特許 6139848 低地球軌道から地球への光データ伝送のための方法及び対応する通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6139848

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】低地球軌道から地球への光データ伝送のための方法及び対応する通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 7/185 20060101AFI20170522BHJP

   H04B 10/118 20130101ALI20170522BHJP

【ＦＩ】

   H04B7/185

   H04B10/118

【請求項の数】18

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-227278(P2012-227278)

(22)【出願日】2012年10月12日

(65)【公開番号】特開2013-132044(P2013-132044A)

(43)【公開日】2013年7月4日

【審査請求日】2015年10月8日

(31)【優先権主張番号】11194689.3

(32)【優先日】2011年12月20日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】516312785

【氏名又は名称】オーイーアイ・オプト・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＯＥＩ Ｏｐｔｏ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125874

【弁理士】

【氏名又は名称】川端 純市

(72)【発明者】

【氏名】フェリックス・アンドレアス・アルノルト

(72)【発明者】

【氏名】トーマス・ドライシャー

【審査官】 後澤 瑞征

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５０４１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５１２９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９２１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１０１５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−３０７７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１４４８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ ７／１８５−７／１９５

Ｈ０４Ｂ１０／００−１０／９０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

低地球軌道から地球へペイロードデータ（ＰＤ）を伝送する光通信システム（１０）であって、
上記光通信システム（１０）は、低地球軌道衛星（２０）及び光地上端末（３０）を備え、
上記低地球軌道衛星（２０）は、
衛星トランシーバ（ＳＴＲ）を備えた通信サブシステム（ＣＳ）と、
上記通信サブシステム（ＣＳ）がペイロードデータ（ＰＤ）を利用できるようにするペイロードデータ源（ＰＤＳ）とを備え、
上記光地上端末（３０）は、
地上トランシーバ（ＧＴＲ）と、
指向−捕捉−追尾サブシステム（ＰＡＴ）とを備え、
上記低地球軌道衛星（２０）は、光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）を介して上記光地上端末（３０）と接続可能であり、
上記光地上端末（３０）は、アップリンクチャネル（ＵＣ）を介して上記低地球軌道衛星（２０）と接続可能であり、
上記アップリンクチャネル（ＵＣ）は、上記指向−捕捉−追尾サブシステム（ＰＡＴ）によって制御される地上ビーコン（ＧＢ）による捕捉及び追尾ビーコンチャネルであり、上記地上ビーコン（ＧＢ）は、捕捉のための広角ビーム（Ｗ）と、追尾のための誘導ビーム（Ｇ）とを含み、
上記衛星トランシーバ（ＳＴＲ）は、上記地上ビーコン（ＧＢ）の空間的方向に関して調整できるように調整可能であり、
上記アップリンクチャネル（ＵＣ）の上記地上ビーコン（ＧＢ）は、パルス位置変調ＰＰＭされたチャネルであり、
上記低地球軌道衛星（２０）はさらに、上記低地球軌道衛星（２０）及び上記光地上端末（３０）の間の見通し線が利用可能になるまで上記ペイロードデータ（ＰＤ）を一時的に格納し、これにより、上記光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）を介した上記ペイロードデータ（ＰＤ）の高速ダウンリンク伝送を可能にするバッファ（Ｂ）を備え、
上記通信サブシステム（ＣＳ）は、ユーザデータインターフェースアダプタ（ＵＤＩＡ）及び通信コントローラ（ＣＯＭＣＯ）を備え、
上記ユーザデータインターフェースアダプタ（ＵＤＩＡ）は、
上記ペイロードデータ源（ＰＤＳ）とインターフェースをとるペイロードインターフェース（ＰＩ）と、
上記バッファ（Ｂ）をするバッファ制御装置（ＢＣ）とを備え、
上記通信コントローラ（ＣＯＭＣＯ）は、
受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの自動再送要求を行う通信制御装置（ＣＣ）と、
エンコーダ（ＥＮＣ）と、
検波器（ＤＥＴ）とを備えることを特徴とする
光通信システム（１０）。

【請求項2】

上記衛星トランシーバ（ＳＴＲ）は、上記広角ビーム（Ｗ）をスキャンして捕捉するように構成され、いったん捕捉すると、上記誘導ビームの支援を受けて上記光地上端末（３０）のアップリンクチャネル（ＵＣ）を追尾することを特徴とする請求項１記載の光通信システム（１０）。

【請求項3】

上記通信サブシステム（ＣＳ）は、上記衛星トランシーバ（ＳＴＲ）から上記地上トランシーバ（ＧＴＲ）へ上記光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）を介して複数のデータフレームとして伝送するために、上記ペイロードデータ（ＰＤ）を、変調された電気信号に変換するように構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の光通信システム（１０）。

【請求項4】

上記変調された電気信号は、オン−オフキーイング変調された信号であることを特徴とする請求項３記載の光通信システム（１０）。

【請求項5】

上記低地球軌道衛星（２０）はさらに、ダウンリンク速度の増大及び冗長性のために、第２光ダウンリンクチャネル（ＤＬ２）を介して上記光地上端末（３０）に接続されることを特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載の光通信システム（１０）。

