NTN衛星互聯網一體化融合系統與技術

羅誌勇：博士，中山大學教授，博士生導師，“百人計劃”中青年傑出人才。鵬城國家實驗室雙聘博士生導師。深圳鵬城孔雀計劃特聘教授。電子科技大學通信與信息系統專業工學博士。現任國家重點領域研發計劃總體專家、中國宇航學會衛星應用專業委員會委員、中國通信學會衛星通信委員會委員、國防科工規劃組專家、中國XX創新工作站領域專家、IEEE高級會員、中國通信學會高級會員、亞太人工智能學會高級會員。曾任國家重大專項總體專家、廣東省通信導航重點實驗室主任、廣東省創新研究院理事副院長。從事無線寬帶通信網絡等專業研究30多年，具有豐富的理論和工程實踐經驗。主持過99X/81X/ 93X等國家重大工程項目，以及國家重點領域研發計劃、863計劃數字通信網芯片研發、國家科技部軟件無線電科技攻關計劃、工業與信息化部物聯網專項、教育部產學研寬帶無線網項目、及廣東省重大創新、戰略性新興產業發展專項基金等三十多項項目。相關研究成果在“十一五”、“十二五”和“十三五”在信息化裝備型號中成功應用。獲廣東省科技進步一等獎、中國衛星導航定位創新應用金獎/銅獎、亞運會信通訊工作貢獻獎、中輕聯科技進步獎等。合作出版專著一部，發表論文上百篇，發明專利授權30余件。

目錄

第 1章衛星互聯網的發展歷史.............................................................................................1 

1.1衛星通信的提出與試驗 .............................................................................................1 

1.1.1衛星通信設想的提出 ......................................................................................1 

1.1.2國外衛星通信早期嘗試...................................................................................2 

1.1.3國內衛星通信早期嘗試...................................................................................4 

1.2衛星通信系統的產業化發展歷程................................................................................6 

1.2.1衛星通信初級階段 .........................................................................................7 

1.2.2衛星通信對地面通信網絡補充階段 ................................................................ 11 

1.2.3衛星通信和地面通信網絡融合階段 ................................................................ 15 

1.3國內外衛星標準化進程 ........................................................................................... 19 

1.3.1第三代合作夥伴計劃 .................................................................................... 19 

1.3.2其他標準化組織的相關工作 .......................................................................... 24 小結 ............................................................................................................................. 29 參考文獻....................................................................................................................... 29

第 2章衛星通信系統架構與關鍵技術發展 .......................................................................... 31 

2.1衛星通信系統架構的組成........................................................................................ 31 

2.2天地一體化典型系統的架構及關鍵技術.................................................................... 32 

2.2.1銥星系統..................................................................................................... 32 

2.2.2全球星系統 ................................................................................................. 34 

2.2.3 O3b系統 .................................................................................................... 36 

2.2.4 OneWeb系統.............................................................................................. 38 

2.2.5星鏈系統..................................................................................................... 39 

2.2.6天地一體化系統對比與展望 .......................................................................... 41 

2.3 LEO星座衛星通信系統的新架構和新技術 ............................................................... 41 

2.3.1 LEO星座衛星通信新架構及其特征............................................................... 42 

2.3.2 LEO星座衛星通信新技術 ............................................................................ 42 小結 ............................................................................................................................. 46 參考文獻....................................................................................................................... 47 

第 3章 NTN衛星互聯網一體化融合技術挑戰 ................................................................... 48 

3.

1天地一體化融合網絡的發展需求.............................................................................. 48 

3.

2天地一體化融合網絡的概念與發展 .......................................................................... 49 

3.

2.1天地一體化融合網絡的組成 .......................................................................... 49 

3.

2.2天地一體化融合網絡形態的發展 ................................................................... 51 

3.3 

NTN衛星互聯網一體化融合的技術挑戰和實現思路 ................................................. 52 

3.

3.1網絡融合結構設計 ....................................................................................... 53 

3.

3.2統一空口設計 .............................................................................................. 53 

3.

3.3端到端可靠傳輸........................................................................................... 54 

3.

3.4細粒度資源管控........................................................................................... 55 

3.3.5邊緣計算 

4C融合........................................................................................ 55 小結 ............................................................................................................................. 56 參考文獻....................................................................................................................... 56

第 4章 NTN衛星互聯網一體化融合系統架構 ................................................................... 59 

4.1 

NTN衛星互聯網一體化融合系統架構的設計 ........................................................... 59 

4.1.1 

5G-NTN架構的標準化動態 ......................................................................... 59 

4.1.2 

NTN衛星互聯網一體化融合架構的整體方案設計 .......................................... 60 

4.

