ES2820587T3 - Procedimiento de asignación de recursos de frecuencia para un sistema de telecomunicaciones por satélite - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de asignación de canales de frecuencia, de una lista de canales, a una pluralidad de terminales en un sistema de telecomunicaciones por satélite multihaz que comprende un satélite y al menos una estación de alimentación, comprendiendo el satélite al menos un amplificador y al menos una antena, comprendiendo el procedimiento las etapas de: - establecer (2010) una lista de terminales activos y, para cada terminal, - determinar (2020) una primera relación señal/ruido SNRn para el enlace entre una estación de alimentación y el terminal a través del satélite, al menos a partir de una estimación de la atenuación (1020) sufrida por la señal en función de las condiciones de propagación de la señal, - retirar (3020) el terminal de la lista de terminales activos si la primera relación señal/ruido es inferior a un umbral predeterminado, - calcular (2030) la potencia de radiofrecuencia necesaria del amplificador asociado con el haz que ilumina el terminal para obtener dicha primera relación señal/ruido, - retirar (3030) el terminal de la lista de terminales activos si la suma de las potencias de radiofrecuencia necesarias de todos los amplificadores del satélite supera un umbral de capacidad de potencia máxima, - para cada canal seleccionado en la lista de canales de frecuencia, i. calcular (2040) una relación señal/interferencia SIRc para dicho terminal en el canal seleccionado, ii. si la suma de la primera relación señal/ruido SNRn y de la relación señal/ interferencia SIRc es menor que dicho umbral predeterminado, asignar el canal seleccionado a dicho terminal, iii. Si no, seleccionar otro canal.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento de asignación de recursos de frecuencia para un sistema de telecomunicaciones por satélite La invención se refiere al campo de sistemas satelitales de muy alta velocidad o sistemas de comunicación mediante acceso de banda ancha a Internet a través de satélite geoestacionario, también llamados sistemas VHTS para satélite de muy alto rendimiento, "Very High Throughput Satellite" en inglés. La invención se refiere más específicamente a satélites que comprenden varias antenas para proporcionar cobertura multihaz.
La invención se refiere a un procedimiento para asignar recursos de frecuencia a diferentes terminales de usuario presentes en el área de cobertura multihaz del satélite. El procedimiento de asignación de recursos propuesto es dinámico en términos de tiempo y frecuencia y proporciona flexibilidad para asignar recursos a cada punto en la cobertura según las condiciones de propagación de las señales de radio en el punto, según el rendimiento de aislamiento entre haces del sistema de antena de satélite y según la naturaleza y el volumen del tráfico de datos actual y futuro en el punto. La invención es útil en sistemas satelitales de muy alta velocidad con cobertura multihaz que funcionan en particular en la banda Ka (20/30 GHz).
En sistemas satelitales de muy alta velocidad con cobertura multihaz y reutilización de frecuencia entre haces, la asignación de los recursos de radiofrecuencia y energía generalmente se fija mediante el diseño de la carga útil del satélite. Generalmente, en un sistema satelital de muy alta velocidad que funciona en la banda Ka (20/30 GHz), a cada haz en la cobertura se le asigna una potencia de radiofrecuencia (RF) fija correspondiente a la potencia de salida del amplificador conectado al haz, y una banda de frecuencia fija correspondiente a un color en el esquema de reutilización de frecuencia. En un sistema multihaz con reutilización de frecuencia, la banda de paso asignada a la misión, típicamente la banda Ka de 17,3 GHz a 20,2 GHz, se segmenta en sub-bandas de frecuencias o colores. Se asigna un color a cada punto de la cobertura según un esquema que minimiza la interferencia entre haces. Por ejemplo, en un sistema que opera en la banda Ka (20/30 GHz) según un esquema de reutilización de frecuencia con cuatro colores y dos polarizaciones, a cada punto de la cobertura se le asigna de forma fija una banda de frecuencia de banda de ancho de 1,4 GHz y potencia de RF transmitida por un amplificador de onda viajera de cien vatios. Para minimizar la interferencia entre haces de la antena, es costumbre generar haces idénticos en el diagrama de radiación, que conduce a puntos de igual tamaño en toda la cobertura.
Los sistemas satelitales de muy alta velocidad con asignación de recursos fijos tienen un primer inconveniente en el caso de la distribución geográfica irregular del tráfico de datos. Por tanto, en lugares con poco tráfico de datos, como, por ejemplo, áreas rurales con baja densidad de usuarios, parte de la frecuencia y los recursos de energía asignados a estos puntos no se utilizan para atender el bajo tráfico de datos. Dado que no se pueden asignar a otro punto, estos recursos se desperdician. En lugares con alta demanda de tráfico de datos, como, por ejemplo, áreas urbanas con densidad de usuarios muy alta, los recursos de frecuencia y de energía asignados a estos puntos no son suficientes para atender el tráfico de datos requerido. Dado que no se pueden utilizar los recursos asignados a otro punto, una parte del tráfico de datos no se servirá.
Los sistemas satelitales de muy alta velocidad con asignación de recursos fijos tienen un segundo inconveniente en el caso de una variación temporal del tráfico de datos en un punto. Esta variación puede ser diaria (horas pico), estacional o durante la vida del satélite. Por tanto, a veces, la demanda de tráfico de datos es baja, una parte de los recursos de frecuencia y energía asignados no se utilizan para atender el bajo tráfico de datos. En otros momentos, la demanda de tráfico de datos es muy alta y los recursos de frecuencia y de energía asignados no son suficientes para atender el pico del tráfico de datos.
De este modo, los sistemas satelitales de muy alta velocidad con asignación fija de recursos, no están adaptados para servir perfiles de tráfico de datos variables en el espacio (distribución geográfica) y en el tiempo (variaciones estacionales o diarias).
