(57)【要約】本発明は、地上ノードの地理的に分散されたアレイとのＭＩＭＯ通信において、衛星を採用する、衛星通信システムおよび方法を提供する。ある実施形態では、衛星通信システムは、より高い帯域幅で第１の情報を受信し、第１の情報をより低い帯域幅信号に処理し、衛星通信リンクを使用して、より低い帯域幅信号を中継するように構成されている、ＭＩＭＯ衛星を含む。地理的に分散された地上ノードは、より低い帯域幅信号を受信し、高速通信リンクを使用して、地上波信号を伝送する。中央処理ノードは、高速通信リンクを介して、地上波信号を受信し、地上波信号を組み合わせ、より高いデータレート信号を取得する。
2013519294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星通信システムであって、
より高いデータレートで第１の情報を受信し、前記第１の情報を第１の複数のより低い帯域幅信号に処理し、第１の衛星通信リンクを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継するように構成されている第１の衛星と、
前記第１の複数のより低い帯域幅信号を受信し、第２の通信リンクを使用して、複数の地上波信号を伝送するように構成されている第１の複数の地理的に分散された地上ノードと、
前記第２の通信リンクを介して、前記複数の地上波信号を受信し、前記複数の地上波信号を組み合わせるように構成されている、中央処理ノードと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記第１の複数の地上ノードにおける各地上ノードは、前記より低い帯域幅信号の一意の線形組み合わせを受信する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
地上ノードによって受信される前記線形組み合わせは、多くても、前記第１の情報の一部しか含まない、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１の衛星通信リンクおよび前記第２の通信リンクは、異なるデータレート容量を有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の衛星通信リンクは、無線周波数リンクを備えている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２の通信リンクは、光ファイバリンク、同軸ケーブル、マイクロ波リンク、および他の好適なそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記中央処理ノードは、多重チャネル信号処理アルゴリズムを使用して、前記複数の地上波信号を組み合わせ、前記第１の情報を取得するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の情報を前記第１の衛星に伝送するように構成されている第２の衛星を備え、前記第１および第２の衛星は、異なる軌道にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
第２の複数の地理的に分散された地上ノードをさらに備え、前記第１の衛星は、前記第２の複数の地理的に分散された地上ノードから、前記第１の情報を受信するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の複数の地上ノードにおける少なくとも１つの地上ノードは、少なくとも１００メートル分、前記第１の複数の地上ノードのうちの他の地上ノードから分離されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２の通信における各通信リンクは、前記第１の情報の帯域幅と前記より低い帯域幅信号の帯域幅との間にある帯域幅を有している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１の衛星は、複数の伝送アンテナを利用して、前記複数のより低い帯域幅信号を伝送し、伝送アンテナは、分離距離ＤＴＸ分、前記複数の伝送アンテナにおける他の伝送アンテナから分離され、ここで、
【化２】
2013519294.tif 000004
であり、式中、ＤＲＸは、前記第１の複数の地上ノードにおける２つのノード間の距離であり、ＮＲＸは、前記第１の複数の地上ノードにおける受信アンテナの数であり、λは、伝送される信号の波長であり、Ｒは、前記複数の伝送アレイと前記第１の複数の地上ノードとの間の距離である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の衛星は、ＭＩＭＯ構成における複数の伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を伝送するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の衛星は、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する唯一の衛星である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の衛星は、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する少なくとも３つの伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を伝送するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１の衛星は、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する少なくとも１０個の伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を伝送するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
衛星通信ネットワークを使用して、第１の情報を伝送する方法であって、
第１の衛星によって、より高いデータレートにおいて、前記第１の情報を受信することと、
前記第１の情報を第１の複数のより低い帯域幅信号に処理することと、
前記第１の衛星によって、第１の衛星通信リンクを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継することと、
第１の複数の地理的に分散された地上ノードによって、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を受信することと、
中央処理ノードによる処理のために、前記第１の複数の地理的に分散された地上ノードによって、第２の通信リンクを使用して、複数の地上波信号を伝送することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記中央処理ノードによって、前記第２の通信リンクを介して、前記複数の地上波信号を受信することと、
前記中央処理ノードによって、前記複数の地上波信号を組み合わせることと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の複数の地上ノードによって受信することは、前記第１の複数の地上ノードにおける各ノードによって、前記第１の複数のより低い帯域幅信号の一意の線形組み合わせを受信することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の衛星通信リンクおよび前記第２の通信リンクは、異なるデータレート容量を有している、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の衛星通信リンクは、無線周波数リンクを備えている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の通信リンクは、光ファイバリンク、同軸ケーブル、マイクロ波リンク、および他の好適なそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
