非地球靜止衛星通信系統

第1章 NGSO系統介紹與挑戰識別 1
1.1 引言 1
1.2 NGSO系統的特徵和分類 3
1.2.1 天基因特網提供商 3
1.2.2 小型衛星任務 4
1.3 NGSO衛星部署挑戰 4
1.3.1 監管和共存問題 5
1.3.2 星座設計 7
1.3.3 系統控制和運行 7
1.3.4 UE 9
1.3.5 安全挑戰 10
1.4 未來的研究挑戰 11
1.4.1 開放無線接入網 11
1.4.2 空間飛行任務的寬帶連接 12
1.4.3 邊緣計算 13
1.4.4 天基雲 13
1.4.5 通過NGSO衛星實現物聯網 13
1.4.6 NGSO衛星上的緩存 14
1.4.7 無人機/高空平臺和NGSO協調 14
1.5 結論 15
本章原書參考文獻 15
第2章 NGSO系統的頻譜管理 19
2.1 引言 19
2.2 衛星服務頻譜管理的基礎知識 20
2.2.1 無線電規則介紹 20
2.2.2 國家許可 23
2.3 NGSO系統在FSS中使用的頻段匯總 24
2.3.1 Ku頻段下行鏈路（10.7～12.7GHz） 25
2.3.2 Ku頻段上行鏈路（14.0～14.5GHz） 25
2.3.3 Ka頻段下行鏈路 25
2.3.4 Ka頻段上行鏈路 25
2.4 頻譜和軌道資源的有效使用：歸檔過程 26
2.4.1 衛星檔案的首次提交 26
2.4.2 無線電通信局對檔案的首次審查 26
2.4.3 尋求其他行政當局的同意 27
2.4.4 在MIFR中記錄 27
2.4.5 投入使用 27
2.5 NGSO系統和GSO網絡之間的共享 28
2.5.1 促進共存的技術緩解措施 28
2.5.2 Ku頻段和Ka頻段的監管框架 28
2.5.3 較高等級的監管框架 30
2.5.4 比較 30
2.6 公開挑戰 31
2.6.1 處理聚合乾擾 31
2.6.2 準確模擬運行中的NGSO系統 31
2.6.3 NGSO系統的頻譜監測 31
本章原書參考文獻 32
第3章 NGSO系統在5G集成中的作用 33
3.1 GPP標準化 35
3.2 啟用的服務 37
3.2.1 寬帶服務 37
3.2.2 回程通信 37
3.2.3 M2M/物聯網 37
3.2.4 關鍵通信 38
3.3 RAN 38
3.3.1 直接用戶接入鏈路 39
3.3.2 基於IAB的用戶接入 41
3.3.3 MC 43
3.3.4 NR適應挑戰 44
3.4 系統架構 45
3.5 研發挑戰 47
3.5.1 結構設計 47
3.5.2 星座：分層設計 47
3.5.3 資源優化：基礎設施作為一種資源 47
3.5.4 動態頻譜管理：共存和共享 48
3.5.5 無線電接入技術：靈活性和適應性 49
3.5.6 天線和以用戶為中心的覆蓋 49
3.5.7 AI：非地面動態特性的利用 49
3.5.8 安全 50
本章原書參考文獻 50
第4章 用於NGSO通信的平面天線陣 52
4.1 連通性、連通性還是連通性 52
4.2 NGSO天線設計——規格 53
4.2.1 頻率和頻段 53
4.2.2 瞬時帶寬 54
4.2.3 最大掃描角度 55
4.2.4 切換架構 56
4.2.5 掩碼合規性 56
4.3 平板陣列天線的類型 57
4.3.1 模擬無源相控陣 57
4.3.2 模擬有源相控陣 58
4.3.3 基帶/中頻和數字BFN陣列 60
4.4 結論：相控陣終於出現了嗎 61
本章原書參考文獻 61
第5章 LEO系統降低單比特成本的方法：RF損傷補償 63
5.1 介紹 63
5.2 RF損傷的表徵模型 65
5.3 RF損傷的數字補償 68
5.3.1 鏡像抑制均衡 68
5.3.2 鏡像消除 69
5.3.3 具有抗頻率偏移能力的堆疊結構 70
5.3.4 參數的自適應計算 71
5.4 存在RF損傷時的頻率偏移估計 72
5.5 數值研究 74
5.5.1 頻率偏移估計 74
5.5.2 無噪聲散點圖 75
5.5.3 瞬態行為 77