Los sistemas satelitales de muy alta velocidad con asignación de recursos fijos tienen un tercer inconveniente. Los enlaces de radiofrecuencia en la banda ka (20/30 GHz) entre el satélite y los terminales de usuario son muy sensibles a los fenómenos de atenuación y desvanecimiento de las señales de radio debido en particular al mal tiempo (lluvia, nieve, granizo...). Para mantener las conexiones con mal tiempo, es habitual en los sistemas satelitales de muy alta velocidad reducir la velocidad de datos de los enlaces alterados. Esta técnica se implementa mediante la introducción de la modulación y codificación adaptativa o ACM para Codificación y modulación adaptativa, "Adaptive Coding and Modulation" en inglés. En consecuencia, se reduce el tráfico de datos en un punto sujeto a mal tiempo; En estos sistemas satelitales de muy alta velocidad con asignación fija de recursos no es posible asignar a los lugares afectados por el mal tiempo más frecuencia y recursos de energía para contrarrestar la atenuación y el desvanecimiento.
Este desajuste entre los recursos de frecuencia y energía y las variaciones en el tráfico de datos penaliza la rentabilidad de estos sistemas satelitales de muy alta velocidad.
Se conoce un ejemplo de un procedimiento de asignación de frecuencia para sistemas de satélite multihaz descritos en la patente de Estados Unidos US 8634296. Este procedimiento no tiene en cuenta los fenómenos de atenuación de la señal en cada punto del área de cobertura ni la interferencia entre haces y canales adyacentes.
La invención propone un procedimiento de asignación dinámica de los recursos de radio de un satélite y un sistema de satélite de muy alta velocidad configurado para implementar este procedimiento. El procedimiento de asignación es ejecutado por un equipo en tierra llamado Administrador de recursos de radio o RRM por "Radio Resource Manager" en inglés. El procedimiento de asignación según la invención, asigna dinámicamente recursos de frecuencia a lo largo del tiempo a cada punto de la cobertura multihaz según las condiciones de propagación de la señal de radio (en particular las atenuaciones debidas al mal tiempo) que prevalecen en los puntos, con el perfil de tráfico de datos del punto actual y futuro, con el nivel de interferencia generado en haces vecinos. El procedimiento se aplica, preferentemente, para los enlaces de enlace descendente, es decir, desde el satélite a los terminales de usuario.
A diferencia de los sistemas satelitales de muy alta velocidad según la técnica anterior en los que el plan de frecuencia o el esquema de reutilización de frecuencia generalmente comprende como máximo cuatro colores, el plan de frecuencia o el esquema de reutilización de frecuencia del procedimiento según la invención comprende docenas de colores. Por ejemplo, el plan de frecuencia de un sistema satelital de muy alta velocidad según la invención, operando en banda Ka (17,7 GHz a 20,2 GHz), incluye 80 colores de banda de paso de 30 MHz en cada polarización. En cada polarización, los colores están numerados del 1 al 80. Es posible asignar a cada punto desde cero (sin tráfico en el punto) hasta 80 sub-bandas de frecuencia o color (tráfico máximo en el punto).
Una configuración de asignación de recursos es, para cada punto de la cobertura, el número y la cifra de colores asignados a este punto y la potencia de radio asignada a este punto.
El tiempo se divide en intervalos de tiempo de duración fija llamados segmento o intervalo de tiempo. Cada intervalo de tiempo corresponde a una configuración de asignación de recursos diferente. Durante cada intervalo de tiempo, el administrador de recursos de radio establece la configuración de asignación de recursos para el próximo intervalo. La configuración de asignación de recursos se establece mediante el procedimiento de asignación dinámica de recursos de radio según la invención.
El procedimiento de asignación según la invención se basa en el uso de tres conjuntos de información para calcular la configuración de asignación de recursos que se aplicará al próximo intervalo:
- un mapa de tráfico o la lista de solicitudes de tráfico de datos para el próximo intervalo. Esta es la lista de terminales activos con cada una de sus posiciones geográficas, incluida la identificación del punto, su solicitud de tráfico de datos, su desempeño en telecomunicaciones y toda otra información relevante para establecer la solicitud de servicio del terminal en el próximo intervalo.
- un mapa de aislamiento que representa el rendimiento de ganancia de cada haz de la antena para cada punto de la cobertura y preferiblemente teniendo en cuenta las condiciones de desplazamiento de la antena de satélite. - un mapa de atenuación. Esta es la lista de terminales activos con cada estimación de las condiciones de propagación local, típicamente la atenuación sufrida por la señal de radio proveniente del satélite y recibida por el terminal. Esta estimación de las condiciones de propagación local se calcula regularmente a partir de datos meteorológicos o pronósticos de precipitación local y nubosidad, o extrapolado a partir de mediciones de la calidad del enlace de radio (típicamente la relación señal/ruido o la modulación y codificación seleccionadas por el dispositivo de ACM) realizadas por el terminal activo en el intervalo anterior.
El cálculo de la configuración de asignación de recursos consiste en definir la configuración de asignación de recursos que maximiza el tráfico de datos y que respeta todas las restricciones vinculadas a la solicitud de tráfico de datos, condiciones de propagación y niveles de interferencia.
El objeto de la invención es un procedimiento de asignación de canales de frecuencia, de una lista de canales, a una pluralidad de terminales en un sistema de telecomunicaciones por satélite multihaz que comprende un satélite y al menos una estación de alimentación, comprendiendo el satélite al menos un amplificador y al menos una antena, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- Establecer una lista de terminales activos y, para cada terminal,
- Determinar una primera relación señal/ruido SNRn para el enlace entre una estación de alimentación y el terminal a través del satélite, al menos sobre la base de una estimación de la atenuación sufrida por la señal en función de las condiciones de propagación de la señal,
- Retirar el terminal de la lista de terminales activos si la primera relación señal/ruido es inferior a un umbral predeterminado,
- Calcular la potencia de radiofrecuencia necesaria del amplificador asociado con el haz que ilumina el terminal para obtener dicha primera relación señal/ruido,
- Retirar el terminal de la lista de terminales activos si la suma de las potencias de radiofrecuencia necesarias de todos los amplificadores satelitales supera un umbral de capacidad de potencia máxima,
- Para cada canal seleccionado en la lista de canales de frecuencia,
i. Calcular una relación señal/interferencia SIRc para dicho terminal en el canal seleccionado,
ii. Si la suma de la primera relación señal/ruido SNRn y la señal/relación de interferencia SIRc es menor que dicho umbral predeterminado, asignar el canal seleccionado a dicho terminal,
iii. Si no, seleccionar otro canal.
