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?思维前沿：NTN卫星互联网一体化融合网络是未来6G移动通信网络演进的重要方向，是现阶段的技术热点，在国内外引起了广泛的关注。但当前许多关键问题仍有待解决，本书对未来6G天地一体化融合网络提供了新的思考，为实现全球无缝覆盖，泛在接入提供系统的解决方案思路。?内容全面：NTN卫星互联网一体化融合系统与技术一书按照系统架构、接入网、承载网、核心网、原型系统验证的脉络介绍NTN卫星互联网的演进与相关理论，呈现了NTN网络的发展起源、关键技术、系统设计与应用。?实用性强：结合大量科研工程项目实践，总结形成NTN卫星互联网一体化融合系统较为全面的知识体系，涵盖了系统结构、信道分析与建模、空口波形与协议、多波束技术、接入承载技术、边缘智能技术、算网融合技术、孪生仿真验证技术，读者能够通过实际项目来掌握系统技术和算法思想。
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| 內容簡介： |
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本书从卫星互联网的发展历史出发，围绕NTN卫星互联网一体化融合网络的理论和关键技术，介绍NTN卫星互联网一体化融合的系统架构、信道分析与建模、空口波形与协议栈、接入承载技术等内容，探讨NTN卫星互联网体化的关键技术发展和设计思想，对NTN卫星互联网的系统特性进行了分析总结，并对未来技术发展趋势作出展望。本书立足理论基础与工程实用性，内容全面，不仅涉及航空航天、电子通信、融合网络等多学科交叉领域，而且注重吸纳天地一体化信息网络领域的最新研究成果，涵盖最新技术标准和协议规范。本书可以作为高等院校通信工程、电子工程、电子信息专业高年级本科生和研究生的教材，也可以作为相关领域工程技术人员的专业参考书。
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| 關於作者： |
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罗志勇：博士，中山大学教授，博士生导师，“百人计划”中青年杰出人才。鹏城国家实验室双聘博士生导师。深圳鹏城孔雀计划特聘教授。电子科技大学通信与信息系统专业工学博士。现任国家重点领域研发计划总体专家、中国宇航学会卫星应用专业委员会委员、中国通信学会卫星通信委员会委员、国防科工规划组专家、中国XX创新工作站领域专家、IEEE高级会员、中国通信学会高级会员、亚太人工智能学会高级会员。曾任国家重大专项总体专家、广东省通信导航重点实验室主任、广东省创新研究院理事副院长。从事无线宽带通信网络等专业研究30多年，具有丰富的理论和工程实践经验。主持过99X/81X/93X等国家重大工程项目，以及国家重点领域研发计划、863计划数字通信网芯片研发、国家科技部软件无线电科技攻关计划、工业与信息化部物联网专项、教育部产学研宽带无线网项目、及广东省重大创新、战略性新兴产业发展专项基金等三十多项项目。相关研究成果在“十一五”、“十二五”和“十三五”在信息化装备型号中成功应用。获广东省科技进步一等奖、中国卫星导航定位创新应用金奖/铜奖、亚运会信通讯工作贡献奖、中轻联科技进步奖等。合作出版专著一部，发表论文上百篇，发明专利授权30余件。
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| 目錄：
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目录
第 1章卫星互联网的发展历史.............................................................................................1
1.1卫星通信的提出与试验 .............................................................................................1
1.1.1卫星通信设想的提出 ......................................................................................1
1.1.2国外卫星通信早期尝试...................................................................................2
1.1.3国内卫星通信早期尝试...................................................................................4
1.2卫星通信系统的产业化发展历程................................................................................6
1.2.1卫星通信初级阶段 .........................................................................................7
1.2.2卫星通信对地面通信网络补充阶段 ................................................................ 11
1.2.3卫星通信和地面通信网络融合阶段 ................................................................ 15
1.3国内外卫星标准化进程 ........................................................................................... 19
1.3.1第三代合作伙伴计划 .................................................................................... 19
1.3.2其他标准化组织的相关工作 .......................................................................... 24
小结 ............................................................................................................................. 29
参考文献....................................................................................................................... 29
第 2章卫星通信系统架构与关键技术发展 .......................................................................... 31
2.1卫星通信系统架构的组成........................................................................................ 31
2.2天地一体化典型系统的架构及关键技术.................................................................... 32
2.2.1铱星系统..................................................................................................... 32
2.2.2全球星系统 ................................................................................................. 34
2.2.3 O3b系统 .................................................................................................... 36
2.2.4 OneWeb系统.............................................................................................. 38
2.2.5星链系统..................................................................................................... 39
2.2.6天地一体化系统对比与展望 .......................................................................... 41
2.3 LEO星座卫星通信系统的新架构和新技术 ............................................................... 41
2.3.1 LEO星座卫星通信新架构及其特征............................................................... 42
2.3.2 LEO星座卫星通信新技术 ............................................................................ 42
小结 ............................................................................................................................. 46
参考文献....................................................................................................................... 47
第 3章 NTN卫星互联网一体化融合技术挑战 ................................................................... 48
3.