第２の衛星によって、前記第１の情報を前記第１の衛星に伝送することをさらに含み、前記第１の衛星および前記第２の衛星は、異なる軌道にある、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
第２の複数の地理的に分散された地上ノードによって、前記第１の情報を前記第１の衛星に伝送することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の通信リンクにおける各リンク通信リンクは、前記第１の情報のデータ容量と前記より低い帯域幅信号のデータ容量と間にあるデータ容量を有している、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の衛星によって中継することは、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ構成にある複数の伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の衛星は、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する唯一の衛星である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記複数の伝送アンテナにおける少なくとも１つの伝送アンテナは、分離距離ＤＴＸ分、前記複数の伝送アンテナにおける他の伝送アンテナから分離され、ここで、
【化３】
2013519294.tif 000005
であり、式中、ＤＲＸは、前記第１の複数の地上ノードにおける２つのノード間の距離であり、ＮＲＸは、前記第１の複数の地上ノードにおける受信アンテナの数であり、λは、伝送される信号の波長であり、Ｒは、前記複数の伝送アレイと前記第１の複数の地上ノードとの間の距離である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の衛星によって、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継することは、
前記第１の衛星に関連付けられた複数の伝送アンテナにおける各伝送アンテナによって伝送することを含み、各伝送アンテナは、ビーム形成を使用する、請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の衛星によって、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継することは、前記第１の衛星によって、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する少なくとも３つの伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を伝送することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の衛星によって、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を中継することは、前記第１の衛星によって、前記第１の複数の地上ノードとＭＩＭＯ通信する少なくとも１０個の伝送アンテナを使用して、前記第１の複数のより低い帯域幅信号を伝送することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国特許出願第１２／７００，４９２号（２０１０年２月４日出願）を基礎とする優先権を主張する。これによって、該出願の内容は、その全体において本明細書に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、衛星通信に関し、具体的には、これらに制限されないが、高速スケーラブル衛星通信に適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
撮像、放送、天気予報、ならびに他の商業用および軍事用途のための帯域幅要件が高くなるほど、より高速、かつよりロバストな衛星通信の必要性が高まる。現在の最先端衛星通信システムは、種々の制限によって、高まる需要に追いつくことができないでいる。例えば、従来の衛星システムは、単入力単出力（ＳＩＳＯ）モードで動作し、単一情報を運ぶ信号が、地上から宇宙または宇宙から地上へと伝送される。ＳＩＳＯ通信リンクは、基本的にはその配分された帯域幅、その伝送電力、およびそのアンテナサイズによって、制限される、データレートを有する。ＳＩＳＯ通信能力は、伝送される電力およびアンテナサイズとともに対数的に成長するに過ぎず、したがって、データ容量の増加を達成するために、より強力かつ高価な衛星の設置を必要とする。
【０００４】
地上波中継局を使用して、衛星ネットワークの信頼性および性能を向上させるための努力が行われてきたが、現在の提案は、いくつかの脆弱性をもたらす。例えば、地上波中継点を採用する、提案された衛星通信ネットワークは、データのセキュリティおよび完全性を保証するための保護された地上ノード、大型かつ高価なアンテナを必要とし、悪天候条件の影響を受けやすい場合がある。
【０００５】
したがって、加速するより高いデータレートの需要を満たすために、よりスケーラブルな衛星通信システムが、必要とされる。また、衛星通信において、より高いデータ容量を達成する一方、従来のシステムの悪天候条件への脆弱性、複数の中継衛星の高いコスト、ならびにデータのセキュリティおよび完全性の劣化を制限することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、地理的に分散された地上ノードのアレイとＭＩＭＯ通信にある衛星を採用する、衛星通信システムおよび方法を提供する。本発明の衛星通信システムおよび方法は、より高いデータ容量を達成することができる一方、従来のシステムの悪天候条件への脆弱性、複数の中継衛星の高いコスト、ならびにデータセキュリティおよび完全性の劣化を制限する、よりスケーラブルな衛星通信システムを提供する。
【０００７】
概して、ＭＩＭＯ（多入力多出力）通信は、実質的に同時に、同一チャネルを介して、２つ以上のデータストリームを送信および受信するために、２つ以上のアンテナの使用を伴う。後述の例証的実施形態では、ＭＩＭＯ方式は、受信アンテナの地理的に分散されたアレイと通信する、衛星搭載伝送アンテナのアレイを具備する、衛星を使用して、採用される。周波数の再使用を可能にする適切なアンテナの配置によって、データ容量は、送信／受信アンテナ対の数に伴って、略線形に増加し、１テラビット／秒を超えるデータレートが、実現可能となる。説明を簡単にするために、２つ以上のアンテナへまたはそこから、実質的に同時に、同一チャネルを介して、２つ以上のデータストリームを送信または受信するために、２つ以上のアンテナを使用する衛星は、本明細書では、「ＭＩＭＯ衛星」と称される。
【０００８】
