Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

6.3.1
Multiple Beam Switching and Routing
Satellites used for current and evolving interactive voice and data services are very
demanding in terms of the aggregate amount of information to be transferred. In
addition, the satellite antenna system must have the highest possible gain to mini-
mize uplink transmitter power as it often originates from a low-cost device like a
handheld phone or ultrasmall aperture terminal (USAT). The most direct way to
address this from a satellite architecture perspective is to employ many small spot
beams to cover the region of interest. Each beam has a much higher gain than that
of the typical area-coverage type satellite; and it affords a high degree of frequency
reuse with the multiple beam approach.
Figure 6.10 indicates a coverage arrangement for the United States and Puerto
Rico with 22 spot beams that cover the major metropolitan areas. The fact that
small cities and rural areas are not covered limits the service, but puts most of
Figure 6.10
Satellite coverage with multiple spot beams employing frequency reuse and interbeam
routing.

---

210
Spacecraft and Repeater
the power into the potentially more attractive markets. (This may end up being
unattractive since people in metropolitan areas have more options for wireless
services than those in regions uncovered by terrestrial wireless providers.) Alterna-
tively, one could provide a complete cellular-like coverage of the entire region and
thus leave nothing out. With 22 beams, it might be possible to achieve a reuse
factor of 20, meaning that the effective spectrum is 20 times the raw ITU allocations.
If that allocation was 500 MHz, then this satellite, in principle, could achieve a
total of 10 GHz. The actual usable spectrum will be reduced by interference
produced by groupings of beams like the cluster of four in the northeastern United
States. Overlapping of the beams in the west that cover Los Angeles and San
Francisco would be resolved through polarization discrimination like that used in
area coverage systems. Likewise, the beam on Seattle and on Anchorage could be
isolated just by geographic separation with use of the same polarization.
A satellite with 22 beams represents the low end of the range with as many
as 200 being more typical. The Spaceway satellite is actually capable of more than
1,000 beams, each with a proportionately smaller size. The challenge in multibeam
satellite design is to provide the interconnecting paths within the payload so that
traffic can be transferred accurately and efficiently. This is similar to the operation
of switching telephone calls in the public switched telephone network or the routing
of data packets in the Internet. A generic diagram of such a satellite payload is
illustrated in Figure 6.11. There are four techniques for accomplishing this beam-
to-beam transfer:
1. Intermediate frequency (IF) channel routing, retaining modulated carriers;
2. Baseband switching, which requires that carriers be demodulated on board
and the information treated as streams of data that can be switched by a
digital matrix;