卫星互联网微波通信关键技术

卫星互联网微波通信技术研究成果的总结

在介绍卫星互联网体系架构的基础上，阐述了人造卫星与轨道、电波传播与微波通信信道等卫星互联网微波通信的基本原理，

分析了卫星通信天线和射频微波电路的特点、构成及技术特点

重点描述了高通量卫星通信关键技术、海量连接卫星物联网通信体制、频谱认知与频谱共享等方面的理论和技术研究成果，对于我国卫星互联网的研究、设计、建设、运行和维护具有参考价值

针对一个信息系统描述其应用背景，反映卫星互联网微波通信领域的技术发展前沿，技术先进性和专业性

卫星互联网微波通信关键技术 是对卫星互联网微波通信技术研究成果的汇总。在深入分析卫星互联网体系架构的基础上，本书系统阐述卫星轨道与星座设计、电波传播与微波通信链路等卫星互联网微波通信的基本原理，分析微波通信天线和射频微波电路的特点、构成及技术特点，重点描述高通量卫星通信技术、面向海量连接的低轨卫星物联网技术、频谱认知与干扰分析等方面的理论和技术研究成果，对我国卫星互联网的研究、设计、建设、运行和维护具有重要参考价值。

本书可作为卫星互联网领域科研人员和工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校研究生和高年级本科生的教材或参考用书。

张更新 南京邮电大学教授、博士生导师，卫星通信研究所所长，主要从事卫星通信、空间信息网络方面的教学和科研工作；出版学术著 作5部，发表三大检索论文一百多篇；作为课题负责人完成科研项目二十多项，其中包括国家863计划项目4项、国家自然科学基金重点项目3项、国家科技重大专项项目2项、型号项目4项，获省部级科技进步一等奖1项、二等奖8项、三等奖3项，授权国家发明专利25项；是《通信学报》等期刊编委，科技创新2030重大项目“天地一体化信息网络”专 家组成员，国家自然科学基金、国家科技计划、国家科技奖、学位与研究生教育等评审专 家；是中国通信学会卫星通信委员会委员，中国电子学会通信分会专 家委员、卫星通信和专网通信专技委委员。