ある実施形態では、衛星通信システムまたは方法は、地理的に分散された地上ノードのアレイと通信する、ＭＩＭＯ衛星を採用する。ある実施形態では、ＭＩＭＯ衛星は、地上ノードとＭＩＭＯ通信する、唯一の衛星である。ＭＩＭＯ衛星は、より高いデータレートにおいて、第１の情報を受信する。第１の情報は、地上ベースのデータソースまたは衛星搭載ソース（例えば、感知衛星）から受信される。本明細書で使用されるように、「より高いデータレート」とは、伝送アレイまたは受信アレイのいずれかにおける任意の個々のアンテナ上で伝送され得るものより大きいデータレートを指す。ＭＩＭＯ衛星によって受信される第１の情報は、これらに制限されないが、音声データ、コンピュータプログラム、画像、ビデオデータ、または制御信号を含む。ＭＩＭＯ衛星は、第１の情報をより低い帯域幅信号に処理し、衛星通信リンクを使用して、地理的に分散された地上ノードのアレイにより低い帯域幅信号を中継する。本明細書で使用されるように、「より低い帯域幅」とは、個々の伝送または受信アンテナのデータ容量以下である、データレートを指す。ある実施形態では、衛星は、衛星搭載伝送アンテナのアレイを使用して、より低い帯域幅信号を中継する。伝送アンテナのアレイは、ＭＩＭＯ通信プロトコルを使用して、地理的に分散された地上ノードのアレイにより低い帯域幅信号を伝送するように構成される。ある実施形態では、各地上ノードは、より低い帯域幅信号の一意の線形組み合わせを受信するための受信アンテナを具備する。地理的に分散された地上ノードのアレイにおける各地上ノードは、地上波通信リンクを介して、受信した線形組み合わせから導出した地上波信号を中央処理施設に伝送する。ＭＩＭＯ衛星によって伝送されるより高い帯域幅データは、複数の地上ノードからの地上波信号が組み合わせられると、中央処理施設で復元することができる。
【０００９】
地上ノードの地理的に分散されたアレイの使用は、いくつかの利点をもたらす。例えば、回折を満たすための地上ノードの適切な空間は、アンテナ対の数に伴って、データレートを（対数的ではなく）線形に増加させ、容量を増大させるためのリピータの使用の必要性を排除し得る。加えて、地理的に密集したアンテナ（同一地上端末上に位置する複数のアンテナ等）を使用する、通信ネットワークは、天候条件および他の大気擾乱を非常に受けやすいままであるが、分散された地上アレイは、地上ノードが、これらの干渉源へのその感受性において、互から比較的より隔離されているため、ＳＮＲにおいて、グレースフルデグラデーション（緩やかな品質劣化）を経験することになる。さらに、ＭＩＭＯ衛星システム内の各地上ノードは、一意の線形組み合わせを受信し、より高い帯域幅信号全体の一部のみ抽出することができるため、ＭＩＭＯ衛星によって中継されるより高い帯域幅信号の傍受は、２つ以上の地上ノードから受信したデータを取得することが必要となるであろう。したがって、地上ノードのアレイ内の個々の地上ノードは、概して、高レベルの保護またはセキュリティを必要としないことがある。
【００１０】
概して、（ＭＩＭＯ衛星と地理的に分散された地上ノードとの間の）衛星通信リンクは、地上ノードと中央処理ノードとの間の個々の地上波通信リンクより大きな総合データ容量を有する。ある実施形態では、衛星通信リンクは、無線周波数リンクであって、地上波通信リンクは、光ファイバリンク、同軸ケーブル、マイクロ波リンク、または他の好適な高速通信リンクである。しかしながら、地上波通信リンクは、高速データリンクに対応するため、各地上ノードは、高速リンクの効率的使用のために、より低い帯域幅信号の受信した組み合わせを受信した信号のものより高いデータレートを有する地上波データ信号に処理することができる。例えば、地上波信号は、これらに制限されないが、受信したより低い帯域幅信号の圧縮バージョン、デジタル信号のアナログバージョン、受信したより低い帯域幅信号のより高い分解能バージョン、受信したアナログ信号のデジタル的にサンプリングされたバージョン、より低い帯域幅信号の暗号化されたバージョン、またはより低い帯域幅信号の代用コードを含むことができる。付加的情報が、中央処理ノードによって、地上波信号を処理する必要がある程度において、付加的情報は、中央処理ノードに転送することができる。
【００１１】
本発明の衛星通信ネットワークは、いくつかの用途において採用することができる。一用途では、ＭＩＭＯ衛星通信システムは、地上ベースの場所間の高データレートトランク中継リンクとして採用される。ある実施形態では、地上ベースの場所は、ＭＩＭＯ衛星とＭＩＭＯ通信する、地上ノードのうちの２つのアレイを通して通信する。本実施形態では、衛星は、ＭＩＭＯ方式を使用して、地上ノードのアレイのうちの第１のものから第１の情報を受信し、ＭＩＭＯ方式を使用して、地上ノードのアレイのうちの第２のものに情報を中継する。別の用途では、衛星通信システムは、例えば、感知衛星または宇宙観測衛星等の他の衛星から、地上ノードのアレイに、データをダウンリンクするために、高データレートトランク中継として採用される。別の実施形態では、衛星通信システムは、地上ノードから他の衛星にデータをアップリンクするために、高データレートトランク中継として採用される。ある実施形態では、ＭＩＭＯ衛星および他の衛星は、高データレートレーザクロスリンクを介して、通信する一方、ＭＩＭＯ衛星および地上ノードは、ＭＩＭＯ方式を使用して通信する。別の実施形態では、他の衛星は、複数のアンテナを具備することができ、また、他の衛星にＭＩＭＯ衛星とＭＩＭＯ通信させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の前述および他の目的ならびに利点は、付随の図面を参照して、以下のさらなる説明から、より完全に理解されるであろう。これらの描写される実施形態は、いかようにも制限されず、本発明の例証として理解されるべきである。
【図１】図１は、本発明の例証的実施形態による、コンピューティングシステム１００の高レベルブロック図を示す。
【図２】図２は、本発明の例証的実施形態による、衛星通信システム２００の高レベル略図を示す。
【図３Ａ】図３Ａおよび３Ｂは、本発明の例証的実施形態による、ＭＩＭＯ衛星通信システムの高レベルブロック図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａおよび３Ｂは、本発明の例証的実施形態による、ＭＩＭＯ衛星通信システムの高レベルブロック図を示す。
【図４】図４は、本発明の例証的実施形態による、ＭＩＭＯ衛星通信システムの例証的略図を示す。
【図５】図５は、本発明の例証的実施形態による、ＭＩＭＯ衛星通信システムの複数のチャネルの例証的略図を示す。
【図６】図６は、本発明の例証的実施形態に従って、衛星ＭＩＭＯ通信ネットワークを使用して、データを送信するためのプロセス６００の例証的流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の全体的理解を提供するために、ＭＩＭＯ衛星通信システムにおいて、データを送受信するためのシステムおよび方法を含め、ある例証的実施形態を説明する。しかしながら、本明細書に説明されるシステムおよび方法は、取り上げられる用途に適切であるように、適応および修正されてもよく、本明細書に説明されるシステムおよび方法は、他の好適な用途において採用されてもよく、そのような他の追加および修正は、本明細書の範囲から逸脱するものではないことが、当業者によって理解されるであろう。
【００１４】
図１は、本発明の例証的実施形態に従って採用され得る、コンピューティングシステム１００の高レベルブロック図を示す。例えば、コンピューティングシステム１００は、本発明の衛星、地上ノード、または中央処理ノードにおいて、処理ユニットとして、採用することができる。システム１００は、プロセッサ１０４と、ランダムアクセスメモリ等のコンピュータ可読媒体１０６と、ストレージデバイス１０８を有する、コンピューティングデバイス１０２を含む。コンピューティングデバイス１０２はまた、いくつかの付加的外部または内部デバイスを含む。外部入力デバイス１１０および外部出力デバイス１１２は、図１に示される。入力デバイス１１０は、これらに制限されないが、マウス、ＣＤ−ＲＯＭ、またはキーボードを含む。出力デバイスは、これらに制限されないが、ディスプレイまたはスピーカ等のオーディオ出力デバイスを含む。
【００１５】