Según un aspecto particular de la invención, la primera relación señal/ruido SNRn se determina a partir de una relación señal/ruido más SNIRs de interferencia en un enlace de alimentación entre una estación de energía y el satélite y a partir de una segunda relación señal/ruido SNRd para el enlace descendente entre el satélite y el terminal.
Según un aspecto particular de la invención, la segunda relación señal/ruido SNRd se determina al menos a partir de la potencia isotrópica radiada equivalente PIREu emitida por una antena de satélite hacia dicho terminal, una estimación de la atenuación Au experimentada por la señal en función de las condiciones de propagación de la señal.
Según un aspecto particular de la invención, la potencia de radiofrecuencia necesaria del amplificador asociada con el haz que ilumina el terminal se determina al menos a partir de una ganancia de la antena de satélite que genera dicho haz en la dirección del terminal.
Según una variante particular de la invención, los haces generados por el satélite son fijos y las ganancias de las antenas de satélite se precalculan y almacenan en una base de datos.
Según otra variante particular de la invención, los haces generados por el satélite pueden reconfigurarse y las ganancias de las antenas de satélite están determinadas por un módulo de cálculo de los patrones de antena.
Según un aspecto particular de la invención, las potencias de radiofrecuencia necesarias de todos los amplificadores del satélite se calculan para cada terminal al que se ha asignado un canal de frecuencia.
Según un aspecto particular de la invención, el umbral predeterminado es una relación señal/ruido necesaria para garantizar un nivel determinado de calidad de servicio.
Según un aspecto particular de la invención, las condiciones de propagación de la señal se determinan a partir de datos meteorológicos.
Según un aspecto particular de la invención, las etapas del procedimiento se repiten variando en cada iteración un intervalo de tiempo asignado a los terminales para la comunicación.
El objeto de la invención es también un administrador de recursos de radio configurado para implementar el procedimiento de asignación de canales de frecuencia según la invención y un sistema de telecomunicaciones por satélite que comprende un satélite de haz múltiple, al menos una estación de energía para establecer un enlace de comunicación entre una red y una pluralidad de terminales, vía satélite y un administrador de recursos de radio según la invención.
Otras características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes tras la lectura de la descripción que sigue en relación con los dibujos adjuntos que representan:
- La figura 1, un esquema de un sistema de telecomunicaciones satelitales multihaz,
- La figura 2, un ejemplo de un plan de frecuencia de un sistema satelital de muy alta velocidad según la técnica anterior,
- La figura 2bis, un ejemplo de un plan de frecuencia de un sistema satelital de muy alta velocidad según la invención,
- La figura 3, un esquema de una carga útil de ejemplo de un satélite de muy alta velocidad capaz de implementar el procedimiento de asignación de recursos según la invención,
- La figura 4, un esquema de un ejemplo de un repetidor directo para la carga útil de un satélite de muy alta velocidad capaz de implementar el procedimiento de asignación de recursos según la invención,
- La figura 5, un esquema de bloques que ilustra el funcionamiento de un procesador digital transparente incluido en el repetidor directo de la carga útil de un satélite de muy alta velocidad capaz de implementar el procedimiento de asignación de recursos según la invención,
- La figura 6, un esquema de un primer ejemplo de arquitectura de un procesador digital transparente,
- La figura 6bis, un esquema de un segundo ejemplo de la arquitectura de un procesador digital transparente, - La figura 7, un esquema de un ejemplo de la arquitectura de un sistema satelital de muy alta velocidad según la invención,
- La figura 8, un diagrama de flujo de un ejemplo de una secuencia de acciones implementadas para establecer una configuración de asignación según la invención,
- La figura 9, un esquema funcional de un administrador de recursos de radio según la invención,
- La figura 10, un diagrama de flujo que detalla las etapas para implementar el procedimiento de asignación de recursos de radio según la invención,
- La figura 11, dos ejemplos de diagramas de radiación de antena en dos puntos diferentes,
- La figura 12, un diagrama de tiempo/frecuencia que ilustra un ejemplo de asignación de canales de frecuencia a varios puntos,
- La figura 13, un diagrama de tiempo/frecuencia que ilustra un ejemplo de asignación de canales de frecuencia a
diferentes usuarios de diferentes puntos,
- La figura 14, un diagrama de flujo que detalla las etapas para implementar una realización alternativa del procedimiento de asignación según la invención.
La figura 1 representa un sistema de telecomunicaciones de banda ancha para satélite multihaz para acceder a la red de Internet INT. Tal sistema incluye un satélite SAT, al menos una estación de alimentación SA1, SA2 también llamada "estación de alimentación" o "puerta de enlace" "feeder station" o "gateway" en inglés y varios terminales de usuario TER ubicados en diferentes celdas o puntos 14, 15. El sistema también comprende un administrador de recursos de radio RRM capaz de comunicarse, por un lado, con las estaciones de alimentación SA1, SA2 y, por otro lado, con el satélite SAT, por ejemplo a través de un enlace de control remoto 18.
Una estación de alimentación SA1, SA2 comprende un dispositivo de transmisión y recepción de radiofrecuencia para comunicarse con los terminales de usuario TER a través del satélite SAT a través de los enlaces bidireccionales 12,13,16,17. Un enlace desde una estación de alimentación SA1 a los terminales de usuario TER a través del satélite SAT se denomina enlace directo (en inglés, forward link). Un enlace desde un terminal de usuario TER a las estaciones de alimentación SA1, SA2 a través del satélite SAT se denomina enlace de retorno (en inglés: return link). Los enlaces 12, 13 entre una estación de alimentación SA1, SA2 y el satélite SAT se denominan enlaces de alimentación o contribución (en inglés: feeder links). Los enlaces de alimentación 12, 13 son bidireccionales y consisten en enlaces directos en una dirección de enlace ascendente desde una estación de alimentación SA1, SA2 al satélite SAT y enlaces de retorno en un enlace descendente desde el satélite SAT a una estación de alimentación SA1, SA2. Los enlaces 16, 17 entre todos los terminales de usuario TER y el satélite SAT se denominan enlaces de usuario (en inglés: user links). Los enlaces de usuario 16,17 son bidireccionales y consisten en enlaces de retorno en la dirección del enlace ascendente desde los usuarios de TER al satélite SAT y enlaces hacia atrás desde el satélite SAT a los usuarios de TER. Las estaciones de alimentación SA1, SA2 están conectadas al equipo RRM que contiene el administrador de los recursos de radio del satélite (radio resource manager en inglés). Las estaciones de alimentación SA1, SA2 están conectadas a las redes de telecomunicaciones terrestres INT, como la red de Internet. En el ejemplo de la figura 1, hay dos estaciones de alimentación SA1, SA2 y 8 haces que iluminan 8 celdas de usuario 14,15.
