面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法

该文针对低轨(LEO)卫星载荷容量受限且功率资源稀缺的问题,面向搭载跳波束(BH)天线的低轨卫星通信系统,提出一种联合跳波束调度和功率分配机制,在满足用户服务质量需求的前提下降低卫星通信载荷功耗,提高卫星通信系统能效。首先建立时延受限下联合考虑波束调度和功率分配的卫星功耗最小化模型。针对网络拓扑的时变特性,基于李雅普诺夫优化方法,将原多时隙优化问题转化为单时隙优化问题,然后采用交替优化的方法获得单时隙问题的次优解。其中,证明波束调度子问题是凸问题,同时通过逐次凸近似和对数变换将功率分配子问题转为凸问题,并提出相应算法获得子问题最优解。仿真结果表明,提出的策略在保证用户平均时延要求的同时,降低了低轨卫星系统平均功耗,并且可通过调整控制参数实现时延和功耗的动态平衡。     

低轨卫星系统星载多波束天线点波束设计及优化

星载多波束天线具有广阔的应用前景,尤其适合应用于低轨卫星系统.讨论了星载多波束天线点波束设计的方法,为平衡点波束各覆盖区域的接收增益,借鉴最优化理论思想,提出了一种点波束设计的方法,以全球星系统为例进行分析,结果表明该方法较典型的点波束设计方法具有更高的满意度.     

高低轨频率共存卫星通信系统鲁棒波束成形算法研究

针对静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)卫星系统和低轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星系统频率共享时存在的干扰问题,本文基于低轨分布式卫星编队提出了一种鲁棒自适应波束成形算法,从空间域功率隔离角度解决了高低轨卫星通信系统上行链路共用频谱时GEO用户对于LEO卫星共线干扰问题。算法中综合考虑卫星通信系统长传播时延导致的阵列导向矢量存在一定误差,在基于线性约束最小方差(LCMV)准则的自适应波束成形器中设计了考虑系统最恶劣误差情况的鲁棒性约束,并采用泰勒级数逼近法求解波束成形器加权矢量。仿真结果表明本文的鲁棒波束成形算法在卫星通信环境下适应度较高,能够有效地缓解高低轨卫星通信系统频率共享带来的同频干扰问题。      

星载多波束相控阵天线等通量覆盖设计

针对低轨卫星码分多址通信体制,为了克服卫星波束大角度扫描带来的远近效应和波束间干扰,提出了等通量覆盖和波束间频率复用方案。针对低轨卫星环境建立合理的天线波束扫描的数学模型,结合子阵分割理论,采用遗传算法对正六边形天线阵列进行综合;通过对多波束相控阵发射天线的唯相综合结果分析表明:天线等通量覆盖、旁瓣、波束指向等指标都符合设计要求,有效验证了算法的正确性。     

一种间隔重访的低轨星座设计方法

在低轨电子侦察、遥感卫星领域,针对非连续覆盖条件下的星座优化设计问题,提出了一种间隔重访的低轨星座设计方法。通过改进极轨覆盖带设计方法,将对地覆盖区域等效为矩形;以对地目标的平均重访间隔时间为输入,从同轨卫星间和相邻轨道面间两方面分析,得到近似最优的星座参数。通过STK仿真验证,设计的星座可满足重访间隔时间要求。     

基于分布式星群的双层星座设计

当前,陆地通信系统已无法满足日益复杂的信息需求,利用空间信息网络实现全球范围内的无缝覆盖和高效容量传输成为研究热点。现有卫星通信系统以单层星座为主,缺少高低轨卫星之间的协同。提出了一种基于分布式星群的双层星座设计,以基于分布式星群的低轨卫星作为网络架构的基础,采用星间链路实现低轨卫星之间的通信,通过高轨卫星实现中低纬度地区覆盖性能加强。仿真结果表明,所提方法在仅依靠在国内部署卫星地面站的前提下可实现全球多重覆盖。     

GEO卫星斜投影多波束的椭圆参数分析

在多波束卫星通信系统中,斜投影多波束引入了椭圆形波束投影,又称椭圆小区。在此基础上,首先对椭圆小区的成因以及椭圆小区和圆形小区的不同特性进行了简要介绍,然后对不同位置下椭圆小区的半长轴和半短轴的计算公式进行了推导,并对GEO卫星覆盖范围内椭圆小区参数的变化进行了计算,最后得出当小区中心与卫星正投影点的距离较大时,椭圆小区的尺寸与赤道处的圆形小区相比有较大不同,可为以后的卫星波束规划和干扰研究提供参考。     