一般に、コンピューティングデバイス１０２は、任意の種類のコンピューティングプラットフォーム（例えば、１つ以上の汎用または特殊用途コンピュータ）であってもよく、ネットワーク１１４に接続され得る。コンピューティングデバイス１０２は、例示に過ぎない。本発明と一致する概念は、ネットワークに接続されるかどうかに関わらず、任意のコンピューティングデバイス上に実装することができる。
【００１６】
プロセッサ１０４は、メモリ１０６内に記憶される、プログラム命令を実行する。プロセッサ１０４は、Ｉｎｔｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）製のプロセッサ等、いくつかの周知のコンピュータプロセッサのいずれかであることができる。プロセッサ１０４は、オペレーティングシステムアプリケーション、本発明に基づく衛星通信に従って、データを受信、伝送、または処理するためのアプリケーション、および／または任意の他のアプリケーションを起動するために使用することができる。プロセッサ１０４は、出力デバイス１１２を駆動すること、および入力デバイス１１０からユーザ入力を受信することができる。
【００１７】
メモリ１０６は、システム機能を行うために使用され得る、１つ以上の異なる種類のメモリを含む。例えば、メモリ１０６は、キャッシュ、フラッシュ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、またはデータを一時的に記憶するために使用される、１つ以上の異なる種類のメモリを含む。
【００１８】
ストレージデバイス１０８は、例えば、１つ以上のストレージ媒体であることができる。ストレージデバイス１０８は、例えば、衛星ノードによって伝送されるデータ、地上ノードで受信したデータ、地上ノードによって伝送される付加的データ、中央処理ノードで受信したデータ、本明細書に説明される１つ以上の方法に従って、データを中継するためのプロセッサ実行可能命令、あるいは伝送または受信されたデータを処理するための任意の好適なアプリケーションを記憶し得る。ストレージデバイス１０８は、可撤性または固定ストレージデバイスであって、本発明の衛星通信システムにおいて、データを送信および／または受信するための方法を行うためのプロセッサ実行可能命令を記憶することができる。
【００１９】
コンピューティングシステム１００は、ソフトウェアの観点から説明されるが、システム１００のハードウェア実装もまた、可能である。例えば、前述および後述の方式、ブロック、ステップ、および手段は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせにおいて、実装することができる。ハードウェア実装の場合、処理ユニットは、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理デバイス（ＤＳＰＤ）、プログラム可能論理デバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、前述の機能を行うように設計された他の電子ユニット、および／またはそれらの組み合わせ内に実装することができる。ソフトウェア実装は、これらに制限されないが、スクリプト言語、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、および／または任意のそれらの組み合わせにおける実装を含む。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、スクリプト言語、および／またはマイクロコードにおいて実装される場合、必要タスクを行うためのプログラムコードあるいはコードセグメントは、ストレージデバイス１０８等の機械可読媒体内に記憶され得る。さらに、プロセッサ実行可能命令を実体的に具現化する任意の機械可読媒体は、本明細書に説明される方法論を実装する際に使用され得る。
【００２０】
図２は、本発明の例証的実施形態による、衛星通信システム２００の高レベル略図を示す。本実施形態では、ＭＩＭＯ衛星２０２は、ＭＩＭＯ方式を使用して、第１の場所（例えば、伝送データソース２０６）から、地上ノード２１４のアレイに、データを中継する。ＭＩＭＯ衛星２０２は、軍事衛星、商業衛星、地球観測衛星、航行衛星、気象衛星、または研究用衛星を含むが、これに限定されない、任意の好適な衛星であることができる。ある実施形態では、衛星２０２は、完全独立または準独立コンピュータ制御システムであって、種々の通信タスクを行う際、例えば、コンピューティングシステム１００（図１）を採用することができる。典型的使用シナリオでは、ＭＩＭＯ衛星２０２は、衛星２０２に向けられた、地上ノード２１４のアレイ内の地上ベースのアンテナが、高価な機器を伴うことなく、衛星の動きを追跡するように、効果的に動作することができるように、静止軌道にあるであろう。しかしながら、衛星２０２はまた、必要に応じて、モルニヤ軌道、楕円軌道、低（極および非極）地球軌道、または任意の他の種類の軌道に配置することができる。
【００２１】
衛星２０２は、より高いデータレートにおいて、通信リンク２０８を介して、伝送データソース２０６から情報を受信する。ある実施形態では、通信リンク２０８は、レーザクロスリンク、無線周波数リンク、またはデータを衛星２０２に提供するための他の好適なフィーダリンクである。伝送データソース２０６は、例えば、地上ノードのアレイ、単一地上ベースのソース、または別の衛星（図３Ｂに示されるように）等、任意の好適なデータソースである。伝送データソース２０６は、衛星２０２に提供される、伝送データの発信元であることができるが、そうである必要はない。ある実施形態では、衛星２０２は、それが送信する、より高いデータレート情報の発信源である（例えば、衛星２０２が、気象衛星または他の感知衛星等のデータ取得衛星である場合）。ある実施形態では、伝送データソース２０６は、インターネット等のネットワーク２１０に連結される。
【００２２】
衛星２０２は、ＭＩＭＯプロトコルを使用して、伝送アンテナ２０４によって伝送するために、より高いデータレート情報をより低い帯域幅信号に処理する。ある実施形態では、各より低い帯域幅信号は、より高いデータレート情報の一意の部分に対応する。他の実施形態では、より低い帯域幅信号は、伝送において、冗長性を提供するように、データコンテンツにおいて重複する。衛星２０２は、伝送アンテナ２０４のアレイを具備する。衛星通信システム２００のデータ容量は、概して、伝送／受信アンテナ対の数に伴って、略線形に増加する。したがって、伝送アンテナ２０４のアレイ内の伝送アンテナの数は、個々のアンテナの伝送電力およびＭＩＭＯチャネルに対する所望の総合データ容量に基づいて、選択される。例えば、本発明の原理を使用すると、２．５Ｗ／アンテナにおける全偏波６４個の伝送アンテナアレイは、静止軌道スタンドオフにおいて、１平方メートル開口伝送および受信アンテナを用いて構成された場合、約２テラビット／秒のシャノンチャネル容量を有する。加えて、システム２００のデータ容量は、必要に応じて、より多くの伝送／受信アンテナ対を追加することによって、拡張することができる。ある実施形態では、伝送アンテナ２０４のアレイは、衛星搭載であって、伝送アンテナ２０４のアレイ内のアンテナは、最適データ容量を可能にするように離間される。例えば、伝送アレイ２０４内の個々の伝送アンテナ間の間隔は、地上ノード間の間隔、波長、および軌道スタンドオフ距離と一緒に連帯的に決定されることができる。
【００２３】
伝送アンテナ２０４のアレイ内の伝送アンテナは、同時に、衛星２０２によって受信したより高いデータレート情報データを地上ノード２１４のアレイに伝送するように、協働して機能する。伝送アンテナ２０４のアレイは、衛星リンク２１６を使用して、地上ノード２１４のアレイと通信する。衛星リンク２１６は、現在当技術分野において周知である、または後に開発される、無線周波数リンクまたは他の好適な衛星リンクであることができる。ある実施形態では、伝送アンテナ２０４のアレイ内の各伝送アンテナは、例えば、時空間符号化を使用して、より低い帯域幅信号の異なる線形組み合わせを伝送する。別の実施形態では、伝送アレイ２０４内の伝送アンテナは、伝送に冗長性を追加するために、信号の重複線形組み合わせを伝送する。