【請求項6】

低地球軌道衛星（２０）から光地上端末（３０）へペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法であって、上記方法は、
上記低地球軌道衛星（２０）の通信サブシステム（ＣＳ）によって、上記ペイロードデータ（ＰＤ）をバッファリングし、取り出し、複数のフレームにグループ化するステップと、
上記光地上端末（３０）を上記低地球軌道衛星（２０）と接続するアップリンクチャネル（ＵＣ）であって、捕捉のための広角ビーム（Ｗ）と追尾のための誘導ビーム（Ｇ）とを含む捕捉及び追尾ビーコンチャネルであるアップリンクチャネル（ＵＣ）を、上記光地上端末（３０）により起動するステップと、
上記通信サブシステム（ＣＳ）により、上記アップリンクチャネル（ＵＣ）の上記広角ビーム（Ｗ）を捕捉し、続いて、上記誘導ビーム（Ｇ）の連続的な追尾を行うステップと、
上記低地球軌道衛星（２０）を上記光地上端末（３０）と接続する光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）が利用可能であるとき、上記通信サブシステム（ＣＳ）により上記ペイロードデータ（ＰＤ）のフレームを送信するステップと、
上記光地上端末（３０）により、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの再送信を上記アップリンクチャネル（ＵＣ）を介して要求するステップと、
上記通信サブシステム（ＣＳ）により、再送信の要求を受信した各フレームを再送信するステップとを含み、
上記アップリンクチャネル（ＵＣ）はパルス位置変調ＰＰＭされている方法。

【請求項7】

送信、再送要求、及びフレームの再送は、選択的再送機構として実装されることを特徴とする請求項６記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項8】

上記選択的再送機構は自動再送要求ＡＲＱ機構であることを特徴とする請求項７記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項9】

上記再送要求は否定応答ＮＡＣＫ信号によって実装され、
上記光地上端末（３０）は、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの再送信を要求する否定応答ＮＡＣＫ信号を送信することを特徴とする請求項７又は８記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項10】

上記光地上端末（３０）は、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの範囲の境界を識別する複数の否定応答ＮＡＣＫ信号を送信し、これにより、上記境界によって示されたフレームの範囲全体の再送信を要求することを特徴とする請求項９記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項11】

スライディングウィンドウ機構が実装され、スライディングウィンドウは、
現在のウィンドウ境界、
受信フレームのリスト、
まだ肯定応答されていない受信フレームのリスト、及び、
まだ受信されていないフレームのリストを含み、
上記スライディングウィンドウに係る情報が上記光地上端末（３０）で保持され、フレーム要求に応じて上記通信サブシステム（ＣＳ）によって再送信されることを特徴とする請求項６〜８のうちの１つに記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項12】

再送信するように要求されたデータフレームが、バッファ（Ｂ）から再び取り出され、
ウィンドウの前のフレームが受信され、肯定応答され、次いで、上記バッファ（Ｂ）から削除されて新たなペイロードデータ（ＰＤ）のためにメモリ空間を解放することを特徴とする請求項１１記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項13】

上記通信サブシステム（ＣＳ）は、上記光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）を介して複数のデータフレームとして伝送するために、送信前に、上記ペイロードデータ（ＰＤ）を、変調された電気信号に変換することを特徴とする請求項６〜１２のうちの１つに記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項14】

エンコーダ（ＥＮＣ）及び／又は検波器（ＤＥＴ）において前方エラー訂正方式が実装されることを特徴とする請求項１３記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項15】

上記通信サブシステム（ＣＳ）は、上記ペイロードデータ（ＰＤ）を、オン−オフキーイング変調された信号に変換することを特徴とする請求項１２記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項16】

上記通信サブシステム（ＣＳ）は、上記ペイロードデータ（ＰＤ）を、ＤＣバランスを付加した、オン−オフキーイング変調された信号に変換することを特徴とする請求項１５記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項17】

上記光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）は、上記低地球軌道衛星（２０）及び上記光地上端末（３０）の間に見通し線が確立されたとき利用可能になることを特徴とする請求項６〜１６のうちの１つに記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【請求項18】

上記低地球軌道衛星（２０）の通過について通知されたとき、上記光地上端末（３０）の指向−捕捉−追尾サブシステム（ＰＡＴ）は、上記光地上端末（３０）を待機モードから復帰させ、上記アップリンクチャネル（ＵＣ）を起動し、上記低地球軌道衛星（２０）の指向、捕捉、及び追尾を行って上記光ダウンリンクチャネル（ＤＬ）及び上記アップリンクチャネル（ＵＣ）を保持し、
上記光地上端末（３０）の指向−捕捉−追尾サブシステム（ＰＡＴ）は、いったん上記低地球軌道衛星（２０）が通過し終わり、上記低地球軌道衛星（２０）及び上記光地上端末（３０）の間の見通し線を保持することができなくなると、上記アップリンクチャネル（ＵＣ）を停止し、上記光地上端末（３０）は再び上記待機モードに切り換えられることを特徴とする請求項６〜１７のうちの１つに記載のペイロードデータ（ＰＤ）を光伝送する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、低地球軌道から地球へペイロードデータを伝送する光通信システムに関する。本発明はさらに、低地球軌道から地球への光データ伝送のための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