机载低轨卫星通信发展及关键技术综述

卫星通信是保障机载平台远程飞行的主要通信手段。低轨卫星通信具有传输损耗小、传输时延短、卫星发射灵活、能全球覆盖等优点,已成为机载卫星通信领域的研究热点。梳理了国内外机载低轨卫星通信技术发展历程,开展了机载低轨卫星通信应用分析,重点从相控阵天线、信号同步、编码调制、接入与切换等方面阐述了机载低轨卫星通信需要解决的关键技术,探讨了机载低轨卫星通信发展趋势,可为机载低轨卫星通信系统建设应用提供借鉴。     

关于低轨卫星通信网络中HARQ技术的分析

卫星技术的发展推动低轨卫星星群化的不断加深,低轨卫星网络可以为全球数据传输提供支持。当前卫星通信水平不断提升,数字化与低成本化是卫星通信需要达到的理想目标,采用LEO卫星等非地球同步轨道卫星具有较小的传播时延,通过对地面移动通信协议体制改进可以使卫星为地面移动终端服务。文章研究了低轨卫星通信网络结构与算法,介绍了HARQ技术类型,分析了基于低密度奇偶校验码的HARQ方案,探讨了如何将HARQ技术拓展以适用于低轨卫星通信网络。     

低轨卫星信号捕获与跟踪技术综述

低轨(Low Earth Orbit, LEO)卫星互联网相较于地面网络有更大的网络覆盖范围与更强的网络稳定性,有利于实现全球立体无缝网络覆盖,是未来6G网络重要的发展趋势。低轨卫星相较于中高轨卫星具有更高的运行速度,因此,低轨卫星信号具有更大的多普勒频移和动态特性,而低轨卫星信号的高精度捕获与跟踪是低轨卫星通信的基础。随着相控阵天线在低轨卫星和卫星终端上的推广应用,多波束和跳波束技术也为信号的捕获与跟踪带来挑战。从低轨卫星信号互联网的信号特点出发,提出了信号捕获与跟踪过程中的技术挑战,重点阐述了现有捕获与跟踪方法的基本原理与适用范围,探讨了低轨卫星网络中信号捕获与跟踪技术的未来发展方向。     

Dynamic beam shut-off algorithm for LEO satellite constellation

Aiming at the problems of the relatively dense coverage of the satellites in the space segment of the low earth orbit (LEO) multibeam satellite constellation network,which resulted in relatively dense areas in some regions,causing severe inter-beam interference and unnecessary beam resource overhead,a beam shut-off algorithm was proposed with global coverage requirements.The dynamic beam shut-off (DBSO) optimization problem was formulated in LEO multibeam satellite constellation network.Then,the problem was proved to be NP-complete and a heuristic DBSO algorithm was proposed.Simulation scenario considers the Iridium constellation network scenario with total 3 168 beams,and it shows that the number of required activated beams is only 1 913 with 39.61% beam resource reduction.     

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足,有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性,卫星通信对天线性能,如波束控制能力和天线增益等,也提出了更为严苛的要求。因此,对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface,RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控,从而实现波束成形。基于 RHS 的硬件结构和全息工作原理,提出了一种 RHS 辅助多卫星通信方案,该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时,设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线,RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。     

基于STK的双层卫星星座设计及仿真

轨道与星座的设计是整个卫星通信系统设计的基础,合理的轨道设计与星座配置方案可以显著提高系统的整体性能。结合GEO卫星处理能力强,LEO卫星星地时延小的特点,以提供全球实时接入为目标,提出了一种由LEO卫星提供全球覆盖的GEO/LEO双层卫星网络星座设计方案。运用卫星覆盖带分析方法,确定由48颗LEO卫星完成全球覆盖。通过在STK仿真环境下进行计算机仿真验证,得到所设计的卫星星座可完成全天时全球覆盖。     