【００２４】
地上ノード２１４のアレイは、衛星リンク２１６を介して、伝送アンテナ２０４のアレイによって伝送されるより低い帯域幅信号を受信する。ある実施形態では、ノード２１４内の地上ノードは、セルラー通信ネットワークのための移動通信用鉄塔、衛星２０２からの衛星信号のための専用受信ノード、または衛星通信システムのデータ容量要件をサポート可能な任意の地上波ノードである。地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、受信した信号を中央処理施設に転送する等、種々のデータ通信タスクを行うための必要なコンピューティングリソースを有する、コンピューティングシステム１００（図１）を具備する。典型的使用シナリオでは、地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、静止受信ノードである。移動受信ノードもまた、使用することができるが、但し、システム２００は、移動ノードが、衛星２０２から伝送されるデータを受信することができることを保証する適切な追跡機器を含むことを条件とする。地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、衛星２０２からデータを受信するための少なくとも１つの受信アンテナを具備する。ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、概して、独立した垂直に偏波されたフィードを有するであろう、衛星２０２からデータを受信するための単一受信アンテナを具備する。例えば、地上ノード２１４内の各ノードは、小型受信アンテナ（約１平方メートルの面積）を具備することができる。そのような比較的に小型のアンテナは、概して、衛星ＴＶ受信機の一部として、利用可能である。他の実施形態では、受信ノードは、必要に応じて複数の受信アンテナを具備する（例えば、ダイバーシチ符号化目的、または付加的アンテナが指向される、他の衛星からデータを受信するため）。さらに他の実施形態では、第１のサブセットの地上ノード２１４のアレイはそれぞれ、単一受信アンテナを具備する一方、第２のサブセットの地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、複数の受信アンテナを具備する。
【００２５】
ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、ＭＩＭＯ衛星２０２によって伝送される個々の要素信号の線形組み合わせを受信するように構成される。例えば、各受信アンテナは、受信アンテナに一意である、線形組み合わせの特定の係数に関連付けられ、関連付けられた係数に基づいて、受信された信号を抽出することができる。しかしながら、ＭＩＭＯ衛星２０２によって伝送される完全信号は、地上ノード２１４のアレイ内の複数の地上ノードから受信された信号を組み合わせることによってのみ、抽出することができる。したがって、衛星２０２からの完全データは、単一の障害が起きた地上ノードから得ることができないため、地上ノード２１４のアレイ内の個々の地上ノードは、概して、高レベルの個々の保護を必要としないことがある。伝送アンテナ２０４のアレイ同様に、地上ノード２１４のアレイ内の受信アンテナの数は、衛星通信システム２００の所望のデータ容量に基づいて、選択することができる。例えば、本発明の原理を使用すると、それぞれ、１平方メートルの面積を有する、約７０個のアンテナの受信アンテナアレイを用いて構成されると、２．５Ｗ／１平方メートル開口アンテナにおける６４個の伝送アンテナアレイは、地球同期衛星に対して、約２テラビット／秒のシャノン容量チャネル容量を有する。本実施例によって示されるように、伝送アンテナ２０４のアレイ内の伝送アンテナの数は、地上ノード２１４のアレイ内の受信アンテナの数と異なることができる。しかしながら、データレートにおける線形増加は、伝送−受信アンテナ対の数を超えない。地上ノードの配備は、余剰衛星伝送要素の追加より容易であるため、地上ノードの数は、概して、伝送要素の数を満たすか、またはそれを超える。
【００２６】
地上ノード２１４のアレイ内のノードは、地理的に分散される。例えば、前述の実施例の７０個のアンテナ受信アレイは、２００キロメートル×２００キロメートル面積にわたって、分散され得る。地理的に分散された地上ノードのアレイの使用は、いくつかの利点をもたらす。例えば、地理的に集中したアンテナを使用する、通信システムは、天候条件および他の局所的大気擾乱を非常に受けやすいままであるが、分散された地上アレイは、地上ノードが、これらの干渉源へのその感受性において、相互から比較的より隔離されているため、ＳＮＲにおいて、グレースフルデグラデーション（緩やかな品質劣化）を経験することになる。加えて、地上ノードの受信アンテナが、回折限界を満たすように適切に離間されている場合、衛星ネットワークのデータ容量は、アンテナ対の数に伴って、（対数的ではなく）線形に増加し、容量を増大するためのリピータの使用の必要性を排除し得る。ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の受信アンテナ間の間隔は、回折限界によって課される制約に基づいて、決定され、線形に独立したスカラー通信チャネルを可能にする。受信アンテナ間の適切な間隔によって、地上ノード２１４のアレイ内の各受信アンテナは、伝送アンテナ２０４のアレイによって伝送される複数の信号の異なる重畳を観測する。適切な条件下、線形変換が、受信された信号のベクトルに適用され、元の伝送された信号を復元することができる。具体的には、適切な条件下、各それぞれの受信アンテナに対して、線形組み合わせは、所望の送信機要素に対する信号のみ復元し、すべての他の要素からの信号を無効にする。受信アンテナ間の間隔に関する制約を決定するためのより詳細な議論および代数公式は、図５に関連して後述される。
【００２７】
ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、地上波通信リンク２２０のうちの少なくとも１つを使用して、受信された信号の線形組み合わせから導出した地上波信号を中央処理ノード２１８に送信する。ある実施形態では、（ＭＩＭＯ衛星２０２と地上ノード２１４のアレイとの間の）衛星通信リンク２１６および地上波通信リンク２２０は、異なるデータ容量を有する。ある実施形態では、衛星通信リンク２１６は、無線周波数リンクである。地上波通信リンク２２０は、光ファイバリンク、同軸ケーブル、マイクロ波リンク、または他の好適な高速通信リンクであることができる。ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の地上ノードは、高速リンクの効率的使用のために、受信した信号のものより高いデータレートを有する地上波信号に、受信した信号を処理する。例えば、地上波信号は、これらに制限されないが、受信したより低い帯域幅信号のアナログバージョン、受信したアナログ信号のデジタル的にサンプリングされたバージョン、受信した信号の暗号化されたバージョン、受信した信号の圧縮されたバージョン、受信した信号の代用コード、または受信した信号から導出した他の好適な信号、および可能性として、補助データを含むことができる。地上波信号を処理するために、中央処理ノード２１８によって必要がある程度に、付加的情報は、地上ノード２１４のアレイによって、中央処理ノード２１８に転送されることができる。
【００２８】
