5G时代的卫星通信

本书主要介绍了5G卫星通信场景、服务和网络、频段和传播方面的物理和系统级技术。基于光学技术的卫星系统星上处理（OBP）系统和技术，论述了优选的冲突和干扰规避、减缓、频谱共享和低延迟技术。阐述了软件自定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）星上处理和NGSO卫星星座通信系统。介绍了星联合分集和切换技术、多载波卫星非线性对策和跳频卫星通信、卫星光学开关键控数据链路。详细论述了超高速数据中继系统、星上干扰探测和定位、卫星通信系统高级随机访问方案、干扰规避、缓解和动态频谱共用以及双向卫星中继等。

前言 编者传记 1.卫星通信在5G系统的作用：前景与挑战 1.1简介 1.2 5G展望 1.3 卫星和移动通信回顾 1.4 卫星可在5G中发挥作用的领域 1.4.1覆盖 1.4.2 大规模机器类通信 1.4.3 应急回复 1.4.4 内容缓存和组播 1.4.5星地融合的5G 1.4.6 超可靠通信 1.5 5G卫星通信的近期新进展 1.5.1星地融合现行项目 1.5.2 5G星地频谱 1.5.3 大规模低轨星座 1.5.4 星上处理 1.5.5氮化镓（GaN）技术 1.5.6 软件定义网络 1.5.7 组播 1.5.8 综合信令 1.6 挑战和未来研究建议 1.6.1星地融合架构 1.6.2 卫星通信的综合信令 1.6.3 星上处理 1.7 小结 参考文献 2.5G增强型移动宽带（eMBB）卫星应用案例和场景 2.1简介 2.2 选定的卫星应用案例 2.2.1选择方法 2.2.2为eMBB选定的卫星用例 2.2.3与5G卫星“甜点”的相关性 2.2.4与SaT5G联盟研究支柱的相关性 2.2.5与5G PPP KPI的相关性 2.2.6与3GPP 卫星一体化标准化 SMARTER用例系列的相关性 2.2.7与5G市场垂直的相关性 2.2.8 市场规模预估 2.3 选定的卫星用例场景 2.3.1卫星用例1场景：边缘传输、多媒体内容分流和MEC VNF软件 2.3.2卫星用例2场景：5G固定回程 2.3.3卫星用例3场景：5G到户 2.3.4 星用例4场景：5G移动平台回程 2.4 小结 鸣谢 参考文献 3.用于星地融合的软件定义卫星通信网 3.1简介 3.2 基于SDN的卫星网络功能架构 3.2.1 SDN架构的基础 3.2.2卫星网络架构 3.2.3支持SDN的卫星网络架构 3.2.4候选SDN数据模型和接口 3.3 星地回程网中基于E2E SDN 的TE集成方法 3.3.1网络架构的框架 3.3.2 TE工作流程说明 3.4 基于SDN的TE应用说明 3.4.1 TE的流量和链路特性 3.4.2 TE决策逻辑 3.4.3性能评估 3.5 结语和未来建议 参考文献 4.基于网络功能虚拟化（NFV）场景的星地融合 4.1云计算简介 4.2 NFV编配概览 4.3 综合场景 4.3.1 场景1：虚拟CDN服务 4.3.2 场景2：卫星虚拟网络运营商（SVNO） 4.3.3场景3：使用边缘处理的动态回程 4.3.4场景4：客户功能虚拟化 4.4 小结 参考文献 5.极高频宽带航空卫星通信系统的电波传播和系统规模 5.1流量需求和特征 5.2 监管环境 5.3 传播信道 5.3.1 对流层边缘的分布 5.4 系统规模 5.4.1 卫星模型 5.5 小结 鸣谢 参考文献 6.下一代非对地静止轨道卫星通信系统：链路特性和系统展望 6.1下一代NGSO卫星系统 6.2 传播特性和模型 6.2.1 当地环境因素 6.2.2 穿过大气传播特性 6.3 通过传输技术增强NGSO卫星通信系统容量 6.3.1 可变和自适应编码调制 6.3.2 分集技术 6.3.3 干扰问题和NGSO-GSO的合作 6.4 小结 参考文献 7.