非地球静止卫星通信系统

第1章 NGSO系统介绍与挑战识别 1

1.1 引言 1

1.2 NGSO系统的特征和分类 3

1.2.1 天基互联网提供商 3

1.2.2 小型卫星任务 4

1.3 NGSO卫星部署挑战 4

1.3.1 监管和共存问题 5

1.3.2 星座设计 7

1.3.3 系统控制和运行 7

1.3.4 UE 9

1.3.5 安全挑战 10

1.4 未来的研究挑战 11

1.4.1 开放无线接入网 11

1.4.2 空间飞行任务的宽带连接 12

1.4.3 边缘计算 13

1.4.4 天基云 13

1.4.5 通过NGSO卫星实现物联网 13

1.4.6 NGSO卫星上的缓存 14

1.4.7 无人机/高空平台和NGSO协调 14

1.5 结论 15

本章原书参考文献 15

第2章 NGSO系统的频谱管理 19

2.1 引言 19

2.2 卫星服务频谱管理的基础知识 20

2.2.1 无线电规则介绍 20

2.2.2 国家许可 23

2.3 NGSO系统在FSS中使用的频段汇总 24

2.3.1 Ku频段下行链路（10.7～12.7GHz） 25

2.3.2 Ku频段上行链路（14.0～14.5GHz） 25

2.3.3 Ka频段下行链路 25

2.3.4 Ka频段上行链路 25

2.4 频谱和轨道资源的有效使用：归档过程 26

2.4.1 卫星档案的首次提交 26

2.4.2 无线电通信局对档案的首次审查 26

2.4.3 寻求其他行政当局的同意 27

2.4.4 在MIFR中记录 27

2.4.5 投入使用 27

2.5 NGSO系统和GSO网络之间的共享 28

2.5.1 促进共存的技术缓解措施 28

2.5.2 Ku频段和Ka频段的监管框架 28

2.5.3 较高等级的监管框架 30

2.5.4 比较 30

2.6 公开挑战 31

2.6.1 处理聚合干扰 31

2.6.2 准确模拟运行中的NGSO系统 31

2.6.3 NGSO系统的频谱监测 31

本章原书参考文献 32

第3章 NGSO系统在5G集成中的作用 33

3.1 GPP标准化 35

3.2 启用的服务 37

3.2.1 宽带服务 37

3.2.2 回程通信 37

3.2.3 M2M/物联网 37

3.2.4 关键通信 38

3.3 RAN 38

3.3.1 直接用户接入链路 39

3.3.2 基于IAB的用户接入 41

3.3.3 MC 43

3.3.4 NR适应挑战 44

3.4 系统架构 45

3.5 研发挑战 47

3.5.1 结构设计 47

3.5.2 星座：分层设计 47

3.5.3 资源优化：基础设施作为一种资源 47

3.5.4 动态频谱管理：共存和共享 48

3.5.5 无线电接入技术：灵活性和适应性 49

3.5.6 天线和以用户为中心的覆盖 49

3.5.7 AI：非地面动态特性的利用 49

3.5.8 安全 50

本章原书参考文献 50

第4章 用于NGSO通信的平面天线阵 52

4.1 连通性、连通性还是连通性 52

4.2 NGSO天线设计——规格 53

4.2.1 频率和频段 53

4.2.2 瞬时带宽 54

4.2.3 最大扫描角度 55

4.2.4 切换架构 56

4.2.5 掩码合规性 56

4.3 平板阵列天线的类型 57

4.3.1 模拟无源相控阵 57

4.3.2 模拟有源相控阵 58

4.3.3 基带/中频和数字BFN阵列 60

4.4 结论：相控阵终于出现了吗 61

本章原书参考文献 61

第5章 LEO系统降低单比特成本的方法：RF损伤补偿 63

5.1 介绍 63

5.2 RF损伤的表征模型 65

5.3 RF损伤的数字补偿 68

5.3.1 镜像抑制均衡 68

5.3.2 镜像消除 69

5.3.3 具有抗频率偏移能力的堆叠结构 70

5.3.4 参数的自适应计算 71

5.4 存在RF损伤时的频率偏移估计 72

5.5 数值研究 74

5.5.1 频率偏移估计 74

5.5.2 无噪声散点图 75

5.5.3 瞬态行为 77

5.5.4 性能比较 77

5.6 结论 78

本章原书参考文献 79

第6章 有效载荷设计中的灵活性/复杂性权衡 82

6.1 引言 82

6.2 LEO卫星有效载荷实例 84

6.2.1 具有静态资源分配的多个固定波束覆盖 86

6.2.2 具有BH能力的多波束覆盖 87

6.2.3 具有沿一个轴转向能力的多波束覆盖 87

6.2.4 基准测试中未考虑的其他架构 88

6.3 有效载荷模型 89

6.3.1 辐射模式 89

6.3.2 天线监测 89

6.3.3 HPA 90

6.4 资源分配 91

6.4.1 用户分布场景生成 91

6.4.2 流量场景的分布特性 91

6.4.3 资源分配算法 93

6.4.4 所考虑的资源分配算法的描述 94

6.5 结果 97

6.5.1 架构性能 97

6.5.2 具有实际交通量流量的轨道分析 99

6.5.3 卫星分配容量与有效载荷复杂性之间的权衡 102

6.6 结论 103

本章原书参考文献 104

第7章 NGSO通信中的新型多址接入技术 107

7.1 OMA 107

7.2 基于NOMA的NGSO系统 111

7.2.1 NOMA方案 111

7.2.2 NOMA方案的要点 111

7.2.3 卫星网络中的NOMA方案 113

7.2.4 协同NOMA方案的应用 117

7.3 卫星网络中的增强型ALOHA协议 120

7.3.1 CRDSA 121

7.3.2 IRSA 121

7.3.3 CSA 122

7.4 总结 123

本章原书参考文献 123

第8章 NGSO的无线电资源管理 126

8.1 引言 126

8.2 问题陈述 128

