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。

星地一体化网络的SDN控制器和网关联合部署

星地一体化网络中引入软件定义网络(software defined network,SDN)可以解决网络管理、信息交互等问题。由于网络结构异构、网络拓扑动态,链路时变、节点容量有限等特点,使得控制器和卫星网关的部署问题日益凸显,不同的控制器和卫星网关的部署方案会产生不同的网络性能。针对星地一体化网络异构性和时变性导致的传播时延增大问题,提出了一种控制器和网关的联合部署方案,以网络时延和部署成本为目标建立部署模型,利用基于K-means的模拟退火算法求得控制器与网关最佳部署位置,提出利用可靠性划分时间片屏蔽卫星网络动态性,并以可靠性为约束,通过最短路径算法对不同时间片的交换机与控制器关系进行重分配,进一步降低了时延。用实际的卫星星座评估部署方案的性能,结果表明,所提出的部署方案在减少时延和成本方面优于现有方法,并且保证了网络可靠性。

基于深度确定性策略梯度的星地融合网络可拆分任务卸载算法

为解决低轨卫星网络中星地链路任务卸载时延长的问题,提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)的星地融合网络可拆分任务卸载算法。针对不同地区用户建立了星地融合网络的多接入边缘计算结构模型,通过应用多智能体DDPG算法,将系统总服务时延最小化的目标转化为智能体奖励收益最大化。在满足子任务卸载约束、服务时延约束等任务卸载约束条件下,优化用户任务拆分比例。仿真结果表明,所提算法在用户服务时延和受益用户数量等方面优于基线算法。

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。

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6G AI内生的星地融合组网研究

通过卫星通信、人工智能、地面网络三者的有机融合,面向6G智慧内生的星地融合网络能够达到更广的网络覆盖、更智能的网络连接和更高质量的通信服务。作为提升6G组网能力的重要手段之一,面向智慧内生的星载核心网不仅能够提高数据处理效率以满足多元用户需求,还能够有效减少星地间交互产生的信令开销。首先,在总结面向5G星地融合网络特点的基础上,分析一种5G广泛使用的外挂式网元赋能方案;接着,针对6G网络智简化、架构轻量化的组网需求,对比三种星载核心网架构,描述以任务为中心的星载核心网;最后,总结面向6G智慧内生星地融合网络的组网技术、存在的挑战以及未来发展方向。

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。

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%。

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。

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%。

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。

6G星地融合无线网络及关键技术

地面移动通信网络与卫星网络的融合是技术发展的必然趋势。5G非地面网络(NTN)系统已实现星地网络在标准体制层面的融合,在向6G的技术演进中,星地网络将会走向更加深入的融合,包括标准、设备、资源和业务等多个方面。从技术需求和应用场景出发,本文提出星地融合的网络架构,分析星地融合网络的关键技术,并对未来的技术趋势进行展望。

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。

不同解码方案下的星地融合网络混合多址接入性能分析

该文针对地面中继辅助的星地融合网络(ISTNs),分析了卫星采用不同解码方案时系统性能的差异。首先,提出一种新颖的用户配对方案,通过位置信息将卫星波束覆盖范围内的多个用户分为若干个组。接着,为了提高传输可靠性以及频谱利用率,用户采用混合多址接入技术与卫星进行通信。进一步,在考虑用户-地面中继链路服从Nakagami-m分布,地面中继-卫星链路服从相关阴影莱斯分布的情况下,分别推导出基于连续干扰消除(SIC)和联合解码(JD)两种解码方案的系统中断概率和吞吐量的闭合表达式。最后,计算机仿真验证了理论分析的正确性和所提方案相比正交多址(OMA)方案的优越性,并揭示了JD解码技术在ISTNs中的可行性。

智能反射面辅助的星地认知网络多播传输鲁棒优化设计

针对智能反射面(Intelligent reflecting surface,IRS)辅助的星地认知网络(Cognitive satellite and terrestrial networks,CSTN),提出了一种基于用户非完美信道状态信息的鲁棒多播传输算法,进一步提高了系统频谱效率。卫星采用多播技术服务多个主用户,同时共享频谱资源的地面基站(Base station,BS)通过空分多址和智能反射面分别服务直达用户和遮挡用户。然后,以地面网络发射功率最小化为优化目标,同时将地面用户的中断概率和主用户所受的最大干扰功率作为约束条件,提出联合优化问题。针对此非凸问题,首先借助指数分布的累积分布函数将非凸的中断概率约束转化为可解形式。接着,提出了一种结合交替优化与半正定松弛的鲁棒波束成形算法,以获得较优性能的解。计算机仿真结果证明了所提算法的鲁棒性和优越性。

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。