En un sistema de telecomunicaciones como se describe en la figura 1, los terminales de usuario TER comparten la banda de frecuencia (por ejemplo, la banda Ka de 17,3 a 20,2 GHz) entre ellos para comunicarse.
La figura 2 representa un ejemplo de un plan de frecuencia para enlaces de usuario según un procedimiento de asignación de la técnica anterior. Generalmente, dicho plano de frecuencia comprende como máximo dos canales en dos polarizaciones diferentes, es decir, cuatro colores diferentes.
La figura 2bis representa un ejemplo de un plan de frecuencia para enlaces de usuario según el procedimiento de asignación propuesto por la invención. Tal plan de frecuencia comprende varias decenas de canales, por ejemplo, 80 canales de 30 MHz de banda de paso cada uno y en dos polarizaciones diferentes. En cada polarización, los canales están numerados del 1 al 80. Es posible asignar a cada punto desde cero (sin tráfico en el punto) hasta 80 sub-bandas de frecuencia o color (tráfico máximo en el punto).
La figura 3 representa un ejemplo de la carga útil CU de un satélite de banda ancha SAT de un sistema de telecomunicaciones según la invención. Tal CU de carga útil comprende un primer sistema de antenas de transmisión y recepción de AMU capaces de generar una pluralidad de haces para iluminar una pluralidad de celdas o puntos de usuario 14,15. Los haces pueden ser fijaos o dinámicos. La carga útil también comprende un segundo sistema de antenas AMA capaz de generar una pluralidad de haces para iluminar una pluralidad de celdas 11 que contienen cada estación de alimentación SA2. Los sistemas de antenas AMU, AMA incluyen, por ejemplo, una antena para cada haz que se generará. La carga útil CU también comprende una cadena de recepción RxU para amplificar y transponer en frecuencia las señales de radio recibidas por el primer sistema de antenas AMU. La carga útil CU también comprende una cadena de transmisión TxU para transponer en frecuencia y amplificar en potencia las señales de radio destinadas a ser transmitidas por el primer sistema de antena AMU hacia los terminales de usuario. La carga útil de CU también incluye un procesador digital PNT transparente, una cadena de recepción RxA para amplificar y transponer en frecuencia las señales de radio recibidas por el segundo sistema de antena AMA, una cadena de transmisión TxA para transponer en frecuencia y amplificar en potencia las señales de radio destinadas a ser transmitidas por el segundo sistema de antenas AMA a las estaciones de alimentaciones SA1, SA2. En una realización particular, el primer sistema de antena de transmisión y recepción de AMU comprende una o más antenas activas.
Los sistemas de antenas AMA, AMU, la cadena de recepción RxA, el procesador PNT y la cadena de transmisión TxU constituyen un repetidor directo. Los sistemas de antenas AMA, AMU, la cadena de recepción RxU, el procesador PNT y la cadena de transmisión TxA constituyen un repetidor inverso.
La figura 4 representa un ejemplo de un repetidor directo de una carga útil CU de un satélite SAT. Los elementos ya descritos en la figura 3 tienen las mismas referencias en la figura 4.
Tal repetidor comprende una cadena de recepción RxA que comprende, por ejemplo, uno o más amplificadores LNA
de bajo ruido, uno o más convertidores descendentes de frecuencia DOCON y uno o más filtros demultiplexores de banda ancha IMUX. El repetidor también comprende una cadena de transmisión TxU que comprende, por ejemplo, uno o más convertidores elevadores de frecuencia UPCON y uno o más amplificadores multipuerto MPA1, MPA2, MPA3, MPA4. Cada salida de los amplificadores multipuerto MPA1, MPA2, MPA3, MPA4 está conectada a un elemento radiante de una antena del primer sistema de antena AMU. La formación del haz se realiza en el procesador digital transparente PNT.
La figura 5 ilustra el funcionamiento de un procesador digital transparente incluido en el repetidor directo de la carga útil de un satélite de muy alta velocidad capaz de implementar el procedimiento de asignación de recursos según la invención.
Según el ejemplo de la figura 5, el repetidor directo recibe las señales de dos estaciones de alimentación SA1, SA2 y envía señales a ocho celdas o puntos de usuario como se muestra esquemáticamente en la figura 1. El plan de frecuencia del enlace de usuario saliente consta de cinco bandas de frecuencia o colores C1, C2, C3, C4, C5. El plan de frecuencia del enlace de potencia consiste en 10 sub-bandas de frecuencia, cada una con una banda de paso igual a la banda de paso de un color. En este ejemplo, el procesador digital transparente PNT tiene dos entradas, cada una correspondiente a una estación de alimentación y ocho salidas, cada una correspondiente a una celda de usuario. La señal en cada entrada del procesador PNT consiste en un multiplex de frecuencia de al menos 10 sub-bandas o colores. La señal en cada salida del procesador PNT consiste en un multiplex de frecuencia de, como máximo, cinco colores. El procesador PNT comprende al menos un filtro digital programable en frecuencia central y en banda de paso de entrada y capaz de seleccionar o desmultiplexar las sub-bandas presentes en las entradas del procesador. El procesador PNT también comprende un conmutador o un enrutador capaz de enrutar una sub-banda desde una entrada del procesador a una salida del procesador y al menos un filtro digital programable en frecuencia central y en banda de paso en la salida capaz de multiplexar las sub-bandas en las salidas del procesador PNT.
En la figura 5, se ha mostrado un ejemplo de enrutamiento realizado por un procesador PNT en aplicación de una asignación de recursos de frecuencia a haces de usuario decididos por el administrador de recursos de radio RRM. según este ejemplo, al punto o haz de usuario número 1, se han asignado los colores C1 y C2, presente en la salida 1 del procesador PNT; para detectar 2 se han asignado los colores C1, C4 y C5, presente en la salida 2 del procesador PNT. Estas bandas o colores de frecuencia se transmiten a la entrada 1 del procesador PNT para el enlace de alimentación entre la estación de alimentación SA1 y el satélite SAT. En el punto 8 se asignaron los colores C1, C3 y C5, presentes en la salida 8 del procesador PNT; estos colores se transmiten a la entrada 2 del procesador PNT por el enlace de alimentación entre la estación de alimentación SA2 y el satélite SAT.
