低轨巨型星座网络：组网技术与研究现状

以新兴低轨巨型星座网络为研究对象,概述了系统基本架构与工作模式,总结了新兴巨型星座网络的基本特征。根据系统架构,从卫星网络拓扑动态性管理、星地链路切换策略、路由算法设计、地面信关站布局优化设计以及网络仿真与性能评估5个方面系统梳理了各关键技术的主要技术路线和研究进展,尤其是近期巨型星座的相关研究进展。重点分析了低轨巨型星座中星座规模和复杂度扩增对组网关键技术的挑战,以及现有的各类解决方法在巨型星座宽带网络场景下的适用性。最后对未来巨型星座网络的相关研究方向进行了展望。     

LEO卫星移动通信系统空间网络技术分析

在分析LEO卫星星座移动通信系统空间段网络功能和特点的基础上,进行了星座网络路由和交换技术体制的分析和论证,提出了以支持话音业务为主的LEO卫星移动通信系统星座网络路由和交换技术方案。星座网络采用定长信元格式交换体制,采用动态拓扑离散化的拓扑快照静态路由策略。这种静态路由离线计算方式和定长信元交换相结合,提高了网络交换的效率和转发速率。     

多拓扑路由在小卫星网络中的容错保护与流量优化

小卫星星座网络需要具有很好的容错抗毁能力,同时对于不同业务流能选择不同的优化路径进行传输。提出使用多拓扑路由技术解决小卫星星座网络的网络保护和流量优化传输问题。在STK和OPNET平台上设计了小卫星星座网络模型和多拓扑路由协议,并进行了仿真实验。仿真结果验证了星座网络的容错保护功能和对不同业务流的多路径路由选择功能。     

一种新型的低轨存储转发通信星座设计方法

针对低轨存储转发星座的特点以及传统星座设计方法无法同时优化覆盖性能和网络性能的不足,该文提出一种新型的兼顾覆盖性能以及网络性能的低轨存储转发星座设计方法,并采用非劣分层多目标进化算法(NSGA-II)优化该多目标多约束星座设计问题。通过基于STK和OPNET的协同优化仿真平台验证了该星座设计方法的有效性。     

基于随机几何的低轨星座下行通信链路仿真与分析

低轨卫星网络具有低成本、大容量、广覆盖的特性,是未来空天地海一体化网络中的重要支柱和6G网络的关键组成部分,开展链路分析对于低轨星座链路设计与优化具有重要意义。由于低轨卫星移动性强、星地电磁环境复杂、链路较长等特点,星地信息传输与传统地面移动通信有着显著差异。根据低轨星座的特性构建星座网络的随机几何BPP模型,并针对低轨星座空间分布及移动特征,分析了单星及多星场景下的损耗、干扰等对星地通信链路的影响。通过给出星座系统干扰期望计算方法,并基于所构建BPP网络对星地通信链路特性进行仿真。仿真结果表明,构建随机几何的基于BPP分布的星座模型可以很好地模拟卫星网络的状态,采用随机几何对低轨星座下行通信链路进行仿真分析,能够得到更具泛化的星座构型下低轨星座对地面站的干扰情况,为巨型低轨星座网络分析及星地链路设计提供了参考。     

基于移动性的星座卫星通信网络管理体系结构研究

在分析低轨星座卫星通信系统特点的基础上,提出一种适用于低轨星座卫星通信网络管理的体系结构,并针对管理体系中被管理终端设备的动态特性,进行了移动性管理策略的研究,设计了适用于此系统的终端设备接入认证策略和基于距离的动态位置更新策略,该策略有效地降低终端设备移动性对网络管理效率的影响.     

军用星座卫星通信抗干扰技术体制

星座卫星通信系统可以实现全球无缝隙覆盖,是地面通信网络的重要补充。星座系统可根据不同的应用,如海湾战争中“铱”系统为美军发挥了重要作用。     

基于层次网络的卫星星座结构研究

首先简要介绍了层次网络的主要特点和天基信息网络的基本构成;其次,利用层次网络的迭代构建方法提出了一种天基信息网络的想定星座结构;最后,通过与对应的随机网络的建模仿真对比证实了这种结构的优势,从而为设计优化星座结构提供了一些新的思路。     