1.3現有架構的融合演進路線設計....................................................................... 61 

4.2承載網融合

............................................................................................................ 62 

4.3核心網融合

............................................................................................................ 63 

4.

3.1星地融合統一核心網架構 ............................................................................. 63 

4.

3.2核心網網元架構........................................................................................... 63 

4.

3.3關鍵網元功能 .............................................................................................. 66 

4.4接入網融合

............................................................................................................ 69 

4.4.1透明轉發

..................................................................................................... 69 

4.

4.2星上處理——完整 gNB................................................................................ 71 

4.

4.3星上處理—— CU/DU分離........................................................................... 72 

4.4.4 

TN-NTN多連接 ......................................................................................... 74 小結 ............................................................................................................................. 76 參考文獻....................................................................................................................... 76

第 5章 NTN衛星互聯網一體化融合信道分析與建模 ......................................................... 78 

5.

1衛星無線信道模型.................................................................................................. 78 

5.

1.1電波傳播特性——衛星移動通信無線電波傳播模型 ......................................... 78 

5.

1.2信道衰落特性——衛星移動信道的特點 ......................................................... 80 

5.1.3信道模型

..................................................................................................... 83 

5.2衛星移動 

MIMO信道模型 ..................................................................................... 95 

5.

2.1衛星雙極化 MIMO信道模型 ........................................................................ 95 

5.

2.2基於簇延遲線的衛星移動信道模型 ................................................................ 99 

5.

2.3基於多波束域的衛星移動 MIMO信道模型 ...................................................103 小結 ............................................................................................................................103 參考文獻......................................................................................................................104

第 6章 NTN衛星互聯網一體化融合空口波形與協議棧 .....................................................106 

6.1無線空口系統 

.......................................................................................................106 

6.

1.1無線空口系統概述 ......................................................................................106 

6.

1.2地面移動通信系統 ......................................................................................107 

6.

1.3非地面網絡無線空口系統 ............................................................................108 

6.

1.4調制編碼基礎 .............................................................................................109 

6.1.5調制方式

....................................................................................................112 

6.

2無線空口波形設計.................................................................................................114 

6.2.1 

DVB-S2空口幀結構 ...................................................................................114 

6.2.2 

5G-NTN空口幀結構 ..................................................................................118 

6.2.3波形設計

....................................................................................................124 

6.

3一體化融合的空口協議棧結構 ................................................................................132 

6.3.1 

5G-A協議與衛星通信協議轉換 ...................................................................132 

6.3.2衛星 

5G-A/6G融合空口協議 ......................................................................133 

6.

3.3各協議層的功能..........................................................................................134 小結 ............................................................................................................................138 參考文獻......................................................................................................................138

第 7章衛星相控陣多波束技術..........................................................................................141 

7.

1衛星天線發展歷程.................................................................................................141 

7.

1.1反射面多波束天線 ......................................................................................141 

7.

1.2大規模相控陣天線 ......................................................................................143 

7.

2衛星波束賦形技術發展歷程 ...................................................................................145 

7.2.1固定波束

....................................................................................................146 

7.

2.2可編程波束 ................................................................................................149 

7.

2.3自適應波束成形..........................................................................................149 

7.2.4預編碼 

.......................................................................................................152 

7.3 

NTN衛星多天線技術標準.....................................................................................155 

7.3.1 

3GPP多天線傳輸標準................................................................................155 

7.3.2 

DVB-S2X多天線傳輸標準 ..........................................................................161 

7.

4星地融合多波束技術 .............................................................................................166 

7.4.1基於切換感知的單星多波束傳輸 ..................................................................166 

7.

4.2基於異步幹擾消除的多星多波束傳輸............................................................171 小結 ............................................................................................................................175 

參考文獻......................................................................................................................176

第 8章 NTN衛星互聯網一體化融合接入承載技術............................................................178 

8.1多址接入技術 

.......................................................................................................178 

8.

1.1正交多址接入技術 ......................................................................................178 

8.

1.2非正交多址接入技術 ...................................................................................181 

8.

1.3多址接入方式比較 ......................................................................................188 

8.2衛星路由算法 

.......................................................................................................189 

8.

2.1基於更新方式分類的衛星路由算法 ...............................................................189 

8.

2.2基於任務需求分類的衛星路由算法 ...............................................................193 

8.

2.3基於決策主體分類的衛星路由算法 ...............................................................196 

8.

3衛星接入承載一體化分級設計的初步方案 ...............................................................197 

8.

3.1接入承載異質資源的統一表征......................................................................198 

8.

