星地融合边云协同网络下的资源调度研究

通过边缘计算和云计算的优势互补,面向6G的星地融合网络能够实现资源的弹性分配和协同利用,满足数据处理的实时性和智能化要求。为了提升资源服务能力和用户体验质量,提出了星地融合边云协同网络架构。首先,阐述了三种不同边云协同模式下的资源调度方案,从时延、能耗和多目标优化的角度分析了不同场景下的资源调度策略。然后,对比了现有资源调度求解模型和算法的优势和局限性。最后,对基于边云协同的星地融合网络中的资源调度研究进行了总结与展望。

面向星地融合的6G云雾化自组网

低轨星座朝支持星上处理、功能可重构、星地协作和通信遥感导航控制等多任务一体化的方向演进,受限于星上信号处理和计算能力不足、星间链路容量不宽等瓶颈,迫切需要和具有强大云化处理与计算能力的陆地移动通信网络深度融合。为此,提出了面向星地融合的6G云雾化自组网的体系架构和协议体系,实现了低轨雾化卫星网络和陆地云化通信网络的协同融合,研究了基于星上雾化处理的通信遥感导航控制一体化波形和资源管理,以及云雾化协同的移动性管理和智能信息处理等关键技术,展望了未来的标准化工作和硬件试验。

中国空间站的微波星地时频比对技术及其初步试验验证和分析

高精度时频比对是现代科学技术的核心需求之一.然而,现有的技术受限于比对系统测量水平和链路系统误差处理算法,严重限制了时间比对性能的提升.针对这些问题,本研究搭建了基于中国空间站的高精度星地微波时频比对系统,并提出了一种基于双向测量的空间站-地面时频比对技术(三频模式),包括了对各项链路系统误差精细化建模新方法.通过对不同星地时频比对场景的仿真模拟发现,在配置高精度原子钟(10^(−15)~10^(−17))进行星地时频比对的场景下,经过本文算法优化后的比对长期性能仍可达与原本星地时钟相近的性能.利用中国空间站所搭载的氢钟与地面氢钟进行初步比对试验结果表明,在300 s可视弧段内的空间站-地面时间比对精度可达到10.77 ps,相应的ADEV(Allan DEViation)达到9.9921×10^(−14)@100 s,与仿真模拟结果大致吻合.本研究可为精密时频同步技术提供了新的理论依据和技术参考.

6G星地融合网络资源管理关键技术

卫星网络因具备弥补地面网络覆盖盲区的特性,成为6G网络实现泛在连接应用场景的关键技术之一。为了实现卫星网络和地面网络间高效的资源融合管理,首先简要介绍了星地融合网络的发展现状,总结了星地融合网络资源管理技术的研究现状以及面临的挑战。其次,对6G星地融合网络下的移动性管理、跨域多维资源管理和统一的空口协议设计等关键技术进行分析,并基于对现有研究的探讨给出解决方案。最后,对未来面向6G的星地融合网络资源管理的发展提出了新的展望。

基于无线环境地图的星地智能频谱共享方法

卫星和地面组件共享同一频段可以有效缓解频谱稀缺问题,提升频谱利用率,星地频谱共享将在未来的无线系统中发挥至关重要的作用。相较于传统的七色复用星地频谱共享方案均匀地分配点波束带宽,通过波束预测能够基于点波束流量需求的变化合理分配带宽,而频谱预测能够有效降低碰撞概率,从而提升网络频谱效率。提出一种基于无线环境地图的星地智能频谱共享方法,该方法联合波束预测和频谱预测,构建无线环境地图并基于无线环境地图进行频谱分配。仿真结果表明,该方法可有效提升频谱利用率,降低网络阻塞率和用户等待时间。

星地融合网络管控架构设计

星地融合网络的运行管控需要面向巨型星座和天地大尺度网络,实现对异构基础设施、分层立体网络、跨域多维资源、定制化业务服务的综合调度管理,管控对象多样,关系错综复杂,管控的协同性和高效性直接影响网络的服务能力。针对以上问题,基于网络为本、星网协同的理念,探索星座、网络、业务的协同管控机制,提出星地融合网络运行管控的总体架构,并详细设计管控中心功能,规划典型运行管理流程,分析其在巨型星座在轨管理和大尺度跨域网络管理等方面的适用性,为星地融合网络运行管控系统建设和系统运行管理提供技术支撑。

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布(Projected Pupil Plane Pattern,PPPP),并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。

