6G时代的按需服务卫星通信网络

　　卫星通信网络在弥补数字鸿沟和增强全球数字经济服务健壮性等方面发挥着不可替代的作用，是未来信息通信基础设施的重要组成部分。本书重点从卫星通信网络效能评估、星座设计、频率使用方式、波束资源调度方式、按需接入管理、软件定义卫星通信网络几个方面，阐述按需服务卫星通信网络的设计理念与设计方法以及效能分析等。全书共 7 章，第 1 章介绍 6G 时代卫星通信网络的创新需求与发展趋势，从科学、技术、工程 3 个方面分析按需服务卫星通信网络面临的问题及挑战；第 2 章结合卫星广域业务分布的时空非均匀特征，探讨结合服务效益和服务成本的卫星通信网络评估准则，初步研究系统容量与星座规模及服务用户规模的关系；第 3 章讨论当前宽带卫星通信网络多重覆盖的新特征，重点阐述科学利用频轨资源的泛同步轨道新理念，介绍按需覆盖星座设计方法，并分析多重覆盖效能；第 4 章讨论非静止轨道卫星通信系统频谱共存时面临的干扰规避和减缓问题；第 5 章和第 6 章围绕卫星通信网络用户链路资源按需管理需求，讨论包括跳波束系统架构与调度策略、业务预测与接入资源管理等面向按需服务的通信技术设计方法；第 7 章介绍软件定义卫星通信网络的概念，以及面向中低轨混合星座的软件定义卫星通信网络架构，并给出控制面在线带宽分配优化方法与数据面星载可编程多协议处理交换架构等实例。本书可作为卫星通信网络相关专业研究生的参考用书，也可供从事卫星通信网络领域研究、系统设计与开发、网络运营等工作的相关人员参考。

　　匡麟玲 长江学 者特聘教授，现任清华大学宇航技术研究中心副主任，北京信息科学与技术国家研究中心首 席研究员、空天信息基础研究部主任，清华大学第十一届学术委员会委员，国家6G技术研发总体专 家组专 家。长期从事卫星通信网络、通信小卫星系统等领域的研究工作，在卫星通信等领域获得多项创新科技成果，获国家技术发明奖等奖项。曾担任“灵巧通信试验卫星”工程任务副总师和卫星总师，现任“智慧天网创新工程”总师。 晏坚 博士，北京信息科学与技术国家研究中心研究员。分别于1998、2001和2010年在清华大学电子工程系获学士、硕士和博士学位。主要从事空间网络体系结构与协议、星上处理与交换领域的研究工作，作为项目负责人先后承担多项863计划、国家自然科学基金课题研究，获国家技术发明奖等奖项。曾担任“灵巧通信试验卫星”工程任务副总师和星载计算机负责人，现任“智慧天网创新工程”副总师。 陆建华 清华大学教授，中国科学院院士，国家自然科学基金委员会党组成员、副主任。IEEE Fellow，中国电子学会会士，中国人工智能学会会士，中国通信学会会士。现任《中国通信》（英文版）主编，中国电子学会副理事长，国务院学位委员会信息与通信工程学科评议组召集人。主要从事空间网络、宽带无线通信、信息与信号处理等研究，取得多项创新科技成果，并在国家绕月探测、大容量微波接力系统等工程中获得重要应用。获国家自然科学奖二等奖、国家技术发明奖二等奖，以及“中国卫星应用杰出贡献奖”等奖项，被授予“探月工程嫦娥二号任务突出贡献者”称号。发表主要学术论文200余篇，获国家发明专利80余项。 靳瑾 博士，副研究员，2011年毕业于北京理工大学导航制导与控制专业，之后进入清华大学力学流动站从事博士后研究工作，2013年起，先后进入清华大学宇航技术研究中心、北京信息科学与技术国家研究中心工作。主要从事空间信息系统研究，涵盖航天器动力学与控制、航天任务分析、卫星通信等内容，以技术负责人身份，承担/参与了多项国家自然科学基金、863计划课题研究和卫星研制工程项目。曾担任“灵巧通信试验卫星”工程任务总师助理和姿控分系统负责人，现任“智慧天网创新工程”总师助理。在灵敏航天器轨道姿态动力学与控制、多目标优化设计、通信系统干扰分析与频谱共存等领域取得丰富科研成果，发表学术论文30余篇，已申请/获得国家专利授权20余项。获中国通信学会科学技术奖一等奖（排名第3）和卫星导航定位科学技术进步奖一等奖（排名第2）。 葛宁 清华大学研究员、博士生导师，现任清华大学宇航技术研究中心副主任，曾任清华大学电子工程系通信所所长。分别于1993和1997在清华大学获得学士和博士学位。主要从事通信片上系统、短距离无线通信、宽带无线网络等方面的研究工作。先后负责国家重点研发计划、科技重大专项、863计划目标导向、973计划课题和国家自然科学基金重点项目等。发表SCI论文40余篇，获得专利授权20余项、集成电路布图设计专有权2项。获得2017年通信学会科学技术奖一等奖、2014年和2017年吴文俊人工智能科学技术进步奖一等奖、2020年电子学会科学技术奖一等奖、2016年电子学会创新团队奖。