低地球軌道を通過する宇宙局（衛星）から光地上端末への光データ伝送を行うさまざまなシステムが既知であり、実際に使用されている。これらのシステムの主な機能は、データ源から光地上端末へ高い信頼性でデータを伝送することにある。

【0003】

低地球軌道上の非静止衛星は、衛星が通過する毎に通過中の限られた時間長にわたって、光地上端末との見通し線通信コンタクトを有する。従って、衛星が通過している間の短い時間長のうちに大量のデータを光地上端末に伝送しなければならないので、ダウンリンクチャネルで達成される速度は最重要の事項である。

【0004】

さらに、見通し線通信コンタクトは、衛星が通過する短い時間長の後で切断され、さらに１回転した後で次に衛星が通過するときにのみ再確立できるようになる（又は不均一である）ので、伝送の信頼性が本質的に重要である。

【0005】

低地球軌道から地球への通信システムを設計する際に考慮しなければならない他の事項は、電力消費量に関する限り、その供給量である。従って、同じ伝送レート性能を得るためにより少ない努力ですむのであれば、より好ましい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従って、本発明の目的は、低地球軌道から地球への光データ伝送のための方法及び対応する通信システムを提供し、これにより、高速かつ高信頼性のダウンリンクデータ転送を行いながら、最小限の複雑さと、端末の、特に宇宙側端末のエネルギー消費量の低減とを保証することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の目的は、低地球軌道から地球へペイロードデータを伝送する光通信システムによって解決される。上記光通信システムは、低地球軌道衛星及び光地上端末を備える。上記低地球軌道衛星は、衛星トランシーバを備えた通信サブシステムと、上記通信サブシステムがペイロードデータを利用できるようにするペイロードデータ源とを備える。上記光地上端末は、地上トランシーバと指向−捕捉−追尾サブシステムとを備える。上記低地球軌道衛星は、光ダウンリンクチャネルを介して上記光地上端末と接続可能であり、上記光地上端末は、アップリンクチャネルを介して上記低地球軌道衛星と接続可能である。

【0008】

上記アップリンクチャネルは、上記指向−捕捉−追尾サブシステムによって制御される捕捉及び追尾ビーコンチャネルであり、上記アップリンクチャネルは、捕捉のための広角ビームと、追尾のための誘導ビームとを含む。上記衛星トランシーバは、上記アップリンクチャネルの空間的方向に関して調整できるように調整可能である。本発明の光通信システムのアップリンクチャネルは、パルス位置変調ＰＰＭされたチャネルである。

【0009】

本発明の目的はまた、低地球軌道衛星から光地上端末へペイロードデータを光伝送する方法によっても達成される。上記方法は、
上記低地球軌道衛星の通信サブシステムによって、上記ペイロードデータをバッファリングし、取り出し、複数のフレームにグループ化するステップと、
上記光地上端末を上記低地球軌道衛星と接続するアップリンクチャネルであって、捕捉のための広角ビームと追尾のための誘導ビームとを含む捕捉及び追尾ビーコンチャネルであるアップリンクチャネルを、上記光地上端末により起動するステップと、
上記通信サブシステム（ＣＳ）により、上記アップリンクチャネル（ＵＣ）の上記広角ビーム（Ｗ）を捕捉し、続いて、上記誘導ビーム（Ｇ）の連続的な追尾を行うステップと、
上記低地球軌道衛星（２０）を上記光地上端末（３０）と接続するダウンリンクチャネル（ＤＬ）が利用可能であるとき、上記通信サブシステム（ＣＳ）により上記ペイロードデータ（ＰＤ）のフレームを送信するステップと、
上記光地上端末（３０）により、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの再送信を上記アップリンクチャネル（ＵＣ）を介して要求するステップと、
上記通信サブシステム（ＣＳ）により、再送信の要求を受信した各フレームを再送信するステップとを含み、
上記アップリンクチャネル（ＵＣ）はパルス位置変調ＰＰＭされている。

【発明の効果】

【0010】

上述の目的及び本発明によってもたらされるその解決方法を考慮すると、最も重要な優位点は、本システム及び方法が、高信頼性かつ高いダウンロード速度のソリューションを提供しながら、システムの効率を保証するということにある。ＰＰＭ変調されたアップリンクチャネルを使用することにより、高いエネルギー効率が保証される。さらに、シンボル間干渉が存在しないので、ＰＰＭ信号の復調は効率的であり、複雑さを低減させている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る光通信システムを記号的に示した概要である。

