6G時代的按需服務衛星通信網絡

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 緒論 001

1.1 6G 時代的衛星通信網絡創新 . 002

1.2 衛星通信網絡的發展趨勢與按需服務 004

1.2.1 衛星通信網絡的發展趨勢 . 004

1.2.2 按需服務衛星通信網絡 006

1.3 按需服務衛星通信網絡面臨的問題 . 007

1.3.1 科學問題 008

1.3.2 技術問題 009

1.3.3 工程問題 011

1.4 本書內容 013

參考文獻 014

第 2 章 衛星通信網絡的容量分析和效能評估 . 017

2.1 引言 . 018

2.2 基於隨機幾何的衛星通信網絡性能分析方法 019

2.2.1 隨機幾何基本概念 . 019

2.2.2 衛星通信網絡模型與評價指標 020

2.2.3 衛星通信網絡的通信鏈路特徵 026

2.3 衛星通信網絡效率評估 028

2.3.1 衛星通信網絡效率定義 029

2.3.2 衛星通信網絡業務分佈與網絡效率分析 031

2.4 衛星通信網絡容量分析評估 . 039

2.4.1 衛星下行鏈路容量分析 040

2.4.2 衛星上行鏈路容量分析 041

2.5 本章小結 054

參考文獻 055

第 3 章 按需覆蓋星座設計方法與效能分析 059

3.1 引言 060

3.2 現有衛星通信網絡特點與需求 062

3.2.1 典型的衛星通信網絡 . 062

3.2.2 特點與按需覆蓋需求 . 065

3.3 星座構型與覆蓋特性 . 066

3.3.1 星座構型設計考慮因素 066

3.3.2 常見星座構型及參數 . 068

3.3.3 星座覆蓋特性 069

3.4 覆蓋重點區域的星座設計 071

3.4.1 泛同步軌道星座設計 . 071

3.4.2 按需覆蓋的星座設計方法 074

3.5 星座多重覆蓋特性與效能分析 078

3.5.1 典型星座的覆蓋特性與效能 . 079

3.5.2 用戶視角下星座覆蓋特性與效能 082

3.6 本章小結 086

參考文獻 087

第 4 章 衛星通信系統間頻譜共存與乾擾減緩處理 089

4.1 引言 090

4.2 NGSO 衛星通信系統間乾擾分析方法 093

4.2.1 乾擾分析基礎知識與一般方法 093

4.2.2 O3b 系統對 OneWeb 系統信關站的乾擾分析 101

4.2.3 Starlink 系統對 OneWeb 系統用戶站的乾擾分析 104

4.3 NGSO 衛星通信系統間乾擾減緩方法 108

4.3.1 非合作乾擾減緩方法 108

4.3.2 多星座間合作乾擾減緩方法 118

4.4 本章小結 130

參考文獻 131

第 5 章 面向按需服務的衛星通信跳波束技術 . 133

5.1 引言 . 134

5.2 衛星跳波束系統架構與實現方法 135

5.2.1 衛星跳波束系統模型 135

5.2.2 衛星跳波束實現架構與超幀格式 . 140

5.3 衛星跳波束資源調度方法 150

5.3.1 單星跳波束系統與資源調度方法 . 150

5.3.2 多星跳波束系統與資源調度方法 . 165

5.4 本章小結 178

參考文獻 179

第 6 章 面向按需服務的衛星通信網絡上行資源管理 . 181

6.1 引言 . 182

6.2 衛星通信網絡業務分析 183

6.2.1 時空非均勻業務的預測及資源管理流程 183

6.2.2 業務預測模型 184

6.3 衛星通信網絡上行資源管理架構與關鍵技術 185

6.3.1 資源管理架構 185

6.3.2 上行鏈路資源管理關鍵技術 186

6.4 基於業務預測的上行鏈路資源管理 . 188

6.4.1 冗餘優化的重復時隙 ALOHA 協議. 188

6.4.2 自適應更新間隔的接入控制方法 . 197

6.4.3 面向混合業務的隨機接入與數據傳輸聯合資源管理方法 . 209

6.5 本章小結 221

參考文獻 222

第 7 章 面向按需服務的軟件定義衛星通信網絡 . 225

7.1 引言 226

7.2 軟件定義衛星通信網絡系統架構 227

7.2.1 軟件定義衛星通信網絡技術發展歷程 228

7.2.2 軟件定義衛星通信網絡總體架構 231

7.2.3 軟件定義衛星通信網絡關鍵技術面臨的挑戰 232

7.2.4 中低軌混合星座的軟件定義衛星通信網絡 . 235

7.3 控制面與數據面按需服務關鍵技術 . 238

7.3.1 軟件定義衛星通信網絡半中心式流量工程算法 239

7.3.2 軟件定義衛星通信網絡星載可編程多協議數據面 . 262

7.4 本章小結 272

參考文獻 272

後記 . 277

名詞索引 279