를 순방향 시간 슬라이스 입력들(3004)로 역다중화한다. 예를 들어, 순방향 빔 신호 역다중화기(3002)는 K개의 순방향 빔 신호(511)에 대한 샘플들의 제1 시간 도메인 서브세트를, 샘플들의 제1 시간 도메인 서브세트에 대응하는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호와 관련된 샘플들을 생성하는 제1 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)로 전송한다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)는 그의 순방향 시간 슬라이스 출력(3008)을 통해 순방향 액세스 노드 신호 다중화기(3010)로 샘플들의 제1 시간 도메인 서브세트에 대한 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호와 관련된 샘플들을 출력한다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)는 (예컨대, 사전 정정에 의해) 각자의 액세스 노드 고유 순방향 신호가 말단간 릴레이에 의해 수신될 때 동기화되게 하기 위해 액세스 노드들에 의해 사용되는 동기화 타이밍 정보(예컨대, 대응하는 시간 슬라이스 인덱스 등)를 갖는 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호 각각과 관련된 샘플들을 출력할 수 있다. 순방향 액세스 노드 신호 다중화기(3010)는 N개의 순방향 시간 슬라이스 출력(3008)을 통해 수신된 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호에 대한 샘플들의 시간 도메인 서브세트들을 다중화하여 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 생성한다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006) 각각은 데이터 버퍼, 빔 행렬 버퍼, 및 행렬 곱 연산을 구현하는 빔 가중치 프로세서를 포함할 수 있다. 즉, 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006) 각각은 하나의 시간 슬라이스 인덱스의 샘플들의 처리 동안 도 30의 순방향 빔 형성기(529)에 대해 도시된 분할 모듈(904) 및 순방향 가중화 및 합산 모듈들(533)과 수학적으로 등가인 계산을 구현할 수 있다. 빔 가중치 행렬의 갱신은 점증적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들에 대한 빔 가중치 행렬 버퍼들은 N개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006)을 통한 시간 슬라이스 인덱스들 t의 회전에서 유휴 시간 동안 갱신될 수 있다. 대안적으로, 각각의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기는 핑퐁(ping-pong) 구성에서 사용될 수 있는 2개의 버퍼를 가질 수 있다(예컨대, 하나가 사용되는 동안 다른 것이 갱신될 수 있다). 일부 경우에, 다수의 버퍼가 다수의 사용자 빔 패턴(예를 들어, 다수의 사용자 커버리지 영역)에 대응하는 빔 가중치들을 저장하는 데 사용될 수 있다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006)에 대한 빔 가중치 버퍼들 및 데이터 버퍼들은 동적 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(RAM)를 포함한 임의의 타입의 메모리 또는 저장소로서 구현될 수 있다. 빔 가중치 처리는 주문형 집적 회로(ASIC) 및/또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 구현될 수 있고, (예를 들어, 클라우드 컴퓨팅 환경에서) 하나 이상의 처리 코어를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 빔 가중치 버퍼, 데이터 버퍼 및 빔 가중치 프로세서는 하나의 컴포넌트 내에 통합될 수 있다.
도 32는 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(529)의 동작을 도시하는 단순화된 예시적인 지상 세그먼트를 예시한다. 도 32의 예에서, 순방향 빔 형성기(529)는 4개의 순방향 빔 신호(예를 들어, K=4)를 수신하고, 5개의 AN(예를 들어, M=5)에 대한 액세스 노드 고유 순방향 신호를 생성하며, 3개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(예컨대, N=3)를 갖는다. 순방향 빔 신호들은 FBk:t로 표시되며, 여기서 k는 순방향 빔 신호 인덱스이고, t는 (예를 들어, 샘플들의 시간 도메인 서브세트에 대응하는) 시간 슬라이스 인덱스이다. 순방향 빔 신호 역다중화기(3002)는 4개의 순방향 사용자 빔과 관련된 순방향 빔 신호들의 샘플들의 4개의 시간 도메인 서브세트를 수신하고, 각각의 순방향 빔 신호를 역다중화하며, 따라서 하나의 순방향 시간 슬라이스 입력(3004)은 특정 시간 슬라이스 인덱스 t에 대해 순방향 빔 신호들(511) 각각으로부터의 샘플들의 시간 도메인 서브세트들을 포함한다. 예를 들어, 시간 도메인 서브세트들은 후술하는 바와 같이 단일 샘플, 샘플들의 연속 블록 또는 샘플들의 불연속(예컨대, 인터리빙) 블록일 수 있다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006)은 (예를 들어, 순방향 빔 신호들(511) 및 순방향 빔 가중치 행렬(918)에 기초하여) AFm:t로 표시되는, 시간 슬라이스 인덱스 t에 대한 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호 각각을 생성한다. 예를 들어, 시간 슬라이스 인덱스 t=0에 대한 샘플 FB1:0, FB2:0, FB3:0 및 FB4:0의 시간 도메인 서브세트들은 제1 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기 TSBF[1](3006)에 입력되고, 이 빔 형성기는 순방향 시간 슬라이스 출력(3008)에서 액세스 노드 고유 순방향 신호 AF1:0, AF2:0, AF3:0, AF4:0 및 AF5:0의 대응하는 샘플들을 생성한다. 후속 시간 슬라이스 인덱스 값 t=1, 2에 대해, 순방향 빔 신호들(511)의 샘플들의 시간 도메인 서브세트들은 순방향 시간 슬라이스 출력들(3008)에서 대응하는 시간 슬라이스 인덱스들t와 관련된 액세스 노드 고유 순방향 신호들을 생성하는 제2 및 제3 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006)로의 입력을 위해 순방향 빔 신호 역다중화기(3002)에 의해 역다중화된다. 도 32는 또한 시간 슬라이스 인덱스 값 t=3에서 제1 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기가 대응하는 시간 슬라이스 인덱스 3과 관련된 액세스 노드 고유 순방향 신호들을 생성함을 도시한다. 하나의 시간 슬라이스 인덱스 값 t에 대해 각각의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)에 의해 수행되는 행렬 곱 연산은 샘플들의 시간 도메인 서브세트의 실제 시간(예를 들어, 샘플들의 수(S)와 샘플 레이트(t S)를 곱한 값)보다 더 오래 걸릴 수 있다. 그러나, 각각의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)는 N개의 시간 슬라이스 인덱스 t마다 샘플들의 하나의 시간 도메인 서브세트만을 처리할 수 있다. 순방향 액세스 노드 신호 다중화기(3010)는 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006) 각각으로부터 순방향 시간 슬라이스 출력(3030)을 수신하고, 샘플들의 시간 도메인 서브세트를 다중화하여 각자의 AN으로의 분배를 위해 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 생성한다.
도 33은 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 이용하는 다수의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기를 포함하는 예시적인 역방향 빔 형성기(531)의 블록도이다. 역방향 빔 형성기(531)는 역방향 합성 신호 역다중화기(3012), N개의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016) 및 역방향 빔 신호 다중화기(3020)를 포함한다. 역방향 합성 신호 역다중화기(3012)는 M개의 합성 역방향 신호(907)를 (예컨대, M개의 AN으로부터) 수신하고, M개의 합성 역방향 신호(907)를 N개의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)로의 입력을 위해 역방향 시간 슬라이스 입력들(3014)로 역다중화한다. 각각의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)는 샘플들의 대응하는 시간 도메인 서브세트들에 대한 K개의 역방향 빔 신호(915)와 관련된 샘플들을 각자의 역방향 시간 슬라이스 출력(3018)을 통해 역방향 빔 신호 다중화기(3020)로 출력한다. 역방향 빔 신호 다중화기(3020)는 N개의 역방향 시간 슬라이스 출력(3018)을 통해 수신된 K개의 역방향 빔 신호에 대한 샘플들의 시간 도메인 서브세트들을 다중화하여 K개의 역방향 빔 신호(915)를 생성한다. 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016) 각각은 데이터 버퍼, 빔 행렬 버퍼, 및 행렬 곱 연산을 구현하는 빔 가중치 프로세서를 포함할 수 있다. 즉, 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016) 각각은 하나의 시간 슬라이스 인덱스의 샘플들의 처리 동안 도 30의 역방향 빔 형성기(531)에 대해 도시된 분할기 및 가중화 모듈들(539) 및 결합 모듈(913)과 수학적으로 등가인 계산을 구현할 수 있다. 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들과 관련하여 상기에 논의된 바와 같이, 빔 가중치 행렬의 갱신은 핑퐁 빔 가중치 버퍼 구성을 사용하여 점증적으로 수행될 수 있다(예컨대, 하나가 사용되는 동안 다른 것이 갱신될 수 있다). 일부 경우에, 다수의 버퍼가 다수의 사용자 빔 패턴(예를 들어, 다수의 사용자 커버리지 영역)에 대응하는 빔 가중치들을 저장하는 데 사용될 수 있다. 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016)에 대한 빔 가중치 버퍼들 및 데이터 버퍼들은 동적 또는 정적 랜덤 액세스 메모리(RAM)를 포함한 임의의 타입의 메모리 또는 저장소로서 구현될 수 있다. 빔 가중치 처리는 주문형 집적 회로(ASIC) 및/또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 구현될 수 있고, 하나 이상의 처리 코어를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 빔 가중치 버퍼, 데이터 버퍼 및 빔 가중치 프로세서는 하나의 컴포넌트 내에 통합될 수 있다.
도 34는 시간 도메인 다중화를 이용하는 역방향 빔 형성기(531)의 동작을 도시하는 단순화된 예시적인 지상 세그먼트를 예시한다. 도 33의 예에서, 역방향 빔 형성기(531)는 5개의 합성 역방향 신호(예를 들어, M=5)를 수신하고, 4개의 역방향 사용자 빔(예를 들어, K=5)에 대한 역방향 빔 신호들을 생성하며, 3개의 시간 슬라이스 빔 형성기(예컨대, N=3)를 갖는다. 합성 역방향 신호들은 RCm:t로 표시되며, 여기서 m은 AN 인덱스이고, t는 (예를 들어, 샘플들의 시간 도메인 서브세트에 대응하는) 시간 슬라이스 인덱스이다. 역방향 합성 신호 역다중화기(3012)는 5개의 AN으로부터 합성 역방향 신호들의 샘플들의 4개의 시간 도메인 서브세트를 수신하고, 각각의 합성 역방향 신호를 역다중화하며, 따라서 하나의 역방향 시간 슬라이스 입력(3014)은 특정 시간 슬라이스 인덱스 t에 대해 합성 역방향 신호들(907) 각각으로부터의 샘플들의 대응하는 시간 도메인 서브세트들을 포함한다. 예를 들어, 시간 도메인 서브세트들은 후술하는 바와 같이 단일 샘플, 샘플들의 연속 블록 또는 샘플들의 불연속(예컨대, 인터리빙) 블록일 수 있다. 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016)은 (예컨대, 합성 역방향 신호들(907) 및 역방향 빔 가중치 행렬(937)에 기초하여) RBk:t로 표시되는, 시간 슬라이스 인덱스 t에 대한 K개의 역방향 빔 신호 각각을 생성한다. 예를 들어, 시간 슬라이스 인덱스 t=0에 대한 샘플 RC1:0, RC2:0, RC3:0, RC4:0 및 RC5:0의 시간 도메인 서브세트들은 역방향 시간 슬라이스 출력(3018)에서 역방향 빔 신호 RB1:0, RB2:0, RB3:0 및 RB4:0의 대응하는 샘플들을 생성하는 제1 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)에 입력된다. 후속 시간 슬라이스 인덱스 값 t=1, 2에 대해, 합성 역방향 신호들(907)의 샘플들의 시간 도메인 서브세트들은 역방향 시간 슬라이스 출력들(3018)에서 대응하는 시간 슬라이스 인덱스들 t와 관련된 역방향 빔 신호들에 대한 샘플들을 생성하는, 각각, 제2 및 제3 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)로의 입력을 위해 역방향 합성 신호 역다중화기(3012)에 의해 역다중화된다. 도 34는 또한 시간 슬라이스 인덱스 값 t = 3에서 제1 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기가 대응하는 시간 슬라이스 인덱스 3과 관련된 역방향 빔 신호들의 샘플들을 생성함을 도시한다. 하나의 시간 슬라이스 인덱스 값 t에 대해 각각의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)에 의해 수행되는 행렬 곱 연산은 샘플들의 시간 도메인 서브세트의 실제 시간(예를 들어, 샘플들의 수(S)와 샘플 레이트(t S)를 곱한 값)보다 더 오래 걸릴 수 있다. 그러나, 각각의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)는 N개의 시간 슬라이스 인덱스 t마다 샘플들의 하나의 시간 도메인 서브세트만을 처리할 수 있다. 역방향 빔 신호 다중화기(3020)는 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016) 각각으로부터 역방향 시간 슬라이스 출력(3018)을 수신하고, 샘플들의 시간 도메인 서브세트들을 다중화하여 K개의 역방향 빔 신호(915)를 생성한다.
도 31 내지 도 34는 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)와 동일한 수(N)의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)를 예시하지만, 일부 구현들은 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016)보다 더 많거나 더 적은 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)를 가질 수 있다. 일부 예에서, 순방향 빔 형성기(529) 및/또는 역방향 빔 형성기(531)는 노드 장애에 대한 강건성을 위해 예비 용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)가 실시간 시간 슬라이스 지속기간 t D를 갖는 시간 슬라이스 인덱스 t에 대한 한 세트의 샘플들을 처리하는 데 t FTS가 걸리는 경우(여기서, tFTS=N·t D), 순방향 빔 형성기(529)는 N+E개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)를 가질 수 있다. 일부 예에서, N+E개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006) 각각이 동작에 사용되며, 각각의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)는 E/N의 유효 여분 용량을 갖는다. 하나의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)가 실패하면, 동작들은 (예를 들어, 시간 도메인 샘플들(또는 샘플들의 그룹들)이 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 통해 라우팅되는 방식을 조정함으로써) 다른 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)로 시프트될 수 있다. 따라서, 순방향 빔 형성기(529)는 시스템 성능이 영향을 받기 전에 최대 E개의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3006)의 실패를 견딜 수 있다. 또한, 여분의 용량은 시스템이 동작하고 있는 동안 시간 슬라이스 빔 형성기들의 시스템 유지 보수 및 업그레이드를 가능하게 한다. 예를 들어, 시간 슬라이스 빔 형성기들의 업그레이드는 시스템이 시간 슬라이스 빔 형성기들 사이의 상이한 성능을 견디기 때문에 점증적으로 수행될 수 있다. 시간 슬라이스 인덱스 t와 관련된 데이터 샘플들은 인터리빙될 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 슬라이스 인덱스 t0은 샘플 0, P, 2P,… (S-1)*P와 관련될 수 있는 반면, 제2 시간 슬라이스 인덱스 t 1은 샘플 1, P+1, 2P+1… (S-1)*P+1 등과 관련될 수 있으며, 여기서 S는 샘플들의 각각의 세트 내의 샘플들의 수이고, P는 인터리빙 지속기간이다. 인터리빙은 또한 시스템을 시간 슬라이스 빔 형성기 실패에 대해 더 강건하게 만들 수 있는데, 그 이유는 샘플들의 각각의 시간 슬라이스 빔 형성기 블록이 시간적으로 분리되어 누락 블록으로 인한 에러들이 순방향 에러 정정에서의 인터리빙으로부터의 이익과 유사하게 시간적으로 분산될 것이기 때문이다. 사실, 시간 슬라이스 빔 형성기 실패에 의해 유발되는 분포된 에러들은 잡음과 유사한 효과를 유발할 수 있으며, 특히 순방향 에러 코딩이 사용되는 경우에는 사용자 데이터에 대한 어떠한 에러도 유발하지 않는다. N = 3인 예들이 예시되었지만, N의 다른 값들이 사용될 수 있고, N은 K 또는 M과 임의의 특정 관계를 가질 필요는 없다.
상기에 논의된 바와 같이, 각각, 도 31 및 도 33에 예시된 순방향 빔 형성기(529) 및 역방향 빔 형성기(531)는 하나의 채널 또는 주파수 하위 대역에 대한 시간 슬라이스 빔 형성을 위해 시간 도메인 역다중화 및 다중화를 수행할 수 있다. 다수의 하위 대역은 추가적인 하위 대역 다중화/역다중화 스위칭 계층을 이용하여 독립적으로 처리될 수 있다. 도 35는 하위 대역 역다중화 및 다중화를 이용하는 예시적인 다중 대역 순방향/역방향 빔 형성기(513)의 블록도이다. 다중 대역 순방향/역방향 빔 형성기(513)는 F개의 순방향 하위 대역 및 R개의 역방향 하위 대역을 지원할 수 있다.
다중 대역 순방향/역방향 빔 형성기(513)는 F개의 순방향 하위 대역 빔 형성기(3026), R개의 역방향 하위 대역 빔 형성기(3036) 및 하위 대역 다중화기/역다중화기(3030)를 포함한다. 예를 들어, 순방향 빔 신호들(511)은 F개의 순방향 하위 대역으로 분할될 수 있다. F개의 순방향 하위 대역 각각은 K개의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역의 서브세트와 관련될 수 있다. 즉, K개의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역은 상이한(예를 들어, 상이한 주파수 및/또는 편광 등) 주파수 하위 대역들과 관련된 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 다수의 서브세트를 포함할 수 있으며, 각각의 서브세트 내의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들은 (예를 들어, 3 dB 신호 등고선 등에서) 중첩되지 않을 수 있다. 따라서, 순방향 하위 대역 빔 형성기 입력들(3024) 각각은 순방향 빔 신호들(511)의 서브세트(K 1)를 포함할 수 있다. F개의 순방향 빔 형성기(3026) 각각은 순방향 빔 신호들(511)의 서브세트와 관련된 M개의 액세스 노드 고유 순방향 신호(예를 들어, K 1개의 순방향 빔 신호와 M × K 1 순방향 빔 가중치 행렬의 행렬 곱)를 포함하는 순방향 하위 대역 빔 형성기 출력들(3028)을 생성하는 순방향 빔 형성기(529)의 기능을 포함할 수 있다. 따라서, AN들(515) 각각은 (예를 들어, F개의 순방향 하위 대역 각각에 대해) 상이한 주파수 하위 대역들과 관련된 다수의 액세스 노드 고유 순방향 신호를 수신할 수 있다. AN들은 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 순방향 업링크 신호들 내의 상이한 하위 대역들에서의 신호들을 결합(예를 들어, 합산)할 수 있다. 유사하게, AN들(515)은 R개의 상이한 역방향 하위 대역들에 대한 다수의 합성 역방향 신호들(907)을 생성할 수 있다. R개의 역방향 하위 대역들 각각은 K개의 역방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 서브세트와 관련될 수 있다. 즉, K개의 역방향 사용자 빔 커버리지 영역은 상이한 주파수 하위 대역들과 관련된 역방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 다수의 서브세트를 포함할 수 있으며, 서브세트들 각각 내의 역방향 사용자 빔 커버리지 영역들은 (예를 들어, 3 dB 신호 등고선 등에서) 중첩되지 않을 수 있다. 하위 대역 다중화기/역다중화기(3030)는 합성 역방향 신호들(907)을 R개의 역방향 하위 대역 빔 형성기 입력(3034)으로 분할할 수 있다. 이어서, 각각의 역방향 하위 대역 빔 형성기(3036)는 (예를 들어, 피더 링크 모뎀들(507) 또는 역방향 빔 신호 복조기 등에 대해) 역방향 사용자 빔들의 서브세트에 대한 역방향 빔 신호들(915)을 포함할 수 있는 역방향 하위 대역 빔 형성기 출력(3038)을 생성할 수 있다. 일부 예에서, 다중 대역 순방향/역방향 빔 형성기(513)는 다수의 편광(예를 들어, 오른손 순환 편광(RHCP), 왼손 순환 편광(LHCP) 등)을 지원할 수 있으며, 이는 일부 경우에 하위 대역들의 수를 효과적으로 배가시킬 수 있다.
일부 경우에, 순방향 빔 형성기(529) 및 역방향 빔 형성기(531)에 대한 시간 슬라이스 다중화 및 역다중화(예를 들어, 빔 신호 역다중화기(3002), 순방향 액세스 노드 신호 다중화기(3010), 역방향 합성 신호 역다중화기(3012), 역방향 빔 신호 다중화기(3020)) 및 하위 대역 다중화/역다중화(하위 대역 다중화기/역다중화기(3030))는 패킷 스위칭(예를 들어, 이더넷 스위칭 등)에 의해 수행될 수 있다. 일부 경우에, 시간 슬라이스 및 하위 대역 스위칭은 동일한 스위칭 노드들에서 또는 상이한 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 스위치 패브릭 노드가 AN들(515), 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3006), 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기들(3016) 또는 피더 링크 모뎀들(507)의 서브세트와 결합될 수 있는 패브릭 스위칭 아키텍처가 사용될 수 있다. 패브릭 스위칭 아키텍처는 예를 들어 (예컨대, 스위치들 및/또는 스위치 패브릭 상호접속을 통해) 임의의 AN이 임의의 순방향 시간 슬라이스 빔 형성기 또는 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기에 저지연의 계층적으로 편평한 아키텍처로 접속하는 것을 가능하게 할 수 있다. 일례에서, 순방향 또는 역방향 링크들에 대한 14개의 하위 대역을 갖는 (예를 들어, 하위 대역당) K ≤ 600, M ≤600 및 500 ㎒ 대역폭을 지원하는 시스템이 2048개의 10GigE 포트를 갖는 구매가능한 상호접속 스위치 플랫폼에 의해 구현될 수 있다.