中央処理ノード２１８は、地上ノード２１４のアレイから受信した地上波信号を組み合わせるための１つ以上の処理ユニットを含む。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、種々の信号処理機能を行うためのコンピューティングシステム１００（図１）等のコンピューティングシステムを採用する。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、単一処理ユニットである。別の実施形態では、中央処理ノード２１８は、受信した地上波信号を組み合わせるように、協働して機能する、複数の処理ユニットを含む。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、組み合わせられた受信したデータを取得するために、地上波信号の多重チャネル信号処理または並行処理を採用する。そのような実施形態では、ノード２１８の複数のプロセッサ内の各プロセッサは、地上ノード２１４のアレイ内のノードのサブセットから、地上波信号を受信および処理するように構成することができる。次いで、複数のプロセッサのそれぞれから処理された信号は、ＭＩＭＯ衛星２０２によって伝送されるより高いデータレート情報を取得するように組み合わせられる。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、ＭＩＭＯ衛星２０２によって送信されるデータの意図された最終宛先である。別の実施形態では、中央処理ノード２１８は、最終宛先のための別の中継点である（図示せず）。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、地上ノード２１４のアレイから選択される、受信機ノードである。中央処理ノード２１８は、通信リンク２２２を介して、ネットワーク２１０と双方向通信をすることができる。通信リンク２２２は、ノード２１８とネットワーク２１０との間で情報を送信または受信するための任意の好適なリンク（例えば、無線リンクまたは有線リンク）であることができる。中央処理ノード２１８は、特定の衛星から受信した信号を処理するための専用ノードであることができる、または複数のＭＩＭＯ衛星によって共有することができる。
【００２９】
したがって、地理的に分散された地上ノードとＭＩＭＯ構成におけるＭＩＭＯ衛星を採用することによって、衛星通信ネットワークのデータ容量を改良することができる。伝送および受信アンテナの適切な間隔によって、複数の独立通信チャネルを同一周波数配分内で生成することができ、それによって、伝送−受信アンテナ対の数に伴って、データレートを線形に増加させることが可能である。
【００３０】
図３Ａおよび３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、図２の衛星通信システム２００の例証的用途の高レベル略図を示す。図３Ａは、ＭＩＭＯ衛星ネットワークが、２つの地上ベースのデータソース間のトランク中継として動作する、通信システム３００を示す。複数の伝送−受信アンテナ対およびＭＩＭＯ通信プロトコルの使用を通して、ＭＩＭＯトランク中継リンクは、従来のリピータ中継衛星のものを桁違いに上回るデータレートを提供することができる。システム３００は、地球３１２上方の軌道に位置するＭＩＭＯ衛星３０２と、地上ノード３０４および３１４と、起点ノード３２２（通信リンク３２０を経由して、地上ノード３０４に連結される）と、宛先ノード３３２（通信リンク３３０を経由して、地上ノード３１４に連結される）とを含む。衛星３０２は、衛星２０２（図２）に類似する。本実施形態では、衛星３０２へのアップリンクおよびそこからのダウンリンクは両方とも、本発明に従うＭＩＭＯ原理を使用する。
【００３１】
ある実施形態では、地上ノード３０４および３１４のアレイは、地上ノード２１４のアレイ（図２）に類似するように構成される。例えば、地上ノード３０４および３１４のアレイ内のノードは、複数の伝送−受信チャネルの生成を通して、最大データ容量を可能にするように離間される。アレイ３０４内のノードの数は、アレイ３１４内のノードの数に対応し得るが、そうである必要はない。しかしながら、ＭＩＭＯ中継リンクのデータレートが、伝送−受信アンテナ対の数によって限定される程度まで、各アレイは、ＭＩＭＯ中継リンクに対する所望のデータ容量を達成するために、ＭＩＭＯ衛星３０２内の伝送または受信アンテナの数に対してサイズ決定されることができる。起点ノード３２２および宛先ノード３３２は両方とも、地上ベースである。加えて、起点ノード３２２および宛先ノード３３２は、地上ノードアレイへまたはそこからのデータを処理するために、中央処理ノード２１８（図２）に類似するように構成することができる。他の実施形態では、地上ノードアレイならびに起点および宛先ノードのそれぞれと通信する、別個の中央処理ノード（図示せず）が、地上ノードアレイへまたはそこからのデータを処理するために使用される。起点ノード３２２および宛先ノード３３２は、略図を過度に複雑にすることを回避するために、単一ノードとして示される。しかしながら、起点および宛先ノードの一方または両方とも、複数のデータソースを含むことができる。
【００３２】
ある実施形態では、起点ノード３２２は、例えば、周知の逆多重化およびエンコーディング方式を使用して、高帯域幅データから、複数のより低い帯域幅データ信号を生成する。起点ノード３２２は、通信リンク３２０を経由して、より低い帯域幅信号を地上ノードアレイ３０４に送信する。通信アップリンク３２０は、地上波リンク２２０（図２）に類似する。地上ノード３０４のアレイ内の送信機は、受信したデータまたは受信したデータの修正されたバージョンを、通信リンク３０６（または、アレイ３１４が送信元である場合、３１６）を使用して、衛星３０２にアップリンクする。アップリンク３０６は、好ましくは、ＭＩＭＯ衛星３０２上の各受信アンテナが、アレイ３０４内の地上ノードによって伝送されるより低い帯域幅信号の線形組み合わせを受信するように、ＭＩＭＯ方式を使用する。ＭＩＭＯ衛星３０２は、受信したより低い帯域幅信号またはより低い帯域幅信号の修正されたバージョンを、本発明に従うＭＩＭＯ通信方式を使用して、ダウンリンク３１８（または、アレイ３０４が受信機である場合、３０８）を使用して、地上アレイ３１４内の受信機に伝送する。地上ノード３１４内の各受信アンテナは、ＭＩＭＯ衛星３０２によって伝送されるより低い帯域幅信号の線形組み合わせを受信し、通信リンク３３０を経由して、それぞれの線形組み合わせから導出した地上波信号を宛先ノード３３２に中継する。通信リンク３３０は、地上波リンク２２０（図２）に類似する。
【００３３】
図３Ｂは、ＭＩＭＯ衛星ネットワークが、１つ以上の衛星搭載データソースのためのダウンリンク中継として動作する、例証的衛星通信システム３５０を示す。通信システム３５０は、ＭＩＭＯ衛星３５２と、データソースである、感知衛星３５４と、地上ノードのアレイ３６４と、通信リンク３７０を経由して、地上ノードのアレイに連結される、宛先ノード３７２とを含む。ＭＩＭＯ衛星３５２は、衛星２０２（図２）に類似する。本例証的実施形態では、ＭＩＭＯ衛星３５２は、感知衛星３５４から宛先ノード３７２にデータを中継するためのダウンリンクとして動作する。しかしながら、ＭＩＭＯ衛星３５２はまた、宛先ノード３７２から感知衛星３５４にデータを送信するためのアップリンク中継として動作することもできる。ある実施形態では、感知衛星３５４は、任意の地球感知衛星（例えば、電気光学撮像衛星、気象衛星、レーダ衛星、ＳＩＧＩＮＴ等）または宇宙観測衛星である。衛星通信システム３５０は、感知衛星３５４のうちの２つ以上を含む。衛星３５２および３５４は、地球３６２の上方に位置し、軌道または軌道位置によって、地理的に分散されることができる。例えば、地球感知衛星は、低地球軌道にあって、より優れた分解能を提供し、感度を増加させる傾向にある。したがって、いくつかの実施形態では、ＭＩＭＯ衛星３５２は、静止軌道に位置する一方、感知衛星３５４は、低地球軌道（ＬＥＯ）に位置する。