【図2】光地上端末の通信サブシステムの構造ブロック図である。

【図3】本発明に係る低地球軌道衛星の通信サブシステム及びペイロードデータ源の構造ブロック図である。

【図4】衛星トランシーバ及び地上トランシーバの間の通信のプロトコルスタックに係る機能の概要である。

【図5】否定応答ＮＡＣＫを用いた選択的再送ＡＲＱの概念の概要を示す簡略図である。

【図6】スライディングウィンドウアルゴリズムによる複数のデータフレームの遷移フローを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下の説明において、本発明のさらなる特徴及び優位点を図面を参照して詳細に説明する。

【0013】

注意： 図面は厳密な縮尺で描かれたものではなく、例示としてのみ提供され、理解の助けとなることのみを目的とし、本発明の範囲を定義することを目的とするものではない。これらの図面では、本発明のいかなる機能の限定も意図していない。

【0014】

本願特許明細書では特定の用語を用いるが、その定式化は、選択した特定の用語によって限定されると解釈すべきではなく、特定の用語の背後にある一般的概念に関連する。

【0015】

図１に記号的に示すように、本発明の光通信システム１０は、２つの主要な機能的及び構造的装置、すなわち、低地球軌道衛星２０及び光地上端末３０を含む。低地球軌道衛星２０は、光ダウンリンクチャネルＤＬを介して光地上端末３０と接続可能であり、光地上端末３０は、アップリンクチャネルＵＣを介して低地球軌道衛星２０と接続可能である。図１に記号的に示すように、アップリンクチャネルＵＣは、地上ビーコンＧＢによる捕捉及び追尾ビーコンチャネルであり、広角ビームＷ及び誘導ビームＧを含む。

【0016】

アップリンクチャネルＵＣは、図面において破線により例示的に示され、ダウンリンクチャネルＤＬは実線により示される。

【0017】

複数の光地上端末３０は、好ましくは複数の光地上局の一部であるものとする。各光地上局は、
−通信と、指向、捕捉、及び追尾（point, acquisition, and track：PAT）とを担当する少なくとも１つの光地上端末３０と、
−光地上端末３０の動作をサポートするために必要とされる全電子的要素である地上局装置と、
−光地上端末３０の動作をサポートするために必要とされる全構造的要素である地上局設備と
を備えるものとする。

【0018】

地上局の厳密な動作は、特定の実装に依存する可能性があり、使用の状態に基づいて変わる可能性がある。しかしながら、動作の主要なステップは常に同様である。
１．地上局は、専用の電気的インターフェース（例えばＬＡＮ）を介して、ある／既知の低地球軌道衛星２０に係る次の「衛星の通過」について通知を受ける。
２．地上局設備及び地上局装置は、衛星の通過のために「準備」する。例えば、雨が降っていないことを気象センサが確かめたときには、ドームを開く。
３．光地上端末３０は、その通信サブシステム及び指向−捕捉−追尾サブシステム（ＰＡＴサブシステム）を起動して調整する。これらのサブシステムは主に互いに独立して動作する。
ａ）指向−捕捉−追尾サブシステムＰＡＴは、低地球軌道衛星２０の指向、捕捉、及び追尾を行う。
ｂ）通信サブシステムＣＳは、信号を待ち受け、低地球軌道衛星２０が通過する時間全体にわたって動作する。
４．いったん衛星が通過し終わると、受信データは専用メモリに転送され、次いでさらに（直接に、又は、要求に応じて）転送される。
５．光地上端末３０、地上局装置、及び地上局設備は、待機モードに戻る。

【0019】

地上局装置及び地上局設備は、当該技術分野において既知のものであり、本発明の主題ではないので、さらに詳しくは説明しない。

【0020】

上述のステップ３．ａ）、すなわち、低地球軌道衛星２０の指向、捕捉、及び追尾において、指向−捕捉−追尾サブシステムＰＡＴは、アップリンクチャネルのための地上ビーコンＧＢを用いる方式に従う。地上ビーコンＧＢは、低地球軌道衛星２０の捕捉のための広角ビームＷ及び追尾のための誘導ビームＧを有する。

【0021】

広角の捕捉ビームと、捕捉後の追尾のためにより狭い角度の誘導ビームとを組み合わせて用いることは、当該技術分野において既知である。しかしながら、このタイプの既知の通信リンクでは、捕捉後、ビーコンはスイッチオフされ、別の通信レーザビームがまた誘導ビームとして使用される。このアプローチとは異なり、本発明では、地上ビーコンＧＢは常にオンである。従って、アップリンクチャネルＵＣのための地上ビーコンＧＢは、３つの機能、すなわち、
Ｉ．捕捉のための広角ビームＷと、
ＩＩ．追尾のための誘導ビームＧと、
ＩＩＩ．ＰＰＭ変調を用いたアップリンクチャネルＵＣのための低データレート伝送と
を有するので、別の地上通信レーザビームが必要とされない。しかしながら、拡張された端末アーキテクチャの場合には、オプションとして、別の地上通信レーザビームが並列に設けられてもよい。