지연 등화
일부 경우에, 말단간 릴레이(503)와 CPS(505) 사이의 각각의 경로에서의 전파 지연의 차이는 중요하지 않다. 예를 들어, 역방향 링크 상에서, 동일한 신호(예를 들어, 특정 사용자로의 또는 특정 사용자로부터의 데이터)가 다수의 AN(515)에 의해 수신되는 경우, 신호의 각각의 인스턴스는 신호의 각각의 다른 인스턴스와 본질적으로 정렬된 CPS에 도달할 수 있다. 유사하게, 동일한 신호가 여러 AN(515)을 통해 사용자 단말기(517)로 송신될 때, 신호의 각각의 인스턴스는 신호의 각각의 다른 인스턴스와 본질적으로 정렬된 사용자 단말기(517)에 도달할 수 있다. 다시 말해서, 신호들은 신호들이 가간섭적으로 결합할 충분한 정밀도로 위상 및 시간 정렬될 수 있으며, 따라서 경로 지연 및 빔 형성 효과는 송신된 심벌 레이트에 비해 작다. 예시적인 예로서, 경로 지연의 차이가 10 마이크로초인 경우, 빔 형성 대역폭은 대략 수십 ㎑일 수 있고, 좁은 대역폭 신호, 말하자면 성능 면에서 적은 가능한 저하를 갖는 약 10 ksps를 사용할 수 있다. 10 ksps 시그널링 레이트는 100 마이크로초의 심벌 지속기간을 가지며, 10 마이크로초 지연 확산은 심벌 지속기간의 10분의 1에 불과하다. 이들 경우에, 시스템 분석의 목적을 위해, 한 순간에 말단간 릴레이에 의해 수신된 신호들은 전술한 바와 같이 본질적으로 동일한 시간에 릴레이되고 송신될 것으로 가정될 수 있다.
다른 경우에, 송신 안테나 요소들(409)로부터 AN들(515)로 송신된 신호들의 시그널링 간격(송신된 심벌 지속기간)에 대한 전파 지연에 있어서 상당한 차이가 있을 수 있다. 신호들이 각각의 AN(515)으로부터 분배 네트워크(518)를 통해 취하는 경로는 상당한 지연 편차들을 포함할 수 있다. 이들 경우에, 경로 지연들을 매칭시키기 위해 지연 등화가 사용될 수 있다.
CPS(505)에 의해 분배 네트워크(518)를 통해 수신된 말단간 역방향 링크 신호들에 대해, 말단간 릴레이로부터 송신된 릴레이 비컨 신호, 예를 들어 전술한 바와 같은 PN 비컨을 사용함으로써 신호들이 시간 정렬될 수 있다. 각각의 AN(515)은 릴레이 비컨 신호를 기준으로 사용하여 합성 역방향 신호를 타임 스탬핑할 수 있다. 따라서, 상이한 AN들(515)은 상이한 시간들에 동일한 신호를 수신할 수 있지만, 각각의 AN(515) 내의 수신 신호들은 CPS(505)가 그들을 시간 정렬할 수 있게 하도록 타임 스탬핑될 수 있다. CPS(505)는 빔 형성이 동일한 타임 스탬프를 갖는 신호들을 결합함으로써 행해지도록 신호들을 버퍼링할 수 있다.
도 33 및 도 34를 다시 참조하면, 역방향 링크에 대한 지연 등화는 합성 역방향 신호들을 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)로 역다중화함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 AN은 합성 역방향 신호를 합성 역방향 신호의 인터리빙 샘플들을 포함할 수 있는 시간 슬라이스 인덱스들 t와 관련된 샘플들의 세트들로 분할할 수 있다. 시간 슬라이스 인덱스들 t는 릴레이 비컨 신호에 기초하여 결정될 수 있다. AN들은 대응하는 시간 슬라이스 인덱스들 t와 다중화된 샘플들의 서브세트들을 (예를 들어, 다중화된 합성 역방향 신호로서) 역방향 빔 형성기(531)로 전송할 수 있으며, 이들은 역방향 링크 상의 동기화 타이밍 정보로서의 역할을 할 수 있다. 각각의 AN으로부터의 샘플들의 서브세트들은 (예를 들어, 스위칭을 통해) 역다중화될 수 있고, 하나의 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)는 시간 슬라이스 인덱스 t에 대해(일부 경우에, 다수의 하위 대역 중 하나에 대해) 각각의 AN으로부터 샘플들의 서브세트들을 수신할 수 있다. 시간 슬라이스 인덱스 t와 관련된 M개의 합성 역방향 신호 각각으로부터의 샘플들의 서브세트들과 역방향 빔 가중치 행렬의 행렬 곱을 수행함으로써, 역방향 시간 슬라이스 빔 형성기(3016)는 역방향 빔 가중치 행렬을 적용하기 위해 동시에 말단간 릴레이에 의해 릴레이된 신호들을 정렬할 수 있다.
순방향 링크에 대해, CPS(505) 내의 빔 형성기(513)는 AN들(515)에 의해 송신된 각각의 액세스 노드 고유 순방향 신호가 말단간 릴레이(503)에 언제 도달하는 것이 요구되는지를 나타내는 타임 스탬프를 생성할 수 있다. 각각의 AN(515)은 액세스 노드 비컨 신호(2530), 예를 들어 루프백 PN 신호를 송신할 수 있다. 각각의 그러한 신호는 말단간 릴레이(503)에 의해 루프백되어 AN들(515)로 다시 송신될 수 있다. AN들(515)은 임의의 또는 모든 AN들로부터 릴레이 비컨 신호 및 릴레이된(루프백된) 액세스 노드 비컨 신호들 둘 모두를 수신할 수 있다. 릴레이 비컨 신호의 수신 타이밍에 대한 액세스 노드 비컨 신호의 수신 타이밍은 액세스 노드 비컨 신호가 말단간 릴레이에 언제 도달했는지를 나타낸다. 말단간 릴레이에 의한 릴레이 후에, 릴레이 비컨 신호가 AN에 도달하는 것과 동시에 AN에 도달하도록 액세스 노드 비컨 신호의 타이밍을 조정하는 것은 액세스 노드 비컨 신호가 릴레이 비컨과 동기화된 말단간 릴레이에 도달하게 한다. 모든 AN이 이 기능을 수행하게 하는 것은 모든 액세스 노드 비컨 신호가 릴레이 비컨과 동기화된 말단간 릴레이에 도달할 수 있게 한다. 프로세스의 마지막 단계는 각각의 AN이 그의 액세스 노드 비컨 신호와 동기화된 그의 액세스 노드 고유 순방향 신호들을 송신하게 하는 것이다. 이는 후술하는 바와 같이 타임 스탬프들을 사용하여 행해질 수 있다. 대안적으로, CPS는 각자의 시간 도메인 오프셋들에 의해 오프셋된 각자의 액세스 노드 고유 순방향 신호를 (예를 들어, 분배 네트워크를 통한 타이밍이 결정적인 경우) AN들에 전송함으로써 지연 등화를 관리할 수 있다.
도 36은 시스템의 타이밍을 정렬하기 위해 사용되는 PN 시퀀스들의 예시이다. 도면의 수평 축은 시간을 나타낸다. 칩들(2303)의 AN1 PN 시퀀스(2301)는 제1 AN으로부터 액세스 노드 비컨 신호 내에서 송신된다. 말단간 릴레이에서 이 시퀀스의 상대 도달 시간은 PN 시퀀스(2305)에 의해 도시된다. AN으로부터 말단간 릴레이로의 전파 지연으로 인해, AN1 PN 시퀀스(2301)에 대한 PN 시퀀스(2305)의 시간 시프트가 존재한다. 릴레이 PN 비컨 시퀀스(2307)는 릴레이 비컨 신호 내에서 말단간 릴레이 내에서 생성되어 그로부터 송신된다. 시간 T0(2315)에서의 릴레이 PN 비컨 시퀀스(2307)의 PN 칩은 시간 T0에서 AN1 PN 수신 신호(2305)의 PN 칩(2316)과 정렬된다. AN1 송신 타이밍이 적정량만큼 조정될 때, AN1 PN 수신 신호(2305)의 PN 칩(2316)은 릴레이 PN 비컨(2307)의 PN 칩(2315)과 정렬된다. PN 시퀀스(2305)는 말단간 릴레이로부터 루프백되고, PN 시퀀스(2317)는 AN1에서 수신된다. 릴레이 PN 비컨 내에서 말단간 릴레이로부터 송신된 PN 시퀀스(2319)는 AN1에서 수신된다. PN 시퀀스들(2317, 2319)은 AN1에서 정렬되며, 이는 그들이 말단간 릴레이에서 정렬되었음을 나타내는 것에 주목한다.
도 37은 AN2에서 생성된 PN 시퀀스의 타이밍을 적절히 조정하지 않은 AN2의 예를 도시한다. AN2에 의해 생성된 PN 시퀀스(2311)는 릴레이 PN 비컨 PN 시퀀스(2307)로부터 양 dt만큼의 오프셋을 갖는 시퀀스(2309)로서 도시된 말단간 릴레이에서 수신된다는 점에 주목한다. 이 오프셋은 AN2에서 시퀀스를 생성하는 데 사용되는 타이밍의 에러에 기인한다. 또한, AN2에서의 AN2 PN 시퀀스(2321)의 도달은 AN2에서의 릴레이 PN 비컨 PN 시퀀스(2323)의 도달로부터 동일한 양 dt만큼 오프셋된다는 점에 주목한다. AN2에서의 신호 처리는 이러한 에러를 관찰할 것이고, PN 시퀀스들(2321, 2323)을 정렬하기 위해 양 dt만큼 타이밍을 조정함으로써 송신 타이밍을 정정할 수 있다.
도 36 및 도 37에서, 동일한 PN 칩 레이트는 개념의 설명을 용이하게 하기 위해 릴레이 PN 비컨 및 모든 AN(루프백) PN 신호들에 대해 사용되었다. 동일한 타이밍 개념들이 상이한 PN 칩 레이트들로 적용될 수 있다. 도 31 및 도 32를 다시 참조하면, 시간 슬라이스 인덱스들 t는 말단간 릴레이에서 AN들 각각으로부터 수신된 액세스 노드 고유 순방향 신호들을 동기화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시간 슬라이스 인덱스들 t는 액세스 노드 고유 순방향 신호들(516)과 다중화될 수 있다. 각각의 AN은 각자의 액세스 노드 비컨 신호들에서 송신된 칩들의 PN 시퀀스 내의 대응하는 타이밍 정보와 정렬된 특정 시간 슬라이스 인덱스 t를 갖는 액세스 노드 고유 순방향 신호들의 샘플들을 송신할 수 있다. 각자의 액세스 노드 비컨 신호들은 AN들과 말단간 릴레이 간의 각자의 경로 지연 및 위상 시프트를 보상하도록 조정되었기 때문에, 시간 슬라이스 인덱스 t와 관련된 샘플들은 서로에 대해 정확하게 동기화된 타이밍 및 정렬된 위상으로 말단간 릴레이에 도달할 것이다.
AN들이 그들 자신의 액세스 노드 비컨 신호들을 수신하는 경우, 순방향 통신 데이터를 또한 운반하고 있는 동일한 말단간 릴레이 통신 하드웨어를 사용하여 액세스 노드 비컨 신호들을 루프백하는 것이 가능하다. 이들 경우에, 말단간 릴레이 내의 트랜스폰더들의 상대적 이득들 및/또는 위상들은 후술하는 바와 같이 조정될 수 있다.
도 38은 예시적인 AN(515)의 블록도이다. AN(515)은 수신기(4002), 수신 타이밍 및 위상 조정기(4024), 릴레이 비컨 신호 복조기(2511), 다중화기(4004), 네트워크 인터페이스(4006), 제어기(2523), 역다중화기(4060), 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020) 및 송신기(4012)를 포함한다. 네트워크 인터페이스(4006)는 예를 들어 네트워크 포트(4008)를 통해 CPS(505)에 접속될 수 있다.
역방향 링크 상에서, 수신기(4002)는 역방향 다운링크 신호(527)를 수신한다. 역방향 다운링크 신호(527)는 예를 들어 (예컨대, 다수의 수신/송신 신호 경로 등을 통해) 말단간 릴레이에 의해 릴레이되는 역방향 업링크 신호들과 릴레이 비컨 신호의 합성물을 포함할 수 있다. 수신기(4002)는 예를 들어 하향 변환 및 샘플링을 수행할 수 있다. 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 디지털화된 합성 역방향 신호(907) 내의 릴레이 비컨 신호를 복조하여 릴레이 타이밍 정보(2520)를 획득할 수 있다. 예를 들어, 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 릴레이 PN 코드와 관련된 칩 타이밍을 복구하고, 디지털화된 합성 역방향 신호(527)의 샘플들에 대한 말단간 릴레이로부터의 송신 시간에 대응하는 타임 스탬프들을 생성하기 위해 복조를 수행할 수 있다. 다중화기(4004)는 (예를 들어, 네트워크 인터페이스(4006)를 통해) CPS(505)로 전송될 디지털화된 합성 역방향 신호의 샘플들로 (예를 들어, 다중화된 합성 역방향 신호를 형성하기 위해) 릴레이 타이밍 정보(2520)를 다중화할 수 있다. 릴레이 타이밍 정보(2520)를 다중화하는 것은 CPS(505)로 전송하기 위한 시간 슬라이스 인덱스들 t에 대응하는 샘플들의 서브세트들을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중화기(4004)는 도 33, 도 34 및 도 35를 참조하여 전술한 역방향 시간 슬라이스 빔 형성 아키텍처로의 입력을 위해 각각의 시간 슬라이스 인덱스 t와 관련된 샘플들의 서브세트들을 출력할 수 있다. 다중화기(4004)는 일부 경우에 샘플들의 각각의 서브세트에 대한 샘플들을 인터리빙하기 위한 인터리버(4044)를 포함할 수 있다.
순방향 링크 상에서, 네트워크 인터페이스(4006)는 (예를 들어, 네트워크 포트(4008)를 통해) AN 입력 신호(4014)를 획득할 수 있다. 역다중화기(4060)는 액세스 노드 고유 순방향 신호(516) 및 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)에 대한 송신 타이밍을 나타내는 순방향 신호 송신 타이밍 정보(4016)를 획득하기 위해 AN 입력 신호(4014)를 역다중화할 수 있다. 예를 들어, 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)는 (예를 들어, 데이터 샘플들 등과 다중화된) 순방향 신호 송신 타이밍 정보를 포함할 수 있다. 일례에서, 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)는 (예를 들어, 데이터 패킷들 내에) 샘플들의 세트들을 포함하며, 샘플들의 각각의 세트는 시간 슬라이스 인덱스 t와 관련된다. 예를 들어, 샘플들의 각각의 세트는 도 31, 도 32 및 도 35를 참조하여 상기에 논의된 순방향 시간 슬라이스 빔 형성 아키텍처에 따라 생성된 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)의 샘플들일 수 있다. 역다중화기(4060)는 시간 슬라이스 인덱스들 t와 관련된 샘플들을 디인터리빙하기 위한 디인터리버(4050)를 포함할 수 있다.
송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)는 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 수신 및 버퍼링하고, 순방향 업링크 신호(521)로서 적절한 시간에 송신기(4012)에 의해 송신하기 위해 순방향 업링크 신호 샘플들(4022)을 출력할 수 있다. 송신기(4012)는 디지털-아날로그 변환 및 상향 변환을 수행하여 순방향 업링크 신호(521)를 출력할 수 있다. 순방향 업링크 신호 샘플들(4022)은 송신 타이밍 정보(예컨대, PN 코드 칩 타이밍 정보, 프레임 타이밍 정보 등)를 포함할 수 있는 액세스 노드 고유 순방향 신호(516) 및 액세스 노드 비컨 신호(2530)(예를 들어, 루프백 PN 신호)를 포함할 수 있다. 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)는 순방향 신호 송신 타이밍 및 위상 정보(4016)가 액세스 노드 비컨 신호(2530) 내의 대응하는 송신 타이밍 및 위상 정보와 동기화되도록 액세스 노드 비컨 신호(2530)로 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 다중화할 수 있다.
일부 예에서, 액세스 노드 비컨 신호(2530)의 생성은 AN(515)에서 (예를 들어, 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)에서) 국지적으로 수행된다. 대안적으로, 액세스 노드 비컨 신호(2530)의 생성은 별도의 컴포넌트(예를 들어, CPS(505))에서 수행되고, (예를 들어, 네트워크 인터페이스(4006)를 통해) AN(515)으로 전송될 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 액세스 노드 비컨 신호(2530)는 AN과 말단간 릴레이 간의 경로 차이 및 위상 시프트에 대해 순방향 업링크 신호(521)를 보상하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 액세스 노드 비컨 신호(2530)는 순방향 업링크 신호(521) 내에서 송신되고, 말단간 릴레이에 의해 릴레이되어 수신기(4002)에서 다시 수신될 수 있다. 제어기(2523)는 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호로부터 (예컨대, 복조 등에 의해) 획득된 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보(4026)를 릴레이 비컨 신호로부터 (예컨대, 복조 등에 의해) 획득된 수신 타이밍 및 위상 정보(4028)와 비교할 수 있다. 제어기(2523)는 경로 지연 및 위상 시프트를 보상하도록 액세스 노드 비컨 신호(2530)를 조정하기 위해 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)로의 입력을 위한 타이밍 및 위상 조정(2524)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 액세스 노드 비컨 신호(2530)는 PN 코드 및 프레임 타이밍 정보(예를 들어, 프레임 번호의 하나 이상의 비트 등)를 포함할 수 있다. 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)는 예를 들어 경로 지연의 대략적인 보상을 위해 프레임 타이밍 정보를 조정할 수 있다(예를 들어, 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호가 릴레이 비컨 신호 내의 대응하는 프레임 타이밍 정보와 대략 정렬된 릴레이된 송신 프레임 타이밍 정보를 갖도록 액세스 노드 비컨 신호 내의 프레임 타이밍 정보를 출력하여, PN 코드의 어느 칩이 LSB로 간주되는지를 변경하는 것 등). 부가적으로 또는 대안적으로, 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)는 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보(4026)와 수신 타이밍 및 위상 정보(4028) 사이의 타이밍 또는 위상 차이를 보상하기 위해 순방향 업링크 신호 샘플들(4022)에 대한 타이밍 및 위상 조정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 액세스 노드 비컨 신호(2530)가 로컬 발진기에 기초하여 생성되는 경우, 로컬 발진기와 수신된 릴레이 비컨 신호 사이의 타이밍 또는 위상 차이는 순방향 업링크 신호 샘플들(4022)에 대한 타이밍 및 위상 조정에 의해 정정될 수 있다. 일부 예에서, 액세스 노드 비컨 신호의 복조는 AN(515)에서 (예를 들어, 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)에서) 국지적으로 수행된다. 대안적으로, 액세스 노드 비컨 신호의 복조는 별도의 컴포넌트(예를 들어, CPS(505))에서 수행될 수 있고, 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보(4026)는 (예를 들어, 네트워크 인터페이스(4006)를 통해) 다른 시그널링에서 획득될 수 있다. 예를 들어, 큰 페이딩은 통신 신호에 대한 전력 예산을 감소시킬 수 있는 다른 시그널링보다 더 높은 전력으로의 송신 없이는 AN 자신의 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호의 수신 및 복조를 어렵게 만들 수 있다. 따라서, 다수의 AN(515)으로부터의 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호의 결합 수신은 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호에 대한 유효 수신 전력 및 복조 정확도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 단일 AN(515)으로부터의 액세스 노드 비컨 신호의 복조는 다수의 AN(515)에서 수신된 다운링크 신호들을 사용하여 수행될 수 있다. 액세스 노드 비컨 신호의 복조는 대부분의 또는 모든 AN(515)으로부터의 액세스 노드 비컨 신호들에 대한 신호 정보를 또한 포함할 수 있는 합성 역방향 신호들(907)에 기초하여 CPS(505)에서 수행될 수 있다. 원한다면, 액세스 노드 비컨 신호들에 대한 말단간 빔 형성은 액세스 노드 비컨 업링크들(예를 들어, Cr), 릴레이 루프백(예컨대, E) 및/또는 액세스 노드 비컨 다운링크들(예를 들어, Ct)을 고려하여 수행될 수 있다.
피더 링크 손상 제거
모든 AN들로부터 말단간 릴레이로의 신호 경로들의 지연 등화에 더하여, 피더 링크들에 의해 유도된 위상 시프트들이 빔 형성 전에 제거될 수 있다. 말단간 릴레이와 M개의 AN 간의 각각의 링크의 위상 시프트는 상이할 것이다. 각각의 링크에 대한 상이한 위상 시프트들의 원인들은 전파 경로 길이, 섬광과 같은 대기 조건들, 도플러 주파수 시프트 및 상이한 AN 발진기 에러들을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 이러한 위상 시프트들은 일반적으로 각각의 AN에 대해 상이하며, (섬광, 도플러 시프트, 및 AN 발진기 에러의 차이로 인해) 시간에 따라 변한다. 동적 피더 링크 손상을 제거함으로써, 빔 가중치들이 적응되는 레이트는 빔 가중치들이 피더 링크의 역학을 추적하기에 충분히 빠르게 적응되는 대안보다 더 느릴 수 있다.
역방향에서, AN에 대한 피더 다운링크 손상은 릴레이 PN 비컨 및 사용자 데이터 신호(예를 들어, 역방향 다운링크 신호) 둘 모두에 공통적이다. 일부 경우에, 릴레이 PN 비컨의 가간섭성 복조는 역방향 데이터 신호로부터 이러한 손상들의 대부분 또는 전부를 제거하는 데 사용되는 채널 정보를 제공한다. 일부 경우에, 릴레이 PN 비컨 신호는 계속 송신되고 통신 데이터와 함께 대역 내에 위치하는 공지된 PN 시퀀스이다. 이 대역 내 PN 신호의 등가(또는 유효) 등방성 방사 전력(EIRP)은 통신 데이터에 대한 간섭이 최고 허용 가능 레벨보다 크지 않도록 설정된다. 일부 경우에, 역방향 링크에 대한 피더 링크 손상 제거 프로세스는 릴레이 PN 비컨 신호의 수신 타이밍 및 위상의 가간섭성 복조 및 추적을 수반한다. 예를 들어, 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 릴레이 PN 비컨 신호를 로컬 기준 신호(예컨대, 로컬 발진기 또는 PLL)와 비교하는 것에 기초하여 피더 링크 손상을 보상하기 위해 수신 타이밍 및 위상 조정(2512)을 결정할 수 있다. 그 후, 복구된 타이밍 및 위상 차이는 (예컨대, 수신 타이밍 및 위상 조정기(4024)에 의해) 역방향 다운링크 신호로부터 제거되고, 따라서 통신 신호(예를 들어, 역방향 다운링크 신호(527))로부터 피더 링크 손상이 제거된다. 피더 링크 손상 제거 후, 빔으로부터의 역방향 링크 신호는 모든 AN에서 공통 주파수 에러를 가질 것이며, 이에 따라 빔 형성에 적합할 것이다. 공통 주파수 에러는 사용자 단말기 주파수 에러, 사용자 단말기 업링크 도플러, 말단간 릴레이 주파수 변환 주파수 에러 및 릴레이 PN 비컨 주파수 에러로부터의 기여들을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.