3.2端到端多用戶多業務的分級管控 ..................................................................198 

8.

3.3基於分級結果的 QoS保障技術 ....................................................................199 小結 ............................................................................................................................201 參考文獻......................................................................................................................201

第 9章衛星互聯網天基邊緣智能技術................................................................................205 

9.

1天基邊緣智能的基本概念.......................................................................................205 

9.

1.1移動邊緣計算 .............................................................................................205 

9.

1.2邊緣智能算法 .............................................................................................207 

9.

2天基邊緣智能的基本模型.......................................................................................212 

9.

2.1天基邊緣智能模型的性能評估......................................................................213 

9.

2.2用戶卸載模型 .............................................................................................214 

9.

2.3星上資源協同調度模型................................................................................218 

9.

3基於通感算一體化的天基邊緣智能 .........................................................................225 

9.

3.1感知計算增強通信——天基邊緣網絡通信實時性能優化 .................................226 

9.

3.2通信計算賦能感知——天基邊緣網絡感知數據實時聚合壓縮 ..........................227 

9.

3.3通信感知輔助計算——天基邊緣網絡計算節點動態最優化 ..............................229 

9.

3.4通感算融合的性能指標評估 .........................................................................230 小結 ............................................................................................................................232 參考文獻......................................................................................................................232

第 10章衛星互聯網一體化算網融合技術 ..........................................................................236 

10.1算力網絡 

............................................................................................................236 

10.

1.1算力與算力網絡的概念.............................................................................236 

10.

1.2算力網絡的系統架構 ................................................................................237 

10.

1.3算力網絡的基礎技術 ................................................................................239 

10.

2衛星算力網絡......................................................................................................247 

10.

2.1衛星算力網絡的概念 ................................................................................247 

10.

2.2衛星算力網絡的系統架構 .........................................................................248 

10.

2.3衛星算力網絡的關鍵技術 .........................................................................251 

10.

3星地聯邦學習......................................................................................................263 

10.

3.1聯邦學習.................................................................................................263 

10.

3.2星地聯邦學習的系統架構 .........................................................................266 

10.

3.3星地聯邦學習的關鍵技術 .........................................................................268 小結 ............................................................................................................................271 參考文獻......................................................................................................................272

第 11章 NTN衛星互聯網一體化融合組網孿生仿真驗證技術.............................................275 

11.1仿真需求 

............................................................................................................275 

11.

2仿真技術基礎......................................................................................................277 

11.

2.1仿真工具.................................................................................................277 

11.

2.2設備模擬器 .............................................................................................279 

11.

3仿真數字模型......................................................................................................285 

11.

3.1衛星軌道動力學模型 ................................................................................285 

11.

3.2傳輸波形模型 ..........................................................................................288 

11.

3.3網絡路由模型 ..........................................................................................292 

11.

3.4衛星遙測、運控和測控數據交互 ...............................................................296 

11.

4仿真系統設計......................................................................................................299 

11.

4.1平臺系統架構 ..........................................................................................300 

11.

4.2鏈路仿真.................................................................................................304 

11.

4.3動態運行數據方案 ...................................................................................305 

11.5孿生仿真 

............................................................................................................306 

11.

5.1數字孿生的基本概念 ................................................................................306 

11.

5.2數字孿生衛星的概念 ................................................................................306 

11.

5.3數字孿生衛星的關鍵技術 .........................................................................308 

11.5.4 

NTN衛星互聯網一體化融合的數字孿生仿真設計 ......................................311 小結 ............................................................................................................................313 參考文獻......................................................................................................................313

第 12章 NTN衛星互聯網一體化融合組網通信新技術發展展望 .........................................315 

12.1 

6G天地一體化技術發展展望................................................................................315 

12.

1.1標準化組織工作動態 ................................................................................315 

12.

1.2未來應用場景 ..........................................................................................318 

12.

2關鍵技術發展展望 ...............................................................................................320 

12.

2.1星地多維立體組網的架構設計...................................................................320 

12.

2.2天基高性能的在軌計算.............................................................................321 

12.

2.3天基通感算一體化 ...................................................................................323 

12.

2.4天地一體化網絡的數字孿生技術 ...............................................................323 

12.2.5 

NTN衛星互聯網一體化融合的空口傳輸技術.............................................324 

12.

2.6新型天線技術 ..........................................................................................325 

12.

2.7星間高速激光通信 ...................................................................................327 

12.

2.8太赫茲通信 .............................................................................................329 小結 ............................................................................................................................330 參考文獻......................................................................................................................330

附錄 A縮略語 .................................................................................................................332