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近年来，全球卫星通信进入卫星互联网产业蓬勃发展时代，低轨巨型星座的发展对世界移动互联网经济、军事国防安全等领域产生了颠覆性影响，已成为各国航天及互联网领域竞争的制高点。本书围绕低轨互联网星座建设及其与移动互联网、天基通信系统无缝融合发展等方面的诸多挑战，分析了关键技术、规则挑战及相关解决方案，总体分为非静止轨道星座基本概念、低轨互联网星座关键技术、系统运行与网络集成等三部分。

第1章  NGSO系统介绍与挑战识别	1
1.1  引言	1
1.2  NGSO系统的特征和分类	3
1.2.1  天基互联网提供商	3
1.2.2  小型卫星任务	4
1.3  NGSO卫星部署挑战	4
1.3.1  监管和共存问题	5
1.3.2  星座设计	7
1.3.3  系统控制和运行	7
1.3.4  UE	9
1.3.5  安全挑战	10
1.4  未来的研究挑战	11
1.4.1  开放无线接入网	11
1.4.2  空间飞行任务的宽带连接	12
1.4.3  边缘计算	13
1.4.4  天基云	13
1.4.5  通过NGSO卫星实现物联网	13
1.4.6  NGSO卫星上的缓存	14
1.4.7  无人机/高空平台和NGSO协调	14
1.5  结论	15
本章原书参考文献	15
第2章  NGSO系统的频谱管理	19
2.1  引言	19
2.2  卫星服务频谱管理的基础知识	20
2.2.1  无线电规则介绍	20
2.2.2  国家许可	23
2.3  NGSO系统在FSS中使用的频段汇总	24
2.3.1  Ku频段下行链路（10.7～12.7GHz）	25
2.3.2  Ku频段上行链路（14.0～14.5GHz）	25
2.3.3  Ka频段下行链路	25
2.3.4  Ka频段上行链路	25
2.4  频谱和轨道资源的有效使用：归档过程	26
2.4.1  卫星档案的首次提交	26
2.4.2  无线电通信局对档案的首次审查	26
2.4.3  寻求其他行政当局的同意	27
2.4.4  在MIFR中记录	27
2.4.5  投入使用	27
2.5  NGSO系统和GSO网络之间的共享	28
2.5.1  促进共存的技术缓解措施	28
2.5.2  Ku频段和Ka频段的监管框架	28
2.5.3  较高等级的监管框架	30
2.5.4  比较	30
2.6  公开挑战	31
2.6.1  处理聚合干扰	31
2.6.2  准确模拟运行中的NGSO系统	31
2.6.3  NGSO系统的频谱监测	31
本章原书参考文献	32
第3章  NGSO系统在5G集成中的作用	33
3.1  GPP标准化	35
3.2  启用的服务	37
3.2.1  宽带服务	37
3.2.2  回程通信	37
3.2.3  M2M/物联网	37
3.2.4  关键通信	38
3.3  RAN	38
3.3.1  直接用户接入链路	39
3.3.2  基于IAB的用户接入	41
3.3.3  MC	43
3.3.4  NR适应挑战	44
3.4  系统架构	45
3.5  研发挑战	47
3.5.1  结构设计	47
3.5.2  星座：分层设计	47
3.5.3  资源优化：基础设施作为一种资源	47
3.5.4  动态频谱管理：共存和共享	48
3.5.5  无线电接入技术：灵活性和适应性	49
3.5.6  天线和以用户为中心的覆盖	49
3.5.7  AI：非地面动态特性的利用	49
3.5.8  安全	50
本章原书参考文献	50
第4章  用于NGSO通信的平面天线阵	52
4.1  连通性、连通性还是连通性	52
4.2  NGSO天线设计——规格	53
4.2.1  频率和频段	53
4.2.2  瞬时带宽	54
4.2.3  最大扫描角度	55
4.2.4  切换架构	56
4.2.5  掩码合规性	56
4.3  平板阵列天线的类型	57
4.3.1  模拟无源相控阵	57
4.3.2  模拟有源相控阵	58
4.3.3  基带/中频和数字BFN阵列	60
4.4  结论：相控阵终于出现了吗	61
本章原书参考文献	61
第5章  LEO系统降低单比特成本的方法：RF损伤补偿	63
5.1  介绍	63
5.2  RF损伤的表征模型	65
5.3  RF损伤的数字补偿	68
5.3.1  镜像抑制均衡	68
5.3.2  镜像消除	69
5.3.3  具有抗频率偏移能力的堆叠结构	70
5.3.4  参数的自适应计算	71
5.4  存在RF损伤时的频率偏移估计	72
5.5  数值研究	74
5.5.1  频率偏移估计	74
5.5.2  无噪声散点图	75
5.5.3  瞬态行为	77
5.5.4  性能比较	77
5.6  结论	78
本章原书参考文献	79
第6章  有效载荷设计中的灵活性/复杂性权衡	82
6.1  引言	82
6.2  LEO卫星有效载荷实例	84
6.2.1  具有静态资源分配的多个固定波束覆盖	86
6.2.2  具有BH能力的多波束覆盖	87
6.2.3  具有沿一个轴转向能力的多波束覆盖	87
6.2.4  基准测试中未考虑的其他架构	88