순방향에서, 각각의 AN으로부터의 액세스 노드 비컨 신호는 피더 업링크 손상을 제거하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 피더 업링크 손상은 액세스 노드 비컨 신호뿐만 아니라 순방향 링크 통신 데이터(예를 들어, 액세스 노드 고유 신호)에 부과될 것이다. 액세스 노드 비컨 신호의 가간섭성 복조는 (예를 들어, 릴레이 비컨 신호에 대한) 액세스 노드 비컨 신호의 타이밍 및 위상 차이를 복구하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 복구된 타이밍 및 위상 차이가 송신된 액세스 노드 비컨 신호로부터 제거되며, 따라서 액세스 노드 비컨 신호는 릴레이 비컨 신호와 동위상으로 도달한다.
일부 경우에, 순방향 피더 링크 제거 프로세스는 루프 구조 내에서 AN으로부터 말단간 릴레이로의 그리고 그 반대로의 경로 지연을 갖는 위상 동기 루프(PLL)이다. 일부 경우에, AN으로부터 말단간 릴레이로 그리고 다시 AN으로의 왕복 지연이 상당할 수 있다. 예를 들어, 말단간 릴레이로서 기능하는 정지 위성은 대략 250 밀리초(ms)의 왕복 지연을 생성할 것이다. 큰 지연의 존재하에서 이 루프를 안정되게 유지하기 위해, 매우 낮은 루프 대역폭이 사용될 수 있다. 250 ms 지연의 경우, PLL 폐루프 대역폭은 전형적으로 1 ㎐ 미만일 수 있다. 그러한 경우에, 고안정성 발진기들이 위성 및 AN 둘 모두에서 사용되어, 도 39의 블록(2437)에 의해 지시된 바와 같이 신뢰성 있는 위상 동기를 유지할 수 있다(아래 참조).
일부 경우에, 액세스 노드 비컨 신호는 교정 간격들 동안에만 송신되는 버스트 신호이다. 교정 간격 동안, 액세스 노드 비컨 신호에 대한 이러한 간섭을 제거하기 위해 통신 데이터는 송신되지 않는다. 교정 간격 동안 통신 데이터가 송신되지 않기 때문에, 액세스 노드 비컨 신호의 송신 전력은 통신 데이터 중에 브로드캐스팅되는 경우에 요구될 것에 비하여 클 수 있다. 이것은 통신 데이터와의 간섭을 일으킬 염려가 없기 때문이다(이 시간에 통신 데이터는 존재하지 않는다). 이러한 기술은 교정 간격 동안 송신될 때 액세스 노드 비컨 신호에 대한 강한 신호 대 잡음비(SNR)를 가능하게 한다. 교정 간격들의 발생 주파수는 교정 간격들 사이의 경과 시간의 역수이다. 각각의 교정 간격은 PLL에 위상의 샘플을 제공하기 때문에, 이 교정 주파수는 이러한 이산 시간 PLL의 샘플 레이트이다. 일부 경우에, 샘플 레이트는 미미한 양의 에일리어싱으로 PLL의 폐루프 대역폭을 지원하기에 충분히 높다. 교정 주파수(루프 샘플 레이트)와 교정 간격의 곱은 채널 사운딩 프로브 신호로부터의 추가 간섭 없이 통신 데이터에 대해 말단간 릴레이를 사용할 수 없는 시간의 비율을 나타낸다. 일부 경우에, 0.1 미만의 값들이 사용되고, 일부 경우에, 0.01 미만의 값들이 사용된다.
도 39는 예시적인 AN 송수신기(2409)의 블록도이다. AN 송수신기(2409)에 대한 입력(2408)은 (예를 들어, 복수의 주파수 하위 대역 중 하나에 대해) AN(515)에 의해 수신된 말단간 역방향 링크 신호를 수신한다. 입력(2408)은 하향 변환기(D/C)(2503)의 입력(2501)에 결합된다. D/C(2503)의 출력은 아날로그-디지털 변환기(A/D)(2509)에 결합된다. A/D(2509)의 출력은 Rx 시간 조정기(2515) 및/또는 Rx 위상 조정기(2517)에 결합된다. Rx 시간 조정기(2515) 및 Rx 위상 조정기(2517)는 도 38의 수신 타이밍 및 위상 조정기(4024)의 태양들을 예시할 수 있다. D/C(2503)는 직교 하향 변환기이다. 따라서, D/C(2503)는 동위상 및 직교 출력을 A/D(2509)로 출력한다. 수신 신호들은 통신 신호들(예를 들어, 사용자 단말기들에 의해 송신된 역방향 업링크 신호들의 합성물), 액세스 노드 비컨 신호들(예를 들어, 동일한 AN 및/또는 다른 AN들로부터 송신됨) 및 릴레이 비컨 신호를 포함할 수 있다. 디지털 샘플들은 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)에 결합된다. 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 릴레이 비컨 신호를 복조한다. 또한, 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 수신된 릴레이 비컨 신호에 기초하여 피더 링크 손상을 제거하기 위해 시간 제어 신호(2513) 및 위상 제어 신호(2514)를 생성한다. 그러한 손상은 도플러, AN 주파수 에러, 섬광 효과, 경로 길이 변경 등을 포함한다. 릴레이 비컨 신호의 가간섭성 복조를 수행함으로써, 대부분의 또는 모든 이러한 에러를 정정하기 위해 위상 동기 루프(PLL)가 사용될 수 있다. 릴레이 비컨 신호의 에러들을 정정함으로써, (예컨대, 그러한 에러들은 릴레이 비컨 신호, 액세스 노드 비컨 신호 및 통신 신호에 공통이기 때문에) 피더 링크 상의 통신 신호들 및 액세스 노드 비컨 신호들의 대응 에러가 또한 정정된다. 피더 링크 손상 제거 후, 사용자 단말기(517)로부터의 말단간 역방향 링크 통신 신호는 M개의 AN(515) 각각에서 명목상 동일한 주파수 에러를 갖는다. 그러한 공통 에러는 사용자 단말기 주파수 에러, 사용자 링크 도플러, 말단간 릴레이 주파수 변환 에러 및 릴레이 비컨 신호 주파수 에러를 포함한다.
피더 링크 손상이 제거된 디지털 샘플들은 도 38의 다중화기(4004)의 예일 수 있는 다중화기(2518)에 결합된다. 다중화기(2518)는 샘플들을 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)로부터의 릴레이 타이밍 정보(2520)와 관련시킨다(예를 들어, 타임 스탬핑한다). 다중화기(2518)의 출력은 AN 송수신기(2409)의 출력 포트(2410)에 결합된다. 출력 포트(2410)는 다중화기(2413)에 그리고 인터페이스(2415)(도 40 참조)를 통해 CPS(505)에 결합된다. 이어서, CPS(505)는 수신된 디지털 샘플들과 관련된 타임 스탬프들을 사용하여, 각각의 AN(515)으로부터 수신된 디지털 샘플들을 정렬할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 피더 링크 손상 제거는 CPS(505)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 내장된 릴레이 비컨 신호를 갖는 말단간 역방향 링크 신호들의 디지털 샘플들은 AN(515)으로부터 CPS(505)로 전송될 수 있고, CPS(505)는 다운링크 채널 손상을 보상하기 위한 각자의 합성 역방향 신호에 대한 각자의 조정을 결정하기 위해 각각의 합성 역방향 신호 내의 동기화 타이밍 정보(예를 들어, 내장된 릴레이 비컨 신호)를 사용할 수 있다.
액세스 노드 비컨 신호(2530)가 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)에 의해 국지적으로 생성될 수 있다. 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)는 (예를 들어, 말단간 릴레이에 의해 릴레이되고 입력(2408)에서 수신된 후에) AN(515)에 의해 수신된 액세스 노드 비컨 신호를 복조한다. 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)는 수신된 릴레이 타이밍 및 위상 정보 신호(2521)를 제어기(2523)에 제공한다. 제어기(2523)는 또한 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보 신호(2525)를 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)로부터 수신한다. 제어기(2523)는 수신된 릴레이 타이밍 및 위상 정보를 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보와 비교하여 대략적인 시간 조정 신호(2527)를 생성한다. 대략적인 시간 조정 신호(2527)는 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)에 결합된다. 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)는 AN(515)으로부터 말단간 릴레이(503)로 송신될 내장된 송신 타이밍 정보를 갖는 액세스 노드 비컨 신호(2530)를 생성한다. 상기의 논의에서 언급된 바와 같이, (릴레이 비컨 신호에 내장된) 릴레이 타이밍 및 위상 정보와 (액세스 노드 비컨 신호에 내장된) 송신 시간 및 위상 정보 간의 차이는 송신 타이밍 및 위상 정보를 조정하여, 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보를 수신된 릴레이 타이밍 및 위상 정보와 동기화하는 데 사용된다. 대략적인 시간은 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)로의 신호(2527)에 의해 조정되고, 정밀한 시간은 Tx 시간 조정기(2539)로의 신호(2540)에 의해 조정된다. 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)로부터의 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보(2525)가 수신된 릴레이 타이밍 및 위상 정보(2521)와 동기화된 상태에서, 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)는 송신되는 CPS(505)로부터의 액세스 노드 고유 순방향 신호와 액세스 노드 비컨 신호(2530)의 동기화를 보조하는 타임 스탬프들(2531)을 생성한다. 즉, CPS(505)로부터의 데이터 샘플들은 관련 데이터 샘플들이 말단간 릴레이(503)에 언제 도달하는 것이 요구되는지를 나타내는 타임 스탬프들(2535)과 함께 입력 포트(2423) 상에서 수신된다. 버퍼, 시간 정렬 및 합산 모듈(2537)은 CPS(505)로부터 결합된 데이터 샘플들을 버퍼링하고, 그들을 타임 스탬프들(2535, 2531)에 기초하여 액세스 노드 비컨 신호 생성기(2529)로부터의 샘플들과 합산한다. 타임 스탬프들에 의해 지시된 바와 같은 동일한 시간들을 갖는 PN 샘플들 및 통신 데이터 샘플들은 함께 합산된다. 이 예에서, 다수의 빔 신호(xk(n) * bk)는 CPS(505)에서 함께 합산되고, 다수의 빔 신호의 합성물을 포함하는 액세스 노드 고유 순방향 신호는 CPS(505)에 의해 AN으로 전송된다.
AN들에 의해 적절하게 정렬될 때, 데이터 샘플들은 원하는 시간에(예를 들어, 다른 AN들로부터의 동일한 데이터 샘플들이 도달하는 시간과 동일한 시간에) 말단간 릴레이(503)에 도달한다. 송신 시간 조정기(2539)는 시간 제어기 모듈(2523)로부터의 정밀 시간 제어기 출력 신호(2540)에 기초하여 정밀 시간 조정을 수행한다. 송신 위상 조정기(2541)는 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)에 의해 생성된 위상 제어 신호(2542)에 응답하여 신호에 대한 위상 조정을 수행한다. 송신 시간 조정기(2539) 및 송신 위상 조정기(2541)는 예를 들어 도 38의 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020)의 태양들을 예시할 수 있다.
송신 위상 조정기(2541)의 출력은 디지털-아날로그 변환기(D/A)(2543)의 입력에 결합된다. D/A(2543)로부터의 직교 아날로그 출력은 상향 변환기(U/C)(2545)에 결합되어, HPA(2433)(도 40 참조)에 의해 말단간 릴레이(503)로 송신된다. 액세스 노드 비컨 신호 복조기(2519)에 의해 제공된 진폭 제어 신호(2547)는 U/C(2545)에 진폭 피드백을 제공하여 업링크 비 페이딩과 같은 아이템들을 보상한다.
일부 경우에, 액세스 노드 비컨 신호(2530)에 대해 각각의 AN에 의해 사용되는 PN 코드는 모든 다른 AN에 의해 사용되는 것과는 상이하다. 일부 경우에, 액세스 노드 비컨 신호들 내의 PN 코드들은 각각 릴레이 비컨 신호에서 사용되는 릴레이 PN 코드와는 상이하다. 따라서, 각각의 AN(515)은 그 자신의 액세스 노드 비컨 신호를 다른 AN들(515)의 것들과 구별하는 것이 가능할 수 있다. AN들(515)은 그들 자신의 액세스 노드 비컨 신호들을 릴레이 비컨 신호와 구별할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 커버리지 영역 내의 임의의 포인트로부터 그 영역 내의 임의의 다른 포인트까지의 말단간 이득은 L개의 상이한 경로를 갖는 다중 경로 채널이며, 이는 일부 점대점 채널들에 대해 매우 큰 페이딩을 유발할 수 있다. 송신 다이버시티(순방향 링크) 및 수신 다이버시티(역방향 링크)는 큰 페이딩을 완화하는 데 매우 효과적이고 통신 시스템이 동작하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 액세스 노드 비컨 신호들의 경우, 송신 및 수신 다이버시티가 존재하지 않는다. 그 결과, AN으로부터 다시 동일한 AN으로의 신호의 송신인 루프백 신호의 점대점 링크는 평균보다 훨씬 더 낮은 말단간 이득을 경험할 수 있다. 다수의 수신/송신 신호 경로(L)에서 평균보다 20 dB 낮은 값들이 발생할 수 있다. 이러한 몇몇 낮은 말단간 이득은 그러한 AN들에 대해 더 낮은 SNR을 유발하고, 링크 폐쇄를 어렵게 만들 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 더 높은 이득의 안테나들이 AN들에서 사용된다. 대안적으로, 도 16의 예시적인 트랜스폰더를 참조하면, 위상 조정기(418)가 각각의 수신/송신 신호 경로에 포함될 수 있다. 위상 조정기(418)는 (예를 들어, 지구 기반 제어 센터로부터의 원격 측정, 추적 및 커맨드(TT&C) 링크의 제어하에) 위상 시프트 제어기(427)에 의해 개별적으로 조정될 수 있다. 상대 위상들을 조정하는 것은 저이득 루프백 경로들의 말단간 이득들을 증가시키는 데 효과적일 수 있다. 예를 들어, 목표는 최악의 루프백 이득(AN으로부터 다시 그 자신으로의 이득)의 값을 증가시키기 위한 위상 시프트 설정들을 선택하는 것일 수 있다. 위상들의 선택은 일반적으로 커버리지 영역 내의 모든 포인트들에 대해 평가된 때의 이득들의 분포를 커버리지 영역 내의 모든 다른 포인트들로 변경하지 않지만, 저이득 루프백 경로들의 이득들을 증가시킬 수 있다는 점에 유의한다.
상세히 설명하기 위해, M개의 AN(515) 각각으로부터 모든 다른 AN들(515)까지의 이득들의 세트를 고려한다. M 2개의 이득이 있으며, 이들 중에서, M개의 이득만이 루프백 경로들이다. 2개의 이득 분포를 고려하면, 첫 번째는 모든 M 2개의 경로의 히스토그램을 집계함으로써 추정될 수 있는 모든 경로들(M 2)의 전체 분포이다. 전체 커버리지 영역에 걸쳐 균일하게 분산된 AN들의 경우, 이러한 분포는 커버리지 영역 내의 임의의 포인트로부터 임의의 다른 포인트까지의 말단간 이득의 분포를 나타낼 수 있다. 두 번째 분포는 단지 M개의 루프백 경로의 히스토그램을 집계함으로써 추정될 수 있는 루프백 이득 분포(루프백 분포)이다. 많은 경우에, 수신/송신 신호 경로 위상 설정들(및 옵션으로서 이득 설정들)의 맞춤 선택은 전체 분포에 상당한 변화를 제공하지 않는다. 이것은 수신 요소에 대한 송신 요소의 무작위 또는 인터리빙 매핑과 관련하여 특히 그렇다. 그러나, 대부분의 경우, 루프백 분포는 위상(및 옵션으로서 이득) 설정들의 맞춤 선택(무작위 값들과 반대임)으로 개선될 수 있다. 이것은 루프백 이득들의 세트가 M개의 경로(M 2개의 전체 경로와 반대임)로 이루어지고 위상 및 이득 조정의 자유도의 수가 L이기 때문이다. 종종, L은 M과 동일한 정도이며, 이는 맞춤 위상 선택으로 낮은 루프백 이득들을 상당히 개선하는 것을 가능하게 한다. 이것을 관찰하는 다른 방법은 맞춤 위상 선택이 반드시 낮은 말단간 이득들을 제거하는 것이 아니라 그들을 루프백 이득들의 세트(세트 내의 M개의 멤버)로부터 비-루프백 이득들의 세트(M 2-M개의 멤버)로 이동시킨다는 점이다. M의 상당한 값들의 경우, 더 큰 세트는 종종 이전 것보다 훨씬 더 크다.
AN(515)은 하나 이상의 주파수 하위 대역을 처리할 수 있다. 도 40은 다수의 주파수 하위 대역이 개별적으로 처리되는 예시적인 AN(515)의 블록도이다. 말단간 역방향 링크(523)(도 5 참조) 상에서, AN(515)은 저잡음 증폭기(LNA)(2401)를 통해 말단간 릴레이(503)로부터 역방향 다운링크 신호들(527)을 수신한다. 증폭된 신호들은 LNA(2401)로부터 전력 분할기(2403)에 결합된다. 전력 분할기(2403)는 신호를 다수의 출력 신호로 분할한다. 각각의 신호는 전력 분할기(2403)의 출력 포트들(2405, 2407) 중 하나에서 출력된다. 출력 포트들(2407) 중 하나는 테스트 포트로서 제공될 수 있다. 다른 포트들(2405)은 다수의 AN 송수신기(2409)(하나만 도시됨) 중 대응하는 하나의 입력(2408)에 결합된다. AN 송수신기들(2409)은 대응하는 하위 대역들 상에서 수신된 신호들을 처리한다. AN 송수신기(2409)는 상기에 상세히 논의된 여러 기능을 수행한다. AN 송수신기들(2409)의 출력들(2410)은 하위 대역 다중화기(2413)의 입력 포트들(2411)에 결합된다. 출력들은 하위 대역 다중화기(2413)에서 결합되어 분배 네트워크 인터페이스(2415)로 출력된다. 인터페이스(2415)는 분배 네트워크(도 5 참조)를 통한 AN(515)으로부터/으로 CPS(505)로/로부터의 데이터에 대한 인터페이스를 제공한다. 주파수 하위 대역들의 처리는 말단간 릴레이 및 AN을 구현하는 데 사용되는 RF 컴포넌트들에 대한 성능 요건을 감소시키는 데 유리할 수 있다. 예를 들어, (예컨대, Ka 대역 시스템에서 사용될 수 있는 바와 같은) 3.5 ㎓의 대역폭을 7개의 하위 대역으로 분할함으로써, 각각의 하위 대역은 폭이 단지 500 ㎒이다. 즉, 액세스 노드 고유 순방향 신호들 각각은 상이한 하위 대역들과 관련된(예를 들어, 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 상이한 서브세트들과 관련된) 다수의 하위 신호를 포함할 수 있고, AN 송수신기들(2409)은 하위 신호들을 상이한 캐리어 주파수들로 상향 변환할 수 있다. 이러한 대역폭 분할은 더 낮은 내성의 컴포넌트들이 사용되도록 허용할 수 있는데, 왜냐하면 상이한 하위 대역들 간의 진폭 및 위상 편차들이 상이한 하위 대역들에 대한 개별 빔 형성 가중치들, 교정 등에 의해 보상될 수 있기 때문이다. 물론, 다른 시스템들은 상이한 수의 하위 대역 및/또는 테스트 포트를 사용할 수 있다. 일부 경우는 단일 하위 대역을 사용할 수 있으며, 여기에 도시된 모든 컴포넌트들을 포함하지는 않을 수 있다(예컨대, 전력 분할기(2403) 및 다중화기(2413)를 생략함).
말단간 순방향 링크(501) 상에서, 데이터가 인터페이스(2415)에 의해 CPS(505)로부터 수신된다. 수신된 데이터는 하위 대역 역다중화기(2419)의 입력(2417)에 결합된다. 하위 대역 역다중화기(2419)는 데이터를 다수의 데이터 신호로 분할한다. 데이터 신호들은 하위 대역 역다중화기(2419)의 출력 포트들(2421)로부터 AN 송수신기들(2409)의 입력 포트들(2423)에 결합된다. AN 송수신기들(2409)의 출력 포트들(2425)은 합산기 모듈(2429)의 입력 포트들(2427)에 결합된다. 합산기 모듈(2429)은 7개의 AN 송수신기(2409)로부터 출력된 신호들을 합산한다. 합산기 모듈(2429)의 출력 포트(2431)는 합산기 모듈(2429)의 출력을 고전력 증폭기(HPA)(2435)의 입력 포트(2433)에 결합한다. HPA(2435)의 출력은 말단간 릴레이(503)로 출력되는 신호들을 송신하는 안테나(도시되지 않음)에 결합된다. 일부 경우에, 안정된 기준 주파수 소스를 제공하기 위해 초안정 발진기(2437)가 AN 송수신기(2409)에 결합된다.
빔 가중치 계산
역방향 링크 상의 신호들의 예시적인 설명인 도 8을 다시 참조하면, 말단간 역방향 링크의 수학적 모델은 다음과 같이 링크를 설명하는 데 사용될 수 있으며:
[수학식 1]
Figure 112021092194158-pat00001
여기서,
x는 송신 신호의 K × 1 열 벡터이다. 일부 경우에, x의 모든 요소의 크기 제곱은 1(동일한 송신 전력)로 정의된다. 일부 경우에, 이것은 항상 그렇지는 않을 수 있다.
y는 빔 형성 후의 수신 신호의 K × 1 열 벡터이다.