【0022】

低地球軌道衛星２０は、広角ビームＷをスキャンして捕捉する。ここで、いったん光地上端末３０の地上ビーコンＧＢを捕捉すると、低地球軌道衛星２０は、地上ビーコンＧＢの誘導ビームＧを永久に追尾する。通信フェーズの間において、低地球軌道衛星２０は、その衛星トランシーバＳＴＲを（見込み角（the point ahead angle）によって補正された）光地上端末の方向に方向付ける。

【0023】

従って、広角ビームＷは、光地上端末３０の近似的な方向に係る最初のどちらかといえば不正確な捕捉のためのものであり、誘導ビームＧは、厳密な方向の正確な捕捉のために使用される。

【0024】

図２に、光地上端末３０の地上通信サブシステムＧＣＳの構造ブロック図を示す。図２は本発明の範囲に関連する構造ブロックのみを示すということに注意すべきである。地上通信サブシステムＧＣＳの全体は、別の既知のタイプの構成要素を備えてもよい。アップリンクチャネルＵＣは、図面において破線により例示的に示され、ダウンリンクチャネルＤＬは実線により示され、制御信号は点線により示される。

【0025】

光地上端末３０の２つの主要な構成要素は、図示するように、地上トランシーバＧＴＲ及び指向−捕捉−追尾サブシステムＰＡＴである。地上トランシーバＧＴＲは既知の種類のものであり、光送信機Ｔｘ及び光受信機Ｒｘを備える。

【0026】

図３は、本発明に係る低地球軌道衛星２０の通信サブシステムＣＳ、ペイロードデータ源ＰＤＳ、及び衛星トランシーバＳＴＲの構造ブロック図を示す。

【0027】

衛星トランシーバＳＴＲは既知の種類のものであり、光送信機Ｔｘ及び光受信機Ｒｘを備える。衛星トランシーバＳＴＲは、地上ビーコンＧＢの空間的方向に関して調整できるように調整可能である。

【0028】

通信サブシステムＣＳは、ペイロードデータ源ＰＤＳから光地上端末３０へ高い信頼性でペイロードデータＰＤを伝送するためのディジタル処理側の機能を提供する。

【0029】

通信サブシステムＣＳは、２つの主要な機能装置、すなわち、
−ユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡと、
−通信コントローラＣＯＭＣＯと
を備える。

【0030】

通信サブシステムＣＳは以下のことを担当する。
・ペイロードデータＰＤを取り出す。
・低地球軌道衛星２０及び光地上端末３０の間の見通し線が利用可能になる前に上記ペイロードデータＰＤを一時的に格納し、これにより、光ダウンリンクチャネルＤＬを介したペイロードデータＰＤの高速ダウンリンク伝送を可能にするために、送信前にペイロードデータをバッファＢにバッファリングする。
・ペイロードデータＰＤを複数のフレームにグループ化する。
・アップリンクチャネルＵＣ信号を捕捉する。
・通信コントローラＣＣによる自動要求ＡＲＱプロトコル（後の段落で詳述する）を用いて、光地上端末３０によりすべてのフレームが受信されることを確実にする。
・汎用インターフェースを介して制御及びコマンド（Ｃ＆Ｃ）を提供する。
・（エンコーダＥＮＣにより）変調されて符号化されたデータを、（ＲＦ増幅器を用いる）衛星トランシーバＳＴＲのレーザに電気的に送る。
・変調されたデータを検波器ＤＥＴを介して受信する。

【0031】

機能の概要

【0032】

図３には、通信サブシステムのＣＳの主要な機能も示され、ここで、制御信号は点線により示される。目的は高い信頼性のデータ伝送である。システムは、空間的損失、大気のシンチレーション効果、及び背景ノイズにうまく対処しなければならない。

【0033】

通信サブシステムＣＳにはペイロードデータ源ＰＤＳが接続される。ペイロードデータ源ＰＤＳは、光ダウンリンクチャネルＤＬを介して光地上端末３０へ伝送すべきペイロードデータＰＤを、通信サブシステムＣＳに供給する。ペイロードデータ源ＰＤＳは、大容量記憶装置であってもよく、又は、インターフェースをとることが可能な任意のデータ源であってもよい。ペイロードデータＰＤは、好ましくは、送信前にＣＳにバッファリングされる。ダウンリンクチャネルＤＬが利用可能であるとき、ペイロードデータＰＤはプロトコルスタックにわたされる。ここで、受信機、すなわち光地上端末３０においてデータを同期化、識別、及び検証を実施できるようにするために、ペイロードデータＰＤは複数のフレームにグループ化される。フレームヘッダは、フレーム番号、ポート又は宛先及びチェックサムなどの情報を含む。エラーを含むフレームの再送信を要求するために、比較的低速のアップリンクチャネルＵＣが必要である。