6.3  有效载荷模型	89
6.3.1  辐射模式	89
6.3.2  天线监测	89
6.3.3  HPA	90
6.4  资源分配	91
6.4.1  用户分布场景生成	91
6.4.2  流量场景的分布特性	91
6.4.3  资源分配算法	93
6.4.4  所考虑的资源分配算法的描述	94
6.5  结果	97
6.5.1  架构性能	97
6.5.2  具有实际交通量流量的轨道分析	99
6.5.3  卫星分配容量与有效载荷复杂性之间的权衡	102
6.6  结论	103
本章原书参考文献	104
第7章  NGSO通信中的新型多址接入技术	107
7.1  OMA	107
7.2  基于NOMA的NGSO系统	111
7.2.1  NOMA方案	111
7.2.2  NOMA方案的要点	111
7.2.3  卫星网络中的NOMA方案	113
7.2.4  协同NOMA方案的应用	117
7.3  卫星网络中的增强型ALOHA协议	120
7.3.1  CRDSA	121
7.3.2  IRSA	121
7.3.3  CSA	122
7.4  总结	123
本章原书参考文献	123
第8章  NGSO的无线电资源管理	126
8.1  引言	126
8.2  问题陈述	128
8.2.1  系统模型	128
8.2.2  干扰缓解问题描述	130
8.3  基于博弈论的无线资源分配方法	131
8.3.1  博弈模型	131
8.3.2  NE的存在性	132
8.4  NE迭代算法与实现	134
8.4.1  所提出的迭代算法	134
8.4.2  算法实际实现	134
8.4.3  收敛性分析及其意义	135
8.5  仿真结果	136
8.6  总结	139
本章原书参考文献	140
第9章  NGSO系统中的ISL	143
9.1  引言	143
9.2  当前NGSO星座中ISL的现状	146
9.3  ISL取得的成就	146
9.4  技术和运营挑战	148
9.5  用于ISL的实现技术	151
9.5.1  引言	151
9.5.2  RF	152
9.5.3  光学技术	156
9.5.4  对比	158
9.6  RF ISL天线设计的案例研究	160
9.6.1  案例研究介绍	160
9.6.2  链路预算分析	160
9.6.3  角度扫描需求分析	163
9.6.4  ISL天线的需求和候选技术	165
9.6.5  ISL天线技术选择和天线设计	167
9.6.6  天线原型制造和测量	169
9.7  结论	171
本章原书参考文献	172
第10章  面向全球连接的NGSO星座设计	178
10.1  引言	178
10.2  NGSO星座设计	180
10.3  通信链路	181
10.3.1  GSL	184
10.3.2  ISL	187
10.4  功能和挑战	189
10.4.1  物理层	189
10.4.2  频繁的链路建立和适应	193
10.4.3  路由、负载均衡与拥塞控制	196
10.5  结论	199
本章原书参考文献	200
第11章  NGSO的大规模MIMO传输	203
11.1  引言	203
11.2  系统模型	205
11.2.1  模拟基带中的下行链路信号和信道模型	205
11.2.2  下行卫星通信信道的统计特性	207
11.3  下行链路传输设计	208
11.3.1  传输协方差矩阵的一阶秩性质	208
11.3.2  最优线性接收机	209
11.3.3  预编码向量设计	210
11.3.4  低复杂度实现方法	210
11.4  用户分组	212
11.5  仿真结果	213
11.6  结论	214
本章原书参考文献	215
第12章  NGSO系统中的物联网和RA	217
12.1  NGSO系统中的物联网	218
12.1.1  工作频段	219
12.1.2  NGSO轨道力学效应	221
12.1.3  移动信道特性	226
12.1.4  UE和卫星的频率参考确定	229
12.2  NGSO网络RA的基本原理和挑战	230
12.2.1  为何及何时在卫星网络中使用RA	230
12.2.2  从ALOHA到现代NOMA方案	232
12.2.3  RA信号处理	235
12.2.4  拥塞控制	237
12.3  NGSO RA方案设计	237
12.3.1  物联网前向链路设计	237
12.3.2  物联网回程链路设计	239
12.3.3  关键解调方面	240
12.3.4  性能评估	242
12.4  NGSO RA（标准和专有）解决方案及系统实现示例	246
12.4.1  S频段移动交互式多媒体	246
12.4.2  VDE	246
12.4.3  NB-IoT	247
12.4.4  物联网通用网络	248
12.4.5  在轨演示及后续	249
本章原书参考文献	250
第13章  虚拟网络嵌入NGSO?地面系统：并行计算和基于SDN的测试平台
的实现	255
13.1  引言	255
13.2  VNE	256
13.2.1  关于VNE的研究	258
13.2.2  VNE解决方案	259
13.2.3  问题初始化与表述	259