融合卫星姿态的星地信道建模及硬件模拟

针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题,本文基于几何地理随机模型(Geometry-based Stochastic Model,GBSM)框架,提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿态修正矩阵,来描述卫星姿态变化对星地信道特性造成的影响。在此基础上,本文基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA),设计并研制了一种星地信道硬件模拟器。硬件模拟器采用差分迭代的算法来生成信道衰落因子,可以极大提高硬件模拟的实时性,确保生成的衰落数据与实际场景相匹配。同时,还采用了并行处理架构,可以支持最大640 MHz带宽的星地信道模拟。为了将衰落数据与并行架构相匹配,引入了并行内插算法,可以将串行的衰落数据内插成同速率的多路并行衰落数据。此外,为了能够精准控制硬件装置输出信号的功率,设计了基于预训练的功率校正方法。通过内部校正源信号预先训练出整个模拟过程给信号带来的增益再进行功率补偿,从而保证输出信号的功率可以被精准控制。最后,在典型场景下开展仿真模拟,导出硬件模拟器的输出结果并分析其统计特性,结果表明实测输出的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)和多普勒功率谱密度(Doppler Power Spectral Density,DPSD)与理论值吻合,证明本文设计的硬件模拟器可以准确地复现实际场景下卫星姿态发生变化的星地信道。本文提出的融合卫星姿态的星地信道模型以及研制的硬件模拟器很好地解决了传统模型以及硬件模拟方法的局限性,在卫星通信系统的优化、评估和验证环节具有极大的潜在价值。

低轨卫星多星协同及星地协同遥通算一体化技术

首先,系统分析卫星遥感、通信及计算系统现状,深入剖析传统卫星遥感系统和卫星遥感通信融合系统架构存在的实时遥感困境;其次,提出一种多星协同、星地协同的卫星遥通算一体化体系架构,详细定义架构的关键组成和工作原理与模式;再次,系统论证一体化架构的先进性及关键技术的可行性;最后,阐述基于该体系架构的仿真分析方法,与传统模式相比,该体系架构可完成分钟级遥感任务,时效性强,潜在应用价值高。

星地融合多场景应用及解决方案

星地网络天然存在较强的互补性,为实现广域无缝覆盖,星地网络融合是未来网络演进的必然趋势。目前,受限于星地网络在体制、架构以及应用场景的差异性,星地网络融合程度较低。为快速推进融合网络发展,迫切需要开展星地融合场景与解决方案的挖掘探索。为此,提出了非地面网络与地面蜂窝网络协同应用场景以及潜在的增强方案,以实现星地网络资源的统一协调,提升资源利用率与用户体验,并进一步展望了未来星地融合网络发展前景。

基于天基干扰绘图的星地一体化系统频谱共享研究

针对未来星地一体化系统中新入低轨道地球卫星(LEO)组件的用频需求和现任地面组件聚合干扰影响的问题,面向天基认知系统提出频谱感知和频谱数据库辅助的交织模式频谱共享方案。首先,针对低轨认知系统节点稀疏分布属性对频谱感知和干扰绘图带来的负面影响,提出“认知节点位置”概念。其次,研究低轨认知系统的双门限混合频谱感知和干扰绘图的机制,构建频谱数据库。最后,面向多状态虚拟网络模型,提出卫星组件上行频谱共享方案,实现LEO组件和地面组件之间的同频共存工作。仿真结果表明,所提双门限混合感知和干扰绘图能以较低密度的低轨认知节点实现高可靠性的频谱空间态势认知;所提基于频谱数据库和交织模式的LEO组件协作接入方案可以实现与地面组件的频谱共享,且不会显著增加LEO组件的端到端时延。

面向星地融合的卫星物联网通信容量增强技术研究

作为未来6G星地融合通信的前瞻性探索,5G-A针对非陆地通信的应用场景、频谱、关键通信技术以及面临的挑战等展开了系统研究。针对卫星物联网下的大连接需求,基于现有协议中的NPUSCH信道传输结构,设计了不同颗粒度下的码分方案,并基于NTN场景下典型假设进行了性能评估。仿真结果表明所提方案能够有效提升卫星物联网的下上行通信容量。

多卫星的星地混合协作网物理层安全性能分析

卫星通信因传输质量好、覆盖范围广、作用距离远等优点,在侦察、广播、预警、资源勘探、地形测绘等领域具有广阔的应用前景,目的针对其安全性问题,方法将多输入多输出(multiple-input-multiple-output,MIMO)技术应用于卫星中继系统中,构建多卫星的星地混合协作网(hybrid satellite-terrestrial relay network,HSTRN),并对其物理层安全性能进行研究。中继采用放大转发(amplify-and-forward,AF)协议或译码转发(decode-and-forward,DF)协议,卫星链路服从阴影莱斯(shadowed-Rician)分布,地面链路和窃听链路服从瑞利(Rayleigh)分布,推导基于AF和DF中继的系统安全中断概率的理论表达式,以及高信噪比条件下安全中断概率的近似表达和系统吞吐量,并用计算机仿真实验验证理论分析的正确性。结果结果表明:增加卫星个数、减轻信道衰落有助于增强系统的安全性能;低信噪比情况下,基于DF中继的系统安全性能优于AF中继系统的,随着信噪比增加,两者逐渐趋于一致;信道衰落的改善和高信噪比将产生较大的系统吞吐量。结论卫星个数、安全速率阈值、信道衰落程度等参数对AF和DF中继HSTRN的安全性能具有重要影响,可为卫星通信物理层安全性能的后续研究提供参考。