【0034】

通信サブシステムＣＳはさらに、フレームデータを、変調された電気信号に変換する。データレートを最大化するために、好ましい実施形態では、ダウンリンクチャネルＤＬでオン−オフキーイング変調形式が使用される。異なる経路を通った信号は後でＲＦ増幅器によって増幅され、ＲＦ増幅器は光サブシステムにおいてレーザを変調する。

【0035】

データフロー−定量的な例

【0036】

図３に、ペイロードデータＰＤの流れを示す。特に好ましい実施形態では、１Ｇｂｐｓのダウンリンク容量をそれぞれ有し、合計で２Ｇｂｐｓのダウンリンク容量を有する２つのダウンリンクチャネルＤＬ及びＤＬ２と、１つのアップリンクチャネルＵＣとが実装され（ただし、この方法は２つよりも多くのダウンリンクチャネルにも同様にスケーラブルに適用可能である）、通信チャネルは以下の転送レートを有する。
−アップリンクチャネルＵＣレート： 低速のパルス位置変調ＰＰＭを用いるアップリンクチャネルは、約１００ｋｂｐｓのユーザデータレートの転送レートを有する。
−ダウンリンクチャネルＤＬレート： ダウンリンクチャネルは、２．５Ｇｂｐｓの生データレート及び２Ｇｂｐｓのユーザデータレートを有する高速なオン−オフ−キーイング（ＯＯＫ）変調を用いる。典型的には、データはグループ化されて転送される。データグループは本明細書で定義されるように記述される。
−ペイロードデータバッチ： ペイロードデータバッチは、衛星２０に係る１回の衛星の通過の時間区間にわたって光地上端末３０に伝送されるペイロードデータ源ＰＤＳ内のデータ量である。１つのペイロードデータバッチのサイズは、典型的には、１００ｋＢのオーダーである。データを伝送するために利用可能な時間長は、典型的には、数分のオーダーである。
−ペイロードデータブロック： ペイロードデータＰＤは、ペイロードデータブロックと呼ばれる複数のグループとして取り出される。ペイロードデータブロックのサイズは、ペイロードインターフェースＰＩ自体によって制限されてもよく、又は、完全に定義されていてもよい。

【0037】

構成

【0038】

本発明の好ましい実施形態では、通信サブシステムＣＳは、柔軟性及び開発の容易さのために、図３に示すように物理的に異なる２つのエンティティに分割される。

【0039】

通信プロトコルスタック

【0040】

図４に記号的に示すように、衛星トランシーバＳＴＲ及び地上トランシーバＧＴＲの間の通信のプロトコルスタックは、２つの層に分割される。通信のリンク層及びＰＨＹ層の区別は以下の通りである。
・ＰＨＹ層（物理層）は、信号生成（高速シリアル信号）、信号捕捉（ＡＤＣインターフェース）、変調（復調）、符号化／復号化、同期化などの低レベル通信機能を実行する。これらの機能は、ＰＨＹ機能と呼ばれる。ＰＨＹ機能は、典型的には、ソフトウェアを必要とせず、ハードウェア論理回路のみを必要とする。
・リンク層は、フレーム生成、自動再送要求（ＡＲＱ）などの高レベル通信機能を実行する。これらの機能は、リンク機能と呼ばれる。リンク機能は、典型的には、ソフトウェアを必要とする。

【0041】

オプションとして、本発明の別の実施形態では、例えば多重化などの追加機能が要求されるとき、さらなる層（例えばトランスポート層）が追加されてもよい。

【0042】

リンク層

【0043】

リンク層は以下の機能を有する。
・データは複数のフレーム（例えば、組み込まれたシステムの性能に依存して約１Ｍｂ又はそれよりも小さいサイズのフレーム）に分割される。
・フレームは一意的な識別子を有する。
・通信チャネルは本質的に信頼できないので、自動再送要求（ＡＲＱ）プロトコルが実装される。
・フロー制御機構として、「スライディングウィンドウ」アルゴリズムが実装される。

【0044】

選択的再送ＡＲＱ

【0045】

最も好ましい実装によれば、送信、再送要求、及びフレームの再送は、選択的再送機構として、好ましくは自動再送要求ＡＲＱ機構として実装される。選択的再送機構を用いることで、特定のフレームを再送信することができる。