第 1 章 绪论 001
1.1 6G 时代的卫星通信网络创新 . 002
1.2 卫星通信网络的发展趋势与按需服务 004
1.2.1 卫星通信网络的发展趋势 . 004
1.2.2 按需服务卫星通信网络 006
1.3 按需服务卫星通信网络面临的问题 . 007
1.3.1 科学问题 008
1.3.2 技术问题 009
1.3.3 工程问题 011
1.4 本书内容 013
参考文献 014

第 2 章 卫星通信网络的容量分析和效能评估 . 017
2.1 引言 . 018
2.2 基于随机几何的卫星通信网络性能分析方法 019
2.2.1 随机几何基本概念 . 019
2.2.2 卫星通信网络模型与评价指标 020
2.2.3 卫星通信网络的通信链路特征 026
2.3 卫星通信网络效率评估 028
2.3.1 卫星通信网络效率定义 029
2.3.2 卫星通信网络业务分布与网络效率分析 031
2.4 卫星通信网络容量分析评估 . 039
2.4.1 卫星下行链路容量分析 040
2.4.2 卫星上行链路容量分析 041
2.5 本章小结 054
参考文献 055

第 3 章 按需覆盖星座设计方法与效能分析 059
3.1 引言 060
3.2 现有卫星通信网络特点与需求 062
3.2.1 典型的卫星通信网络 . 062
3.2.2 特点与按需覆盖需求 . 065
3.3 星座构型与覆盖特性 . 066
3.3.1 星座构型设计考虑因素 066
3.3.2 常见星座构型及参数 . 068
3.3.3 星座覆盖特性 069
3.4 覆盖重点区域的星座设计 071
3.4.1 泛同步轨道星座设计 . 071
3.4.2 按需覆盖的星座设计方法 074
3.5 星座多重覆盖特性与效能分析 078
3.5.1 典型星座的覆盖特性与效能 . 079
3.5.2 用户视角下星座覆盖特性与效能 082
3.6 本章小结 086
参考文献 087

第 4 章 卫星通信系统间频谱共存与干扰减缓处理 089
4.1 引言 090
4.2 NGSO 卫星通信系统间干扰分析方法 093
4.2.1 干扰分析基础知识与一般方法 093
4.2.2 O3b 系统对 OneWeb 系统信关站的干扰分析 101
4.2.3 Starlink 系统对 OneWeb 系统用户站的干扰分析 104
4.3 NGSO 卫星通信系统间干扰减缓方法 108
4.3.1 非合作干扰减缓方法 108
4.3.2 多星座间合作干扰减缓方法 118
4.4 本章小结 130
参考文献 131

第 5 章 面向按需服务的卫星通信跳波束技术 . 133
5.1 引言 . 134
5.2 卫星跳波束系统架构与实现方法 135
5.2.1 卫星跳波束系统模型 135
5.2.2 卫星跳波束实现架构与超帧格式 . 140
5.3 卫星跳波束资源调度方法 150
5.3.1 单星跳波束系统与资源调度方法 . 150
5.3.2 多星跳波束系统与资源调度方法 . 165
5.4 本章小结 178
参考文献 179

第 6 章 面向按需服务的卫星通信网络上行资源管理 . 181
6.1 引言 . 182
6.2 卫星通信网络业务分析 183
6.2.1 时空非均匀业务的预测及资源管理流程 183
6.2.2 业务预测模型 184
6.3 卫星通信网络上行资源管理架构与关键技术 185
6.3.1 资源管理架构 185
6.3.2 上行链路资源管理关键技术 186
6.4 基于业务预测的上行链路资源管理 . 188
6.4.1 冗余优化的重复时隙 ALOHA 协议. 188
6.4.2 自适应更新间隔的接入控制方法 . 197
6.4.3 面向混合业务的随机接入与数据传输联合资源管理方法 . 209
6.5 本章小结 221
参考文献 222

第 7 章 面向按需服务的软件定义卫星通信网络 . 225
7.1 引言 226
7.2 软件定义卫星通信网络系统架构 227
7.2.1 软件定义卫星通信网络技术发展历程 228
7.2.2 软件定义卫星通信网络总体架构 231
7.2.3 软件定义卫星通信网络关键技术面临的挑战 232
7.2.4 中低轨混合星座的软件定义卫星通信网络 . 235
7.3 控制面与数据面按需服务关键技术 . 238
7.3.1 软件定义卫星通信网络半中心式流量工程算法 239
7.3.2 软件定义卫星通信网络星载可编程多协议数据面 . 262
7.4 本章小结 272
参考文献 272
后记 . 277
名词索引 279