中低轨卫星跨层激光链路二次同步切换方法

中低轨卫星之间跨层激光链路的无缝切换直接决定了双层卫星光网络的稳定性.异步切换方法会导致网络拓扑频繁重构,而集中同步切换将造成两层间连接中断,网络运行状态失控.为此,本文提出了中低轨卫星星座激光链路的二次同步切换方法,在保证中低轨道卫星连通的基础上,可降低网络拓扑重构频率.研究了整数周期比的中轨道和低轨道卫星空间位置特性,建立了中低轨卫星星座构形二阶非球摄动模型,确定了中低轨道之间轨道周期比为3的双层卫星星座构形.按连接和切换顺序将该星座构形中跨层激光链路分为两组,以相对周期的1/4为基准,每次令其中一组同步切换,通过交替完成切换.研究结果表明,二次同步切换方法使得网络拓扑重构频率降低到链路切换频率的1/7,比集中切换方法在网络平均时延方面降低了30ms.     

未来低轨信息网络发展与架构展望

近年来,伴随着运载、卫星、通信、网络、智能等技术的发展,天基网络形态正在发生质的变化。低轨(LEO)星座网络已经成为众多应用场景、业务承载需求的新选项,有向着全球覆盖、天地一体、多业务承载、持续演进、安全可控的天基通用信息网络基础设施发展的趋势,而这样的愿景对未来低轨星座网络架构提出了更高的要求。该文首先从空间网络、先进卫星以及天地网络融合3方面技术领域对近年来低轨星座网络相关技术的发展现状进行了概述,并对低轨星座网络发展的愿景与趋势进行了分析研判。在此基础上,该文提出基于软件定义(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的全云化卫星-5G融合网络架构,使网络具备架构可编程、网络功能抽象解耦以及去中心化的核心优势,辅以意图驱动网络等智能网络运行管理方法,实现网络的多业务承载、持续演进、自动化管理等能力。最后,该文对需重点关注的技术方向进行了展望。     

Application of maximum elevation angle probability density function to macroscopic selection diversity in low earth orbiting satellite constellation systems

In a low earth orbiting satellite constellation of communication satellites, the so‐called macroscopic selection‐diversity (SD) scheme selects the satellite with the maximum elevation angle among the visible satellites as being capable of providing the best quality link for signal propagation. To evaluate the performance of this scheme, we developed a model based on macroscopic SD to describe the probability density function of the maximum elevation angles from an earth station to each visible satellite. The model has the advantage of not involving orbital simulations for data collection, thus avoiding statistical processing as well as curve fitting. We evaluated the model by using it to simulate the bit‐error‐rate performance of binary‐phase‐shift‐keying modulation in the Globalstart‐like Walker 48/8/1 satellite constellation. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Mobile P-service satellite system comparison

Several future operators of the mobile handheld telephone (P-service) satellite communications systems are gearing up for system implementation to compete for the mobile handheld telephone market of the future. While these companies are proceeding with system realization, they are also looking for partners to finance these huge satellite projects. Potential partners or bulk users are administrations of national communication systems and operators of national communication satellites. These future partners ask themselves which P-service satellite communication system they should choose. There is not an easy answer because P-service satellite systems come in many varieties. There are the low altitude earth orbiting satellites (LEOs), the medium altitude earth orbiting satellites (MEOs), and the geosynchronous altitude earth orbiting satellites (GEOs). Each system has a different type of satellite repeater: digital regenerative, transparent digital, and the bent-pipe. And each satellite system uses its own modulation/multiple access system. The fact that satellites circle the earth at different altitudes has an impact on speech quality, and, because systems vary in satellite as well as constellation complexity, there are different price tags attached. All systems display ingenious features and will eventually work. Mobile users will decide which system will best serve their purposes. This article attempts to compare six P-service satellite systems and find a method for system selection. By use of self-established system criteria, it is possible to arrive at a P-service system selection. By weighing the system criteria, the sensitivity of system selection can be tested. The results or the selection of a particular system should not be considered a recommendation; rather, the process of selection should be used as a possible guideline.     