5.5.4 性能比較 77
5.6 結論 78
本章原書參考文獻 79
第6章 有效載荷設計中的靈活性/復雜性權衡 82
6.1 引言 82
6.2 LEO衛星有效載荷實例 84
6.2.1 具有靜態資源分配的多個固定波束覆蓋 86
6.2.2 具有BH能力的多波束覆蓋 87
6.2.3 具有沿一個軸轉向能力的多波束覆蓋 87
6.2.4 基準測試中未考慮的其他架構 88
6.3 有效載荷模型 89
6.3.1 輻射模式 89
6.3.2 天線監測 89
6.3.3 HPA 90
6.4 資源分配 91
6.4.1 用戶分佈場景生成 91
6.4.2 流量場景的分佈特性 91
6.4.3 資源分配算法 93
6.4.4 所考慮的資源分配算法的描述 94
6.5 結果 97
6.5.1 架構性能 97
6.5.2 具有實際交通量流量的軌道分析 99
6.5.3 衛星分配容量與有效載荷復雜性之間的權衡 102
6.6 結論 103
本章原書參考文獻 104
第7章 NGSO通信中的新型多址接入技術 107
7.1 OMA 107
7.2 基於NOMA的NGSO系統 111
7.2.1 NOMA方案 111
7.2.2 NOMA方案的要點 111
7.2.3 衛星網絡中的NOMA方案 113
7.2.4 協同NOMA方案的應用 117
7.3 衛星網絡中的增強型ALOHA協議 120
7.3.1 CRDSA 121
7.3.2 IRSA 121
7.3.3 CSA 122
7.4 總結 123
本章原書參考文獻 123
第8章 NGSO的無線電資源管理 126
8.1 引言 126
8.2 問題陳述 128
8.2.1 系統模型 128
8.2.2 乾擾緩解問題描述 130
8.3 基於博弈論的無線資源分配方法 131
8.3.1 博弈模型 131
8.3.2 NE的存在性 132
8.4 NE迭代算法與實現 134
8.4.1 所提出的迭代算法 134
8.4.2 算法實際實現 134
8.4.3 收斂性分析及其意義 135
8.5 模擬結果 136
8.6 總結 139
本章原書參考文獻 140
第9章 NGSO系統中的ISL 143
9.1 引言 143
9.2 當前NGSO星座中ISL的現狀 146
9.3 ISL取得的成就 146
9.4 技術和運營挑戰 148
9.5 用於ISL的實現技術 151
9.5.1 引言 151
9.5.2 RF 152
9.5.3 光學技術 156
9.5.4 對比 158
9.6 RF ISL天線設計的案例研究 160
9.6.1 案例研究介紹 160
9.6.2 鏈路預算分析 160
9.6.3 角度掃描需求分析 163
9.6.4 ISL天線的需求和候選技術 165
9.6.5 ISL天線技術選擇和天線設計 167
9.6.6 天線原型製造和測量 169
9.7 結論 171
本章原書參考文獻 172
第10章 面向全球連接的NGSO星座設計 178
10.1 引言 178
10.2 NGSO星座設計 180
10.3 通信鏈路 181
10.3.1 GSL 184
10.3.2 ISL 187
10.4 功能和挑戰 189
10.4.1 物理層 189
10.4.2 頻繁的鏈路建立和適應 193
10.4.3 路由、負載均衡與擁塞控制 196
10.5 結論 199
本章原書參考文獻 200
第11章 NGSO的大規模MIMO傳輸 203
11.1 引言 203
11.2 系統模型 205
11.2.1 模擬基帶中的下行鏈路信號和通道模型 205
11.2.2 下行衛星通信通道的統計特性 207
11.3 下行鏈路傳輸設計 208
11.3.1 傳輸協方差矩陣的一階秩性質 208
11.3.2 最優線性接收機 209
11.3.3 預編碼向量設計 210
11.3.4 低復雜度實現方法 210
11.4 用戶分組 212
11.5 模擬結果 213
11.6 結論 214
本章原書參考文獻 215
第12章 NGSO系統中的物聯網和RA 217