【0046】

この方式を用いることで以下の機能が実装される。
・「スライディングウィンドウ」アルゴリズムが実装される。スライディングウィンドウは以下の情報を含む：
−現在のウィンドウ境界、
−肯定応答された受信フレームのリスト、
−まだ肯定応答されていない受信フレームのリスト、及び、
−まだ受信されていないフレームのリスト。
・スライディングウィンドウに係るすべての情報が光地上端末３０で保持される必要がある一方、低地球軌道衛星２０は現在のウィンドウ境界のみを保持する。このことは、処理要件及びメモリ要件に関して、低地球軌道衛星２０の複雑さを劇的に低減する。
・ＡＣＫが受信されなかったとき、古いフレームが再送信される。
・パッケージを再送信するきっかけを効果的に与えることで性能を向上させるために、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの再送信を要求する否定応答ＮＡＣＫメッセージが使用され、好ましくは、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの範囲の境界を識別する否定応答ＮＡＣＫ信号を送信し、これにより、上記境界によって示されたフレームの範囲全体の再送信を要求する。この実装によれば、所定範囲にわたるフレーム（すなわちフレーム１０００−１２００）の再送信を要求（ＮＡＣＫ）することができる。従って、失われたフレームのそれぞれを個別に要求することは不要になる。ダウンリンクチャネルＤＬの性質に起因して、通常、伝送エラーはバーストとして発生する。従って、受信に失敗した／受信時にエラーがあった１つ又は複数のフレームの範囲の境界を識別する否定応答ＮＡＣＫ信号を送信できることは、効率を大幅に向上させ、また、アップリンクチャネルＵＣの限られた容量のより良好な使用を保証する。

【0047】

図５に、否定応答ＮＡＣＫを用いた選択的再送ＡＲＱの概念の概要を大幅に簡単化して示す。ここで、フレームＰ２が失われている／伝送時のエラーを含む。フレームＰ３を受信した光地上端末３０は、そのシーケンス番号が誤っていることを検出し、フレームＰ２の再送信を要求するために否定応答信号ＮＡＣＫ Ｐ２を送出する。低地球軌道衛星２０は、ＮＡＣＫ Ｐ２信号を受信すると、フレームＰ２を再送信する。

【0048】

「スライディングウィンドウ」を用いた否定応答ＮＡＣＫ

【0049】

選択的再送、すなわち、「スライディングウィンドウ」アルゴリズムを用いた否定応答ＮＡＣＫは、以下のように動作する。このプロトコルは選択的再送プロトコルを用いる。光地上端末３０及び低地球軌道衛星２０の両側で、２つのポインタ、すなわち先頭ポインタ及び末尾ポインタがある。

【0050】

光地上端末３０において、末尾ポインタは、まだ受信されていないフレームのうちの最も古いもののインデックスである。末尾ポインタは低地球軌道衛星２０に送られ、所定の時間遅延を有して低地球軌道衛星２０に到着する。低地球軌道衛星２０における末尾ポインタの意味は、正しく受信されたものとして光地上端末３０によってまだ確認されていないフレームのうちの最も古いものを指すというものである。

【0051】

光地上端末３０における先頭ポインタは、受信されるべき通常のシーケンスに係る次のフレームを指す。受信されたフレームが他のインデックスを有するとき、このことは、いくつかのフレームが中間で失われたことと、又は、当該フレームが既に送られたフレームを再送信したものであることとのいずれかを意味する。低地球軌道衛星２０における先頭ポインタは、送信されるべき次のフレームのインデックスへのポインタである。低地球軌道衛星２０がそのようなフレームを送信する毎に、先頭ポインタは１つ増大される。送信されたフレームが再送信に係るものである場合には、先頭ポインタは増大されない。低地球軌道衛星２０における先頭ポインタ及び末尾ポインタの間の距離が所与のウィンドウサイズよりも大きいときには、低地球軌道衛星２０は、先頭ポインタをそれ以上増大させることができず、光地上端末３０が新たな末尾ポインタを送信するまで待機しなければならない。

【0052】

「スライディングウィンドウ」のメモリ要件は以下の通りである。
−低地球軌道衛星２０は現在のウィンドウ境界のみを保持するので、スライディングウィンドウの先頭及び末尾を保存するためのメモリ要件は限定的である。
−スライディングウィンドウに係る完全な情報が光地上端末３０で保持される必要がある。スライディングウィンドウの状態を記憶するために必要なメモリは、スループット、パケット長、及びラウンドトリップ時間に大きく依存する。シーケンス番号のうちで記憶されなければならない番号は、「ラウンドトリップ時間」／「１フレームの時間」の倍数（例えば１０倍）である。好ましくは、フレームサイズは、光地上端末３０の地上通信サブシステムＧＣＳがこの処理負荷にうまく対処できるように選択される。

【0053】

低地球軌道衛星２０がその先頭ポインタをそれ以上増大させることができない場合、低地球軌道衛星２０は、末尾ポインタから始まるフレームの再送信を開始する。低地球軌道衛星２０は、光地上端末３０から新たな末尾ポインタを有するフレームを受信するとすぐに、通常の送信に復帰する。

【0054】

図６で、スライディングウィンドウアルゴリズムによる複数のデータフレームの遷移フローを、時刻Ｔ０からＴ４までの５つの異なる瞬間において示す。図６において、まだ受信されていないフレームは破線パターンを有するものとして示し、受信に成功したフレームは波線パターンを有するものとして示し、伝送中に失われたフレームは格子パターンを有するものとして示す。