Ar은 L × K 역방향 업링크 방사 행렬이다. 요소 a lk 는 빔 K에 위치한 기준 위치로부터 Rx 어레이의 제l(문자 "엘") 수신 안테나 요소(406)까지의 경로의 이득 및 위상을 포함한다. 일부 경우에, 역방향 업링크 방사 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(941)에 저장된다(도 30 참조).
E는 L × L 페이로드 행렬이다. 요소 e ij 는 수신 어레이의 제j 안테나 요소(406)로부터 송신 어레이의 제i 안테나 요소(409)로의 신호의 이득 및 위상을 정의한다. 일부 경우에, (전자 장치의 유한 격리로부터 발생하는) 경로들 사이의 우발적인 누화 외에도, E 행렬은 대각선 행렬이다. 행렬 E는 행렬의 모든 요소의 크기 제곱의 합이 L이 되도록 정규화될 수 있다. 일부 경우에, 페이로드 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(941)에 저장된다(도 29 참조).
Ct는 M × L 역방향 다운링크 방사 행렬이다. 요소 c ml 은 Tx 어레이의 제l(문자 "엘") 안테나 요소로부터 M개의 AN(515) 중에서 제m AN(515)까지의 경로의 이득 및 위상을 포함한다. 일부 경우에, 역방향 다운링크 방사 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(941)에 저장된다(도 29 참조).
Hret는 곱 Ct × E × Ar과 동일한 M × K 역방향 채널 행렬이다.
nul은 복소 가우스 잡음의 L × 1 잡음 벡터이다. 업링크 잡음의 공분산은
Figure 112021092194158-pat00002
이다.
Figure 112021092194158-pat00003
은 L × L 항등 행렬이다.
σ 2 은 잡음 분산이다.
Figure 112021092194158-pat00004
은 업링크 상에서 겪는 반면,
Figure 112021092194158-pat00005
은 다운링크 상에서 겪는다.
ndl은 복소 가우스 잡음의 M × 1 잡음 벡터이다. 다운링크 잡음의 공분산은
Figure 112021092194158-pat00006
이다.
Figure 112021092194158-pat00007
은 M × M 항등 행렬이다.
Bret는 말단간 역방향 링크 빔 가중치들의 K × M 행렬이다.
순방향 말단간 다중 경로 채널과 역방향 말단간 다중 경로 채널 사이에 소정의 유사성을 가정하는 방식으로 예들이 (예를 들어, 도 6 내지 도 11을 참조하여) 일반적으로 전술되었다. 예를 들어, 순방향 및 역방향 채널 행렬들은 M, K, E 및 다른 모델들을 일반적으로 참조하여 전술되었다. 그러나, 그러한 설명은 단지 추가의 명료함을 위해 설명을 단순화하고자 하는 것일 뿐이며, 예들을 순방향 및 역방향으로 동일한 구성들을 갖는 경우들로만 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 경우에, 동일한 트랜스폰더들이 순방향 및 역방향 트래픽 둘 모두에 사용되고, 페이로드 행렬 E는, 그에 맞춰, 순방향 및 역방향 말단간 빔 형성(및 대응하는 빔 가중치 계산) 둘 모두에 대해 동일할 수 있다. 다른 경우에, 순방향 및 역방향 트래픽에 대해 상이한 트랜스폰더들이 사용되고, 대응하는 말단간 다중 경로 채널들을 모델링하고 대응하는 빔 가중치들을 계산하기 위해 상이한 순방향 페이로드 행렬(Efwd) 및 역방향 페이로드 행렬(Eret)이 사용될 수 있다. 유사하게, 일부 경우에, 동일한 M개의 AN(515) 및 K개의 사용자 단말기(517)가 순방향 및 역방향 말단간 다중 경로 채널들 둘 모두의 일부로 간주된다. 다른 경우에, M 및 K는 순방향 및 역방향에서 AN들(515) 및/또는 사용자 단말기들(517)의 상이한 서브세트들, 및/또는 AN들(515) 및/또는 사용자 단말기들(517)의 상이한 수들을 지칭할 수 있다.
빔 가중치들은 시스템 요건을 충족시키기 위해 많은 방식으로 계산될 수 있다. 일부 경우에, 그들은 말단간 릴레이의 전개 후에 계산된다. 일부 경우에, 페이로드 행렬 E는 전개 전에 측정된다. 일부 경우에, 빔 가중치들은 각각의 빔의 신호 대 간섭 + 잡음(SINR)을 증가시키기 위한 목적으로 계산되고, 다음과 같이 계산될 수 있으며:
[수학식 2], [수학식 3]
Figure 112021092194158-pat00008
여기서, R은 수신 신호의 공분산이고 (*)H는 공액 전치 행렬(에르미트 행렬) 연산자이다
K × M 역방향 빔 가중치 행렬 Bret의 k, m 요소는 제k 사용자 빔에서 사용자 단말기로부터 제m AN(515)으로의 빔을 형성하기 위한 가중치들을 제공한다. 따라서, 일부 경우에, 역방향 사용자 빔들을 형성하는 데 사용되는 역방향 빔 가중치들 각각은 말단간 다중 경로 채널들 각각(예컨대, 말단간 역방향 다중 경로 채널들 각각)에 대한 말단간 역방향 이득들(즉, 채널 행렬 Hret의 요소들)을 추정함으로써 계산된다.
수학식 2는 R이 수학식 3에서 제공되는 바와 같은 수신 신호의 공분산인 경우에 유효하다. 따라서, 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3의 행렬들 모두가 알려질 때, 말단간 빔들을 형성하는 데 사용되는 빔 가중치들이 직접 결정될 수 있다.
이러한 빔 가중치 세트는 x와 y 간의 평균 제곱 에러를 줄인다. 이것은 또한 (K개의 빔 각각으로부터 생성되는) K개의 말단간 역방향 링크 신호(525) 각각에 대한 말단간 신호 대 잡음 + 간섭 비(SINR)를 증가시킨다.
수학식 3의 제1 항
Figure 112021092194158-pat00009
은 (상관되지 않은) 다운링크 잡음의 공분산이다. 수학식 3의 제2 항
Figure 112021092194158-pat00010
는 (AN들에서 상관되는) 업링크 잡음의 공분산이다. 수학식 3의 제3 항 HHH는 신호의 공분산이다. 업링크 잡음의 분산을 0으로 설정하고 마지막 항(HHH)을 무시하는 것은 M개의 AN(515) 각각에서 수신 신호들을 위상 정렬함으로써 신호 대 다운링크 잡음비를 증가시키는 가중치들의 세트를 생성한다. 다운링크 잡음 분산을 0으로 설정하고 제3 항을 무시하는 것은 업링크 SINR을 증가시키는 가중치들의 세트를 생성한다. 업링크 및 다운링크 잡음 분산들 둘 모두를 0으로 설정하는 것은 캐리어 대 간섭(C/I) 비를 증가시키는 역상관 수신기를 생성한다.
일부 경우에, 빔 가중치들을 정규화하여 Bret 합계의 임의의 행의 크기 제곱의 합을 1로 만든다.
일부 경우에, 수학식 2의 해는 행렬 Ar, 행렬 Ct 및 행렬 E의 선험적 지식뿐만 아니라 잡음 벡터 nul 및 잡음 벡터 ndl에 의해 결정된다. 행렬들의 요소 값들에 대한 지식은 말단간 릴레이의 관련 컴포넌트들의 제조 및 테스트 동안 이루어진 측정들 동안 획득될 수 있다. 이는 시스템 동작 중에 행렬들의 값들이 크게 변할 것으로 예상되지 않는 시스템들에 대해 잘 작동할 수 있다. 그러나, 일부 시스템들, 특히 더 높은 주파수 대역들에서 동작하는 시스템들의 경우, 그러한 예상은 존재하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 행렬 Ar, 행렬 Ct 및 행렬 E는 말단간 릴레이가 배치되는 크래프트(예컨대, 위성)의 전개에 후속하여 추정될 수 있다.
선험적 정보가 가중치를 설정하는 데 사용되지 않는 일부 경우에, 수학식 2의 해는 R 및 H의 값들을 추정함으로써 결정될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 사용자 빔 커버리지 영역(519)의 중앙에 있는 지정된 사용자 단말기들(517)은 교정 기간 동안 알려진 신호 x를 송신한다. AN(515)에서 수신된 벡터는 다음과 같다.
[수학식 4]
u = H x + Ct E nul + ndl
예에서, CPS(505)는 다음의 관계들에 기초하여 R 및 H의 값들을 추정한다.
[수학식 5]
Figure 112021092194158-pat00011
[수학식 6]
Figure 112021092194158-pat00012
[수학식 7]
Figure 112021092194158-pat00013
Figure 112021092194158-pat00014
은 공분산 행렬 R의 추정치이고,
Figure 112021092194158-pat00015
는 채널 행렬 H의 추정치이고,
Figure 112021092194158-pat00016
는 상관 벡터의 추정치이고,
Figure 112021092194158-pat00017
는 업링크 송신에 의해 도입된 주파수 에러를 갖는 송신 벡터의 제k 컴포넌트의 공액이다. 일부 경우에, 교정 기간 동안 어떠한 역방향 통신 데이터도 송신되지 않는다. 즉, AN들에 알려진 교정 신호들만이 교정 기간 동안 말단간 역방향 링크 상에서 송신되어,
Figure 112021092194158-pat00018
의 값이 위의 수학식을 이용하여 수신 벡터 u로부터 결정되도록 허용한다. 이것은 결국
Figure 112021092194158-pat00019
의 값이 결정되도록 허용한다. 공분산 행렬 추정치
Figure 112021092194158-pat00020
및 채널 행렬 추정치
Figure 112021092194158-pat00021
둘 모두는 교정 기간 동안 수신된 신호들에 기초하여 결정된다.
일부 경우에, CPS(505)는 통신 데이터가 존재하는 동안(예를 들어, x가 알려지지 않은 경우에도) 공분산 행렬
Figure 112021092194158-pat00022
을 추정할 수 있다. 이는
Figure 112021092194158-pat00023
이 수신 신호 u에만 기초하여 결정된다는 사실로부터 알 수 있다. 그럼에도 불구하고,
Figure 112021092194158-pat00024
의 값은 교정 신호들만이 역방향 링크 상에서 송신되는 교정 기간 동안 수신된 신호들에 기초하여 추정된다.
일부 경우에, 채널 행렬
Figure 112021092194158-pat00025
및 공분산 행렬
Figure 112021092194158-pat00026
둘 모두의 추정치들은 통신 데이터가 역방향 링크 상에서 송신되는 동안 생성된다. 이 경우에, 공분산 행렬
Figure 112021092194158-pat00027
은 상기에 언급된 바와 같이 추정된다. 그러나, x의 값은 수신 신호를 복조함으로써 결정된다. 일단 x의 값이 알려지면, 채널 행렬은 수학식 6 및 수학식 7에서 상기에 언급된 바와 같이 추정될 수 있다.
빔 형성 후의 신호의 신호 및 간섭 컴포넌트들은 벡터 Bret H x에 포함된다. 각각의 빔에 대한 신호 및 간섭 전력들은 K × K 행렬 Bret H에 포함된다. Bret H의 제k 대각선 요소의 전력은 빔 k로부터의 원하는 신호 전력이다. 대각선 요소를 제외한 행 k 내의 모든 요소들의 크기 제곱의 합은 빔 k에서의 간섭 전력이다. 따라서, 빔 k에 대한 C/I는 다음과 같으며:
[수학식 8]
Figure 112021092194158-pat00028
여기서, s kj 는 Bret H의 요소들이다. 업링크 잡음은
Figure 112021092194158-pat00029
의 K × K 공분산 행렬을 갖는 벡터 Bret Ct Enul에 포함된다. 공분산 행렬의 제k 대각선 요소는 빔 k의 업링크 잡음 전력을 포함한다. 빔 k에 대한 업링크 신호 대 잡음비는 다음과 같이 계산되며:
[수학식 9]
Figure 112021092194158-pat00030
여기서, t kk 는 업링크 공분산 행렬의 제k 대각선 요소이다. 다운링크 잡음은 정규화된 빔 가중치들에 의해
Figure 112021092194158-pat00031
의 공분산을 갖는 벡터 Bret ndl에 포함된다. 따라서, 다운링크 신호 대 잡음비는 다음과 같다.
[수학식 10]
Figure 112021092194158-pat00032
말단간 SINR은 수학식 8 내지 수학식 10의 조합이다.
[수학식 11]
Figure 112021092194158-pat00033
위의 수학식들은 페이로드 행렬 E가 주어질 경우에 말단간 SINR을 계산하는 방법을 설명한다. 페이로드 행렬은 E의 각각의 요소의 이득 및 위상의 지능적 선택에 의해 구성될 수 있다. (일반적으로 위에서 계산된 바와 같은 K개의 빔 SINR의 함수인) 소정의 유틸리티 메트릭을 최적화하는 E의 대각선 요소들의 이득 및 위상은 L개의 트랜스폰더(411) 각각에서 위상 시프터(418)를 설정함으로써 선택되고 구현될 수 있다. 후보 유틸리티 함수들은 SINRk(전체 SINR)의 합, Log(1+SINRk)의 합(총 처리량에 비례) 또는 채널 행렬 H의 총 전력을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 일부 경우에, 이득들 및 위상들의 맞춤화에 의한 유틸리티 함수에서의 개선은 매우 적고 미미하다. 이는 때때로 안테나 요소들의 무작위 또는 인터리빙 매핑이 사용되는 경우에 그러하다. 일부 경우에, 유틸리티 함수는 수신/송신 신호 이득 및 위상의 맞춤 선택에 의해 상당한 양만큼 개선될 수 있다.
도 9를 다시 참조하면, 말단간 순방향 링크(501)의 수학적 모델이 다음과 같이 링크(501)를 설명하는 데 사용될 수 있으며:
[수학식 12]
Figure 112021092194158-pat00034
여기서,
x는 송신 신호의 K × 1 열 벡터이다. x의 모든 요소의 크기 제곱은 1(동일한 신호 전력)로 정의된다. 일부 경우에, 순방향 빔 가중치들의 선택에 의해 동일하지 않은 송신 전력이 달성될 수 있다.
y는 수신 신호의 K × 1 열 벡터이다.
Cr은 L × M 순방향 업링크 방사 행렬이다. 요소 c lm 은 제m AN(515)으로부터 말단간 릴레이(503) 상의 안테나의 Rx 어레이의 제l(문자 "엘") 수신 안테나 요소(406)까지의 경로(2002)의 이득 및 위상을 포함한다. 일부 경우에, 순방향 업링크 방사 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(921)에 저장된다(도 29 참조).
E는 L × L 페이로드 행렬이다. 요소 e ij 는 제j 수신 어레이 안테나 요소로부터 송신 어레이의 제i 안테나 요소로의 신호의 이득 및 위상을 정의한다. (전자 장치의 유한 격리로부터 발생하는) 경로들 사이의 우발적인 누화 외에도, E 행렬은 대각선 행렬이다. 일부 경우에, 행렬 E는 행렬의 모든 요소들의 크기 제곱의 합이 L이 되도록 정규화된다. 일부 경우에, 페이로드 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(921)에 저장된다(도 29 참조).
At는 K × L 순방향 다운링크 방사 행렬이다. 요소 a kl 은 말단간 릴레이(503)의 Tx 어레이 내의 안테나 요소 L(문자 "엘")로부터 사용자 빔 k 내의 기준 위치까지의 경로의 이득 및 위상을 포함한다. 일부 경우에, 순방향 다운링크 방사 행렬의 값들은 채널 데이터 저장소(921)에 저장된다(도 29 참조).
Hfwd는 K × M 순방향 채널 행렬이며, 이는 곱 AtECr과 동일하다.
nul은 복소 가우스 잡음의 L × 1 잡음 벡터이다. 업링크 잡음의 공분산은 다음과 같으며:
Figure 112021092194158-pat00035
,
여기서, IL은 L × L 항등 행렬이다.
ndl은 복소 가우스 잡음의 K × 1 잡음 벡터이다. 다운링크 잡음의 공분산은 다음과 같으며:
Figure 112021092194158-pat00036
,
여기서, IK는 K × K 항등 행렬이다.
Bfwd는 말단간 순방향 링크 빔 가중치들의 M × K 빔 가중치 행렬이다.
사용자 빔 k에 대한 빔 가중치들은 Bfwd의 열 k의 요소들이다. 역방향 링크와는 달리, 빔 k에 대한 C/I는 빔 k에 대한 빔 가중치들에 의해 결정되지 않는다. 빔 k에 대한 빔 가중치들은 업링크 신호 대 잡음비(SNR) 및 다운링크 SNR뿐만 아니라, C/I 내의 캐리어(C) 전력을 결정한다. 그러나, 빔 k의 간섭 전력은 빔 k를 제외한 모든 다른 빔들에 대한 빔 가중치들에 의해 결정된다. 일부 경우에, 빔 k에 대한 빔 가중치는 SNR을 증가시키도록 선택된다. 그러한 빔 가중치들은 또한 C가 증가되기 때문에 빔 k에 대한 C/I를 증가시킨다. 그러나 다른 빔들에 대해 간섭이 발생될 수 있다. 따라서, 역방향 링크의 경우에서와는 달리, 최적의 빔 가중치들은 (다른 빔들과 무관하게) 빔 단위로 계산되지 않는다.
일부 경우에, 말단간 릴레이의 전개 후에 빔 가중치들(그들을 계산하는 데 사용되는 방사 및 페이로드 행렬들을 포함함)이 결정된다. 일부 경우에, 페이로드 행렬 E는 전개 전에 측정된다. 일부 경우에, 빔 k에 의해 다른 빔들에서 생성된 간섭을 사용하고 그것을 빔 k에서의 간섭으로서 계산함으로써 빔 가중치 세트를 계산할 수 있다. 이 접근법은 최적의 빔 가중치들을 계산하지 않을 수도 있지만, 그것은 가중치 계산을 단순화하는 데 사용될 수 있다. 이것은 가중치 세트가 모든 다른 빔들과 무관하게 각각의 빔에 대해 결정될 수 있게 한다. 이어서, 결과적인 순방향 빔 가중치들이 역방향 빔 가중치들과 유사하게 계산되며:
[수학식 13]
Figure 112021092194158-pat00037
, 여기서
[수학식 14]
Figure 112021092194158-pat00038
이다.
수학식 14의 제1 항
Figure 112021092194158-pat00039
는 (상관되지 않은) 다운링크 잡음의 공분산이다. 제2 항
Figure 112021092194158-pat00040
는 (AN들에서 상관되는) 업링크 잡음의 공분산이다. 제3 항 HHH는 신호의 공분산이다. 업링크 잡음의 분산을 0으로 설정하고 마지막 항(HHH)을 무시하는 것은 M개의 AN(515)에서 수신 신호를 위상 정렬함으로써 신호 대 다운링크 잡음비를 증가시키는 가중치 세트를 생성한다. 다운링크 잡음 분산을 0으로 설정하고 제3 항을 무시하는 것은 업링크 SNR을 증가시키는 가중치 세트를 생성한다. 업링크 및 다운링크 잡음 분산들 둘 모두를 0으로 설정하는 것은 C/I 비를 증가시키는 역상관 수신기를 생성한다. 순방향 링크의 경우, 다운링크 잡음 및 간섭이 일반적으로 지배적이다. 따라서, 이러한 항들은 일반적으로 빔 가중치 계산에 유용하다. 일부 경우에, 수학식 14의 제2 항(업링크 잡음)은 제1 항(다운링크 잡음)에 비해 중요하지 않다. 그러한 경우에, 제2 항은 공분산 계산에서 무시될 수 있어서, 계산을 더욱 단순화하면서 여전히 말단간 SINR을 증가시키는 빔 가중치 세트를 산출할 수 있다.
역방향 링크에서와 같이, 빔 가중치들은 정규화될 수 있다. 모든 K개의 순방향 링크 신호에 할당된 동일한 전력을 갖는 송신기 빔 가중치들의 경우, Bfwd의 각각의 열은 임의의 열 내의 요소들의 크기 제곱의 합이 1로 합산되도록 스케일링될 수 있다. 균등한 전력 분배는 각각의 신호에 전체 AN 전력(신호 xk에 할당된 모든 AN들로부터의 전체 전력)의 동일한 비율을 제공할 것이다. 일부 경우에, 순방향 링크들에 대해, 순방향 링크 신호들 간의 불균등한 전력 분배가 구현된다. 따라서, 일부 경우에, 일부 빔 신호들은 전체 AN 전력의 균등한 분배보다 더 많은 전력을 획득한다. 이것은 모든 빔들에서 SINR을 등화시키거나 덜 중요한 빔들보다 더 중요한 빔들에 더 큰 SINR을 제공하는 데 사용될 수 있다. 불균등한 전력 분배를 위한 빔 가중치들을 생성하기 위해, M × K 균등 전력 빔 가중치 행렬 Bfwd는 K × K 대각선 행렬 P와 후에 곱해져서, 새로운 Bfwd = Bfwd P가 된다.
Figure 112021092194158-pat00041
라고 하면, 제k 대각선 요소의 제곱 값은 사용자 신호 xk에 할당된 전력을 나타낸다. 전력 분배 행렬 P는 대각선 요소들의 합 또는 제곱이 K와 동일하도록(비대각선 요소들이 0이도록) 정규화된다.
일부 경우에, 수학식 13의 해는 행렬 At, 행렬 Cr 및 행렬 E의 선험적 지식뿐만 아니라, 잡음 벡터 nul 및 잡음 벡터 ndl의 분산에 의해 결정된다. 일부 경우에, 행렬들에 대한 지식은 말단간 릴레이의 관련 컴포넌트들의 제조 및 테스트 동안 이루어진 측정들 동안 획득될 수 있다. 이것은 행렬들 내의 값들이 시스템 동작 동안 측정되었던 것들로부터 크게 변할 것으로 예상되지 않는 시스템들에 대해 잘 작동할 수 있다. 그러나, 일부 시스템들, 특히 더 높은 주파수 대역들에서 동작하는 시스템들의 경우에, 이것은 그렇지 않을 수 있다.