【００３４】
ある実施形態では、感知衛星３５４は、通信リンク３５６を使用して、ＭＩＭＯ衛星３５２へのアップリンクを開始する。通信リンク３５６は、例えば、高データレートレーザクロスリンク等の衛星間の任意の好適なリンクであることができる。感知衛星３５４が、複数の伝送アンテナを具備する場合、感知衛星３５４は、ＭＩＭＯ原理を使用して、ＭＩＭＯ衛星３５２と通信する。ＭＩＭＯ衛星３５２は、受信したデータから、より低い帯域幅信号を生成し、ダウンリンク３６８を使用して、感知衛星３５４から地上ノードのアレイ３６４に、より低い帯域幅信号を中継する。ダウンリンク３６８は、リンク２１６に類似し、地上ノードのアレイ３６４は、地上ノード２１４のアレイ（図２のすべて）に類似する。地上ノード３６４のアレイ内の各地上ノードは、より低い帯域幅信号の線形組み合わせを受信し、地上波通信リンク３７０を介して、受信した信号または受信した信号の修正されたバージョンを宛先ノード３７２に提供する。システム３００と同様に、宛先ノード３７２は、地上ノードアレイへまたはそこからのデータを処理するために、中央処理ノード２１８（図２）に類似するように構成することができる。他の実施形態では、地上ノードのアレイと通信する、別個の中央処理ノード（図示せず）を使用して、データを宛先ノード３７２にパスする前に、地上ノードアレイへまたはそこからのデータを処理する。
【００３５】
前述は、ダウンストリーム通信に焦点が当てられているが、原理はまた、地上ノード３６４のアレイから感知衛星３５４にデータを中継するアップストリームにも適用される。ある実施形態では、地上ノード３６４のアレイは、フィーダリンク３６６を使用して、ＭＩＭＯ衛星３５２へのアップリンクを開始し、ＭＩＭＯ衛星３５２は、通信リンク３５８を介して、受信したデータを感知衛星３５４に中継する。通信リンク３５８は、通信リンク３０８（図３Ａ）に類似し、通信リンク３６６は、通信リンク３１６（図３Ａ）に類似する。加えて、衛星３５２は、感知衛星または観測衛星である必要はない。例えば、ある実施形態では、衛星３５２は、別の通信衛星である。
【００３６】
したがって、本発明の実施形態は、これらに制限されないが、２つの地上波点間の高データレートトランク中継として、および他の衛星と地上ノードとの間でデータをダウンリンクまたはアップリンクするためのＭＩＭＯ衛星の使用を含む、種々の用途で採用することができる。例証的使用の両方において、地上ノードのアレイとＭＩＭＯ構成にあるＭＩＭＯ衛星を採用するネットワークは、従来のリピータベースの中継システムによって達成不可能であったデータレートを達成することができる。
【００３７】
送信機（例えば、図２−３Ｂの伝送アレイ内の伝送アンテナ）は、本発明の例証的実施形態では、種々のＭＩＭＯ通信プロトコルを使用して、データを処理および伝送することができる。例えば、ある実施形態では、送信機２０４（図２）は、時空間符号化を採用し、ＭＩＭＯ衛星２０２（図２）から地上ノード２１４のアレイ（図２）にデータを伝送する。時空間符号化では、高レート信号を使用して、複数のより低い帯域幅の変調された信号を生成し、各信号は、同一周波数帯域において異なる伝送要素から伝送される。伝送される信号が、十分に異なるチャネル係数を有する受信機アンテナアレイに到達する場合、受信機は、元の高レートデータストリームを復元することができる。時空間符号化は、概して、部分的または完全に一意のデータをいくつかのチャネルに並行して送信することによって、高スペクトル効率をもたらす。ダイバーシチの使用による利得増加と、時空間符号化を使用したスループットの増加との間には、相互作用が存在する。例えば、ダイバーシチは、信号フェージングが懸念される場合、スループットを犠牲にして、利得の増加を達成するように強調することができる。時空間符号化を使用する場合、分解可能信号の数は、送信機または受信機におけるアンテナの数のより少ない方によって制限される。したがって、７０個の受信アンテナとＭＩＭＯ通信する、６４個の伝送アンテナを具備するＭＩＭＯ衛星を含む、例証的通信システムでは、６４個の独立した空間が生成され、それによって、通信システムは、各伝送−受信アンテナ対のスループットの約６４倍のスループットを達成可能となるであろう。これらの概念のより詳細な議論は、図４および５に付随する説明に続く。
【００３８】
図４は、本発明の例証的実施形態による、時空間符号化を使用する、ＭＩＭＯ衛星通信システム４００の例証的略図を示す。システム４００は、Ｎ個の伝送アンテナ４０５を伴う、Ｎ個の送信機４０４と、Ｍ個の受信アンテナ４１５を伴う、Ｍ個の受信機４１０とを含む。送信機４０４は、ＭＩＭＯ衛星上の任意の送信機（例えば、ＭＩＭＯ衛星２０２（図２）の送信機２０４）である。典型的には、時空間符号化は、高データレートストリーム４０２に適用され、個々の伝送要素４０６によって伝送されるＮ個のより低い帯域幅信号４０４を生成する。しかしながら、いくつかの実施形態では、ＭＩＭＯ衛星（ＭＩＭＯ衛星２０２等）は、単一高データレートストリーム４０２を、それぞれ、伝送前にエンコードすることができる、Ｎ個のより低い帯域幅信号４０４に分割する。例えば、ある実施形態では、ＭＩＭＯ衛星２０２は、時空間ブロック符号化、トレリス符号化、または差動時空間符号化を使用して、Ｎ個のサブストリームをＱＡＭエンコードする。時空間符号化は、リンクマージンを増加させるために、Ｎ個のサブストリームに関する情報の冗長性を使用することができる。使用される時空間符号化方式は、空間多重化、時空間ブロック符号化、時空間トレリス符号化、または通知伝送（プリコーディング）方式を含み得る。
【００３９】
各伝送アンテナ４０５は、変調された信号４０４を伝送し、地上ノード４１０のＭ個の受信機アンテナ４１５はそれぞれ、アンテナ４０５によって伝送される信号４０４の線形組み合わせを受信する。具体的には、各受信アンテナ４１５は、Ｎ個の伝送要素のそれぞれから、伝送信号を検出するが、受信アンテナと関連付けられた特定の係数に基づいて、伝送される信号の組み合わせを抽出する。最終的には、各受信アンテナは、伝送されるデータ４０２のうちの全部ではなく、一部を抽出する。伝送されるデータ４０２は、複数の受信アンテナ４１５から抽出された信号を組み合わせることによってのみ、取得することができる。送信機アンテナ４０５の数Ｎは、種々の実施形態では、受信アンテナ４１５の数未満、それと同じ、またはそれより多くてもよい。ある実施形態では、各地上ノード４１０は、受信した信号を処理し、受信した信号から導出される、地上波信号４１２を伝送する。典型的実施形態では、処理の大部分は、中央処理ノード４１６で生じるため、地上ノード４１０は、地上波信号の伝送に先立って、受信した信号に関して、限定された処理を行う。中央処理ノード４１６は、高速通信リンク４１４を介して、地上波信号４１２を受信する。付加的情報が、中央処理ノード４１６によって、地上波信号を処理する必要がある程度において、付加的情報を、地上ノード４１０によって、中央処理ノード４１６に転送することができる。中央処理ノード４１６は、地上波信号を処理し、組み合わせ、より高い情報レートデータストリーム４１８を取得する。適切な条件下、組み合わせられたデータ４１８は、元の伝送されたデータ４０２に近似するであろう。いくつかの実施形態では、組み合わせられた信号４１８は、伝送される信号４０２の代用形式である。ある実施形態では、中央処理ノード４１６は、通信リンク４２０を介して、組み合わせられたデータを提供する。
【００４０】