13.2.4  模拟设置	261
13.2.5  性能评估	262
13.3  基于动态SDN的卫星?地面网络的新型NV方法	264
13.3.1  SDN：网络切片技术的推动者	264
13.3.2  针对VN的基于SDN的TE应用方法	265
13.4  实现基于SDN的动态VNE测试平台	266
13.4.1  实验测试平台	266
13.4.2  操作验证	267
13.5  结论	269
本章原书参考文献	269
第14章  3GPP融合NGSO卫星	272
14.1  5G系统和3GPP流程	272
14.2  5G NTN的架构选项	273
14.2.1  回程传输	273
14.2.2  间接接入	274
14.2.3  直接接入	274
14.3  5G中NTN的标准化	275
14.4  5G NR物理层针对NGSO的增强内容	276
14.4.1  定时关系的增强	277
14.4.2  上行链路时间同步与频率同步	280
14.4.3  极化信号	284
14.5  结论	284
本章原书参考文献	285
第15章  NGSO系统的抗干扰解决方案	287
15.1  卫星路由	287
15.2  NGSO系统的抗干扰路由问题	288
15.2.1  NGSO系统的路由选择问题	290
15.2.2  快速响应抗干扰问题	290
15.2.3  抗干扰路由博弈	291
15.3  NGSO系统抗干扰方案	292
15.3.1  DRLR算法	292
15.3.2  FRA算法	295
15.3.3  对所提方案的分析	296
15.4  实验与讨论	297
15.4.1  多目标路由代价函数的性能	298
15.4.2  DRLR算法的性能	298
15.4.3  FRA算法的性能	300
15.5  总结	303
本章原书参考文献	303
第16章  5G及B5G的NTN测试平台	306
16.1  最先进的NGSO测试平台	306
16.1.1  NGSO测试平台概述	306
16.1.2  硬件组件	308
16.1.3  软件堆栈	311
16.2  OAI的修改	314
16.2.1  对OAI物理层/MAC层的修改	314
16.2.2  OAI RLC/PDCP/RRC层的修改	318
16.3  5G-SpaceLab测试平台	320
16.3.1  概述	320
16.3.2  SnT卫星信道模拟器	321
16.3.3  案例研究：“NTN上的RA过程”	323
16.4  弗劳恩霍夫5G实验室	324
16.4.1  实验室环境	324
16.4.2  案例研究：“使用仿真LEO卫星进行的5G实验室测试”	326
16.4.3  结论	327
本章原书参考文献	327
第17章  总结与展望	329

为了实现全球联通，一个可行的办法是，通过低轨卫星技术，提高那些铺设基础网络过于昂贵或不可行的偏远地区的通信覆盖率。由于航天器制造方面的最新进步，多家私营卫星公司都表示有兴趣快速发射由流水线制造的卫星，以便在地球周围形成一个密集的“网”。根据相关研究，2018—2027年，可能会发射7000颗小型卫星，用于各种任务，其中82%与私营卫星公司（如SpaceX）计划的星座部署有关 。
虽然数千颗新卫星的发射将为太空经济带来巨大的机遇，并有助于弥合数字鸿沟，但要实现非地球静止轨道（Non-Geostationary Satellite Orbit，NGSO）星座的成功，必须解决一些关键的技术问题并应对监管挑战。此外，为了充分发挥NGSO星座的潜力，利益相关者需要与现有生态系统，包括蜂窝通信网络和现有的天基通信系统实现无缝集成。
本书旨在梳理这些关键挑战，并阐明应对这些挑战的潜在技术解决方案。具体而言，本书包括以下三个主要部分，并在此之后给出总结与展望。
第一部分：NGSO基本概念。本部分概述了NGSO卫星通信系统（以下简称NGSO系统）及其主要挑战，对频谱管理进行了概述，并讨论了NGSO在下一代无线蜂窝通信中的角色。本部分包括第1～3章。
第二部分：技术赋能。本部分详细介绍了NGSO发展的技术推动因素，如平面天线阵、载荷设计、射频（RF）损伤补偿、无线电资源和干扰管理、多址接入方案、星座设计、星间链路（Inter-Satellite Links，ISL）和大规模MIMO框架。本部分包括第4～12章。
第三部分：系统级运营。本部分讨论了应用于NGSO的软件定义网络（SDN）、网络安全方面的问题，以及正在进行的3GPP将非地面网络（NTN）集成到5G标准中，最后介绍了5G的NTN测试平台。本部分包括第13～16章。
近年来，NGSO卫星通信因技术进步和私人投资及创业再度引起人们的关注。本书的撰写主要受最近十年NGSO卫星通信快速发展的推动。我们的主要目标是提供尽可能多的有用信息，着重于满足那些希望深入了解NGSO系统设计技术的研究人员、科学家或工程师的需求。
我们要感谢许多知名专家对本书的贡献。非常感激他们在技术上的贡献和为本书所付出的时间。

伊娃·拉古纳斯，西米昂·查齐诺塔斯，
安康，巴塞尔·贝达斯

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非地球静止卫星通信系统