선험적 정보가 가중치들을 설정하는 데 사용되지 않는 일부 경우에, 순방향 링크에 대한 R 및 H의 값들을 추정하여 수학식 13에 대한 해를 결정할 수 있다. 일부 경우에, AN들은 교정 기간들 동안 채널 사운딩 프로브를 송신한다. 채널 사운드 프로브들은 많은 상이한 타입의 신호일 수 있다. 하나의 경우에, 상이하고, 직교하고, 알려진 PN 시퀀스들이 각각의 AN에 의해 송신된다. 채널 사운딩 프로브들은 (아래에 추가로 논의되는 바와 같이) 피더 링크 손상을 제거하기 위해 시간, 주파수 및/또는 위상이 사전 정정될 수 있다. 모든 통신 데이터는 교정 간격 동안 턴오프되어 채널 사운딩 프로브들에 대한 간섭을 감소시킬 수 있다. 일부 경우에, 채널 사운딩 프로브들은 피더 링크 손상 제거에 사용되는 것들과 동일한 신호들일 수 있다.
교정 간격 동안, 각각의 빔의 중심에 있는 단말기는 채널 사운딩 프로브들을 수신하고 처리하도록 지정될 수 있다. 교정 기간 동안 수신된 신호들의 Kx1 벡터 u는 u=H x + At E nul + ndl이며, 여기서 x는 송신된 채널 사운딩 프로브들의 Mx1 벡터이다. 일부 경우에, 각각의 지정된 단말기는 먼저 (도플러 시프트 및 단말기 발진기 에러로부터 발생하는) 우발적인 주파수 에러를 제거한 다음, 결과적인 신호를 M개의 공지된 직교 PN 시퀀스 각각과 상관시킨다. 이 상관들의 결과들은 각각의 단말기에 대한 M개의 복소수(진폭 및 위상)이며, 이러한 결과들은 역방향 링크를 통해 CPS로 다시 송신된다. 제k 빔의 중심에 있는 단말기에 의해 계산된 M개의 복소수는 채널 행렬
Figure 112021092194158-pat00042
의 추정치의 제k 행을 형성하는 데 사용될 수 있다. 모든 K개의 지정된 단말기로부터의 측정치들을 사용함으로써, 전체 채널 행렬의 추정치가 획득된다. 많은 경우에, 채널 행렬의 추정을 개선하기 위해 다수의 교정 간격으로부터의 측정을 결합하는 것이 유용하다. 일단 채널 행렬의 추정치가 결정되면, 공분산 행렬
Figure 112021092194158-pat00043
의 추정치가 수학식 14로부터 제2 항에 대해 0의 값을 사용하여 결정될 수 있다. 이것은 업링크 잡음(수학식 14의 제2 항)이 다운링크 잡음(수학식 14의 제1 항)에 비해 무시해도 될 정도인 경우에 공분산 행렬의 매우 정확한 추정치일 수 있다. 이어서, 순방향 링크 빔 가중치들은 수학식 13에서 채널 행렬 및 공분산 행렬의 추정치들을 사용함으로써 계산될 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 빔 가중치들의 계산은 AN(515)과 사용자 빔 커버리지 영역 내의 기준 위치 사이의 말단간 순방향 다중 경로 채널들 각각에 대한 말단간 순방향 이득들(즉, 채널 행렬 Hfwd의 요소들의 값들)을 추정하는 것을 포함한다. 다른 경우에, 빔 가중치들의 계산은 M개의 AN(515)으로부터 K개의 사용자 빔 커버리지 영역 내에 위치하는 기준 위치들까지의 K × M 말단간 순방향 다중 경로 채널에 대한 말단간 순방향 이득들을 추정하는 것을 포함한다.
빔 형성 후의 신호의 신호 및 간섭 컴포넌트들은 벡터 H Bfwd x(H, Bfwd, x의 곱)에 포함된다. 각각의 빔에 대한 신호 및 간섭 전력들은 K × K 행렬 H Bfwd에 포함된다. H Bfwd의 제k 대각선 요소의 전력은 빔 k에 대해 의도되는 원하는 신호 전력이다. 대각선 요소를 제외한 행 k 내의 모든 요소들의 크기 제곱의 합은 빔 k에서의 간섭 전력이다. 따라서, 빔 k에 대한 C/I는 다음과 같으며:
[수학식 15]
Figure 112021092194158-pat00044
여기서, s kj 는 H B fwd의 요소들이다. 업링크 잡음은
Figure 112021092194158-pat00045
의 K × K 공분산 행렬을 갖는 벡터 At E nul에 포함된다. 공분산 행렬의 제k 대각선 요소는 빔 k의 업링크 잡음 전력을 포함한다. 이어서, 빔 k에 대한 업링크 신호 대 잡음비는 다음과 같이 계산되며:
[수학식 16]
Figure 112021092194158-pat00046
여기서, tkk는 업링크 공분산 행렬의 제k 대각선 요소이다. 다운링크 잡음은
Figure 112021092194158-pat00047
의 공분산을 갖는 벡터 ndl에 포함된다. 따라서, 다운링크 신호 대 잡음비는 다음과 같다.
[수학식 17]
Figure 112021092194158-pat00048
말단간 SINR은 수학식 15 내지 수학식 17의 조합이다.
[수학식 18]
Figure 112021092194158-pat00049
위의 수학식들은 페이로드 행렬 E가 주어질 경우에 말단간 SINR을 계산하는 방법을 설명한다. 페이로드 행렬은 E의 각각의 요소의 이득 및 위상의 지능적 선택에 의해 구성될 수 있다. (일반적으로 위에서 계산된 바와 같은 K개의 빔 SINR의 함수인) 소정의 유틸리티 메트릭을 최적화하는 E의 대각선 요소들의 이득 및 위상은 L개의 트랜스폰더(411) 각각에서 위상 시프터(418)를 설정함으로써 선택되고 구현될 수 있다. 후보 유틸리티 함수들은 SINRk(전체 SINR)의 합, Log(1+SINRk)의 합(총 처리량에 비례) 또는 채널 행렬 H의 총 전력을 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 일부 경우에, 이득들 및 위상들의 맞춤화에 의한 유틸리티 함수에서의 개선은 매우 적고 미미하다. 이는 때때로 안테나 요소들의 무작위 또는 인터리빙 매핑이 사용되는 경우에 그러하다. 일부 경우에, 유틸리티 함수는 수신/송신 신호 이득 및 위상의 맞춤 선택에 의해 상당한 양만큼 개선될 수 있다.
상이한 커버리지 영역들
전술한 일부 예들은 말단간 릴레이(503)가 사용자 단말기들(517) 및 AN들(515) 둘 모두에 의해 공유되는 단일 커버리지 영역을 서비스하도록 설계된다고 가정한다. 예를 들어, 일부 경우는 위성 커버리지 영역을 조명하는 안테나 시스템을 갖는 위성을 설명하며, AN들 및 사용자 단말기들 둘 모두는 (예를 들어, 도 27에서와 같이) 위성 커버리지 영역 전반에 지리적으로 분산된다. 위성 커버리지 영역에서 형성될 수 있는 빔들의 수 및 이들 빔의 크기들(빔 커버리지 영역들)은 안테나 요소들의 수 및 배열, 반사기 크기 등과 같은 안테나 시스템 설계의 태양들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 매우 큰 용량을 실현하는 것은 말단간 빔 형성을 허용하기 위해 AN들 사이에 충분한 간격을 갖고서 다수의 AN(예를 들어, 수백 개)을 전개하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 28을 참조하여 전술한 바와 같이, AN들의 수를 증가시키는 것은 수가 증가함에 따라 수익률이 감소하지만 시스템 용량을 증가시킬 수 있다. 하나의 안테나 시스템이 사용자 단말기들 및 AN들 둘 모두를 지원할 때, AN들 간에 충분한 간격을 갖는 그러한 전개를 달성하는 것은 (예를 들어, 도 27에서와 같이, 전체 위성 커버리지 영역에 걸친) AN들의 매우 넓은 지리적 분산을 강제할 수 있다. 실제로, 그러한 분산을 달성하는 것은 AN들을 바람직하지 않은 위치에, 예컨대 고속 네트워크에 대한 열악한 액세스(예컨대, CPS(505), 하나 이상의 대양 등으로 되돌아가는 열악한 광섬유 기반구조)를 갖는 영역, 다수의 사법 관할 구역, 고가이고/이거나 인구 밀도가 높은 영역 등에 배치하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, AN 배치는 종종 다양한 트레이드오프를 수반한다.
말단간 릴레이(503)의 일부 예들은 다수의 안테나 시스템을 갖도록 설계되어서, 단일 말단간 릴레이(503)로부터의 2개 이상의 상이한 커버리지 영역의 개별적인 서비스를 가능하게 한다. 후술하는 바와 같이, 말단간 릴레이(503)는 AN 커버리지 영역을 서비스하는 적어도 제1 안테나 시스템, 및 사용자 커버리지 영역을 서비스하는 적어도 제2 안테나 시스템을 포함할 수 있다. 사용자 단말기 및 AN 커버리지 영역은 상이한 안테나 시스템들에 의해 서비스되기 때문에, 각각의 안테나 시스템은 상이한 설계 파라미터들을 충족시키도록 설계될 수 있고, 각각의 커버리지 영역은 (예를 들어, 지리적으로, 빔 크기 및/또는 밀도에서, 주파수 대역에서 등등) 적어도 부분적으로 상이할 수 있다. 예를 들어, 그러한 다중 안테나 시스템 접근법을 사용하는 것은 비교적 큰 지리적 영역(예를 들어, 미국 전체)에 걸쳐 분산된 사용자 단말기들이 비교적 작은 지리적 영역(예를 들어, 미국 동부의 일부)에 걸쳐 분산된 다수의 AN에 의해 서비스되는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, AN 커버리지 영역은 물리적 면적이 사용자 커버리지 영역의 일부(예를 들어, 1/2 미만, 1/4 미만, 1/5 미만, 1/10 미만)일 수 있다.
도 41은 예시적인 말단간 빔 형성 시스템(3400)의 예시이다. 시스템(3400)은 복수의 지리적으로 분산된 액세스 노드(AN)(515); 말단간 릴레이(3403); 및 복수의 사용자 단말기(517)를 포함하는 말단간 빔 형성 시스템이다. 말단간 릴레이(3403)는 여기에 설명된 말단간 릴레이(503)의 예일 수 있다. AN들(515)은 AN 커버리지 영역(3450)에 지리적으로 분산되고, 사용자 단말기들(517)은 사용자 커버리지 영역(3460)에 지리적으로 분산된다. AN 커버리지 영역(3450) 및 사용자 커버리지 영역(3460)은 둘 모두 말단간 릴레이(3403)의 커버리지 영역 내에 있지만, AN 커버리지 영역(3450)은 사용자 커버리지 영역(3460)과는 상이하다. 다시 말해서, AN 영역은 사용자 커버리지 영역과 동일한 것이 아니라, 사용자 커버리지 영역과 중첩되지 않는 상당한(작지 않은) 영역(예를 들어, AN 커버리지 영역의 1/4, 1/2 등보다 큼)을 갖는다. 예를 들어, 일부 경우에, 사용자 커버리지 영역의 적어도 절반이 AN 커버리지 영역과 중첩되지 않는다. (예를 들어, 도 5에서) 전술한 바와 같이, AN들(515)은 분배 네트워크(518)를 통해 지상 세그먼트(502) 내의 CPS(505)에 신호들을 제공할 수 있고, CPS(505)는 데이터 소스에 접속될 수 있다.
말단간 릴레이(3403)는 별도의 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 포함한다. 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420) 각각은 말단간 빔 형성을 지원할 수 있다. 예를 들어, 이하에서 설명되는 바와 같이, 각각의 안테나 서브시스템은 협력 안테나 요소들의 그 자신의 어레이(들), 그 자신의 반사기(들) 등을 가질 수 있다. 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 협력 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)의 어레이 및 협력 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)의 어레이를 포함할 수 있다. 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 협력 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426)의 어레이 및 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)의 어레이를 포함할 수 있다.구성 요소들은 그러한 구성 요소들의 어레이가 그의 각자의 안테나 서브시스템을 빔 형성 시스템에서의 사용에 적합하게 만드는 특성을 갖는다는 의미에서 "협력"한다. 예를 들어, 주어진 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)는 역방향 사용자 빔들의 형성에 기여하는 방식으로 다수의(예를 들어, 모든) 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로부터 역방향 업링크 신호들의 중첩된 합성물을 수신할 수 있다. 주어진 사용자 링크 구성 송신 요소(3429)는 일부 또는 모든 순방향 사용자 빔들을 형성하기 위해 다른 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)로부터의 대응하는 송신들과 중첩되는 방식으로 순방향 다운링크 신호를 송신할 수 있다. 주어진 피더 링크 구성 수신 요소(3416)는 (예를 들어, 말단간 릴레이(3403)에서 다중 경로를 유도함으로써) 순방향 사용자 빔들의 형성에 기여하는 방식으로 다수의(예를 들어, 모든) AN(515)으로부터 순방향 업링크 신호들의 중첩된 합성물을 수신할 수 있다. 주어진 피더 링크 구성 송신 요소(3419)는 (예를 들어, AN들(515)이 역방향 사용자 빔들을 형성하도록 빔 가중화될 수 있는 합성 역방향 신호들을 수신하는 것을 가능하게 함으로써) 일부 또는 모든 역방향 사용자 빔들의 형성에 기여하기 위해 다른 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)로부터의 대응하는 송신들과 중첩되는 방식으로 역방향 다운링크 신호를 송신할 수 있다.
예시적인 말단간 릴레이(3403)는 복수의 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 복수의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 포함한다. 트랜스폰더들은 안테나 서브시스템들 사이의 임의의 적합한 타입의 만곡형 파이프 신호 경로일 수 있다. 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 피더 링크 구성 수신 요소들(3416) 각각을 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429) 각각과 결합한다. 각각의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426) 각각을 피더 링크 구성 송신 요소들(3419) 각각과 결합한다. 예를 들어, 일부 예들은 각각의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 각자의 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 사이에 일대일 대응(또는 그 반대)을 갖는 것으로 설명되거나, 각각의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)는 "오직 유일한 하나의" 피더 링크 구성 송신 요소(3419)와 결합(또는 그 반대)되는 것으로 설명되거나, 기타 등등이다. 일부 그러한 경우에, 각각의 트랜스폰더의 일측은 단일 수신 요소와 결합되고, 트랜스폰더의 타측은 단일 송신 요소와 결합된다. 다른 그러한 경우에, 트랜스폰더의 일측 또는 양측은 다수의 요소 중 하나와 (예를 들어, 후술하는 바와 같이, 스위치 또는 다른 수단에 의해) 선택적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 말단간 릴레이(3403)는 하나의 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 2개의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 포함할 수 있고; 각각의 트랜스폰더는 일측에서 단일 피더 링크 요소에 결합될 수 있고, 타측에서 제1 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 단일 사용자 링크 요소에 또는 제2 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 단일 사용자 링크 요소에 선택적으로 결합될 수 있다. 그러한 선택적으로 결합되는 경우들에서, 각각의 트랜스폰더의 각각의 측은 여전히 임의의 주어진 시간에(예를 들어, 특정 신호 관련 트랜잭션을 위해) "오직 유일한 하나의" 요소 등과 결합되는 것으로 간주될 수 있다.
순방향 통신들의 경우, AN들(515)로부터의 송신들이 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)에 의해 (피더 업링크들(521)을 통해) 수신되고, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)에 의해 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)로 릴레이되고, 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)에 의해 사용자 커버리지 영역(3460) 내의 사용자 단말기들(517)로 송신될 수 있다.역방향 통신들의 경우, 사용자 단말기들(517)로부터의 송신들이 사용자 링크 구성 수신 요소들에 의해 수신되고, 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)에 의해 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)로 릴레이되고, 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)에 의해 (피더 다운링크 신호들(527)을 통해) AN 커버리지 영역(3450) 내의 AN들(515)로 송신될 수 있다. 말단간 릴레이(3403)를 통한 AN(515)으로부터 사용자 단말기(517)까지의 전체 신호 경로는 말단간 순방향 링크(501)로 지칭되고; 말단간 릴레이(3403)를 통한 사용자 단말기(517)로부터 AN(515)까지의 전체 신호 경로는 말단간 역방향 링크(523)로 지칭된다. 여기에 설명된 바와 같이, 말단간 순방향 링크(501) 및 말단간 역방향 링크(523)는 각각 순방향 및 역방향 통신들을 위한 다수의 다중 경로 채널을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 복수의 지리적으로 분산된 액세스 노드(예를 들어, AN들(515)) 각각은 말단간 빔 가중 순방향 업링크 신호 출력을 갖는다. 말단간 릴레이(예를 들어, 말단간 릴레이(3403))는 분산된 액세스 노드들과 무선 통신하는 협력 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)의 어레이, 복수의 사용자 단말기(517)와 무선 통신하는 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3419)의 어레이, 및 복수의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)를 포함한다. 순방향 링크 트랜스폰더들(3430)은 "만곡형 파이프"(또는 비처리) 트랜스폰더들이며, 따라서 각각의 트랜스폰더는 그가 수신하는 신호에 대응하는 신호를 거의 또는 전혀 처리하지 않고 출력한다. 예를 들어, 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 그의 수신된 신호를 증폭 및/또는 주파수 변환할 수 있지만, 더 복잡한 처리를 수행하지 않는다(예를 들어, 복조 및/또는 변조가 없거나, 온보드 빔 형성이 없거나 기타 등등이다). 일부 경우에, 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 제1 주파수 대역(예를 들어, 30 ㎓ LHCP)에서 입력을 수신하고 제2 주파수 대역(예를 들어, 20 ㎓ RHCP)에서 출력하며, 각각의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 제1 주파수 대역(예를 들어, 30 ㎓ RHCP)에서 입력을 수신하고 제2 주파수 대역(예를 들어, 20 ㎓ LHCP)에서 출력한다. 주파수 및/또는 편광의 임의의 적합한 조합이 사용될 수 있고, 사용자 링크 및 피더 링크는 동일한 또는 상이한 주파수 범위들을 사용할 수 있다. 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 피더 링크 구성 수신 요소들(3416) 각각과 사용자 링크 구성 송신 요소들(3419) 각각 사이에 (예를 들어, 일대일 대응으로) 결합된다. 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 복수의 빔 가중 순방향 업링크 신호들의 중첩들을 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)을 통해 순방향 다운링크 신호들(예를 들어, 합성 입력 순방향 신호들)로 변환한다. 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)에 의한 순방향 다운링크 신호들의 송신은 복수의 사용자 단말기(517) 중 적어도 일부를 서비스하는 순방향 사용자 빔을 형성하는 데 기여한다. 여기에 설명된 바와 같이, 순방향 업링크 신호들은 AN들(515)로부터의 송신 전에 말단간 빔 가중화되고 동기화(예를 들어, 위상 동기화 그리고, 필요한 경우, 시간 동기화)될 수 있으며, 이는 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)에서의 그러한 신호들의 원하는 중첩을 가능하게 할 수 있다.
송신은 빔 형성이 여기에 설명된 바와 같이 말단간이고; 빔 형성이 AN들(515)로부터 릴레이로의 송신에 앞서 적절한 가중치들을 계산하여 순방향 업링크 신호들에 적용하는 단계, 말단간 릴레이(3403)의 다중 순방향 링크 트랜스폰더(3430)에 의해 다중 경로를 유도하는 단계, 및 순방향 다운링크 신호들을 사용자 링크 어레이 안테나로 송신하는 단계를 포함하는 다수의 단계의 결과라는 의미에서 순방향 사용자 빔을 형성하는 데 기여한다. 여전히, 단순화를 위해, 일부 설명은 순방향 빔을 송신된 순방향 다운링크 신호들의 중첩에 의해 형성되는 것으로 언급할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 사용자 단말기(517) 각각은 송신된 순방향 다운링크 신호들의 합성물(예를 들어, 중첩)을 수신하기 위해 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)의 어레이와 무선 통신한다.
일부 경우에, 말단간 릴레이(3403)는 사용자 단말기들(517)과 무선 통신하는 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426)의 어레이, 분산된 AN들(515)과 무선 통신하는 협력 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)의 어레이, 및 복수의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 추가로 포함한다. 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)은, 각각이 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426) 각각과 피더 링크 구성 송신 요소들(3419) 각각 사이에 결합된다는 점 외에는, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)(예를 들어, 만곡형 파이프 트랜스폰더들)와 유사하거나 동일할 수 있다. 협력 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)의 어레이를 통한 역방향 업링크 신호들의 수신은 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)에서 역방향 다운링크 신호들을 형성한다. 일부 경우에, 각각의 역방향 다운링크 신호는 다수의 사용자 단말기(517)로부터(예컨대, 다수의 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로부터) 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)에 의해 수신된 역방향 업링크 신호들의 각자의 중첩이다. 일부 그러한 경우에, 복수의 사용자 단말기 각각은 협력 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426)의 어레이와 무선 통신하여 각자의 역방향 업링크 신호를 다수의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)로 송신한다.
일부 경우에, 역방향 다운링크 신호들은 피더 링크 구성 송신 요소(3419)에 의해 지리적으로 분산된 AN들(515)로 송신된다. 여기에 설명된 바와 같이, 각각의 AN(515)은 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)로부터 송신된 (즉, 역방향 다운링크 신호들에 대응하는) 역방향 다운링크 신호들의 중첩된 합성물을 수신할 수 있다. 수신된 역방향 다운링크 신호들(합성 수신 신호들로 지칭됨)은 결합, 동기화, 빔 가중화 및 임의의 다른 적합한 처리의 수행을 할 수 있는 역방향 빔 형성기에 결합될 수 있다. 예를 들어, 역방향 빔 형성기는 신호들을 결합하기 전에 역방향 다운링크 신호들의 수신된 중첩들(1706)을 가중화할 수 있다(즉, 역방향 빔 가중치들을 합성 역방향 신호들에 적용할 수 있다). 역방향 빔 형성기는 또한 적어도 말단간 릴레이(3403)와 AN들(515) 사이의 각자의 경로 지연 차이를 고려하기 위해 신호들을 결합하기 전에 합성 역방향 신호들을 동기화할 수 있다. 일부 경우에, 동기화는 (하나 이상의 또는 모든 AN(515)에 의해 수신된) 수신 비컨 신호에 따를 수 있다.