La figura 6 representa una realización de ejemplo de un procesador digital transparente PNT que tiene dos entradas y ocho salidas. En cada entrada, hay un convertidor analógico a digital CAN que muestrea y convierte en forma digital la señal de radio proveniente de las estaciones de alimentación y que consiste en un multiplex de frecuencia de 10 sub-bandas. Esta señal digital está destinada a un desmultiplexor DEMUX con una entrada y diez salidas, cuya función es filtrar cada sub-banda, convertir en frecuencia y dirigir a una entrada de un enrutador ENRUT. Cada filtro es programable en banda de paso y frecuencia central. El enrutador ENRUT dirige cada una de sus veinte entradas a una de sus cuarenta salidas. Las salidas del enrutador ENRUT están conectadas a ocho multiplexores de frecuencia MUX con cinco entradas y una salida, cuya función es reconstituir un multiplex de frecuencia con, como máximo, las cinco sub-bandas presentes en sus cinco entradas. Cada multiplexor MUX es programable en coherencia con la programación de los filtros de los demultiplexores DEMUX. La salida de un multiplexor MUX está conectada a un convertidor digital a analógico CNA que convierte las señales digitales en señales de radio destinadas a los puntos del usuario.
La figura 6bis representa una variante de realización del procesador digital transparente PNT descrito en la figura 6, en el que se instala una red de formación de haces mediante el cálculo de f Fc entre el enrutador ENRUT y los multiplexores MUX. En este modo de realización, las salidas del procesador PNT corresponden a los elementos radiantes de una antena multihaz activa.
La figura 7 muestra esquemáticamente, funcionalmente, un ejemplo de un sistema de telecomunicaciones por satélite según la invención. El sistema según la invención implementa un procedimiento particular para asignar recursos de radio que implementa el administrador de recursos de radio RRM. Este equipo interactúa con una base de datos de usuarios 730 que contiene información relacionada con la posición geográfica de cada terminal de usuario, así como información sobre las características y las prestaciones de radio de cada terminal de usuario y el nivel de calidad de servicio suscrito por cada usuario. Toda esta información se suministra al administrador de recursos de radio RRM a través de un canal de comunicación 73. Por otra parte, el sistema también comprende también una base de datos satelital 720 que contiene los diagramas de las antenas del satélite SAT que permiten deducir las ganancias de la antena en cada dirección señalada. Esta información se proporciona al administrador de recursos de radio a través de un canal de comunicación 72. El sistema también comprende una base de datos meteorológicos 710 que contiene información que hace posible determinar el nivel de atenuación de la señal en el enlace de usuario 16 en función de las condiciones meteorológicas actuales y pronosticadas en las diversas celdas iluminadas por los haces de antena. Esta información se suministra al administrador de recursos de radio RRM a través de un canal de comunicación 71. El administrador de recursos de radio RRM también se comunica con las
estaciones de alimentación SA y el satélite SAT.
Cada estación de alimentación SA transmite, a través de un canal de comunicación 74 al administrador de recursos de radio RRM, información sobre el estado del tráfico en cada uno de los puntos de usuario. Esta información incluye al menos para cada enlace activo: la identidad del terminal, la calidad de servicio requerida para el terminal, la relación señal a ruido, la atenuación atmosférica, el índice de código utilizada en el enlace. Esta información también incluye para cada enlace que se establecerá en el siguiente tramo: la identidad del terminal y la calidad de servicio requerida por el terminal.
El administrador de recursos de radio RRM transmite a través de un canal de comunicación 11, que puede ser, por ejemplo, el enlace de control remoto del satélite SAT, la configuración que se aplicará al equipo de radio de la carga útil CU, en particular información destinada a la programación del procesador digital transparente PNT.
El administrador de recursos de radio RRM transmite a través de un canal de comunicación 75, en las estaciones de alimentación SA, información sobre el tráfico que se establecerá en el siguiente tramo en cada uno de los puntos de usuario e información sobre la configuración del satélite resultante de la asignación de recursos decidida por el administrador de recursos de radio RRM.
El administrador de recursos de radio RRM puede implementarse mediante un procesador integrado o no, o mediante un dispositivo específico. El procesador puede ser un procesador genérico, un procesador específico, un circuito integrado propio de una aplicación (conocido también bajo el nombre inglés ASIC de "Application-Specific Integrated Circuit") o una red de puertas programables in situ (conocido también bajo el nombre inglés FPGA de "Field-Programmable Gate Array"). El administrador de recursos de radio RRM puede usar uno o más circuitos electrónicos dedicados o un circuito de propósito general. La técnica de la invención puede realizarse en una máquina computación reprogramable (un procesador o un microcontrolador, por ejemplo) que ejecuta un programa que comprende una secuencia de instrucciones o, en una máquina de computación dedicada (por ejemplo, un conjunto de puertas lógicas como un FPGA o un ASIC o cualquier otro módulo de hardware).
La figura 8 da un ejemplo de la secuencia de etapas del administrador de recursos de radio RRM de un sistema de acceso a Internet por satélite que implementa la presente invención. La secuencia de etapas descritas en la figura 8 se realiza al final de cada tramo para aplicar una nueva asignación de recursos para el siguiente tramo. La primera etapa 81 consiste en recopilar los datos y la información necesarios para los cálculos de la configuración de asignación. La segunda etapa 82 comprende el cálculo de la configuración de asignación para el siguiente tramo. La siguiente etapa 83 comprende transmitir la información de configuración al satélite y a las estaciones de alimentación.
La figura 9 muestra esquemáticamente un ejemplo de un administrador de recursos de radio RRM según la invención.
El administrador de recursos de radio RRM recibe como entrada las características de los terminales de usuario almacenados en la base de datos de usuarios 730, la lista 900 de enlaces de usuarios activos durante el tramo anterior, una medida 930 de las relaciones señal/ruido y/o tasas de modulación y codificación de enlaces de usuario activos, así como los datos meteorológicos en el área de cobertura satelital almacenados en la base de datos meteorológicos 710.