12.1 NGSO系統中的物聯網 218
12.1.1 工作頻段 219
12.1.2 NGSO軌道力學效應 221
12.1.3 移動通道特性 226
12.1.4 UE和衛星的頻率參考確定 229
12.2 NGSO網絡RA的基本原理和挑戰 230
12.2.1 為何及何時在衛星網絡中使用RA 230
12.2.2 從ALOHA到現代NOMA方案 232
12.2.3 RA信號處理 235
12.2.4 擁塞控制 237
12.3 NGSO RA方案設計 237
12.3.1 物聯網前向鏈路設計 237
12.3.2 物聯網回程鏈路設計 239
12.3.3 關鍵解調方面 240
12.3.4 性能評估 242
12.4 NGSO RA（標準和專有）解決方案及系統實現示例 246
12.4.1 S頻段移動交互式多媒體 246
12.4.2 VDE 246
12.4.3 NB-IoT 247
12.4.4 物聯網通用網絡 248
12.4.5 在軌演示及後續 249
本章原書參考文獻 250
第13章 虛擬網絡嵌入NGSO?地面系統：並行計算和基於SDN的測試平臺
的實現 255
13.1 引言 255
13.2 VNE 256
13.2.1 關於VNE的研究 258
13.2.2 VNE解決方案 259
13.2.3 問題初始化與表述 259
13.2.4 模擬設置 261
13.2.5 性能評估 262
13.3 基於動態SDN的衛星?地面網絡的新型NV方法 264
13.3.1 SDN：網絡切片技術的推動者 264
13.3.2 針對VN的基於SDN的TE應用方法 265
13.4 實現基於SDN的動態VNE測試平臺 266
13.4.1 實驗測試平臺 266
13.4.2 操作驗證 267
13.5 結論 269
本章原書參考文獻 269
第14章 3GPP融合NGSO衛星 272
14.1 5G系統和3GPP流程 272
14.2 5G NTN的架構選項 273
14.2.1 回程傳輸 273
14.2.2 間接接入 274
14.2.3 直接接入 274
14.3 5G中NTN的標準化 275
14.4 5G NR物理層針對NGSO的增強內容 276
14.4.1 定時關系的增強 277
14.4.2 上行鏈路時間同步與頻率同步 280
14.4.3 極化信號 284
14.5 結論 284
本章原書參考文獻 285
第15章 NGSO系統的抗乾擾解決方案 287
15.1 衛星路由 287
15.2 NGSO系統的抗乾擾路由問題 288
15.2.1 NGSO系統的路由選擇問題 290
15.2.2 快速響應抗乾擾問題 290
15.2.3 抗乾擾路由博弈 291
15.3 NGSO系統抗乾擾方案 292
15.3.1 DRLR算法 292
15.3.2 FRA算法 295
15.3.3 對所提方案的分析 296
15.4 實驗與討論 297
15.4.1 多目標路由代價函數的性能 298
15.4.2 DRLR算法的性能 298
15.4.3 FRA算法的性能 300
15.5 總結 303
本章原書參考文獻 303
第16章 5G及B5G的NTN測試平臺 306
16.1 最先進的NGSO測試平臺 306
16.1.1 NGSO測試平臺概述 306
16.1.2 硬件組件 308
16.1.3 軟件堆棧 311
16.2 OAI的修改 314
16.2.1 對OAI物理層/MAC層的修改 314
16.2.2 OAI RLC/PDCP/RRC層的修改 318
16.3 5G-SpaceLab測試平臺 320
16.3.1 概述 320
16.3.2 SnT衛星通道模擬器 321
16.3.3 案例研究：“NTN上的RA過程” 323
16.4 弗勞恩霍夫5G實驗室 324
16.4.1 實驗室環境 324
16.4.2 案例研究：“使用模擬LEO衛星進行的5G實驗室測試” 326
16.4.3 結論 327
本章原書參考文獻 327
第17章 總結與展望 329