역방향 빔 형성기가 말단간 다중 경로 채널들의 피더 링크 측에 결합될 수 있고, 사용자 빔들이 말단간 다중 경로 채널들의 사용자 링크 측에서 형성될 수 있을지라도, 빔 형성의 말단간 특성 때문에, 역방향 빔 형성기에 의한 역방향 빔 가중치들의 적절한 적용은 역방향 사용자 빔들의 형성을 가능하게 한다. 따라서, 역방향 빔 형성기는 역방향 사용자 빔들의 형성에 기여하는 것으로 언급될 수 있다(시스템(3400)의 다수의 다른 태양이 또한 말단간 릴레이(3403)의 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)에 의한 다중 경로의 유도와 같이 말단간 역방향 빔 형성에 기여한다). 여전히, 역방향 빔 형성기는 간략화를 위해 역방향 사용자 빔들을 형성하는 것으로 언급될 수 있다.
일부 경우에, 말단간 릴레이(3403)는 복수의 분산된 액세스 노드가 그것 내에 위치하는 액세스 노드 커버리지 영역(AN 커버리지 영역(3450))을 조명하기 위한 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)을 추가로 포함한다. 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 협력 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)의 어레이를 포함한다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(3403)는 또한 복수의 사용자 단말기(517)가 그것 내에서 (예컨대, 복수의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 안에) 지리적으로 분산된 사용자 커버리지 영역(3460)을 조명하기 위한 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 포함한다. 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)의 어레이를 포함한다. 일부 경우에, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 사용자 링크 수신 어레이 및 사용자 링크 송신 어레이(예를 들어, 협력 사용자 링크 구성 요소들의 개별, 반이중 어레이들)를 포함한다. 사용자 링크 수신 어레이 및 사용자 링크 송신 어레이는 (예를 들어, 동일한 반사기를 향하도록) 공간적으로 인터리빙되거나, (예를 들어, 각각, 수신 및 송신 반사기들을 향하도록) 공간적으로 분리되거나, 임의의 다른 적합한 방식으로 배열될 수 있다. 다른 경우에, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 전이중 요소들을 포함한다(예를 들어, 각각의 사용자 링크 구성 송신 요소(3429)는 각자의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 방사 구조를 공유한다). 유사하게, 일부 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은, 임의의 적합한 방식으로 공간적으로 관련될 수 있고, 직접 방사하거나, 단일 반사기를 향하거나, 개별 송신 및 수신 반사기들을 향하거나, 기타 등등일 수 있는, 피더 링크 수신 어레이 및 피더 링크 송신 어레이를 포함한다. 다른 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 전이중 요소들을 포함한다. 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 동일한 또는 상이한 구경 크기를 가질 수 있다. 일부 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 동일한 주파수 대역(예를 들어, Ka 대역 등)에서 동작한다. 일부 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 상이한 주파수 대역에서 동작한다(예를 들어, 피더 링크는 V 대역을 사용하고, 사용자 링크는 Ka 대역을 사용하고, 기타 등등이다).
도 41에 예시된 것들과 같은 예들에서, AN 커버리지 영역(3450)은 사용자 커버리지 영역(3460)과는 상이하다. AN 커버리지 영역(3450)은 단일 연속 커버리지 영역 또는 다수의 불연속 커버리지 영역일 수 있다. 유사하게 (그리고 AN 커버리지 영역이 단일이든지 또는 다중이든지에 관계없이), 사용자 커버리지 영역(3460)은 단일 연속 커버리지 영역 또는 다수의 불연속 커버리지 영역일 수 있다. 일부 경우에, AN 커버리지 영역(3450)은 사용자 커버리지 영역(3460)의 서브세트이다. 일부 경우에, 사용자 커버리지 영역(3460)의 적어도 절반은 AN 커버리지 영역(3450)과 중첩되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 일부 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 하나 이상의 피더 링크 반사기를 추가로 포함하고, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 하나 이상의 사용자 링크 반사기를 추가로 포함한다. 일부 경우에, 피더 링크 반사기는 사용자 링크 반사기보다 상당히 더 크다(예를 들어, 물리적 면적이 적어도 2배, 적어도 5배, 10배, 50배, 80배 등이다). 일부 경우에, 피더 링크 반사기는 사용자 링크 반사기와 물리적 면적이 대략 동일하다(예를 들어, 5%, 10%, 25% 이내이다).
일부 경우에, 시스템(3400)은 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이 지상 네트워크 기능들과 관련하여 동작한다. 예를 들어, 말단간 릴레이(3403)는 AN들(515)과 통신하며, 이들은 분배 네트워크(518)를 통해 CPS(505)와 통신한다. 일부 경우에, CPS(505)는 예를 들어 도 29를 참조하여 설명된 바와 같이 순방향 빔 형성기(529) 및/또는 역방향 빔 형성기(531)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 순방향 빔 형성기(529)는 순방향 링크 신호들에 계산된 순방향 빔 가중치들(예를 들어, 순방향 빔 가중치 생성기(918)에 의해 공급됨)을 적용함으로써 순방향 말단간 빔들을 형성하는 데 참여할 수 있고; 역방향 빔 형성기(531)는 역방향 링크 신호들에 계산된 역방향 빔 가중치들(예를 들어, 역방향 빔 가중치 생성기(935)에 의해 공급됨)을 적용함으로써 역방향 말단간 빔들을 형성하는 데 참여할 수 있다. 전술한 바와 같이, 말단간 순방향 빔 가중치들 및/또는 말단간 역방향 빔 가중치 세트는 말단간 다중 경로 채널들에 대한 추정된 말단간 이득들에 따라 계산될 수 있으며, 각각의 말단간 다중 경로 채널은 각자의 복수의 순방향 링크 만곡형 파이프 트랜스폰더(3430)를 통해 그리고/또는 각자의 복수의 역방향 링크 만곡형 파이프 트랜스폰더(3440)를 통해 사용자 커버리지 영역 내의 각자의 위치(예를 들어, 사용자 단말기(517) 또는 임의의 적합한 기준 위치)와 분산된 AN들(515) 각각을 통신적으로 결합한다. 일부 경우에, 도시되지는 않지만, 말단간 릴레이(3403)는 비컨 신호 송신기를 포함한다. 비컨 신호 송신기는 도 15의 비컨 신호 생성기 및 교정 지원 모듈(424)을 참조하여 전술한 바와 같이 구현될 수 있다. 일부 경우에, 생성된 비컨 신호는 복수의 분산된 AN(515)이 말단간 릴레이(3403)와(예를 들어, 비컨 신호에 따라 복수의 피더 링크 구성 수신 요소(3416)와) 시간 동기화 무선 통신하도록 사용될 수 있다.
일부 경우에, 시스템(3400)은 말단간 빔 형성을 사용하여 복수의 순방향 사용자 빔을 형성하기 위한 시스템을 포함한다. 그러한 경우들은 복수의 지리적으로 분산된 위치로부터 복수의 순방향 업링크 신호를 송신하기 위한 수단을 포함하며, 여기서 복수의 순방향 업링크 신호는 복수의 사용자 빔 신호의 가중 조합으로부터 형성되고, 각각의 사용자 빔 신호는 오직 유일한 하나의 사용자 빔에 대응한다. 예를 들어, 복수의 지리적으로 분산된 위치는 복수의 AN(515)을 포함할 수 있고, 복수의 순방향 업링크 신호를 송신하기 위한 수단은 순방향 빔 형성기(529), 분배 네트워크(518) 및 지리적으로 분산된 AN들(515)(말단간 릴레이(3403)와 통신함)의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 그러한 경우들은 복수의 순방향 다운링크 신호를 형성하기 위해 복수의 순방향 업링크 신호를 릴레이하기 위한 수단을 또한 포함할 수 있다. 각각의 순방향 다운링크 신호는 복수의 순방향 업링크 신호의 고유 중첩을 증폭함으로써 생성되며, 복수의 순방향 다운링크 신호는 복수의 사용자 빔을 형성하도록 중첩되며, 여기서 각각의 사용자 빔 신호는 대응하는 사용자 빔 내에서 현저하다. 예를 들어, 복수의 순방향 다운링크 신호를 형성하기 위해 복수의 순방향 업링크 신호를 릴레이하기 위한 수단은 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 포함할 수 있는, 자신의 함께 배치된 복수의 신호 경로를 갖는 (사용자 빔 커버리지 영역들(519) 내의 하나 이상의 사용자 단말기와 통신하는) 말단간 릴레이(3403)를 포함할 수 있다.
일부 그러한 경우들은 복수의 순방향 다운링크 신호의 제1 중첩을 수신하고 복수의 사용자 빔 신호 중 제1 사용자 빔 신호를 복구하기 위한 제1 수단을 포함한다. 그러한 제1 수단은 (예를 들어, 사용자 단말기 안테나, 및 순방향 다운링크 신호들로부터 사용자 빔 신호들을 복구하기 위한 모뎀 또는 다른 컴포넌트들을 포함하는) 사용자 단말기(517)를 포함할 수 있다. 일부 그러한 경우들은 또한 복수의 순방향 다운링크 신호의 제2 중첩을 수신하고 복수의 사용자 빔 신호 중 제2 사용자 빔 신호를 복구하기 위한 제2 수단(예를 들어, 제2 사용자 단말기(517)를 포함함)을 포함한다. 예를 들어, 수신하기 위한 제1 수단은 제1 사용자 빔 내에 위치하고, 수신하기 위한 제2 수단은 제2 사용자 빔 내에 위치한다.
도 42는 말단간 역방향 링크(523) 상에서 역방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다. 예시적인 모델은, 말단간 릴레이(3403)가 역방향 링크 통신에 전용된 역방향 링크 신호 경로들(3502)을 포함한다는 점을 제외하고는, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명된 모델과 유사하게 동작할 수 있다. 각각의 역방향 링크 신호 경로(3502)는 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 사이에 결합된 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 포함할 수 있다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기들(517)에 의해 생성된 신호들은 말단간 릴레이(3403)까지 (역방향 업링크 신호들(525)로서) 송신되고, L개의 역방향 링크 신호 경로들(3502)의 어레이에 의해 수신되고, L개의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 통해 L개의 대응하는 피더 링크 구성 송신 요소(3419)로 통신되고, L개의 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 각각에 의해 M개의 AN(515)의 일부 또는 전부로 송신된다(도 7에 도시된 것과 유사함). 이러한 방식으로, 다수의 역방향 링크 신호 경로(3502)(예를 들어, 역방향 링크 트랜스폰더들(3440))는 역방향 링크 통신에서 다중 경로를 유도한다. 예를 들어, 각각의 역방향 링크 신호 경로(3502)의 출력은 수신된 역방향 업링크 신호들(525) 각각에 대응하는(예를 들어, 다수의 사용자 빔 커버리지 영역(519)으로부터 송신된 역방향 업링크 신호들(525)의 수신된 합성물에 대응하는) 역방향 다운링크 신호(527)이고, 역방향 다운링크 신호들(527)을 통해 (예를 들어, AN 커버리지 영역(3450)에 걸쳐 지리적으로 분산된) M개의 AN(515)으로 송신된다. 전술한 바와 같이, 신호가 사용자 빔 커버리지 영역(519) 안에 위치하는 사용자 단말기(517)로부터 특정 AN(515)에 도달하는 L개(또는 최대 L개)의 상이한 방식이 존재한다. 말단간 릴레이(3403)는 이에 의해 사용자 단말기(517)와 AN(515) 사이에 L개의 경로를 생성하며, 이들은 집합적으로 말단간 역방향 다중 경로 채널(1908)로 지칭된다(예컨대, 도 8과 유사함).
말단간 역방향 다중 경로 채널들은 전술한 동일한 방식으로 모델링될 수 있다. 예를 들어, Ar은 L × K 역방향 업링크 방사 행렬이고, Ct는 M × L 역방향 다운링크 방사 행렬이고, Eret는 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426)로부터 피더 링크 구성 송신 요소들(3419)로의 경로들에 대한 L × L 역방향 페이로드 행렬이다. 전술한 바와 같이, 특정 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기(517)로부터 특정 AN(515)으로의 말단간 역방향 다중 경로 채널은 말단간 릴레이(3403)를 통해 L개의 고유 역방향 링크 신호 경로(3502)에 의해 유도된 L개의 상이한 신호 경로의 순수 효과이다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 및 M개의 AN(515)에 의해, (말단간 릴레이(3403)를 통해) 말단간 역방향 링크(523) 내에 M × K개의 유도된 말단간 역방향 다중 경로 채널이 존재할 수 있으며, 이들 각각은 M × K 역방향 채널 행렬 Hret (Ct × Eret × Ar)의 대응하는 요소를 계산하도록 개별적으로 모델링될 수 있다. (예를 들어, 도 6 내지 도 8을 참조하여) 전술한 바와 같이, 모든 AN들(515), 사용자 빔 커버리지 영역들(519) 및/또는 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)이 말단간 역방향 다중 경로 채널들에 참여해야 하는 것은 아니다. 일부 경우에, 사용자 빔들의 수(K)는 말단간 역방향 다중 경로 채널의 신호 경로 내의 트랜스폰더들의 수(L)보다 크고/크거나; AN들의 수(M)는 말단간 역방향 다중 경로 채널의 신호 경로 내의 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다. 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, CPS(505)는 역방향 빔 가중치들을 수신된 다운링크 역방향 신호들(527)에 적용함으로써 역방향 사용자 빔들의 형성을 가능하게 할 수 있다(아래에서 더 설명되는 바와 같이, 수신된 신호들은, AN에 의한 수신 후에, 합성 역방향 신호들(907)로 지칭된다). 역방향 빔 가중치들은 하나의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기들(517)을 복수의 AN(515) 중 하나와 결합하는 각각의 말단간 역방향 다중 경로 채널에 대한 M × K개의 신호 경로의 모델에 기초하여 계산될 수 있다.
도 43은 말단간 순방향 링크(501) 상에서 순방향 데이터를 운반하는 신호들에 대한 신호 경로들의 예시적인 모델의 예시이다. 예시적인 모델은, 말단간 릴레이(3403)가 순방향 링크 통신에 전용된 순방향 링크 신호 경로들(3602)을 포함한다는 점을 제외하고는, 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명된 모델과 유사하게 동작할 수 있다. 각각의 순방향 링크 신호 경로(3602)는 피더 링크 구성 수신 요소(3416)와 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 사이에 결합된 순방향 링크 트랜스폰더(3430)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 순방향 업링크 신호(521)는 AN(515)으로부터의 송신 전에 (예를 들어, 지상 세그먼트(502)의 CPS(505) 내의 순방향 빔 형성기(515)에서) 빔 가중화된다. 각각의 AN(515)은 고유 순방향 업링크 신호(521)를 수신하고, M개의 업링크 중 하나를 통해 고유 순방향 업링크 신호(521)를 (예를 들어, 시간 동기화 방식으로) 송신한다. 순방향 업링크 신호들(521)은 합성 입력 순방향 신호(545)를 생성하는 중첩 방식으로 순방향 링크 트랜스폰더들(3430)의 일부 또는 전부에 의해 지리적으로 분산된 위치들로부터(예를 들어, AN들(515)로부터) 수신된다. 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)와 관련된 각각의 수신 피더 링크 구성 수신 요소(3416)의 위치에 있어서의 차이로 인해 약간 상이한 타이밍을 갖지만 합성 입력 순방향 신호(545)를 동시에 수신한다. 예를 들어, 각각의 피더 링크 구성 수신 요소(3416)는 동일한 복수의 순방향 업링크 신호(521)의 합성물을 수신할 수 있을지라도, 수신된 합성 입력 순방향 신호들(545)은 약간 상이할 수 있다. 합성 입력 순방향 신호들(545)은 각자의 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)을 통해 L개의 순방향 링크 트랜스폰더들(3430)에 의해 수신되고, L개의 순방향 링크 트랜스폰더들(3430)을 통해 L개의 대응하는 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)로 통신되고, L개의 사용자 링크 구성 송신 요소(3429)에 의해 K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 중 하나 이상으로 (예를 들어, 수신된 합성 입력 순방향 신호들(521) 각각에 각각 대응하는 순방향 다운링크 신호(522)로서) 송신된다. 이러한 방식으로, 다수의 순방향 링크 신호 경로(3602)(예를 들어, 순방향 링크 트랜스폰더(3430))는 순방향 링크 통신에서 다중 경로를 유도한다. 전술한 바와 같이, 신호가 AN(515)으로부터 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 특정 사용자 단말기(517)에 도달하는 L개의 상이한 방식이 존재한다. 말단간 릴레이(3403)는 이에 의해 하나의 AN(515)과 하나의 사용자 단말기(517)(또는 하나의 사용자 빔 커버리지 영역(519)) 사이에 다수(예를 들어, 최대 L개)의 신호 경로를 유도하며, 이들은 집합적으로 말단간 순방향 다중 경로 채널(2208)(예컨대, 도 10과 유사함)로 지칭될 수 있다.
말단간 순방향 다중 경로 채널들(2208)은 전술한 동일한 방식으로 모델링될 수 있다. 예를 들어, Cr은 L × M 순방향 업링크 방사 행렬이고, At는 K × L 순방향 다운링크 방사 행렬이고, Efwd는 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)로부터 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)까지의 경로들에 대한 L × L 순방향 페이로드 행렬이다. 일부 경우에, 순방향 페이로드 행렬 Efwd 및 역방향 페이로드 행렬 Eret는 순방향 링크 신호 경로들(3602)과 역방향 링크 신호 경로들(3502) 간의 차이를 반영하기 위해 상이할 수 있다. 전술한 바와 같이, 특정 AN(515)으로부터 특정 사용자 빔 커버리지 영역(519) 내의 사용자 단말기(517)까지의 말단간 순방향 다중 경로 채널은 L개의 고유 순방향 링크 신호 경로(3602)에 의해 말단간 릴레이(3403)를 통해 유도되는 L개의 상이한 신호 경로의 순수 효과이다. K개의 사용자 빔 커버리지 영역(519) 및 M개의 AN(515)에 의해, 말단간 순방향 링크(501) 내에 M × K개의 유도된 말단간 순방향 다중 경로 채널이 존재할 수 있으며, 이들 각각은 M × K 순방향 채널 행렬 Hfwd (At × Efwd × Cr)의 대응하는 요소를 계산하도록 개별적으로 모델링될 수 있다. 역방향과 관련하여 언급된 바와 같이, 모든 AN들(515), 사용자 빔 커버리지 영역들(519) 및/또는 순방향 링크 트랜스폰더들(3430)이 말단간 순방향 다중 경로 채널들에 참여할 필요는 없다. 일부 경우에, 사용자 빔들의 수(K)는 말단간 순방향 다중 경로 채널의 신호 경로 내의 트랜스폰더들의 수(L)보다 크고/크거나; AN들의 수(M)는 말단간 순방향 다중 경로 채널의 신호 경로 내의 트랜스폰더들의 수(L)보다 크다. 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 순방향 사용자 빔들을 형성하기 위해 CPS(505)에 의해 복수의 말단간 순방향 다중 경로 채널 각각에 대해 적절한 빔 가중치가 계산될 수 있다. 단일 수신기(사용자 단말기(517))에 대해 다수의 송신기(AN(515))를 사용하는 것은 의도적으로 유도된 다중 경로 채널의 존재하에서 임의의 사용자 단말기(517)로의 정보의 성공적인 송신을 가능하게 하는 송신 경로 다이버시티를 제공할 수 있다.
도 41 내지 도 43은 개별 순방향 링크 트랜스폰더들(3430) 및 역방향 링크 트랜스폰더들(3440)로 구현된 말단간 릴레이들(3403)을 설명한다. 도 44a 및 도 44b는, 각각, (도 43의 순방향 신호 경로(3602)와 같은) 예시적인 순방향 신호 경로(3700) 및 (도 42의 역방향 신호 경로(3502)와 같은) 역방향 신호 경로(3750)의 예시를 보여준다. 전술한 바와 같이, 순방향 신호 경로(3700)는 피더 링크 구성 수신 요소(3416)와 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 사이에 결합된 순방향 링크 트랜스폰더(3430)를 포함한다. 역방향 신호 경로(3750)는 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 사이에 결합된 역방향 링크 트랜스폰더(3440)를 포함한다. 일부 경우에, 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 각각의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 교차 극성 트랜스폰더이다. 예를 들어, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 왼손 순환 편광(LHCP)을 갖는 업링크 주파수에서 순방향 업링크 신호를 수신하고, 오른손 순환 편광(RHCP)을 갖는 다운링크 주파수에서 순방향 다운링크 신호를 출력하며; 각각의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 오른손 순환 편광(RHCP)을 갖는 업링크 주파수에서 역방향 업링크 신호를 수신하고, 왼손 순환 편광(LHCP)을 갖는 다운링크 주파수에서 역방향 다운링크 신호를 출력한다. 하나의 그러한 경우(즉, 앞의 예에서 설명된 편광을 따름)는 도 44a 및 도 44b의 실선들만을 따름으로써 예시되며, 다른 그러한 경우(즉, 앞의 예에서 설명된 편광과 반대의 편광을 따름)는 도 44a 및 도 44b의 점선들만을 따름으로써 예시된다. 다른 경우에, 일부 또는 모든 트랜스폰더들은 양극 신호 경로 쌍(dual-pole signal path pair)을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 44a 및 도 44b의 실선 및 점선 둘 모두를 따르면, 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 둘 모두의 편광(LHCP 및 RHCP)을 갖는 동일한 또는 상이한 업링크 주파수에서 순방향 업링크 신호를 수신할 수 있고, 둘 모두가 둘 모두의 편광(RHCP 및 LHCP)을 갖는 동일한 또는 상이한 다운링크 주파수에서 순방향 다운링크 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 그러한 경우들은 다수의 시스템이 임의의 적합한 타입의 간섭 완화 기술들을 사용하여(예를 들어, 시분할, 주파수 분할 등을 사용하여) 병렬로 동작하는 것을 가능하게 할 수 있게 한다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(3403)는 512개의 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 512개의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)(예를 들어, 총 1,024개의 트랜스폰더)와 같은 다수의 트랜스폰더를 포함한다. 다른 구현들은 10개 또는 임의의 다른 적합한 수와 같은 더 적은 수의 트랜스폰더를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 안테나 요소들은 전이중 구조로서 구현되며, 따라서 각각의 수신 안테나 요소는 각자의 송신 안테나 요소와 구조를 공유한다. 예를 들어, 각각의 예시된 안테나 요소는 신호들의 송신 및 수신 둘 모두에 적합한 방사 구조의 4개의 도파관 포트 중 2개로서 구현될 수 있다. 일부 경우에, 피더 링크 요소들만이 또는 사용자 링크 요소들만이 전이중이다. 다른 구현들은 상이한 타입의 편광을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 트랜스폰더들은 동일한 극성의 수신 안테나 요소와 송신 안테나 요소 사이에 결합될 수 있다.