【0055】

実装のために、両側で２つのハンドラ、すなわちフレーム受信ハンドラ及びフレーム送信ハンドラが定義される。フレーム送信ハンドラは、最後のフレームの送信が完了する毎に呼ばれる。次いで、フレーム送信ハンドラは、次に送信すべきフレームを選択する。フレーム受信ハンドラは、フレームが受信される毎に呼ばれる。これは、フレームの内容を分析し、次いで、ローカル変数を更新する。

【0056】

メモリ： スライディングウィンドウの状態を記憶するために必要なメモリの量は、スループット、フレーム長、及びラウンドトリップ時間に大きく依存する。シーケンス番号のうちで記憶されなければならない番号は、近似的には、「ラウンドトリップ時間」／「１フレームの時間」である。フレームサイズは、組み込まれたシステムが処理負荷を扱うことができるように選択される。

【0057】

チャネルフェージング： 大気を通過する光チャネルにはフェージングが生じる。このことは、チャネル状態の一時的な悪化により全データが失われることを意味する。この中断のコヒーレンス時間が重要であり、データ源に依存して２〜５０ｍｓの間である。ＡＲＱは、このような中断にうまく対処できるように設計される。

【0058】

フレームエラーレート： エラー訂正機構を用いることで、結果的に、１ｅ−２よりも良好なフレームエラーレートが得られることが想定される。強力なエラー検出機構により、すべてのエラーが検出されることが想定される。

【0059】

ＰＨＹ層

【0060】

ＰＨＹ層は以下の機能を有する。
・送信機（Ｔｘ）：
−エラー検出符号の生成、
−ヘッダ情報の生成、
−好ましくは前方エラー訂正（ＦＥＣ）を用いた、データの符号化。
・受信機（Ｒｘ）：
−同期化（ＰＬＬ）、
−パルス位置変調（ＰＰＭ）の復調、
−前方エラー訂正ＦＥＣ符号の復号化、
−エラー検出（例えばＣＲＣ）、
−ヘッダ情報の抽出。

【0061】

バッファデータフロー

【0062】

図３に示すように、低地球軌道衛星２０はさらに、低地球軌道衛星２０及び光地上端末３０の間の見通し線が利用可能になるまで上記ペイロードデータＰＤを一時的に格納するバッファＢを備え、これにより、ペイロードインターフェースＰＩがずっと低速である場合であっても、上記光ダウンリンクチャネルＤＬを介したペイロードデータＰＤの高速ダウンリンク伝送を可能にする。バッファＢに関連した動作は、バッファ制御装置ＢＣによって管理される。

【0063】

まず第一に、通信コントローラＣＯＭＣＯは、ユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡに命令し、ペイロードデータＰＤの特定の部分をユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡのバッファＢに取り出させる。

【0064】

第２のステップとして、通信コントローラＣＯＭＣＯは、ユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡのバッファＢのページ（例えば３２ｋＢ）に関して利用可能なメモリ範囲を受信する。通信コントローラＣＯＭＣＯは、ユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡに命令し、バッファＢの特定の部分を通信コントローラＣＯＭＣＯに転送させる。バッファＢの部分の送信に成功した後で、通信コントローラＣＯＭＣＯは、ユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡに命令し、（例えば、８×２５６ＫｉＢのサイズのブロックにおいて）バッファＢの対応する部分を消去させる。一方、送信の失敗を検出したときには、通信コントローラＣＯＭＣＯは、バッファＢの特定の部分を通信コントローラＣＯＭＣＯに転送するようにユーザデータインターフェースアダプタＵＤＩＡに要求する。このことを容易にするために、バッファＢは、バッファＢ内のペイロードデータＰＤのデータブロックへのランダムアクセスを提供する。

【0065】

特許請求の範囲に定義された発明の範囲から離れることなく、ここに説明された特定の構造に基づいて多くの変形を行えるということが理解されるであろう。

【符号の説明】

【0066】

１０…光通信システム、
２０…低地球軌道衛星、
ＳＴＲ…衛星トランシーバ、
ＣＳ…通信サブシステム、
ＵＤＩＡ…ユーザデータインターフェースアダプタ、
ＰＩ…ペイロードインターフェース、
Ｂ…バッファ、
ＢＣ…バッファ制御装置、
ＣＯＭＣＯ…通信コントローラ、
ＣＣ…通信制御装置、
ＤＥＴ…検波器、
ＥＮＣ…エンコーダ、
ＰＤＳ…ペイロードデータ源、
３０…光地上端末、
ＧＴＲ…地上トランシーバ、
ＧＣＳ…地上通信サブシステム、
ＰＡＴ…指向−捕捉−追尾サブシステム、
ＤＬ…光ダウンリンクチャネル、
ＤＬ２…第２光ダウンリンクチャネル、
ＵＣ…アップリンクチャネル、
ＧＢ…地上ビーコン、
Ｗ…広角ビーム、
Ｇ…誘導ビーム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】