1天地一体化融合网络的发展需求.............................................................................. 48
3.
2天地一体化融合网络的概念与发展 .......................................................................... 49
3.
2.1天地一体化融合网络的组成 .......................................................................... 49
3.
2.2天地一体化融合网络形态的发展 ................................................................... 51
3.3
NTN卫星互联网一体化融合的技术挑战和实现思路 ................................................. 52
3.
3.1网络融合结构设计 ....................................................................................... 53
3.
3.2统一空口设计 .............................................................................................. 53
3.
3.3端到端可靠传输........................................................................................... 54
3.
3.4细粒度资源管控........................................................................................... 55
3.3.5边缘计算
4C融合........................................................................................ 55
小结 ............................................................................................................................. 56
参考文献....................................................................................................................... 56
第 4章 NTN卫星互联网一体化融合系统架构 ................................................................... 59
4.1
NTN卫星互联网一体化融合系统架构的设计 ........................................................... 59
4.1.1
5G-NTN架构的标准化动态 ......................................................................... 59
4.1.2
NTN卫星互联网一体化融合架构的整体方案设计 .......................................... 60
4.
1.3现有架构的融合演进路线设计....................................................................... 61
4.2承载网融合
............................................................................................................ 62
4.3核心网融合
............................................................................................................ 63
4.
3.1星地融合统一核心网架构 ............................................................................. 63
4.
3.2核心网网元架构........................................................................................... 63
4.
3.3关键网元功能 .............................................................................................. 66
4.4接入网融合
............................................................................................................ 69
4.4.1透明转发
..................................................................................................... 69
4.
4.2星上处理——完整 gNB................................................................................ 71
4.
4.3星上处理—— CU/DU分离........................................................................... 72
4.4.4
TN-NTN多连接 ......................................................................................... 74
小结 ............................................................................................................................. 76
参考文献....................................................................................................................... 76
第 5章 NTN卫星互联网一体化融合信道分析与建模 ......................................................... 78
5.
1卫星无线信道模型.................................................................................................. 78
5.
1.1电波传播特性——卫星移动通信无线电波传播模型 ......................................... 78
5.
1.2信道衰落特性——卫星移动信道的特点 ......................................................... 80
5.1.3信道模型
..................................................................................................... 83
5.2卫星移动
MIMO信道模型 ..................................................................................... 95
5.
2.1卫星双极化 MIMO信道模型 ........................................................................ 95
5.
2.2基于簇延迟线的卫星移动信道模型 ................................................................ 99
5.
2.3基于多波束域的卫星移动 MIMO信道模型 ...................................................103
小结 ............................................................................................................................103
参考文献......................................................................................................................104
第 6章 NTN卫星互联网一体化融合空口波形与协议栈 .....................................................106
6.1无线空口系统
.......................................................................................................106
6.
1.1无线空口系统概述 ......................................................................................106
6.
1.2地面移动通信系统 ......................................................................................107
6.
1.3非地面网络无线空口系统 ............................................................................108
6.
1.4调制编码基础 .............................................................................................109
6.1.5调制方式
....................................................................................................112
6.
2无线空口波形设计.................................................................................................114
6.2.1
DVB-S2空口帧结构 ...................................................................................114
6.2.2
5G-NTN空口帧结构 ..................................................................................118
6.2.3波形设计
....................................................................................................124
6.
3一体化融合的空口协议栈结构 ................................................................................132
6.3.1
5G-A协议与卫星通信协议转换 ...................................................................132
6.3.2卫星
5G-A/6G融合空口协议 ......................................................................133
6.
3.3各协议层的功能..........................................................................................134
小结 ............................................................................................................................138
参考文献......................................................................................................................138
第 7章卫星相控阵多波束技术..........................................................................................141
7.
1卫星天线发展历程.................................................................................................141
7.