예시적인 순방향 링크 트랜스폰더(3430) 및 역방향 링크 트랜스폰더(3440) 둘 모두는 저잡음 증폭기(LNA)(3705), 주파수 변환기들 및 관련 필터들(3710), 채널 증폭기들(3715), 위상 시프터들(3720), 전력 증폭기들(3725)(예컨대, 이동 파동 튜브 증폭기(TWTA), 고체 상태 전력 증폭기(SSPA) 등) 및 고조파 필터들(3730)을 포함할 수 있다. 양극 구현들에서, 도시된 바와 같이, 각각의 극은 그 자신의 트랜스폰더 컴포넌트 세트를 갖는 그 자신의 신호 경로를 갖는다. 일부 구현들은 더 많은 또는 더 적은 컴포넌트를 가질 수 있다. 예를 들어, 주파수 변환기들 및 관련 필터들(3710)은 업링크 및 다운링크 주파수들이 상이한 경우에 유용할 수 있다. 일례로서, 각각의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 제1 주파수 대역에서 입력을 수신할 수 있고 제2 주파수 대역에서 출력할 수 있으며; 각각의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 제1 주파수 대역에서 입력을 수신할 수 있고 제2 주파수 대역에서 출력할 수 있다.
일부 경우에, 다수의 하위 대역(예를 들어, 전술한 바와 같이, 7개의 500 ㎒ 하위 대역)이 사용된다. 예를 들어, 일부 경우에, 지상 네트워크의 다중 하위 대역 구현에서 사용되는 것과 동일한 하위 대역에 걸쳐 동작하는 트랜스폰더들이 제공되어, 단일 말단간 릴레이를 통한 다수의 독립 및 병렬 말단간 빔 형성 시스템(상이한 하위 대역에서 동작하는 각각의 말단간 빔 형성 시스템)을 효과적으로 가능하게 할 수 있다. 다른 경우에, 광대역폭 말단간 빔 형성 시스템은 지상 네트워크에서 다수의 하위 대역을 사용할 수 있지만, 광대역 트랜스폰더들을 통해 하나 이상의(또는 모든) 하위 대역을 통과시킬 수 있다(예컨대, 3.5 ㎓ 대역폭 트랜스폰더들을 통해, 각각 500 ㎒ 폭의, 7개의 하위 대역을 통과시킬 수 있다). 그러한 경우에, 각각의 트랜스폰더는 다수의 주파수 변환기 및 관련 필터(3710), 및/또는 하나 이상의 하위 대역을 처리하는 데 전용된 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 다수의 주파수 하위 대역의 사용은 트랜스폰더의 진폭 및 위상 응답에 대한 완화된 요건을 허용할 수 있는데, 왜냐하면 지상 네트워크가 각각의 하위 대역에서 사용되는 빔 가중치들을 개별적으로 결정하여, 트랜스폰더들의 통과 대역 진폭 및 위상 편차를 효과적으로 교정할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 개별 순방향 및 역방향 트랜스폰더로, 그리고 7개의 하위 대역을 사용하여, 각각의 빔에 대해 총 14개의 상이한 빔 가중치, 즉 7 하위 대역 * 2 방향(순방향 및 역방향)이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 트랜스폰더 경로는 단지 LNA(3705), 채널 증폭기(3715) 및 전력 증폭기(3725)만을 포함한다. 말단간 릴레이(3403)의 일부 구현들은 위상 시프트 제어기들 및/또는 전술한 바와 같이 각각의 트랜스폰더의 위상들 및/또는 다른 특성들을 개별적으로 설정할 수 있는 다른 제어기들을 포함한다.
안테나 요소들은 임의의 적합한 방식으로 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 일부 경우에, 말단간 릴레이(3403)는 하나 이상의 어레이 피딩 반사기를 갖는다. 예를 들어, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 송신 및 수신 둘 모두를 위한 피더 링크 반사기, 또는 개별 피더 링크 송신 반사기 및 피더 링크 수신 반사기를 가질 수 있다. 유사하게, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 송신 및 수신 둘 모두를 위한 사용자 링크 반사기, 또는 개별 사용자 링크 송신 반사기 및 사용자 링크 수신 반사기를 가질 수 있다. 하나의 예시적인 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 방사 구조들의 어레이를 포함하고, 각각의 방사 구조는 피더 링크 구성 수신 요소(3416) 및 피더 링크 구성 송신 요소(3419)를 포함한다. 그러한 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 또한 피더 링크 구성 수신 요소(3416)를 조명하고 피더 링크 구성 송신 요소(3419)에 의해 조명되는 피더 링크 반사기를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 반사기는 상이한 형상, 크기, 배향 등을 가질 수 있는 다수의 반사기로서 구현된다. 다른 경우에, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및/또는 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 반사기 없이, 예를 들어 직접 방사 어레이로서 구현된다.
전술한 바와 같이, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)과 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 분리하는 것은 하나 이상의 사용자 커버리지 영역(3460)과는 상이한 하나 이상의 AN 커버리지 영역(3450)의 서비스를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 사용자 커버리지 영역(3460)의 반사기보다 상당히 더 큰 물리적 면적을 갖는 반사기로 구현될 수 있다. 더 큰 반사기는 다수의 AN(515)이 상당히 더 작은 AN 커버리지 영역(3450)에, 예컨대 사용자 커버리지 영역(3460)의 작은 서브세트에 지리적으로 분산되도록 허용할 수 있다. 일부 예들이 도 45 및 도 46에 도시된다.
도 45는 말단간 릴레이(3403)(예컨대, 위성) 가시적 지구 커버리지 영역(3800)의 예를 도시한다. 예시적인 말단간 릴레이(3403)에서, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 18 미터 피더 링크 반사기를 포함하고, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 2 미터 사용자 링크 반사기를 포함한다(예컨대, 피더 링크 반사기 면적은 사용자 링크 반사기 면적보다 약 80배 더 크다). 각각의 안테나 서브시스템은 또한 512개의 협력 구성 수신/송신 요소의 어레이를 포함한다. 예를 들어, 예시적인 말단간 릴레이(3403)는 512개의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)(예를 들어, 도 44a에 도시된 바와 같은 512개의 순방향 신호 경로(3700)를 형성) 및 512개의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)(예컨대, 도 44b에 도시된 바와 같은 512개의 역방향 신호 경로(3750)를 형성)를 포함할 수 있다. 사용자 커버리지 영역(3460)은 625개의 사용자 빔 커버리지 영역(519)을 포함한다. 미국 동부의 작은 음영 지역은 597개의 AN(515)이 분산된 AN 커버리지 영역(3450)이다. AN 커버리지 영역(3450)은 큰 사용자 커버리지 영역(3460)의 작은 서브세트이지만, 여전히 다수의 AN(515)을 갖는 큰 용량을 제공한다. 그러한 비교적 밀도가 높은 AN 커버리지 영역(3450)은 여기서 "AN 팜(farm)"으로 지칭된다.
도 46은 말단간 릴레이(3403)(예를 들어, 위성) 미 대륙(CONUS) 커버리지 영역(3900)의 예를 도시한다. 예시적인 말단간 릴레이(3403)는 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)이 5 미터 사용자 링크 반사기를 포함한다(예를 들어, 피더 링크 반사기는 사용자 링크 반사기보다 약 4배 더 크다)는 점을 제외하고는 도 45에 도시된 예와 유사하다. 사용자 커버리지 영역(3460)은 523개의 사용자 빔 커버리지 영역(519)을 포함한다. AN 커버리지 영역(3450)(AN 팜)은 도 45의 것, 즉 597개의 AN(515)이 분산되어 있는 미국 동부 지역과 동일하며, 이는 사용자 커버리지 영역(3460)의 작은 서브세트이다.
다수의 커버리지 영역
전술한 예시적인 말단간 릴레이들(3403)에서, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 (예컨대, 단일 사용자 링크 반사기를 갖는) 단일 안테나 서브시스템으로서 설명되고, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 (예컨대, 단일 피더 링크 반사기를 갖는) 단일 안테나 서브시스템으로서 설명된다. 일부 경우에, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 하나 이상의 사용자 링크 반사기와 관련된 하나 이상의 안테나 서브시스템(예를 들어, 구성 안테나 요소들의 2개 이상의 서브-어레이)을 포함할 수 있고, 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)은 하나 이상의 피더 링크 반사기와 관련된 하나 이상의 안테나 서브시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 말단간 릴레이들(3403)은 제1 사용자 링크 반사기와 관련된 사용자 링크 구성 수신/송신 요소들의 제1 세트(예를 들어, 각각의 요소는 제1 사용자 링크 반사기를 조명하고/하거나 그에 의해 조명되도록 배열됨) 및 제2 사용자 링크 반사기와 관련된 사용자 링크 구성 수신/송신 요소들의 제2 세트를 포함하는 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 가질 수 있다. 일부 경우에, 2개의 사용자 링크 반사기는 서로 물리적 면적이 대략 동일하다(예를 들어, 5%, 10%, 25%, 50% 이내). 일부 경우에, 하나의 사용자 링크 반사기는 다른 것보다 상당히 더 크다(예를 들어, 물리적 면적이 적어도 2배). 사용자 링크 구성 수신/송신 요소들의 각각의 세트 및 그것의 관련 사용자 링크 반사기는 대응하는, 상이한 사용자 커버리지 영역을 조명할 수 있다. 예를 들어, 다수의 사용자 커버리지 영역은 중첩되지 않거나, 부분적으로 중첩되거나, 완전히 중첩되거나(예를 들어, 더 작은 사용자 커버리지가 더 큰 사용자 커버리지 영역 내에 포함될 수 있음), 기타 등등일 수 있다. 일부 경우에, 다수의 사용자 커버리지 영역은 동시에 활성일 수 있다(조명될 수 있다). 다른 경우들은, 후술하는 바와 같이, 사용자 링크 구성 수신/송신 요소들의 상이한 부분들의 선택적 활성화를 가능하게 하여서, 상이한 시간에 상이한 사용자 커버리지 영역들을 활성화할 수 있다. 다수의 커버리지 영역 간의 스위칭은 CPS를 이용하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 빔 형성 교정, 빔 가중치 계산 및 빔 가중치 적용은 2개의 상이한 커버리지 영역 각각에 대해 하나씩, 2개의 병렬 빔 형성기에서 발생할 수 있다. 빔 형성기들에서의 적절한 가중치들의 사용은 말단간 릴레이의 동작에 대응하도록 타이밍될 수 있다. 빔 가중치들은, 일부 경우에, 시간 슬라이스 빔 형성기들이 사용되면 시간 슬라이스 동안 변경될 수 있다.
도 47a 및 도 47b는, 각각, 다수의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 선택적 활성화를 각각 갖는, 예시적인 순방향 신호 경로(4000) 및 역방향 신호 경로(4050)를 도시한다. 각각의 신호 경로는 구성 안테나 요소들 사이에 결합된 트랜스폰더를 갖는다. 먼저 도 47a를 참조하면, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)의 출력 측이 개별 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 각각의 부분(예를 들어, 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)의 개별 어레이의 각각의 부분)인, 2개의 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 중 하나에 선택적으로 결합된다는 점 외에는, 도 44a를 참조하여 설명한 것과 유사하다. 전술한 바와 같이, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 LNA들(3705), 주파수 변환기들 및 관련 필터들(3710), 채널 증폭기들(3715), 위상 시프터들(3720), 전력 증폭기들(3725) 및 고조파 필터들(3730) 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
도 47a의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 트랜스폰더를 전력 증폭기들(3725) 및 고조파 필터들(3730)의 제1 세트를 통해 (제1 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의) 제1 사용자 링크 구성 송신 요소(3429a)에, 또는 전력 증폭기들(3725) 및 고조파 필터들(3730)의 제2 세트를 통해 (제2 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의) 제2 사용자 링크 구성 송신 요소(3429b)에 선택적으로 결합하는 스위치들(4010)(순방향 링크 스위치들)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 제1 스위치 모드에서, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 피더 링크 구성 수신 요소(3416)와 제1 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 사이에 신호 경로를 효과적으로 형성하고; 제2 스위치 모드에서, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 동일한 피더 링크 구성 수신 요소(3416)와 제2 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 사이에 신호 경로를 효과적으로 형성한다. 스위치들(4010)은 전기 기계 스위치, 릴레이, 트랜지스터 등과 같은 임의의 적합한 스위칭 수단을 사용하여 구현될 수 있다. 스위치들(4010)로서 도시되지만, 다른 구현들은 순방향 링크 트랜스폰더(3430)의 입력을 다수의 출력에 선택적으로 결합하기 위한 임의의 다른 적합한 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기들(3725)이 (예를 들어, "온"일 때 높은 이득을 제공하고 "오프"일 때 제로 이득(또는 손실)을 제공하는) 스위치들로서 사용될 수 있다.
도 47b를 참조하면, 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 도 47a의 순방향 링크 트랜스폰더(3430)를 기능적으로 미러링한다. 도 47a의 순방향 링크의 경우에서와 같이, 트랜스폰더의 출력 측을 선택적으로 결합하기보다는, 도 47b의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)의 입력 측은 2개의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426) 중 하나에 선택적으로 결합된다. 또 다시, 각각의 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)는 개별 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 일부(예를 들어, 협력 사용자 링크 구성 수신 요소들(3426)의 개별 어레이의 각각의 부분)일 수 있다. (예컨대, 도 44b에서) 전술한 바와 같이, 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 LNA들(3705), 주파수 변환기들 및 관련 필터들(3710), 채널 증폭기들(3715), 위상 시프터들(3720), 전력 증폭기들(3725) 및 고조파 필터들(3730) 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
도 47b의 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 트랜스폰더를 LNA들(3705)의 제1 세트를 통해 (제1 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의) 제1 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)에, 또는 LNA들(3705)의 제2 세트를 통해 (제2 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의) 제2 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)에 선택적으로 결합하는 스위치들(4010)(역방향 링크 스위치들)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 제1 스위치 모드에서, 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 제1 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 사이에 신호 경로를 효과적으로 형성하고; 제2 스위치 모드에서, 역방향 링크 트랜스폰더(3440)는 제2 사용자 링크 구성 수신 요소(3426)와 동일한 피더 링크 구성 송신 요소(3419) 사이에 신호 경로를 효과적으로 형성한다. 스위치들(4010)은 전기 기계 스위치, 릴레이, 트랜지스터 등과 같은 임의의 적합한 스위칭 수단을 사용하여 구현될 수 있다. 스위치들(4010)로서 도시되지만, 다른 구현들은 순방향 링크 트랜스폰더(3430)의 입력을 다수의 출력에 선택적으로 결합하기 위한 임의의 다른 적합한 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어, 증폭기들(3705)이 (예를 들어, "온"일 때 높은 이득을 제공하고 "오프"일 때 제로 이득(또는 손실)을 제공하는) 스위치들로서 사용될 수 있다.
말단간 릴레이(3403)의 예들은 스위칭 스케줄에 따라 스위치들(4010)(또는 다른 적합한 선택적 결합 수단) 중 일부 또는 전부를 선택적으로 스위칭하는 스위치 제어기(4070)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 스케줄은 말단간 릴레이(3403)에 탑재된 저장 디바이스에 저장될 수 있다. 일부 경우에, 스위칭 스케줄은 어느 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)을 활성화할지(예를 들어, 어느 사용자 빔 세트를 조명할지)를 복수의 시간 간격(예를 들어, 타임 슬롯) 각각에서 효과적으로 선택한다. 일부 경우에, 스위칭은 다수의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)에 동일한 시간을 할당한다(예를 들어, 2개의 서브시스템 각각은 약 절반의 시간 동안 활성화된다). 다른 경우에, 스위칭은 용량 공유 목표를 실현하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 더 높은 수요의 사용자들과 관련될 수 있고, 스케줄에서 더 많은 시간 부분을 할당받을 수 있는 반면, 다른 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 더 낮은 수요의 사용자들과 관련될 수 있고, 스케줄에서 더 적은 시간 부분을 할당받을 수 있다.
도 48a 및 도 48b는 다수의 선택적으로 활성화된 사용자 커버리지 영역(3460a, 3460b)을 포함하는 말단간 릴레이(3403) 커버리지 영역(4100 및 4150)의 예를 도시한다. 예시적인 말단간 릴레이(503)는 상이한 안테나 서브시스템들을 제외하고는 도 38 및 도 39의 것들과 유사하다. 이 예에서, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)은 2개의 9 미터 사용자 링크 반사기를 포함하고, 트랜스폰더들은 임의의 주어진 시간에 사용자 빔들의 절반만을 선택적으로 활성화하도록 구성된다(예를 들어, 트랜스폰더들은 도 47a 및 도 47b에서와 같이 구현된다). 예를 들어, 제1 시간 간격 동안, 도 48a에 도시된 바와 같이, 사용자 커버리지 영역(3460a)은 590개의 활성 사용자 빔 커버리지 영역(519)을 포함한다. 활성 사용자 빔 커버리지 영역들(519)은 미국의 서쪽 절반을 효과적으로 커버한다. AN 커버리지 영역(3450)(AN 팜)은 도 38 및 도 39의 것, 즉 597개의 AN(515)이 분산되어 있는 미국 동부 지역과 동일하다. 제1 시간 간격 동안, AN 커버리지 영역(3450)은 활성 사용자 커버리지 영역(3460)과 중첩되지 않는다. 제2 시간 간격 동안, 도 48b에 도시된 바와 같이, 사용자 커버리지 영역(3460b)은 다른 590개의 활성 사용자 빔 커버리지 영역(519)을 포함한다. 제2 시간 간격에서의 활성 사용자 빔 커버리지 영역(519)은 미국의 동부 절반을 효과적으로 커버한다. AN 커버리지 영역(3450)은 변경되지 않는다. 그러나, 제2 시간 간격 동안, AN 커버리지 영역(3450)은 활성 사용자 커버리지 영역(3460)에 의해 완전히 중첩된다(예를 들어, 그의 서브세트이다). 대응하는 사용자 링크 안테나 서브시스템들에 할당되는 시간의 비율을 동적으로 조정함으로써 (예를 들어, 동부 사용자 커버리지 영역과 서부 사용자 커버리지 영역 사이의) 다양한 지역들에 용량이 유연하게 할당될 수 있다.
이전 예는 2개의 유사한 크기의 사용자 커버리지 영역을 예시하지만, 다른 수의 사용자 커버리지 영역이 제공될 수 있고(예를 들어, 3개 이상), 상이한 크기(예를 들어, 지구 커버리지, 미대륙만, 미국만, 지역만, 기타 등등)를 가질 수 있다. 다수의 사용자 커버리지 영역(3460)을 갖는 경우에, 사용자 커버리지 영역들(3460)은 임의의 적합한 지리적 관계를 가질 수 있다. 일부 경우에, 제1 및 제2 사용자 커버리지 영역들(3460)은 (예컨대, 도 48a 및 도 48b에 도시된 바와 같이) 부분적으로 중첩된다. 다른 경우에, 제2 사용자 커버리지 영역(3460)은 (예를 들어, 도 45 및 도 46에 도시된 바와 같이) 제1 사용자 커버리지 영역(3460)의 서브세트일 수 있다. 다른 경우에, 제1 및 제2 사용자 커버리지 영역들은 중첩되지 않는다(예를 들어, 분리됨).
도 47a 및 도 47b는 사용자 링크 측의 신호 경로 선택을 설명한다. 그러나, 일부 경우들은 대안적으로 또는 추가적으로 피더 링크 측의 신호 경로 스위칭을 포함한다. 도 49는 다수의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420) 및 다수의 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)의 선택적 활성화를 갖는 예시적인 순방향 신호 경로(4200)를 도시한다. 신호 경로는 구성 안테나 요소들 사이에 결합된 순방향 링크 트랜스폰더(3430)를 갖는다. 전술한 바와 같이, 순방향 링크 트랜스폰더(3430)는 LNA들(3705), 주파수 변환기들 및 관련 필터들(3710), 채널 증폭기들(3715), 위상 시프터들(3720), 전력 증폭기들(3725) 및 고조파 필터들(3730) 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 순방향 링크 트랜스폰더(3430)의 입력 측은 (예를 들어, 스위치들(4010a 및 4010b) 또는 임의의 다른 적합한 경로 선택 수단을 사용하여) 2개의 피더 링크 구성 수신 요소(3416) 중 하나에 선택적으로 결합된다. 각각의 피더 링크 구성 수신 요소(3416)는 개별 피더 링크 안테나 서브시스템(3410)의 일부(예컨대, 협력 피더 링크 구성 수신 요소들(3416)의 개별 어레이의 각각의 부분)일 수 있다. 순방향 링크 트랜스폰더(3430)의 출력 측은 (예를 들어, 스위치들(4010c 및 4010d) 또는 임의의 다른 적합한 경로 선택 수단을 사용하여) 2개의 사용자 링크 구성 송신 요소(3429) 중 하나에 선택적으로 결합된다. 각각의 사용자 링크 구성 송신 요소(3429)는 개별 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420)의 일부(예를 들어, 협력 사용자 링크 구성 송신 요소들(3429)의 개별 어레이의 각각의 부분)일 수 있다. 하나 이상의 스위칭 제어기(도시되지 않음)가 순방향 링크 트랜스폰더(3430)에 의해 가능하게 된 4개의 가능한 신호 경로 중 일부 또는 전부 사이에서 선택하기 위해 말단간 릴레이(3403)에 포함될 수 있다. 도 47a, 도 47b 및 도 49의 트랜스폰더들은 많은 가능한 경우 중 몇 개를 예시하도록 의도될 뿐이다. 또한, 일부 경우들은 2개 초과의 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420) 및/또는 2개 초과의 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 사이의 경로 선택을 포함할 수 있다. 유사하게, 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420) 및/또는 피더 링크 구성 수신 요소(3416)가 개별 송신 및 수신 반사기 등을 갖는 경우에 추가의 경로 선택이 포함될 수 있다.