联合分集和切换技术：将5G用于MEO卫星 7.1简介 7.2 中轨卫星：架构、业务、应用和挑战 7.2.1 O3b卫星网络 7.3 MEO卫星的信道特征 7.3.1 上行链路无线电传播效果 7.3.2 下行链路无线电传播效果 7.3.3 载荷效果 7.3.4 用户终端效果 7.4 切换：MEO卫星的切换 7.4.1 文献 7.4.2 切换架构 7.4.3 动态交互 7.4.4 概念和结果验证 7.5 MEO卫星应用的联合分集 7.5.1 组合机制：现状审查 7.5.2 组合位置 7.5.3 组合技术的性能 7.5.4 用下行链路SNR计算切换门限 7.5.5 用整个链路SNR计算切换门限 7.5.6 组合增益 7.6 路线图 7.7小结 参考文献 8.多载波卫星的强大非线性对策：进展到5G 8.1简介 8.2 系统描述 8.2.1 信号模型 8.2.2卫星信道模型 8.3 IMD的多载波分析 8.3.1多载波Volterra表示 8.3.2多载波Volterra滤波器描述 8.3.3降低复杂性的Volterra结构 8.4 强大非线性对策 8.4.1 Turbo Volterra均衡 8.4.2 基于Volterra的数据预失真 8.4.3基于Volterra的连续信号预失真 8.4.4 连续数据预失真 8.5 类OFDM信令 8.5.1 类OFDM发射发射机 8.5.2类OFDM接收机 8.5.3基于补偿的连续收发机 8.6 小结 参考文献 9.卫星多载波预编码软件定义无线电演示 9.1 预编码简介 9.1.1近期新预编码项目 9.1.2卫星通信预编码的相关文献 9.2预编码实际和可能解决方案分析 9.2.1系统模型 9.2.2预编码波形的差分相位失真 9.2.3预编码波形的定时未对准 9.2.4具有时序预补偿波形的CSI质量数值结果 9.2.5具有定时未对准波形的预编码降级数值结果 9.3预编码实现的描述 9.3.1预编码技术 9.3.2非负最小二乘算法 9.3.3拟建SLP对星座的影响 9.4预编码技术的实验室验证 9.4.1 2×2子系统的实验验证 9.4.2符号级优化预编码评估 9.4.3 NNLS-SLP 270的未编码误码性能 9.5结论和未来工作 参考文献 10.下一代卫星通信系统的跳波束技术 10.1简介 10.2跳波束系统概念 10.3 DVB-S2X波形在跳波束中的应用 10.3.1DVB-S2X常见框架 10.3.2 DVB-S2X附属E超帧 10.3.3波形总结 10.4技术与实施 10.4.1 即将推出的跳波束Eutelsat量子卫星 10.4.2用于跳波束的宽带传输 10.4.3网络同步方面 10.4.4终端处的信号同步 10.5摘要和总结 参考文献 11.低地球轨道下行链路应用的光学开关键控数据链路 11.1光学LEO数据下行链路的场景和历史 11.1.1光学LEO下行链路实验概述 11.1.2性能和几何限定 11.1.3可变链路预算的数据速率和速率变化 11.2链路设计 11.2.1传播信道模型 11.2.2传输方程 11.2.3链路预算 11.2.4指向、获取和跟踪 11.2.5直接检测调制格式和速率变化 11.2.6 链路预算的OOK RFE性能和影响 11.2.7高斯信道的差错控制技术 11.2.8大气衰落信道中的交织技术 11.3硬件 11.3.1空间硬件 11.3.2地面硬件 11.3摘要和展望 参考文献 12.极高速数据中继系统 12.1 简介 12.2相关任务和演示器 12.3系统架构 12.4 光信道模型 12.4.1大气信道 12.4.2指向误差和微振动 12.4.3光耦合效率 12.5 噪声模型 12.6链路预算 12.7前向纠错 12.7.1星上继电器的接近解码 12.7.2仅在地面上解码 12.7.3部分解码方案 12.7.4分层编码方案 12.7.5交织选择 12.7.6编码方案的比较 12.8摘要 参考文献 13.