第 1章 概论 001

1.1 卫星互联网概述 002

1.1.1 发展背景 002

1.1.2 发展现状 003

1.1.3 典型应用 005

1.2 卫星互联网微波通信系统的一般组成及特点 007

1.2.1 一般组成 007

1.2.2 组网方式 009

1.2.3 网络特点 010

1.3 通信链路 011

1.3.1 地面链路 012

1.3.2 星地链路 012

1.3.3 星间链路 012

1.4 通信卫星 013

1.4.1 通信卫星组成 013

1.4.2 通信卫星平台 013

1.4.3 通信卫星有效载荷 014

1.5 地球站 014

1.6 网络管理 017

1.6.1 网络管理系统的组成及各部分的功能 018

1.6.2 现代网络管理系统模型 019

1.6.3 网络管理系统的基本功能 019

1.6.4 简单网络管理协议 022

1.7 工作频率的选择与分配 024

1.7.1 工作频率选择的原则 024

1.7.2 无线电频率窗口 025

1.7.3 ITU对有关卫星业务的工作频率分配 026

参考文献 029

第 2章 卫星轨道与星座设计 031

2.1 卫星运行轨道的基本概念 032

2.2 常用的空间参考坐标系 033

2.2.1 天球及其基本概念 034

2.2.2 卫星轨道描述中常用的参考坐标系 034

2.3 常用的时间系统 035

2.3.1 太阳日和恒星日 035

2.3.2 世界时 036

2.3.3 原子时 036

2.3.4 协调世界时 037

2.3.5 标准时 037

2.4 描述卫星位置的轨道要素 037

2.5 卫星轨道的摄动 039

2.6 卫星轨道分类和特点 040

2.7 范艾伦辐射带和卫星轨道高度窗口 042

2.8 卫星星座的类型及表示方法 044

2.9 卫星星座的覆盖性能分析 046

2.10 卫星星座参数的优化设计考虑 047

2.11 全球覆盖卫星星座设计 049

2.11.1 极轨星座方案设计 049

2.11.2 玫瑰星座方案设计 052

参考文献 053

第3章 电波传播与微波通信链路 055

3.1 电波传播的基本概念 056

3.1.1 电磁频谱划分 056

3.1.2 电磁波的自由空间传播特性 057

3.1.3 影响电波传播的大气层因素 058

3.2 对流层对电波传播的影响 059

3.2.1 气体吸收损耗 059

3.2.2 云雾损耗 061

3.2.3 大气闪烁 061

3.2.4 去极化效应 062

3.3 电离层对电波传播的影响 064

3.3.1 法拉第旋转 065

3.3.2 电离层闪烁效应 065

3.4 多径传播效应 068

3.4.1 多径效应 068

3.4.2 时延扩展与相干带宽 070

3.4.3 平坦衰落与频率选择性衰落 071

3.5 多普勒效应 073

3.5.1 基本原理与多普勒频移 073

3.5.2 多普勒扩展与相干时间 074

3.5.3 快衰落与慢衰落 075

3.5.4 统计信道模型 076

3.6 噪声与干扰 078

3.6.1 系统热噪声 078

3.6.2 宇宙噪声 080

3.6.3 外部环境干扰 081

3.6.4 同频干扰 082

3.6.5 邻道干扰 084

3.6.6 码间干扰 085

3.6.7 其他干扰 086

3.7 雨衰与抗雨衰 088

3.7.1 增加系统噪声温度 088

3.7.2 降低信号交叉极化鉴别度 088

3.7.3 信号电平衰减 088

3.7.4 抗雨衰技术 090

3.8 链路计算 092

3.8.1 链路预算分析 093

3.8.2 全链路传输质量 094

3.8.3 链路预算实例 095

参考文献 097

第4章 微波通信天线技术 099

4.1 天线基础知识 100

4.1.1 天线的工作原理 101

4.1.2 天线的分类 104

4.1.3 天线主要性能指标 104

4.2 线天线 106

4.2.1 半波偶极子天线 107

4.2.2 交叉偶极子天线 109

4.2.3 螺旋天线 110

4.3 口径面天线 114

4.3.1 喇叭天线 114

4.3.2 反射面天线 119

4.4 微带天线 128

4.4.1 微带天线的基本类型 129

4.4.2 微带天线辐射原理 131

4.4.3 微带天线馈电方式 132

4.4.4 微带天线技术及其阵列 134

4.5 相控阵天线 137

4.5.1 相控阵天线原理 137

4.5.2 相控阵天线的互耦问题 144

4.6 典型卫星地球站天线 145

4.6.1 地球站天线跟踪技术 145

4.6.2 地球站固定天线 151

4.6.3 地球站便携式天线 151

4.6.4 地球站移动载体天线 152

4.7 典型星载天线 155

4.7.1 成形天线 155

4.7.2 多波束反射面天线 157

参考文献 162

第5章 射频微波电路 167

5.1 微波传输线 168

5.1.1 传输线的分类 168

5.1.2 微带线 169

5.1.3 带状线 170

5.1.4 共面波导 172

5.1.5 基板集成波导 174

5.1.6 耦合微带线 175

5.2 多模谐振器与滤波电路 178

5.2.1 多模谐振器 178

5.2.2 SIW双模滤波器 183

5.2.3 三模滤波器 184

5.3 功分器与功率放大器 191

5.3.1 Wilkinson功分器 191

5.3.2 耦合线功分器 194

5.3.3 微波功率放大器 199

参考文献 204

第6章 高通量卫星通信技术 207

6.1 高通量卫星通信系统概述 208

6.1.1 高通量卫星的定义与发展历程 208

6.1.2 高通量卫星的标准协议 211

6.1.3 高通量卫星的关键技术与挑战 217

6.2 面向新一代高通量卫星的跳波束技术 218

6.2.1 跳波束技术基本原理 218

6.2.2 跳波束卫星系统发展历程 219

6.2.3 跳波束卫星系统的组成 220

6.2.4 跳波束卫星系统的通信体制 222

6.2.5 跳波束卫星系统的工作流程 226

6.3 跳波束系统的资源分配方法 227

6.3.1 时空二维卫星宽带业务模型 227

6.3.2 波束跳变周期和波束驻留时间 229

6.3.3 基于业务需求的时隙分配算法 230

6.3.4 面向资源高效利用的跳波束图案设计 234

参考文献 236

第7章 面向海量连接的低轨卫星物联网技术 239

7.1 物联网技术概述 240

7.1.1 物联网定义及其基本特征 240

7.1.2 物联网的体系架构 242

7.1.3 物联网的典型应用 243

7.2 卫星物联网的基本概念 246

7.2.1 卫星物联网的定义及其特征 246

7.2.2 卫星物联网的体系架构 249

7.2.3 卫星物联网的业务分类及其特征 252

7.3 物联网典型通信体制及其在卫星物联网中的适应性分析 255

7.3.1 卫星物联网的工作频段 255

7.3.2 NB-IoT技术体制及其在卫星物联网中的适应性分析 257

7.3.3 LoRa技术体制及其在卫星物联网中的适应性分析 263

7.4 卫星物联网的多址接入技术 269

7.4.1 ALOHA和时隙ALOHA 269

7.4.2 扩频时隙ALOHA 272

7.4.3 容碰撞分集时隙ALOHA技术 275

7.5 卫星物联网典型系统与应用 279

7.5.1 轨道通信系统 280

7.5.2 天基广播式自动相关监视系统 282

7.5.3 天基船舶自动识别系统 285

参考文献 286

第8章 频谱认知与干扰分析技术 289

8.1 频谱感知概述 290

8.1.1 主用户发射机检测 291

8.1.2 主用户接收机检测 301

8.1.3 协作感知 303

8.2 信号特征识别 309

8.2.1 信号检测 309

8.2.2 参数估计 318

8.3 频谱占用状态建模 330

8.3.1 时域模型 330

8.3.2 频域模型 332

8.3.3 空间域模型 332

8.4 干扰分析 333

8.4.1 场景分析 333

8.4.2 分析模型 337

8.4.3 干扰仿真分析 339

参考文献 345