Walker星座卫星网络拓扑结构动态性分析

对低轨道(LEO)、Walker星座类型的卫星网络拓扑结构动态变化特征进行量化,给出了精确计算系统周期内网络时间片数量和时间片长度的公式。通过研究,一方面弥补了卫星网络研究中对拓扑结构时间片特征的简单假设,另一方面也为未来卫星网络星座的设计提供一定的指导。     

Signal design and system operation of GlobalstarTM versus IS‐95 CDMA – similarities and differences

The Globalstar^TM system provides telephone and data services to and from mobile and fixed users in the area between ±70 degrees latitude. Connection between user terminals and the PSTN is established through fixed terrestrial gateways via a constellation of low earth orbiting (LEO) satellites. Globalstar uses an extension of the IS‐95 CDMA standard that is used in terrestrial digital cellular systems. The LEO satellite link is sufficiently different from the terrestrial cellular link that certain departures from IS‐95 were needed both in signal design as well as in system operation. This paper describes some of the similarities and differences of Globalstar air interface versus IS‐95. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

利用低轨卫星星座的移动通信系统

本文介绍两种利用低轨地理卫星星座进行移动通信的系统。一种是英法联合研究提出的利用24颗低轨卫星组成的移动通信；另一种是美国研究提出的利用192颗低轨卫星组成的移动通信系统。最后将低轨卫星移动通信系统与同步卫星移动通信系统及高轨卫星移动通信系统进行了比较。     

面向低轨通信星座的导航定位方法比对研究

当前基于低轨卫星的导航定位方法研究成为国内外热点,其中基于低轨通信卫星的导航定位技术更是当前研究的重点方向。然而低轨通信星座较低的时空基准精度给导航定位带来了较大的挑战,针对弱时空基准约束的低轨卫星导航定位体制设计还处在研究的初级阶段。本文针对低轨通信星座的导航定位服务需求,基于LEO通信卫星的伪码测距信号与多普勒测频信号,开展精度因子（Dilution of Precision,DOP）及定位精度均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分析,并对两类测量体制下的低轨通信星座导航定位服务性能进行分析论证。理论分析与仿真结果表明,在设定低轨通信卫星10 m～30 m弱时空基准误差的约束下,多普勒测频体制具有更优的导航定位精度,其周期平滑后的三维RMSE值为1.28 m,相比伪码测距体制下的三维RMSE值优化了86.8%;二维RMSE值为0.99 m,相比于伪码测距体制提升了52.9%。本文提出了一种较为可靠的低轨通信星座多普勒定位方案,为未来低轨通信卫星用于导航定位服务提供了有益参考。     

A MEO Tracking and Data Relay Satellite System Constellation Scheme for China

A medium earth orbit （MEO） tracking and data relay satellite system （TDRSS） constellation scheme for China is proposed. This system consists of MEO satellite constellation, inter-satellite links （ISLs） and terrestrial gateway station, which can provide continuous bidirectional data transmission links between low altitude spacecrafls and the terrestrial gateway station in China. Theoretical analysis and simulation results indicate that the proposed constellation can cover the global low altitude space sphere and earth surface of China continuously, and has a preferable practical perspective.     

Downlink DS CDMA performance over a mobile satellite channel

Code division multiple access (CDMA) has been proposed for personal communications networks for both terrestrial and satellite links. We analyze the performance of the downlink (i.e., the base-to-mobile link) of a low earth orbiting (LEO) mobile satellite channel. An important characteristic of this fading channel is that the desired signal and the multiple access interference from all spot beams of the corresponding satellite fade simultaneously. In this respect, the satellite downlink is also different from its terrestrial counterpart. A two-state fading channel model is considered. In the nonshadowed state, the signal envelope is characterized by Rician statistics and in the shadowed state by the Rayleigh statistics. We analyze the probability of error performance when coherent detection, diversity, spectrum sharing by two service providers, and forward error correction are employed     

卫星网络的IP组播问题

本介绍了目前可能用于卫星网络的IP组播协议，以及在卫星网络中使用这些协议时需要解决的问题，并对它们进行了分析和讨论。     

Q/V频段5G基站对NGSO星座系统地球站的干扰分析

针对Q/V频段5G基站对非静止轨道(Non-geostationary Orbit,NGSO)星座系统地球站的同频干扰问题,提出了一种5G毫米波系统与NGSO星座系统下行链路间的干扰分析方法.结合NG-SO星座系统地球站天线指向的时变性,建立了基于时间离散的"拉远式"和"挖洞式"的动态干扰分析模型,并从强度和集总效应两个维度综合评估了系统之间的干扰情况.以OneWeb系统为例,仿真分析了不同保护距离下5G基站对OneWeb地球站的干扰情况.结果表明,在Q/V频段,当保护距离为50 m时,95％ 的时间内干扰余量不小于15.38 dB,5G基站与NGSO星座系统地球站有兼容共存的空间.