Un primer módulo de cálculo 910 está configurado para trazar un mapa de tráfico, es decir, una lista de enlaces de usuarios que se establecerán, así como sus características. Este mapa de tráfico se almacena en una base de datos 920.
Un segundo módulo de cálculo 950 está configurado para estimar el nivel de atenuación atmosférica o, más generalmente, el nivel de degradación experimentado por cada enlace de usuario que se va a establecer. Estas estimaciones se almacenan en una base de datos 960.
Un tercer módulo de cálculo 970 está configurado para determinar la asignación de recursos de radio a cada enlace de usuario para establecer y almacenar la configuración de asignación de recursos determinada en una base de datos 980. El tercer módulo de cálculo recibe los datos guardados en las bases de datos 920 y 960, así como en la base de datos 720 de las características de las antenas de satélite.
Desde esta configuración de asignación de recursos, se establece el tráfico 990 en el siguiente tramo. Dicho de otro modo, se establece la lista de enlaces activos con sus características, así como la configuración de hardware y software 991 del satélite SAT y de las estaciones de alimentación SA para implementar esta configuración de asignación de recursos.
La figura 10 representa un diagrama de flujo que detalla las etapas para implementar el procedimiento para asignar recursos de radio según la invención. Este procedimiento lo implementa un administrador de recursos de radio RRM. Se refiere a la asignación de bandas de frecuencia para los enlaces directos desde las estaciones de alimentación a los terminales de usuario.
Un objetivo del procedimiento según la invención es maximizar el número de terminales de usuario activos simultáneamente con las siguientes restricciones. Una primera restricción es no exceder la potencia de radiofrecuencia total disponible en el satélite SAT, así como la potencia de radiofrecuencia máxima de cada amplificador multipuerto MPA. Otra restricción es no exceder la capacidad de procesamiento del procesador digital transparente PNT. Otra restricción es no exceder la banda de paso de los enlaces de alimentación. Otra limitación es establecer todos los enlaces de usuario con una relación señal/ruido más interferencia mayor que la requerida para garantizar una calidad de servicio predeterminada para cada enlace. De este modo, se atenderá a un usuario si la relación señal/ruido más interferencia lograda en el enlace del usuario es mayor que la relación señal/ruido requerida por el nivel de calidad de servicio.
El procedimiento se ejecuta de forma iterativa para cada nuevo intervalo de tiempo asignado a los usuarios para comunicarse.
La primera etapa 2010 del procedimiento de asignación de recursos consiste en establecer una lista de terminales que estarán activos en el siguiente tramo y en definir el orden de asignación a partir de los datos 1010 contenidos en el mapa de tráfico almacenado en la base 920 en la figura 9. El orden de asignación de recursos a los terminales puede ser aleatorio, puede seguir criterios de prioridad o resultar de un algoritmo de programación como el algoritmo de torniquete ponderado, Robin Round ponderado ((Weighted Robin Round en inglés).
Las siguientes etapas del procedimiento se ejecutan para cada terminal de la lista establecida en la etapa 2010, en un orden predeterminado, por ejemplo en función de las prioridades.
En una segunda etapa 2020, se calcula un balance de enlace nominal para el terminal actual al que se quiere asignar recursos de comunicación. El cálculo de un balance de enlace incluye la determinación de una relación señal/ruido SNRn realizada en ausencia de interferencias en el enlace entre una estación de alimentación y el terminal. La inversa de la relación señal/ruido SNRn es igual a la suma de las inversas de una relación señal/ruido más SNIRs de interferencia realizadas en el enlace de alimentación y en el repetidor de satélite y de una relación señal/ruido SNRd en el enlace descendente por satélite al terminal: SNRn-1 = SNIRs-1 SNRd-1.
La relación señal/ruido SNRd se puede calcular a partir de la ecuación de balance de enlace: SNRd = PIREu. (G/T)u. Lu. Au. 1/(k.B).
PIREu es la potencia isotrópica radiada equivalente emitida en la dirección del terminal de usuario O por la antena que genera el haz que ilumina el punto que contiene el terminal de usuario u. El valor de la potencia PIREu se define para cada clase de terminal y servicio según las necesidades del usuario. Esto puede ser, por ejemplo, la potencia PIRE CON cielo despejado necesaria para proporcionar un servicio determinado a una clase de terminal. (G/T)u es la factor de mérito del terminal, que se obtiene de la base de datos 730,
Lu son las pérdidas de propagación en el espacio libre entre el satélite y el terminal,
Au son las atenuaciones sufridas por la señal en el enlace descendente entre el satélite y el terminal. Las atenuaciones Au están contenidas en un mapa de atenuación 1020 y se determinan a partir de datos meteorológicos k es la constante de Boltzmann y B la banda de paso del canal. La inversa de la relación señal/ruido más la interferencia SNIRs es la suma de las inversas de la relación señal/ruido producidas en el enlace de alimentación SNRa y de la relación señal/intermodulación SIRm: : SNIRs-1 = SNRa-1 SIRm-1. Estas intermodulaciones son generadas por los amplificadores multipuerto MPA integrados en el satélite. La evaluación de la relación entre señal y la intermodulación SIRm se realiza a partir del conocimiento del punto de operación (es decir, la caída de potencia o el retroceso, back-off en inglés) de los amplificadores multipuerto MPA; el punto de operación generalmente es accesible por telemetría satelital.
La relación señal/ruido SNRa del enlace de alimentación se puede calcular a partir de la ecuación del balance de enlace: SNRa = PIREg. (G/T)sat. La. Aa. 1/(k.B).
(G/T)sat es el factor de mérito del satélite hacia la estación de alimentación que se conoce por construcción, La son las pérdidas de propagación en el espacio libre entre la estación de alimentación y el satélite,
Aa son las atenuaciones sufridas por la señal en el enlace ascendente entre la estación de alimentación y el satélite. Las atenuaciones Aa están contenidas en un mapa de atenuación 1020 o estimadas por extrapolación a partir de mediciones de atenuaciones de enlace descendente realizadas en la estación de alimentación.