1.1反射面多波束天线 ......................................................................................141
7.
1.2大规模相控阵天线 ......................................................................................143
7.
2卫星波束赋形技术发展历程 ...................................................................................145
7.2.1固定波束
....................................................................................................146
7.
2.2可编程波束 ................................................................................................149
7.
2.3自适应波束成形..........................................................................................149
7.2.4预编码
.......................................................................................................152
7.3
NTN卫星多天线技术标准.....................................................................................155
7.3.1
3GPP多天线传输标准................................................................................155
7.3.2
DVB-S2X多天线传输标准 ..........................................................................161
7.
4星地融合多波束技术 .............................................................................................166
7.4.1基于切换感知的单星多波束传输 ..................................................................166
7.
4.2基于异步干扰消除的多星多波束传输............................................................171
小结 ............................................................................................................................175
参考文献......................................................................................................................176
第 8章 NTN卫星互联网一体化融合接入承载技术............................................................178
8.1多址接入技术
.......................................................................................................178
8.
1.1正交多址接入技术 ......................................................................................178
8.
1.2非正交多址接入技术 ...................................................................................181
8.
1.3多址接入方式比较 ......................................................................................188
8.2卫星路由算法
.......................................................................................................189
8.
2.1基于更新方式分类的卫星路由算法 ...............................................................189
8.
2.2基于任务需求分类的卫星路由算法 ...............................................................193
8.
2.3基于决策主体分类的卫星路由算法 ...............................................................196
8.
3卫星接入承载一体化分级设计的初步方案 ...............................................................197
8.
3.1接入承载异质资源的统一表征......................................................................198
8.
3.2端到端多用户多业务的分级管控 ..................................................................198
8.
3.3基于分级结果的 QoS保障技术 ....................................................................199
小结 ............................................................................................................................201
参考文献......................................................................................................................201
第 9章卫星互联网天基边缘智能技术................................................................................205
9.
1天基边缘智能的基本概念.......................................................................................205
9.
1.1移动边缘计算 .............................................................................................205
9.
1.2边缘智能算法 .............................................................................................207
9.
2天基边缘智能的基本模型.......................................................................................212
9.
2.1天基边缘智能模型的性能评估......................................................................213
9.
2.2用户卸载模型 .............................................................................................214
9.
2.3星上资源协同调度模型................................................................................218
9.
3基于通感算一体化的天基边缘智能 .........................................................................225
9.
3.1感知计算增强通信——天基边缘网络通信实时性能优化 .................................226
9.
3.2通信计算赋能感知——天基边缘网络感知数据实时聚合压缩 ..........................227
9.
3.3通信感知辅助计算——天基边缘网络计算节点动态最优化 ..............................229
9.
3.4通感算融合的性能指标评估 .........................................................................230
小结 ............................................................................................................................232
参考文献......................................................................................................................232
第 10章卫星互联网一体化算网融合技术 ..........................................................................236
10.1算力网络
............................................................................................................236
10.
1.1算力与算力网络的概念.............................................................................236
10.
1.2算力网络的系统架构 ................................................................................237
10.
1.3算力网络的基础技术 ................................................................................239
10.
2卫星算力网络......................................................................................................247
10.
2.1卫星算力网络的概念 ................................................................................247
10.
2.2卫星算力网络的系统架构 .........................................................................248
10.
2.3卫星算力网络的关键技术 .........................................................................251
10.
3星地联邦学习......................................................................................................263
10.
3.1联邦学习.................................................................................................263
10.
3.2星地联邦学习的系统架构 .........................................................................266
10.
3.3星地联邦学习的关键技术 .........................................................................268
小结 ............................................................................................................................271
参考文献......................................................................................................................272
第 11章 NTN卫星互联网一体化融合组网孪生仿真验证技术.............................................275
11.1仿真需求
............................................................................................................275
11.
2仿真技术基础......................................................................................................277
11.
2.1仿真工具.................................................................................................277
11.
2.2设备模拟器 .............................................................................................279
11.
3仿真数字模型......................................................................................................285
11.
3.1卫星轨道动力学模型 ................................................................................285
11.
3.2传输波形模型 ..........................................................................................288
11.
3.3网络路由模型 ..........................................................................................292
11.
3.4卫星遥测、运控和测控数据交互 ...............................................................296
11.
4仿真系统设计......................................................................................................299
11.
4.1平台系统架构 ..........................................................................................300
11.
4.2链路仿真.................................................................................................304
11.