유사한 방식으로, 다수의 AN 커버리지 영역이 또한 제공될 수 있다. 하나의 예로서, 특정 지리적 지역들의 트래픽이 그들 각자의 지역에서 종단되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도 49에 예시된 것들과 같은 페어링된 트랜스폰더들을 갖거나 갖지 않는 말단간 릴레이(3403)는, 둘 모두 북미에 있는, 제1 AN 커버리지 영역(3450) 및 제1 사용자 커버리지 영역(3460), 및, 둘 모두 남미에 있는, 제2 AN 커버리지 영역(3450) 및 제2 사용자 커버리지 영역(3460)을 서비스할 수 있다. 트랜스폰더들에서의 경로 선택(예를 들어, 스위칭)을 사용하여, 단일 말단간 릴레이(3403)(예를 들어, 단일 위성)는 북미 AN 커버리지 영역(3450) 내의 AN들(515)을 사용하여 북미 사용자 커버리지 영역(3460)과 관련된 트래픽을 서비스하고, 남미 AN 커버리지 영역(3450) 내의 AN들(515)을 사용하여 남미 사용자 커버리지 영역(3460)과 관련된 트래픽을 서비스할 수 있다. 대응하는 안테나 서브시스템들에 할당되는 시간의 비율을 동적으로 조정함으로써 (예를 들어, 북미 사용자 커버리지 영역과 남미 사용자 커버리지 영역 사이의) 다양한 지역들에 용량이 유연하게 할당될 수 있다.
일반적으로, 도 41에서 설명된 말단간 릴레이(3403)의 특징들은 적어도 하나의 AN 커버리지 영역(3450)과는 상이한 적어도 하나의 사용자 빔 커버리지 영역(519)의 서비스를 가능하게 한다. 일부 경우에, 상이한 커버리지 영역 서비스는 AN 팜들을 사용하여 큰 사용자 커버리지 영역(3460)에 고용량을 제공하는 것을 가능하게 할 수 있다. 도 45, 도 46, 도 48a 및 도 48b는 그러한 AN 팜 구현들의 다양한 예를 도시한다. 비교적 작은 지리적 영역에 다수의 AN(515)을 전개하는 것은 다수의 특징을 제공할 수 있다. 예를 들어, 더 많은(또는 심지어 모든) AN(515)이 이상적인 AN(515) 분포로부터 거의 벗어나지 않고서 단일 국가 또는 지역의 경계 내에서, 육상에서, 기타 등등에서 (예를 들어, CPS(505)에 대한 양호한 광섬유 역접속성을 갖는 지역에서) 고속 네트워크에 더 가깝게 전개되는 것을 보장하는 것이 더 용이할 수 있다. (예컨대, 도 47a 및 도 47b에서와 같이) 경로 선택을 이용하여 상이한 커버리지 영역 서비스를 구현하는 것은 추가의 특징들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 단일 AN 팜(및 단일 말단간 릴레이(3403))을 사용하여 다수의 사용자 커버리지 영역(3460)을 선택적으로 서비스할 수 있다. 유사하게, 단일 말단간 릴레이(3403)가 지역별 트래픽을 구별하고 서비스하는 데 사용될 수 있다.
일부 경우에, 경로 선택을 이용한 상이한 커버리지 영역 서비스는 다양한 간섭 관리 및/또는 용량 관리 특징들을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 도 48a 및 도 48b를 다시 참조하면, 4가지 카테고리의 통신 링크, 즉 AN 팜으로부터 도 48a의 서부 활성 사용자 커버리지 영역(3460)으로의 순방향 링크 통신("링크 A"); AN 팜으로부터 도 48b의 동부 활성 사용자 커버리지 영역(3460)으로의 순방향 링크 통신("링크 B"); 도 48a의 서부 활성 사용자 커버리지 영역(3460)으로부터 AN 팜으로의 역방향 링크 통신("Link C"); 및 도 48b의 동부 활성 사용자 커버리지 영역(3460)으로부터 AN 팜으로의 역방향 링크 통신("링크 D")이 고려될 수 있다. 제1 시간 간격에서, 도 48b의 동부 사용자 커버리지 영역(3460)은 활성이며, 따라서 통신은 링크 B 및 링크 D를 통해 이루어진다. AN 커버리지 영역(3450)과 동부 사용자 커버리지 영역(3460) 사이에 완전한 중첩이 존재하기 때문에, 링크 B 및 링크 D는 잠재적으로 간섭한다. 따라서, 제1 시간 간격 동안, 링크 B는 대역폭의 제1 부분(예를 들어, 2 ㎓)을 할당받을 수 있고, 링크 D는 대역폭의 제2 부분(예를 들어, 1.5 ㎓)을 할당받을 수 있다. 제2 시간 간격에서, 도 48a의 서부 사용자 커버리지 영역(3460)은 활성이며, 따라서 통신은 링크 A 및 링크 C를 통해 이루어진다. AN 커버리지 영역(3450)과 서부 사용자 커버리지 영역(3460) 사이에 중첩이 존재하지 않기 때문에, 링크 A 및 링크 C는 제2 시간 간격 동안 말단간 릴레이(3403)의 전체 대역폭(예를 들어, 3.5 ㎓)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 간격 동안, 순방향 업링크 신호들은 제1 주파수 범위를 사용하여 수신될 수 있고, 역방향 업링크 신호들은 제1 주파수 범위와는 상이한 제2 주파수 범위를 사용하여 수신될 수 있으며; 제2 시간 간격 동안, 순방향 업링크 신호들 및 역방향 업링크 신호들은 동일한 주파수 범위(예를 들어, 제1, 제2 또는 다른 주파수 범위)를 사용하여 수신될 수 있다. 일부 경우에, 제1 및 제2 시간 간격들 둘 모두에서 주파수 재사용이 존재할 수 있으며, 이때 제1 시간 간격 동안 다른 간섭 완화 기술이 사용된다. 일부 경우에, 경로 선택 타이밍은 상이한 시간 간격 동안 대역폭 할당에 있어서의 그러한 차이를 보상하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 간격은 제2 시간 간격보다 길 수 있으며, 따라서 링크 B 및 링크 D는 더 짧은 시간 동안 링크 A 및 링크 C에 더 많은 대역폭을 할당하는 것을 적어도 부분적으로 보상하기 위해 더 많은 시간 동안 더 적은 대역폭을 할당받는다.
일부 경우에, 제1 사용자 커버리지 영역(예컨대, 동부 사용자 커버리지 영역(3460))의 일부 또는 전체에 걸쳐 지리적으로 분산된 복수의 사용자 단말기(517)의 제1 부분으로부터 복수의 협력 사용자 링크 구성 수신 요소(3426a)에 의해 제1 시간 간격 동안 제1 역방향 업링크 신호들이 수신되고, 제2 사용자 커버리지 영역(예컨대, 서부 사용자 커버리지 영역(3460))의 일부 또는 전체에 걸쳐 지리적으로 분산된 복수의 사용자 단말기(517)의 제2 부분으로부터 복수의 협력 사용자 링크 구성 수신 요소(3426b)에 의해 제2 시간 간격 동안 제2 역방향 업링크 신호들이 수신된다. AN 커버리지 영역(3450)(AN 팜)이 (예를 들어, 도 48a 및 도 48b에 예시된 바와 같이) 제1 사용자 커버리지 영역의 서브세트일 때, AN 타이밍은 제1 시간 프레임 동안(예를 들어, 사용자 커버리지 영역(3460)과 AN 커버리지 영역(3450) 사이에 중첩이 있을 때) 말단간 릴레이(3403)를 이용하여 교정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 일부 경우들은 복수의 AN(515)으로부터의 관련 송신들이 말단간 릴레이(3403)에 동시에(예를 들어, 전형적으로 10%, 5%, 2% 또는 다른 적합한 값과 같은 심벌 지속기간의 일부인, 심벌 지속기간에 대한 충분히 조정된 타이밍으로) 도달하도록 복수의 AN(515) 각각에 대한 각자의 상대 타이밍 조정을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 순방향 업링크 신호들은 각자의 상대 타이밍 조정에 따라 복수의 AN(515)에 의해 송신된다. 일부 그러한 경우에, 동기화 비컨 신호(예를 들어, 전술한 바와 같이, 비컨 신호 생성기에 의해 생성된 PN 신호)는 말단간 릴레이(3403)로부터 복수의 AN(515) 중 적어도 일부에 의해 수신되고, 동기화 비컨 신호에 따라 각자의 상대 타이밍 조정이 결정된다. 다른 그러한 경우에, AN들(515)의 일부 또는 전부는 말단간 릴레이(3403)로부터 루프백 송신들을 수신할 수 있고, 각자의 상대 타이밍 조정이 루프백 송신들에 따라 결정된다. AN들(515)의 교정에 대한 다양한 접근법들은 말단간 릴레이(3403)와 통신하는 AN들(515)의 능력에 의존할 수 있다. 따라서, 일부 경우들은 적절한 커버리지 영역들이 조명되는 시간 간격들 동안에만 AN들(515)을 교정할 수 있다. 예를 들어, 루프백 송신들은 AN 커버리지 영역(3450)과 사용자 커버리지 영역(3460) 사이에 소정의 중첩이 있는(예컨대, AN들(515)이 말단간 릴레이(3403)의 피더 링크 안테나 서브시스템(3410) 및 사용자 링크 안테나 서브시스템(3420) 둘 모두를 사용할 수 있는 루프백 빔을 통해 통신하는) 시간 간격들에서만 사용될 수 있다. 일부 경우에, 적절한 교정은 또한 피더 다운링크 주파수 범위와 사용자 다운링크 주파수 범위 사이의 소정의 중첩에 의존할 수 있다.
결론
개시된 방법 및 장치가 다양한 예들, 경우들 및 구현들의 관점에서 위에서 설명되었지만, 개별 예들 중 하나 이상에서 설명된 특정 특징들, 태양들 및 기능이 다른 예들에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 청구된 발명의 폭 및 범주는 위에서 제공된 예들 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않고, 오히려 청구범위에 의해 한정된다.
본 문서에 사용된 용어들 및 어구들, 및 그들의 변형들은, 달리 명백히 언급되지 않는 한, 제한하는 것과는 대조적으로 개방형(open ended)으로 해석되어야 한다. 전술한 것의 예로서, 용어 "포함하는"은 "제한 없이 포함하는"을 의미하는 데 사용되고; 용어 "예"는 논의되는 아이템의 인스턴스들의 총망라한 또는 제한하는 리스트가 아니라, 그들의 예들을 제공하는 데 사용되며; 용어 "하나(a 또는 an)"는 "적어도 하나", "하나 이상" 등을 의미한다.
명세서 전반에서, 용어 "결합한다" 또는 "결합된다"는 컴포넌트들 간의 물리적 또는 전기적(무선 포함) 접속을 광범위하게 지칭하는 데 사용된다. 일부 경우에, 제1 컴포넌트는 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트 사이에 배치된 중간 제3 컴포넌트를 통해 제2 컴포넌트에 결합될 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트들은 직접 접속, 임피던스 매칭 네트워크, 증폭기, 감쇠기, 필터, 직류 블록, 교류 블록 등을 통해 결합될 수 있다.
접속사 "및"으로 연결된 아이템들의 그룹은, 달리 명백히 언급되지 않는 한, 각각의 그리고 모든 그러한 아이템들이 그룹에 존재하도록 요구되는 것이 아니라, 오히려 모든 것 또는 모든 것의 임의의 서브세트를 포함한다는 것을 의미한다. 유사하게, 접속사 "또는"으로 연결된 아이템들의 그룹은, 달리 명백히 언급되지 않는 한, 그 그룹 사이에 상호 배타성을 요구하는 것이 아니라, 오히려 모든 것 또는 모든 것의 임의의 서브세트를 포함한다. 또한, 개시된 방법 및 장치의 아이템들, 요소들 또는 컴포넌트들이 단수로 설명되거나 청구될 수 있지만, 단수에 대한 제한이 명시적으로 언급되지 않는 한, 복수가 그의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
일부 경우에 "하나 이상", "적어도" 또는 다른 유사한 어구들과 같은 확장 단어들 및 어구들의 존재는 그러한 확장 어구들이 없을 수 있는 예에서 더 좁은 경우가 의도되거나 요구된다는 것을 의미하지 않는다.
청구범위에 참조 부호들이 포함될 수 있지만, 이들은 청구범위를 더 쉽게 이해할 수 있게 하는 유일한 기능을 위해 제공되며, 참조 부호들의 포함(또는 생략)은 청구범위에 의해 보호되는 내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

Claims (30)

  1. 다수의 순방향 수신/송신 신호 경로들(2001)을 포함하는 말단간 릴레이(503, 1202, 1502, 3403)를 통해 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들(519)에 걸쳐 분산된 사용자 단말기들(517)에 통신 서비스를 제공하는, 지리적으로 분산된 위치들에 있는 복수의 액세스 노드들을 포함하는 통신 시스템의 액세스 노드(515)에서의 통신 방법으로서,
    상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들에 의해 그룹화된 복수의 상기 사용자 단말기들로의 상기 말단간 릴레이를 통한 송신을 위해 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 획득하는 단계 - 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 복수의 상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들에 대응하는 순방향 빔 신호들(511)의 합성물을 포함하고, 상기 순방향 빔 신호들은 상기 액세스 노드와 관련된 빔 가중치 벡터의 각각의 빔 가중치들에 의해 가중화됨 -;
    상기 액세스 노드 고유 순방향 신호에 대한 송신 타이밍을 나타내는 순방향 신호 송신 타이밍 정보(4016)를 식별하는 단계;
    상기 액세스 노드 고유 순방향 신호 및 액세스 노드 비컨 신호(2530)를 포함하는 순방향 업링크 신호(521)를 상기 말단간 릴레이로 송신하는 단계 - 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 상기 액세스 노드 비컨 신호 내의 대응하는 송신 타이밍 정보에 동기화된 상기 순방향 신호 송신 타이밍 정보를 가짐 -;
    상기 말단간 릴레이로부터 릴레이되는 릴레이 비컨 신호 및 상기 액세스 노드 비컨 신호를 포함하는 시그널링(527)을 상기 말단간 릴레이로부터 수신하는 단계; 및
    상기 순방향 업링크 신호를 조정하여 상기 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호를 상기 수신된 릴레이 비컨 신호와 시간 및 위상 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 수신 타이밍 정보(4026, 2525) 및 수신 위상 정보(4026, 2542)를 획득하기 위해 상기 릴레이 비컨 신호를 복조하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 릴레이된 송신 타이밍 정보(4028, 2521) 및 릴레이된 송신 위상 정보(4028, 2521)를 획득하기 위해 상기 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호를 복조하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 조정하는 단계는 상기 수신 타이밍 정보와 상기 릴레이된 송신 타이밍 정보의 비교에 기초하여 상기 순방향 업링크 신호의 타이밍을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 조정하는 단계는 상기 수신 위상 정보와 상기 릴레이된 송신 위상 정보의 비교에 기초하여 상기 순방향 업링크 신호의 위상을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 식별하는 단계는 상기 액세스 노드에서 수신된 다중화된 액세스 노드 고유 순방향 신호로부터 상기 순방향 신호 송신 타이밍 정보를 역다중화하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 샘플들의 복수의 시간 도메인 서브세트들을 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 상이한 서브세트들과 관련된 복수의 하위 신호들을 포함하고;
    상기 순방향 업링크 신호를 송신하는 단계는 상기 복수의 하위 신호들을 상이한 캐리어 주파수들로 상향 변환하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 순방향 업링크 신호는 상이한 주파수 하위 대역들을 통해 송신된 복수의 신호들을 포함하고,
    상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들은 상기 상이한 주파수 하위 대역들과 관련된 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 복수의 서브세트들을 포함하는, 방법.
  10. 다수의 순방향 수신/송신 신호 경로들(2001)을 포함하는 말단간 릴레이(503, 1202, 1502, 3403)를 통해 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들(519)에 걸쳐 분산된 사용자 단말기들(517)에 통신 서비스를 제공하는, 지리적으로 분산된 위치들에 있는 복수의 액세스 노드들을 포함하는 통신 시스템에서의 통신을 위한 액세스 노드(515)로서,
    상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들에 의해 그룹화된 복수의 상기 사용자 단말기들로의 상기 말단간 릴레이를 통한 송신을 위해 액세스 노드 고유 순방향 신호(516)를 획득하는 네트워크 인터페이스(2415, 4006) - 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 복수의 상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들에 대응하는 순방향 빔 신호들(511)의 합성물을 포함하고, 상기 순방향 빔 신호들은 상기 액세스 노드와 관련된 빔 가중치 벡터의 각각의 빔 가중치들에 의해 가중화됨 -;
    상기 액세스 노드 고유 순방향 신호에 대한 순방향 신호 송신 타이밍 및 위상 정보(4016)를 획득하는 역다중화기(4060);
    액세스 노드 비컨 신호(2530) 및 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호를 포함하는 순방향 업링크 신호(521)를 상기 말단간 릴레이로 송신하는 송신기(4012);
    상기 말단간 릴레이로부터 다운링크 신호(527)를 수신하는 수신기(4002) - 상기 다운링크 신호는 상기 말단간 릴레이로부터 릴레이된 릴레이 비컨 신호 및 상기 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호를 포함함 -;
    상기 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호 내의 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보를 상기 수신된 릴레이 비컨 신호 내의 수신된 릴레이 타이밍 및 위상 정보와 정렬하도록 타이밍 및 위상 조정(2524)을 결정하는 제어기(2523); 및
    상기 타이밍 및 위상 조정에 기초하여 상기 순방향 업링크 신호를 상기 송신기로 출력하는 송신 타이밍 및 위상 보상기(4020) - 상기 송신 타이밍 및 위상 보상기는 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호를 상기 액세스 노드 비컨 신호와 다중화하여, 상기 순방향 신호 송신 타이밍 및 위상 정보가 상기 액세스 노드 비컨 신호 내의 대응하는 송신 타이밍 및 위상 정보에 동기화됨 - 를 포함하는, 액세스 노드.
  11. 제10항에 있어서, 수신 타이밍 및 위상 정보(4028)를 획득하기 위해 상기 릴레이 비컨 신호를 복조하는 릴레이 비컨 신호 복조기(2511)를 추가로 포함하는, 액세스 노드.
  12. 제11항에 있어서, 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보(4026)를 획득하기 위해 상기 릴레이된 액세스 노드 비컨 신호를 복조하는 액세스 비컨 신호 복조기(2519)를 추가로 포함하는, 액세스 노드.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 상기 수신 타이밍 및 위상 정보와 상기 릴레이된 송신 타이밍 및 위상 정보의 비교에 기초하여 상기 타이밍 및 위상 조정을 결정하는, 액세스 노드.
  14. 제10항에 있어서, 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 샘플들의 복수의 시간 도메인 서브세트들을 포함하는, 액세스 노드.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 액세스 노드 고유 순방향 신호는 상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 상이한 서브세트들과 관련된 복수의 하위 신호들을 포함하고;
    상기 순방향 업링크 신호를 송신하는 것은 상기 복수의 하위 신호들을 상이한 캐리어 주파수들로 상향 변환하는 것을 포함하는, 액세스 노드.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 액세스 노드들은 제1 수의 상기 액세스 노드들을 갖고 상기 말단간 릴레이는 제2 수의 상기 순방향 수신/송신 신호 경로들을 가지며,
    상기 제1 수는 상기 제2 수보다 큰, 액세스 노드.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 순방향 업링크 신호는 상이한 주파수 하위 대역들을 통해 송신된 복수의 신호들을 포함하고,
    상기 다수의 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들은 상기 상이한 주파수 하위 대역들과 관련된 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 복수의 서브세트들을 포함하는, 액세스 노드.
  18. 제7항에 있어서, 샘플들의 상기 복수의 시간 도메인 서브세트들 각각은 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호에 대한 복수의 인터리빙된 샘플들을 포함하고, 상기 방법은 상기 액세스 노드 고유 순방향 신호의 상기 인터리빙된 샘플들을 디인터리빙하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 릴레이 비컨 신호는 의사 잡음(PN) 코드(2307)를 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 릴레이 비컨 신호는 릴레이 프레임 타이밍 정보를 포함하는, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 액세스 노드 비컨 신호는 상기 액세스 노드와 관련된 의사 잡음(PN) 코드(2301)를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 액세스 노드 비컨 신호는 송신 프레임 타이밍 정보를 포함하는, 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 순방향 업링크 신호를 조정하는 단계는 상기 PN 코드의 칩 타이밍을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제9항에 있어서, 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 상기 복수의 서브세트들 각각은 복수의 비중첩 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들을 포함하는, 방법.
  25. 제9항에 있어서, 상기 상이한 주파수 하위 대역들 각각에 대한 대역폭은 500 메가헤르츠 이상인, 방법.
  26. 제10항에 있어서, 상기 릴레이 비컨 신호는 의사 잡음(PN) 코드(2307)를 포함하는, 액세스 노드.
  27. 제10항에 있어서, 상기 릴레이 비컨 신호는 릴레이 프레임 타이밍 정보를 포함하는, 액세스 노드.
  28. 제10항에 있어서, 상기 액세스 노드 비컨 신호는 상기 액세스 노드와 관련된 의사 잡음(PN) 코드(2301)를 포함하는, 액세스 노드.
  29. 제28항에 있어서, 상기 액세스 노드 비컨 신호는 송신 프레임 타이밍 정보를 포함하는, 액세스 노드.
  30. 제17항에 있어서, 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들의 상기 복수의 서브세트들 각각은 복수의 비중첩 순방향 사용자 빔 커버리지 영역들을 포함하는, 액세스 노드.
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