基于随机几何的星地融合无线网络上行覆盖性能分析

星地融合无线网络(STIN)是实现全球无缝立体覆盖的重要途径。为指导星地融合无线网络实际部署,对上行覆盖性能成因规律进行分析。利用随机几何对星地异频部署场景进行了建模,其中,卫星在轨道上服从一维泊松点过程(PPP)分布,地面基站和用户服从二维PPP分布。基于此,推导了星地融合无线网络上行覆盖概率关于基站密度、轨道倾角等参数的表达式。实验仿真验证了理论推导结果的正确性,并分析了网络设计参数对上行覆盖概率的影响。

基于GNSS时标的小卫星控制系统星地时间同步技术

随着我国光学遥感卫星载荷分辨率技术不断提高,相应的对卫星平台姿态控制精度和稳定度的要求也逐步地增加。针对高精度、高稳定度的卫星控制平台,控制系统指标的地面半物理试验验证也面临着考验。提高地面半物理试验验证的可信度是需要重点考虑的,影响试验验证可信度其中一个重要的方面是星地时间同步问题。为此,文中利用GNSS秒脉冲时间锁存技术和星地串口下传时间标识的方法,设计了一种基于GNSS时标的小卫星控制系统高精度星地时间同步系统,从而提高了星地时间的同步性,试验结果表明星地同步精度可优于65μs。

面向星地协同网络的联邦边缘学习方法研究

目前地面蜂窝网络无法实现全球广域覆盖,同时抗毁性不高。低轨卫星网络的加入,弥补了地面蜂窝网络的不足。二者协同成为星地协同网络后可以打破两种网络之间互相独立的现状并结合它们的优点,是未来的发展趋势。在对星地协同网络中海量设备产生的大量数据进行分析处理时,易出现隐私信息泄露和数据孤岛问题。为解决上述问题,提出一种包含分层聚合和用户关联策略的联邦边缘学习算法。该算法通过分层聚合来适配星地协同网络,并通过用户关联策略实现时延和模型精度的联合优化。仿真表明,所提出的算法可以使协同网络中进行联邦边缘学习的全过程时延较低,同时可以得到较高的模型测试精度。

星地融合网络中基于无监督图学习的卫星切换方法研究

随着未来6G移动通信研究的快速发展,星地融合通信将是满足全域覆盖、泛在接入的重要技术。在星地融合网络中切换决策直接影响网络性能与服务持续性,现有切换算法主要通过实时监测候选卫星状态,计算权重进行切换判决,难以适应高动态星地网络中时空周期异步的切换决策。提出一种基于无监督图学习的卫星切换方法,引入卫星覆盖时空图表征网络连接关系,设计前向蚂蚁和后向蚂蚁发现并反馈的信息素感知机制,建立图学习模型,挖掘卫星覆盖时空图中卫星节点、用户节点与连接关系之间的隐式特征信息和拓扑信息,将切换决策问题转化为求解节点和边之间的连接关系概率,同步切换决策周期。仿真结果验证了所提卫星切换方法具有较快的收敛速度,切换时延降低20%。

星地融合下的手机直连关键技术研究

当前,大众用户和行业用户对星地融合通信的需求不断演进,以实现无缝覆盖与随时随地接入,集成卫星和地面通信能力将是未来手机终端的发展方向。首先介绍了手机直连的应用场景、国内外发展路径和相关技术方案;其次,针对3GPP NTN标准化技术方案,分析了实现手机直连的组网架构和空口关键技术方案,并探讨了卫星通信场景下多模终端在天线能力、语音能力及节能方面的需求及潜在改进方案;最后阐述了手机直连频谱资源及挑战,为星地融合手机直连终端通信设计提供参考。

面向星地融合网络的星上管控节点动态部署方法

针对低地球轨道卫星网络节点高动态性的问题,提出一种面向星地融合网络的星上管控节点动态部署方法。首先,基于星地融合网络结构复杂多变和星上节点处理能力受限的特点设计主从协同管控的星地融合组网架构;其次,提出星上管控节点部署模型,该模型以星上管控节点部署成本作为优化目标函数,综合考虑业务QoS和网络负载等约束条件,旨在通过优化控制器的数量和位置来改善卫星组网响应时延;最后,采用强化学习方法快速求解不同网络拓扑状态下的星上管控节点数量和部署位置。仿真实验分析了所提算法、加速粒子群算法(ASPO)及最优搜索算法(OptSearch)在星上管控节点动态部署数量和平均组网响应时延上的对比结果,从而验证所提算法在星上管控节点部署中具有一定的优越性。

面向星地融合网络的统一编排架构和关键技术

面向6G的星地融合网络将实现地面通信和卫星通信的系统级深度融合。为了应对星地融合网络的高动态、分层分布等特征带来的多维多域异构资源的管理和编排挑战,提出一种面向星地融合网络的统一编排架构,实现星地融合网络中多层多域网络的资源、功能、服务等多要素的统一编排。基于该架构,提出分布式自治技术用于多层多域网络的按需部署和灵活组网,以及提出算网协同技术用于多维资源的云边协作从而提升用户体验质量。最后,通过自研的实验平台完成了对星上新型编排管理系统的可行性验证。