4.3动态运行数据方案 ...................................................................................305
11.5孪生仿真
............................................................................................................306
11.
5.1数字孪生的基本概念 ................................................................................306
11.
5.2数字孪生卫星的概念 ................................................................................306
11.
5.3数字孪生卫星的关键技术 .........................................................................308
11.5.4
NTN卫星互联网一体化融合的数字孪生仿真设计 ......................................311
小结 ............................................................................................................................313
参考文献......................................................................................................................313
第 12章 NTN卫星互联网一体化融合组网通信新技术发展展望 .........................................315
12.1
6G天地一体化技术发展展望................................................................................315
12.
1.1标准化组织工作动态 ................................................................................315
12.
1.2未来应用场景 ..........................................................................................318
12.
2关键技术发展展望 ...............................................................................................320
12.
2.1星地多维立体组网的架构设计...................................................................320
12.
2.2天基高性能的在轨计算.............................................................................321
12.
2.3天基通感算一体化 ...................................................................................323
12.
2.4天地一体化网络的数字孪生技术 ...............................................................323
12.2.5
NTN卫星互联网一体化融合的空口传输技术.............................................324
12.
2.6新型天线技术 ..........................................................................................325
12.
2.7星间高速激光通信 ...................................................................................327
12.
2.8太赫兹通信 .............................................................................................329
小结 ............................................................................................................................330
参考文献......................................................................................................................330
附录 A缩略语 .................................................................................................................332
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| 內容試閱：
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前言
自 1945年亚瑟·查理斯·克拉克（ Arthur Charles Clarke）提出地球静止轨道（ Geostationary
Orbit，GEO）卫星通信的设想以来，卫星星座的覆盖设计从高轨、中轨发展到今天大规模低地球
轨道（ Low Earth Orbit，LEO），从天地透明转发，到星上处理，再到星链路由。人类社会在覆盖