星地融合星上处理 13.1 星上处理简要回顾 13.1.1空客海事卫星（Inmarsat）处理器 13.1.2 泰勒斯-阿莱尼亚太空飞行（Thales Alenia Space Spaceflex）处理器 13.1.3泰勒斯-阿莱尼亚太空红星（Thales Alenia Space Redsat） 13.2 OBP的分类和应用 13.2.1卫星有效载荷架构 13.2.2 数字有效载荷技术矩阵 13.2.3可重构OBP的优点 13.3 以弗劳恩霍夫（Fraunhofer）OBP为例 13.3.1有效载荷架构 13.3.2主要构件 13.3.3数字信号处理 13.3.4虚拟TM TC 13.4 使用LEO卫星的OBP示例性5G用例 13.5摘要 参考文献 14.卫星通信星上干扰探测和定位 14.1 简介 14.2星上数字化 14.3卫星干扰 14.3.1系统内干扰 14.3.2外部干扰 14.4 干扰检测技术 14.4.1常规能量检测器 14.4.2带不完美信号消除的导引域能量检测器 14.4.3带不完美信号消除的数据域能量检测器 14.5 现有定位技术 14.6 使用单星到达频率的干扰定位 14.7 定位算法和解决方案 14.8数值结果 14.8.1干扰检测技术性能分析 14.8.2干扰定位技术性能分析 14.9摘要 参考文献 15.卫星通信中的随机接入：传统和近期新的设计 15.1 简介 15.2 用于卫星通信的传统RA技术 15.2.1 ALOHA 15.2.2 开槽版ALOHA 15.2.3用于回传链路的RA技术总结 15.3用于卫星通信的高级RA技术 15.3.1高级RA方案主要指标的仿真评估 15.3.2高级同步RA技术 15.4 不同高级RA技术通用指标比较 15.4.1终端功率 15.4.2以极低数据速率进行通信 15.4.3 MAC层级的高吞吐量性能 15.4.4信令开销 15.4.5对比表 15.5摘要和结语 参考文献 16.星地混合网络的干扰规避和减缓技术 16.1简介 16.1.1 5G无线接入技术 16.1.2 MIMO通信技术 16.1.3 灵活的星地融合回程 16.1.4分块目标和结构 16.2负载控制寄生天线阵列 16.3鲁棒的任意信道相关预编码方法 16.4单小区MU-MIMOCoMP配置的低复杂度通信协议 16.5信号和干扰建模 16.5.1 SU-MIMO设置 16.5.2 单小区MU-MIMOJT CoMP设置 16.6联合预编码方案 16.6.1 线性预编码方案 16.6.2符号级预编码 16.7受干扰接收机约束下的优化传输技术 16.7.1 难处理的公式 16.7.2解的推导 16.8建议的LC-MAMP设计 16.9数值仿真 16.9.1 SU-MIMO设置 16.9.2 CoMP设置 16.9.3符号级ZFBF 16.10摘要 参考文献 17.星地混合系统的动态频谱共享 17.1简介 17.2 星地融合频谱共享场景分类 17.2.1 未协调系统：星地共存 17.2.2 已协调系统：星地共存 17.3卫星频段共享技术 17.3.1 频谱感知 17.3.2 频谱数据库 17.3.3 波束赋形和智能天线 17.3.4跳波束 17.3.5频率和功率分配 17.3.6核心网络功能 17.4干扰分析 17.5实际应用场景 17.5.1 自制船舶 17.5.2市民宽带无线电服务 17.6未来建议 17.6.1 频谱感知 17.6.2频谱数据库 17.6.3波束赋形 17.6.4跳波束 17.6.5频率和功率分配 17.6.6核心网络功能和网络切片 17.6.7实施方面的挑战 17.7小结 参考文献 18.双向卫星中继 18.1背景 18.2双向卫星中继 18.3 基于训练的双向卫星中继系统 18.3.1 平均误码率 18.3.2 遍历性容量 18.3.3 数值结及其分析 18.4基于差分调制的TWSR 18.4.1 星座旋转角度计算 18.5基于多天线的TWSR系统 18.5.1 使用本地信道信息进行波束赋形和组合537 18.5.2接收SNR很好波束赋形和组合 18.6基于本地信道信息的TWSR体制性能分析 18.6.1 SER表示 18.6.2分集系数 18.6.3数值结及其分析 18.7基于很优波束赋形和组合的TWSR体制性能分析 18.7.1 SER表示 18.7.2分集系数 18.8数值解及其分析 18.9小结 参考文献 首字母缩略词列表 索引