一种低轨卫星通信天线多工作模式波束实现技术

在分析低轨卫星通信系统中不同链路所需波束类型的基础上,将所需波束类型归纳为宽波束和可切换点波束两大类,进而提出了用一副相控阵天线来实现这两种波束的方式。以16×16单元顺次旋转切角阵为研究对象,采用最小二乘优化方法综合阵列方向图,得到对地等通量覆盖的宽波束;合理设计波束分布,采用相控阵常规的波束切换功能,得到点波束覆盖图。仿真结果表明,宽波束和可切换点波束均能实现对星下±55°范围的覆盖。相比常规的多天线方式,这种多工作模式波束实现技术大大降低了卫星系统的复杂度,降低了设计、集成、测试和维护卫星天线系统的时间和成本,降低了卫星平台天线布局的难度,因此具有重要意义。     

面向6G低轨卫星物联网的能效优先的多波束鲁棒预编码设计

如今,物联网已经应用在经济社会的各个领域,但是由于空间、环境等限制,地面物联网在一些应用场景中表现出了服务能力严重不足的问题。针对这个问题,第六代移动通信技术（6th generation mobile networks, 6G）,提出将卫星通信与地面通信融合,从而实现全球无缝覆盖。对于卫星通信,卫星通常由太阳能供电,导致能量有限,因此想要实现大规模设备高质量的通信,卫星的能量效率设计非常必要。本文为6G低轨（low earth orbit, LEO）卫星物联网（Internet of Things, IoT）设计了一个能量有效的非正交多址接入（non-orthogonal multiple access, NOMA）框架,以支持广域分布设备的大规模机器通信（massive machine-type communications, mMTC）。考虑到LEO卫星的能量有限性和信道状态信息（channel state information, CSI）不准确,本文建立了一个在功率和信干噪比（signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR）约束下最大化能效的优化问题。通过将分数形式问题转换为等效的减法形式优化问题,提出了一种鲁棒的联合波束成形和功率分配算法,以在存在信道不确定性的情况下最大化能量效率。理论分析和仿真结果均验证了所提算法的有效性和鲁棒性。      

低轨LTE卫星随机接入前导设计及检测算法研究

针对低轨卫星环境中的较广波束覆盖范围和较大多普勒频移的特点,研究了能够应用于低轨LTE（Long Term Evolution）卫星移动通信中的随机接入前导及其检测算法。首先,提出多根长序列（MRLS）,该序列通过级联多个根序列号不同的短ZC（Zadoff-Chu）根序列构建,可以支持一步定时提前估计;其次,提出一种基于MRLS的随机接入前导检测算法,该算法通过相邻短ZC根序列的共轭相乘产生多个检测序列,再与多个待检序列进行联合差分相关检测,克服了整数倍和小数倍子载波间隔的多普勒频移的影响。仿真结果表明,利用MRLS序列,所提算法对载波频率偏移具有很好的鲁棒性,适用于基于LTE的低轨卫星移动通信系统。     

LEO satellite communication networks—a routing approach

In the modern world of telecommunications, the concept of wireless global coverage is of the utmost importance. However, real global coverage can only be achieved by satellite systems. Until recently, the satellites were in geostationary orbit and their high altitude could not allow real‐time communication such as cellular networks. The development of LEO satellite networks seems to overcome this limit. However, LEO satellite systems have specific characteristics that need to be taken into account. In the same manner, the TCP/IP standard was developed for terrestrial network. The need is then to come up with a solution that would permit the use of TCP/IP on LEO satellite networks without losing too many packets. The idea is to develop a routing algorithm that maximizes the RTT delays compared to the TCP timer granularity. For that matter, we use an FSA‐based link assignment that simulates the satellite constellation as a fixed network for a predetermined time interval. In this configuration, the problem becomes a static routing problem where an algorithm can find the best solution. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

中国低轨移动卫星通信系统星座设计

本文研究低轨移动卫星通信系统设计中的一个基本问题－－星座设计问题，并给邮了我国低圆轨道移动卫星通信系统的星座设计方案，该星座是以三个轨道平面组成的２４颗星系统，它的高度为１３２６ｋｍ，轨道参数由本文提出的优化算法进行设计，本文用统计的方法对我国低轨系统方案和Ｇｌｏｂａｌｓｔａｒ系统（２４颗星方案）的覆盖性能进行分析比较，结果表明本文提出的系统对我国的覆盖特性优于Ｇｌｏｂａｌｓｔａｒ系统，本文还对圆