范围、通信容量、网络管理等方面都取得了巨大的成就。卫星通信工程建设是人类新技术的直接实
验场，卫星互联网的发展是多学科综合交叉的结晶。航空航天、电子通信、器件材料、计算控制、
网络管理等学科的前沿知识都被集成应用到卫星互联网领域，多学科融合推动人类对卫星互联网的
认知跃升至一个新的高度。从地面网络到非地面网络，再到天基通信网络系统的构建，各种技术不
断涌现，大尺度覆盖、巨系统结构、一体化融合、智能化管控等新兴技术已成为卫星互联网的基础
支撑技术。
卫星通信向卫星互联网发展的历史，是人类不断拓展认知边界的历史：从透传通信到星上处
理，从地面通信扩展到太空探索，从地球轨道延伸至星间星际，人类的认知追求永无止境。这种探
索宇宙的发展理念推动着天地一体化通信网络系统向更高维度迈进。可以说，卫星互联网的发展与
人类命运发展息息相关。卫星互联网不仅是新基建的核心基础设施，更是人类探索宇宙的基石工
程。无论是引力波探测、量子通信，还是深空探索、星际旅行，都离不开卫星互联网的技术支撑。
目前，世界主要国家已认识到天地一体化融合的战略价值，掀起了全球化建设的热潮，轨道、频率
申请的竞争也日趋激烈。国际电信联盟（ International Telecommunication Union，ITU）、第三代
合作伙伴计划（ 3rd Generation Partnership Project，3GPP）推动了卫星互联网系列标准的不断演
进，太空探索技术公司（ SpaceX）已经实现商业闭环，各大企业机构与运营商已经陆续开始了手机
直连卫星的实验。天地一体化融合已成为全球竞相布局的关键系统技术。在这一技术发展的重要阶
段，本书力图从卫星非地面网络一体化融合的角度出发，探讨卫星一体化融合的理论、架构、通信
网络技术，并围绕统一架构、统一空口、统一接入、统一网络、统一协议五大维度，讨论卫星互联
网的技术发展脉络和设计理念。
本书的撰写获得了国家重点研发计划、广东省重点领域研发计划等的项目资助或支持，具体
如下。
（1）国家重点研发计划：业务与环境感知的智能接入管控与按需服务（ 2021YFB2900504）、 6G通信—感知—计算融合网络架构及关键技术（ 2021YFB2900204）、天地融合的卫星算力网络架构设计及演示验证（ 2022YFB2902701）、Q/V波段宽带星载相控阵多波束天线总体技术
（2021YFB900401）、面向手机直连的全球运营天地融合总体架构（2023YFB2904701）。
（2）广东省重点领域研发计划：卫星互联网 NTN一体化融合研究与验证（ 2024B0101020006）、大规模卫星网络协同组网与实时仿真验证系统（2025B0101200002）。
（3）广东省基础与应用基础研究粤深联合基金： 6G星云算网融合体系关键技术研究（2023B1515120093）。
（4）深圳科技重大专项：面向 6G星地融合的 GEO卫星通信系统与设备研发（KJZD20230928112759002）。
（5）深圳自然科学基金重点项目：算网融合体系结构关键问题研究（ JCYJ20220818102209020）。这些科研工作的持续开展，为本书提供了丰富的科研素材和一手数据，其成果的凝练，对成书
起到了关键作用。
本书的章节结构设计如下。
第 1、2章是对卫星通信系统发展的概述。第 1章讲述卫星互联网的发展历史，介绍卫星通信
的提出与试验、卫星通信系统的产业化发展历程，以及国内外卫星标准化进程；第 2章讲述卫星通
信系统架构与关键技术发展，介绍卫星通信系统架构的组成、天地一体化典型系统的架构及关键技
术，以及 LEO星座卫星通信的新架构和新技术。
第 3、4章是对 NTN卫星互联网一体化融合的总体描述。第 3章针对当前 NTN卫星互联网
一体化融合面临的技术挑战进行分析，按照天地一体化融合网络的发展需求、概念与发展，以及
NTN卫星互联网一体化融合的技术挑战和实现思路的逻辑进行描述；第 4章对 NTN卫星互联网
一体化融合系统架构的总体关键技术进行具体描述，先介绍其架构设计，然后对统一架构设计的承
载网、核心网、接入网进行分析设计。
第 5.7章是对卫星无线通信空口相关内容的描述，按照从卫星通信基础技术到 NTN卫星互
联网一体化融合如何支撑发展的逻辑思路展开。第 5章介绍 NTN卫星互联网一体化融合信道分析
与建模，包括卫星无线信道模型和卫星移动 MIMO信道模型；第 6章介绍 NTN卫星互联网一体
化融合的空口波形与协议栈，以 DVB-S2、5G-NTN为例分析描述无线空口系统，并依次对适应卫
星通信的无线空口波形设计以及一体化融合的空口协议栈结构进行描述分析；第 7章介绍卫星相
控阵多波束技术，先对卫星天线和卫星波束赋形技术的发展历程进行描述，再对 NTN卫星多天线
技术标准进行总结，最后对星地融合多波束技术进行分析。
第 8章介绍 NTN卫星互联网一体化融合接入承载技术，包括多址接入技术和卫星路由算法，
并初步设计卫星接入承载一体化的方案。
第 9、10章对 NTN卫星互联网一体化融合智能技术交叉应用进行描述。第 9章介绍卫星互联
网天基边缘智能技术，依次讲述基本概念、基本模型和基于通感算一体化的天基边缘智能；第 10
章介绍卫星互联网一体化算网融合技术，依次对算力网络、卫星算力网络及其典型应用——星地联
邦学习进行描述。
第 11章基于第 5.10章从卫星通信到 NTN卫星互联网一体化融合的技术支撑，介绍 NTN
卫星互联网一体化组网孪生仿真验证技术，从一体化融合的仿真需求出发，描述仿真技术基础、仿
真数字模型、仿真系统设计和孪生仿真。
第 12章对 NTN卫星互联网一体化融合组网通信新技术的发展进行了展望。本书在成书过程中，得到了众多专家学者的诸多帮助。中国卫星网络集团有限公司系统院和创新院、航天恒星科技有限公司、中国电子科技集团电子科学研究院等单位的专家学者提出了宝贵的修改意见，美国国家仪器有限公司（ NI）、是德科技（ Keysight Technologies）、坤恒顺维等公司提供了 NTN卫星互联网一体化融合仿真的设备模拟器资料。此外，中山大学丁俊豪、许柳飞、林天豪、王楚娴、王从羽、施泓昊、朱贝贝、潘帅帅、王立辉、王妍儒等同学也参与了书稿的撰写和修订过程，提供了大量的帮助，在此一并表示深深的感谢。
由于编者水平有限，加之团队认知边界和知识体系的固有局限，在撰写过程中，面对海量繁杂的资料，虽经团队反复梳理，但书中仍难免存在不足之处，恳请读者不吝赐教，提出宝贵意见。
编者
2025年 12月
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