衛星通信與網絡

楊力，南京理工大學自動化學院院長，教授，博士生導師。主要研究方向為指控網絡系統、網絡化系統建模與控制、無線通信網絡協議等。主持國家自然科學基金優秀青年基金項目、重點項目等，研究成果獲國家科技進步二等獎1項、國防科學技術進步一等獎2項。擔任國家航天局CCSDS專家組專家，發表學術論文30余篇，授權發明專利11項。

目錄

第1章引言

1.1現代社會中衛星技術的作用

1.2關鍵概念和術語

1.3衛星通信簡史

1.4衛星通信系統的利益相關者

1.5所需技術、協議和頻率

1.5.1分層協議參考模型

1.5.2衛星頻段

1.6衛星系統和星地一體化網絡應用領域

1.7小結

練習題

參考文獻

第2章衛星軌道和星座設計

2.1衛星生命周期階段

2.1.1將衛星送入軌道

2.1.2在軌運行

2.1.3衛星脫離軌道

2.2定義衛星運動及其軌道

2.2.1開普勒定律

2.2.2軌道要素

2.2.3衛星鏈路幾何

2.2.4衛星通信的有用軌道

2.2.5衛星地面軌跡

2.3軌道擾動

2.4衛星星座及其設計方法原則

2.4.1現有衛星星座

2.4.2Walker星座設計法

2.4.3街道覆蓋法

2.4.4不連續覆蓋： 稀疏星座

2.5小結

練習題

參考文獻

第3章衛星系統架構和不同類型的衛星

3.1衛星通信系統的高層架構

3.1.1用戶段： 終端及其天線

3.1.2地面段

3.2衛星平臺

3.2.1概述

3.2.2子系統描述

3.3通信有效載荷

3.3.1彎管有效載荷

3.3.2再生和軟件定義有效載荷

3.4目前使用的衛星類型： 基於質量的分類

3.4.1大型衛星

3.4.2中型衛星

3.4.3小型衛星

3.4.4微型衛星和納米衛星： 立方星世界

3.5小結

練習題

參考文獻

第4章空中接口：物理層與天線

4.1數字通信信號

4.1.1基帶信號

4.1.2數字調制

4.1.3調制方法

4.2衛星通信系統中的差錯控制策略

4.2.1自動重傳請求

4.2.2信道編碼： 前向糾錯

4.2.3混合自動重傳請求

4.2.4自適應調制與編碼

4.3天線技術

4.3.1相控陣天線

4.3.2多波束衛星

4.4衛星鏈路和信道模型

4.4.1鏈路預算

4.4.2實用的信道和大氣模型

4.4.3LEO衛星系統的多普勒頻移效應

4.5衛星通信系統中使用的空中接口

4.5.1DVB-S2X

4.5.2LoRaWAN

4.5.35G NR接口

4.6小結

練習題

參考文獻

第5章衛星網絡中的介質訪問

5.1衛星網絡拓撲結構

5.1.1不同拓撲結構介紹

5.1.2星形拓撲與網狀拓撲的比較

5.2MAC協議的分類

5.3無競爭MAC協議

5.3.1時分多址

5.3.2頻分多址

5.3.3碼分多址

5.3.4正交頻分多址和非正交多址

5.4基於競爭的隨機接入協議

5.4.1基本原理

5.4.2時隙隨機接入

5.4.3衛星系統的非時隙隨機接入

5.4.4隨機接入的時延考慮因素

5.5基於需求的分配和波束跳變衛星

5.5.1按需分配多址接入

5.5.2聯合介質訪問與波束跳變設計

5.6小結

練習題

參考文獻

第6章網絡層和傳輸層

6.1網絡功能與網絡級指標

6.1.1網絡協議

6.1.2網絡級性能指標

6.2流量測量與建模

6.3網絡參考模型： OSI和TCP/IP

6.3.1開放系統互連參考模型

6.3.2TCP/IP參考模型

6.4分組交換網絡

6.5互聯網協議

6.5.1傳輸控制協議

6.5.2衛星上的TCP

6.5.3性能增強代理

6.5.4IPSec與隧道技術

6.5.5端到端服務質量管理

6.5.6QUIC協議

6.6DVB-S/DVB-RCS網絡中的IP封裝

6.7衛星網絡

6.7.1通過星間鏈路實現的連接性

6.7.2延遲容忍網絡

6.7.3LEO網絡中的切換

6.7.4多播

6.8軟件定義網絡： 面向未來的方案

6.8.1網絡切片

6.8.2開放無線接入網架構

6.9小結

練習題

參考文獻

第7章衛星地面一體化網絡與5G/6G NTN技術

7.1衛星與地面網絡的融合

7.1.1融合的驅動因素

7.1.2當前衛星與接入點的互聯網服務

7.1.33GPP中集成網絡的簡史： 從1G到5G及更遠

7.1.4架構選項

7.23GPP NTN

7.2.1NTN標準概述： 主要應用場景

7.2.2NTN衛星系統架構

7.2.3時間與頻率同步

7.2.4跨NTN與地面網絡的移動性

7.3直連手持終端通信

7.4基於NTN的機器類通信連接

7.5三維網絡： 邁向6G

7.5.1架構

7.5.26G網絡展望

7.6動態頻譜共享

7.6.1頻譜共享應用場景

7.6.2幹擾估算： 地面系統對衛星下行頻段的次級使用

7.6.3數據庫輔助的頻譜共享

7.7小結

練習題

參考文獻

第8章可持續性、空間安全與網絡安全

8.1可持續性作為發展的驅動力

8.2空間擁堵： 在軌衛星數量

8.2.12020年以來的情況

8.2.2有限的頻率與軌道位置

8.2.3擁堵與碰撞風險

8.3太空安全

8.3.1頻譜管理

8.3.2空間交通管理

8.3.3碎片防護、探測與規避

8.3.4環境影響

8.3.5太空天氣

8.3.6近地天體與深空通信

8.4衛星網絡中的網絡安全概述

8.4.1威脅與攻擊

8.4.2應對措施與NIST框架

8.5地面段作為關鍵資產

8.6融合網絡的網絡安全

8.6.1衛星地面系統中的安全攻擊

8.6.2應對已識別安全威脅的解決方案

8.7面向軟件定義衛星的威脅與解決方案

8.8小結

練習題

參考文獻

附錄練習題答案