PIREg es la potencia isotrópica radiada equivalente emitida hacia el satélite por la antena de la estación de alimentación de señal destinada al usuario u. El valor de PIREg se determina a partir del valor de PIREu invirtiendo la fórmula: PIREu = PIREg. Gsat. La. Aa.
Gsat es la ganancia del satélite, es igual a la ganancia de la antena de satélite hacia la estación de alimentación que se conoce por construcción, multiplicado por la ganancia del repetidor satelital que se conoce por la telemetría satelital, multiplicado por la ganancia de la antena de satélite en la dirección del usuario u que se guarda en la base de datos de la antena 720. En la siguiente etapa 3020, la relación señal/ruido calculada SNRn se compara con una relación señal/ruido requerida SNRr. Si SNRn es menor que SNRr, el terminal asociado se rechaza de la lista y se pasa al siguiente terminal. En el caso contrario, se procede a la etapa 2030.
En una etapa 2030 siguiente, se calcula la potencia de radio necesaria, para el amplificador multipuerto asociado con el haz que ilumina el punto en el que se encuentra el terminal de usuario, para poder obtener una potencia isotrópica radiada equivalente PIREu que corresponde al utilizado para calcular la relación señal/ruido SNRd en el enlace descendente entre el satélite y el terminal. La potencia de radio necesaria se calcula en particular a partir de
la ganancia de la antena 1030 asociada con el punto que contiene el terminal, en la dirección del terminal y de la potencia irradiada isotrópica equivalente, PIREu, que es igual al producto de la potencia de radio multiplicada por la ganancia de la antena. Opcionalmente, la ganancia de la antena se puede dividir por las pérdidas entre la salida del amplificador y la entrada de la antena. Las ganancias de las antenas 1030 están contenidas en la base de datos de antenas descrita en la figura 9.
El cálculo de la potencia de radio necesaria se realiza para todos los terminales para los que ya se ha asignado una asignación, en el marco actual. A continuación, se calcula la suma de las potencias de radio de todos los amplificadores MPA de la carga útil del satélite.
En una etapa 3030, la suma de las potencias de radio calculadas se compara con un umbral de capacidad de potencia máxima. Si se supera el umbral, el terminal actual se rechaza y se concluye que toda la potencia disponible en la carga útil se usa para el tramo actual. A continuación, se pasa al siguiente tramo.
En el caso contrario, se pasa a la siguiente etapa 2040 que consiste en calcular una relación señal/interferencia SIRc para todos los canales disponibles que pueden asignarse al terminal.
La relación señal/interferencia SIRc es la relación de la potencia isotrópica radiada equivalente PIREu del haz de la antena hacia el terminal del usuario en su punto sobre la suma de las potencias adiadas isotrópica equivalentes PIREj de las señales interferentes transmitidas hacia el terminal del usuario u y correspondiente a los otros haces de antena asociados con los otros puntos en la cobertura. La potencia isotrópica radiada equivalente PIRE es el producto de la potencia de radio multiplicada por la ganancia de la antena, las diferentes potencias isotrópicas radiadas equivalentes PIREj se calculan a partir de las potencias de radio calculadas en la tarea 2030 y las ganancias de la antena 1030 de la base de datos de antenas.
Esto implica calcular los balances de enlace para todas las combinaciones de asignación de terminales a los canales y elegir en la siguiente etapa 3040 la combinación de asignación de terminal/canal maximizando el número de terminales que pueden establecer un enlace de la calidad solicitada. Es decir verificar: SNRn-1 SIRc-1 á SNRr-1. Los cálculos de la relación señal/interferencia solo consideran la interferencia en la banda de paso del canal que se analiza, es decir, la interferencia de otros usuarios que usan el mismo canal. La interferencia debida a los usuarios de canales adyacentes no se tiene en cuenta en esta realización de la invención.
La dificultad de esta tarea radica en el aumento exponencial en el número de cálculos en función del número de posibles combinaciones de asignación y, por lo tanto, del número de terminales y canales. Este es un problema de optimización combinatoria. En una realización de la invención, el uso de un algoritmo codicioso permite resolver el problema de optimización paso a paso y obtener una solución satisfactoria. De este modo, siguiendo el orden de asignación definido en la etapa 2010, para cada terminal en la lista, se le asigna el primer canal no utilizado en la lista de canales. Si se respetan todos los balances de enlaces
(SNRn-1 SIRc-1 á SNRr-1), este canal se asigna a este terminal y se pasa al siguiente terminal de la lista. En el caso contrario, se intenta asignar el siguiente canal a este terminal y así sucesivamente hasta el final de la lista de canales. Si ningún canal permite la asignación al terminal, este terminal es rechazado de la lista.
En una etapa 2050 siguiente, se calculan los planos de frecuencia de los enlaces de la fuente de alimentación. Si la banda de paso de los enlaces de alimentación no permite multiplexar el número de canales que se han asignado a los terminales, los terminales en exceso se descartan en la etapa 3050.
Por último, en una última etapa 2060, se finaliza el tráfico del próximo periodo y se calcula la configuración de hardware del satélite y de las estaciones de alimentación que serán transmitidas por los enlaces de comunicación 75 y 11 de la figura 7.
La figura 11 muestra, a título ilustrativo, dos ejemplos de diagramas de antena para dos puntos diferentes.
La figura 12 muestra, en un diagrama de frecuencia de tiempo, un ejemplo de asignación de canales de frecuencia a diferentes puntos. Sobre este ejemplo, los canales 1 y 2 se asignan a ciertos usuarios del punto 1, los canales 2,4 y 5 se asignan a ciertos usuarios del punto 2, los canales 2 y 4 se asignan a ciertos usuarios del punto 3, los canales 2, 3, 4, 5 se asignan a ciertos usuarios del punto 4.