図５は、本発明の例証的実施形態による、ＭＩＭＯ衛星通信システムの複数のチャネルの例証的略図を示す。図５は、３つの受信アンテナ５０４と対合された、３つの伝送アンテナ５０２を示す。伝送アンテナ５０２はそれぞれ、受信アンテナ５０４のうちの１つに信号を伝送する。ある実施形態では、伝送アンテナ５０２は、伝送アンテナ２０４のアレイ（図２）に対応し、受信アンテナ５０４は、地上ノード２１４のアレイ（図２）に対応する。本実施例では、受信アンテナ５０４はそれぞれ、伝送アンテナ５０２によって伝送される３つの信号の異なる重畳を観測する。適切な条件下、線形変換が、受信された信号のベクトルに適用され、元の伝送された信号を復元することができる。例えば、送信機５０２−１からの信号のみ復元する、受信したチャネルの線形組み合わせは、送信機５０２−１の方向に主ローブ、および送信機５０２−２および５０２−３の方向にヌルを伴う、総合アレイアンテナパターンに対応する。そのようなアンテナパターンは、受信アレイの回折限界が、個々の伝送アンテナを分解するために十分である場合のみ、物理的に可能である。数学的に、回折限界は、概して、以下を必要とする。
【００４１】
【化１】
2013519294.tif 000003
式中、ＤＴＸは、伝送アンテナ５０２間の間隔であって、ＤＲＸは、受信アンテナ５０４間の間隔であって、ＮＲＸは、受信アンテナ５０４の数であって、λは、伝送される信号の波長であって、Ｒは、伝送アレイ５０２と受信アレイ５０４との間の距離である。回折基準が満たされると、複数の独立スカラー通信チャネルが形成され、データレートは、概して、そのようなチャネルの数に伴って、略線形に増加するであろう。例えば、ＮＲＸ＝１０、Ｒ＝３６，０００キロメートル（衛星が、地球同期軌道内に発射されると仮定する）、λ＝１ｃｍ、およびＤＴＸ＝１００ｃｍである場合、受信アンテナ間の間隔（ＤＲＸ）は、回折限界基準を満たし、ＭＩＭＯ通信のための複数の独立チャネルを生成するために、少なくとも３６キロメートルでなければならない。
【００４２】
式（１）の代数式に基づく、送信機および受信機アレイの間隔によって、各伝送要素は、信号干渉を殆どまたは全く伴わない、他の伝送要素と同一周波数帯域内で動作可能となる。図５は、送信機および受信機間隔の代数的決定に焦点を当てるが、アンテナの間隔は、効率的ＭＩＭＯ通信のための式（１）の決定に精密に一致する必要はない。例えば、式（１）に部分的に基づく、アンテナ間隔決定が、本発明の範囲から逸脱することなく、採用することができる。加えて、複数の受信機（または、送信機）は、比較的に相互に密接して位置し、冗長性を提供することができるが、但し、他の受信機（または、送信機）は、適切に離間されることを条件とする。
【００４３】
図６は、本発明の例証的実施形態に従って、衛星ＭＩＭＯ通信ネットワークを使用して、データを送信するためのプロセス６００の例証的流れ図である。ある実施形態では、ステップ６２２において、ＭＩＭＯ衛星２０２（図２）は、より高いデータレートにおいて、第１の情報を受信する。ある実施形態では、情報は、ＭＩＭＯ衛星２０２と通信するストレージデバイスから、あるいは、例えば、感知衛星３５４（図３Ｂ）または地上ノード３０４および３１４のアレイのうちの１つ以上（図３Ａ）等の外部ソースから、受信される。ステップ６２４では、衛星２０２と関連付けられたプロセッサ１０４（図１）は、より高いデータレート情報を、伝送されるためのより低い帯域幅信号（例えば、時空間符号化を使用して）に処理する。ある実施形態では、プロセッサ１０４は、時空間符号化を利用して、より高いデータレート情報から、ＭＩＭＯ衛星２０２と関連付けられた伝送アンテナ２０４のアレイ（図２）内の各伝送アンテナに対する別個の変調信号を生成する。ある実施形態では、プロセッサ１０４は、伝送アンテナ２０４のアレイによって伝送するためのより低い帯域幅信号のそれぞれをエンコードする、エンコーダを含む。ステップ６２６では、ＭＩＭＯ衛星２０２は、伝送アンテナ２０４を使用して、より低い帯域幅信号を中継する。
【００４４】
プロセス６００は、ステップ６２８に継続する。ステップ６２８では、地理的に分散された地上ノード２１４のアレイ（図２）は、受信アンテナ４１５（図４）を使用して、より低い帯域幅信号を受信する。ある実施形態では、地上ノード２１４のアレイ内の各ノードは、伝送される信号の異なる線形組み合わせを受信する。ステップ６３０では、地上ノード２１４のアレイは、地上波通信リンク２２０（図２）を使用して、地上波信号を中央処理ノード２１８に伝送する。地上波信号は、受信したより低い帯域幅信号から導出され、これらに制限されないが、デジタル信号のアナログバージョン、受信したより低い帯域幅信号の圧縮されたバージョン、受信したアナログ信号のデジタル的にサンプリングされたバージョン、より低い帯域幅信号の暗号化されたバージョン、またはより低い帯域幅信号の代用コードを含むことができる。付加的情報が、中央処理ノード２１８によって、地上波信号を処理する必要がある程度において、付加的情報を中央処理ノード２１８に転送することができる。ステップ６３２では、中央処理ノード２１８は、地上波信号を受信する。
【００４５】
ステップ６３４では、中央処理ノード２１８は、受信した地上波信号を組み合わせ、ＭＩＭＯ衛星２０２によって伝送される、より高いデータレート情報を取得または推定する。中央処理ノード２１８は、ＭＩＭＯ信号を組み合わせるための周知の方式を使用して、受信した信号を組み合わせる。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、受信した地上波信号４１２（図４）から伝送されるデータ４０４のそれぞれを反復的に抽出し、チャネル行列Ｈに基づいて、抽出された信号を組み合わせる、反復方法を使用して、受信した信号を組み合わせる。ここでは、いかなる一般性を失うことなく、Ｈは、送信機と受信機との間に生成される、複数のチャネルの変換効果を表す、複素行列であると仮定する。ある実施形態では、中央処理ノード２１８は、選択される時空間符号化スキームに一致する、時空間デコーダを利用する。他の実施形態は、チャネル推定を構築する。ＭＩＭＯチャネル行列Ｈの推定は、最初に、周知の訓練データを使用して決定され、前の推定と訓練データとの組み合わせを使用して、更新される。各高レート情報記号の最小平均二乗誤差（ＭＭＳＥ）または最大事後確率（ＭＡＰ）推定は、受信した信号のそれぞれから構築される。通信チャネルの他の表現も、本発明の範囲から逸脱することなく、使用することができる。長さＭのベクトルｙとして、中央処理ノードの入力において受信した信号４１２を検討すると（Ｍは、受信アンテナの数）、各受信した信号に対する推定された値または信号は、以下のＭＩＭＯシステムモデルを使用して、推定することができる。
ｙ＝Ｈｘ＋ｎ
ここで、ｘは、より高いデータレート情報として、衛星２０２に送信される、元のデータに対するベクトルであって、ｙは、Ｍ個の受信アンテナから受信したベクトルであって、ｎは、チャネル内の雑音である。
実際は、プロセス６００に示される１つ以上のステップは、他のステップと組み合わせられ、任意の好適な順番で行われ、並行して行われ（例えば、同時または実質的に同時に）、または除去され得る。
【００４６】
本発明は、その原理または本質的特色から逸脱することなく、他の具体的形態において具現化され得る。したがって、前述の実施形態は、あらゆる観点において、本発明の制限としてではなく、例証として見なされるべきである。
【図１】
2013519294.tif 000006
【図２】
2013519294.tif 000007
【図３Ａ】
2013519294.tif 000008
【図３Ｂ】
2013519294.tif 000009
【図４】
2013519294.tif 000010
【図５】
2013519294.tif 000011
【図６】
2013519294.tif 000012
【国際調査報告】
2013519294.tif 000013
2013519294.tif 000014
2013519294.tif 000015