8.2.1 系统模型 128

8.2.2 干扰缓解问题描述 130

8.3 基于博弈论的无线资源分配方法 131

8.3.1 博弈模型 131

8.3.2 NE的存在性 132

8.4 NE迭代算法与实现 134

8.4.1 所提出的迭代算法 134

8.4.2 算法实际实现 134

8.4.3 收敛性分析及其意义 135

8.5 仿真结果 136

8.6 总结 139

本章原书参考文献 140

第9章 NGSO系统中的ISL 143

9.1 引言 143

9.2 当前NGSO星座中ISL的现状 146

9.3 ISL取得的成就 146

9.4 技术和运营挑战 148

9.5 用于ISL的实现技术 151

9.5.1 引言 151

9.5.2 RF 152

9.5.3 光学技术 156

9.5.4 对比 158

9.6 RF ISL天线设计的案例研究 160

9.6.1 案例研究介绍 160

9.6.2 链路预算分析 160

9.6.3 角度扫描需求分析 163

9.6.4 ISL天线的需求和候选技术 165

9.6.5 ISL天线技术选择和天线设计 167

9.6.6 天线原型制造和测量 169

9.7 结论 171

本章原书参考文献 172

第10章 面向全球连接的NGSO星座设计 178

10.1 引言 178

10.2 NGSO星座设计 180

10.3 通信链路 181

10.3.1 GSL 184

10.3.2 ISL 187

10.4 功能和挑战 189

10.4.1 物理层 189

10.4.2 频繁的链路建立和适应 193

10.4.3 路由、负载均衡与拥塞控制 196

10.5 结论 199

本章原书参考文献 200

第11章 NGSO的大规模MIMO传输 203

11.1 引言 203

11.2 系统模型 205

11.2.1 模拟基带中的下行链路信号和信道模型 205

11.2.2 下行卫星通信信道的统计特性 207

11.3 下行链路传输设计 208

11.3.1 传输协方差矩阵的一阶秩性质 208

11.3.2 最优线性接收机 209

11.3.3 预编码向量设计 210

11.3.4 低复杂度实现方法 210

11.4 用户分组 212

11.5 仿真结果 213

11.6 结论 214

本章原书参考文献 215

第12章 NGSO系统中的物联网和RA 217

12.1 NGSO系统中的物联网 218

12.1.1 工作频段 219

12.1.2 NGSO轨道力学效应 221

12.1.3 移动信道特性 226

12.1.4 UE和卫星的频率参考确定 229

12.2 NGSO网络RA的基本原理和挑战 230

12.2.1 为何及何时在卫星网络中使用RA 230

12.2.2 从ALOHA到现代NOMA方案 232

12.2.3 RA信号处理 235

12.2.4 拥塞控制 237

12.3 NGSO RA方案设计 237

12.3.1 物联网前向链路设计 237

12.3.2 物联网回程链路设计 239

12.3.3 关键解调方面 240

12.3.4 性能评估 242

12.4 NGSO RA（标准和专有）解决方案及系统实现示例 246

12.4.1 S频段移动交互式多媒体 246

12.4.2 VDE 246

12.4.3 NB-IoT 247

12.4.4 物联网通用网络 248

12.4.5 在轨演示及后续 249

本章原书参考文献 250

第13章 虚拟网络嵌入NGSO?地面系统：并行计算和基于SDN的测试平台

的实现 255

13.1 引言 255

13.2 VNE 256

13.2.1 关于VNE的研究 258

13.2.2 VNE解决方案 259

13.2.3 问题初始化与表述 259

13.2.4 模拟设置 261

13.2.5 性能评估 262

13.3 基于动态SDN的卫星?地面网络的新型NV方法 264

13.3.1 SDN：网络切片技术的推动者 264

13.3.2 针对VN的基于SDN的TE应用方法 265

13.4 实现基于SDN的动态VNE测试平台 266

13.4.1 实验测试平台 266

13.4.2 操作验证 267

13.5 结论 269

本章原书参考文献 269

第14章 3GPP融合NGSO卫星 272

14.1 5G系统和3GPP流程 272

14.2 5G NTN的架构选项 273

14.2.1 回程传输 273

14.2.2 间接接入 274

14.2.3 直接接入 274

14.3 5G中NTN的标准化 275

14.4 5G NR物理层针对NGSO的增强内容 276

14.4.1 定时关系的增强 277

14.4.2 上行链路时间同步与频率同步 280

14.4.3 极化信号 284

14.5 结论 284

本章原书参考文献 285

第15章 NGSO系统的抗干扰解决方案 287

15.1 卫星路由 287

15.2 NGSO系统的抗干扰路由问题 288

15.2.1 NGSO系统的路由选择问题 290

15.2.2 快速响应抗干扰问题 290

15.2.3 抗干扰路由博弈 291

15.3 NGSO系统抗干扰方案 292

15.3.1 DRLR算法 292

15.3.2 FRA算法 295

15.3.3 对所提方案的分析 296

15.4 实验与讨论 297

15.4.1 多目标路由代价函数的性能 298

15.4.2 DRLR算法的性能 298

15.4.3 FRA算法的性能 300

15.5 总结 303

本章原书参考文献 303

第16章 5G及B5G的NTN测试平台 306

16.1 最先进的NGSO测试平台 306

16.1.1 NGSO测试平台概述 306

16.1.2 硬件组件 308