La figura 13 da un ejemplo de la asignación de los canales 1 a 5 a los terminales de usuario U1 a U12 según el procedimiento descrito en la figura 10. En este ejemplo, el terminal U1 es el primer terminal en la lista de terminales que solicitan un servicio. Este terminal está ubicado en el punto 1. El canal 1 está asignado al terminal U1 del punto 1. El siguiente terminal es la terminal U2 ubicado en el punto 2, el procedimiento de asignación le asigna el canal 2. El siguiente terminal U3 se encuentra en el punto 2. En primera intención, el canal 1 está asignado al terminal U3. Los cálculos de los balances de enlace y, en particular, el cálculo de las relaciones señal/interferencias (los terminales U1 del punto 1 y U3 del punto 2 interfieren entre sí) confirman la validez de esta asignación. El siguiente terminal U4 está en el punto 3. Un primer intento de asignar el canal 1 falla debido al alto nivel de interferencias, (aquí, los terminales U1 y U3), el segundo intento exitoso de asignación del canal 2. La aplicación del procedimiento de asignación permite la asignación de canales a los terminales con la excepción del terminal U11 para el cual
ninguna configuración de asignación permite establecer un enlace con la calidad de servicio requerida.
La figura 14 representa un diagrama de flujo de una variante de realización del procedimiento según la invención descrita en la figura 10. En esta variante de realización, la carga útil del satélite está equipada con una antena multihaz activa y un procesador digital PNT transparente que incluye una red de formación de haz mediante cálculo FFC. El sistema está configurado para funcionar según un procedimiento de acceso a recursos de tipo SDMA (para acceso múltiple por división espacial, Spatial Division Multiple Access en inglés), es decir, que el sistema de antena AMU descrito en la figura 3 del satélite genera un haz en la dirección de cada terminal activo que ha establecido un enlace. El sistema de antena AMU genera una multitud de haces dinámicos, cuyo número, las direcciones en las que se señala y las formas varían continuamente según el tráfico.
El procedimiento de asignación según la variante descrita en la figura 14 comprende las mismas etapas de cálculo que en el caso del procedimiento de modo de punto fijo descrito en la figura 10 desde la etapa 2010 hasta la etapa 2060. La diferencia entre las dos variantes de la invención radica en el hecho de que las ganancias de antena necesarias para los cálculos de los balances de enlace realizados en la etapa 2020, los cálculos de potencia de radio realizados en la etapa 2030 y los cálculos de nivel de interferencia realizados en la etapa 2040 no provienen de una base de datos de antenas sino que se proporcionan mediante un paso de cálculo de diagramas de puntos 2070. Esta etapa de cálculo 2070 sintetiza los haces dinámicos que apuntan a todos los terminales de la lista, desarrolla y transmite los diagramas de ganancia de estos haces en las etapas 2020, 2030 y 2040 y proporciona las leyes de control 1050 destinadas a la red de formación de haces mediante el cálculo de FFC incluido en el procesador digital transparente PNT. Estas leyes de control 1050 permiten que la antena activa genere los haces dinámicos que apuntan a los terminales para el siguiente tramo de asignación.
En última instancia, los diagramas de ganancia calculados en la etapa 2070 se almacenan en una base de datos de antenas y se reutilizan si es necesario durante otro cálculo de asignación.
Claims (12)
1. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia, de una lista de canales, a una pluralidad de terminales en un sistema de telecomunicaciones por satélite multihaz que comprende un satélite y al menos una estación de alimentación, comprendiendo el satélite al menos un amplificador y al menos una antena, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- establecer (2010) una lista de terminales activos y, para cada terminal,
- determinar (2020) una primera relación señal/ruido SNRn para el enlace entre una estación de alimentación y el terminal a través del satélite, al menos a partir de una estimación de la atenuación (1020) sufrida por la señal en función de las condiciones de propagación de la señal,
- retirar (3020) el terminal de la lista de terminales activos si la primera relación señal/ruido es inferior a un umbral predeterminado,
- calcular (2030) la potencia de radiofrecuencia necesaria del amplificador asociado con el haz que ilumina el terminal para obtener dicha primera relación señal/ruido,
- retirar (3030) el terminal de la lista de terminales activos si la suma de las potencias de radiofrecuencia necesarias de todos los amplificadores del satélite supera un umbral de capacidad de potencia máxima, - para cada canal seleccionado en la lista de canales de frecuencia,
i. calcular (2040) una relación señal/interferencia SIRc para dicho terminal en el canal seleccionado, ii. si la suma de la primera relación señal/ruido SNRn y de la relación señal/ interferencia SIRc es menor que dicho umbral predeterminado, asignar el canal seleccionado a dicho terminal,
iii. Si no, seleccionar otro canal.
2. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según la reivindicación 1, en el que la primera relación señal/ruido SNRn se determina a partir de una relación señal/ruido más interferencias SNIRs en un enlace de alimentación entre una estación de alimentación y el satélite y una segunda relación señal/ruido SNRd para el enlace descendente entre el satélite y el terminal.
3. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según la reivindicación 2, en el que la segunda relación señal/ruido SNRd se determina al menos a partir de la potencia isotrópica radiada equivalente PIREu transmitida por una antena del satélite hacia dicho terminal, una estimación de la atenuación Au experimentada por la señal en función de las condiciones de propagación de la señal.
4. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la potencia de radiofrecuencia necesaria del amplificador asociado con el haz que ilumina el terminal se determina al menos a partir de una ganancia de la antena del satélite que genera dicho haz en la dirección del terminal.
5. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según la reivindicación 4, en el que los haces generados por el satélite son fijos y las ganancias de las antenas de satélite se calculan previamente y se almacenan en una base de datos.
6. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según la reivindicación 4, en el que los haces generados por el satélite son reconfigurables y las ganancias de las antenas del satélite están determinadas por un módulo de cálculo de diagrama de antena.
7. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, en el que se calculan las potencias de radiofrecuencia necesarias de todos los amplificadores del satélite para cada terminal al que se ha asignado un canal de frecuencia.
8. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el umbral predeterminado es una relación señal/ruido requerida para garantizar un nivel dado de calidad de servicio.
9. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las condiciones de propagación de la señal se determinan a partir de datos meteorológicos.
10. Procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las etapas del procedimiento se repiten variando en cada iteración un intervalo de tiempo asignado a los terminales para la comunicación.
11. Administrador de recursos de radio (RRM) configurado para implementar el procedimiento de asignación de canales de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores.
12. Sistema de telecomunicaciones por satélite que comprende un satélite multihaz (SAT), al menos una estación de alimentación (SA1, SA2) para establecer un enlace de comunicación entre una red (INT) y una pluralidad de terminales (TER), mediante satélite (SAT) y un administrador de recursos de radio (RRM) según la reivindicación 11.
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