天地一体化信息网络

基于用户分组的低轨卫星动态跳波束算法

舒晴, 李维彪, 金作霖, 郑重, 张永波, 费泽松

2023, 4(4): 1-10. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023037

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在部署了大规模 MIMO 的卫星通信系统中，当用户数量远超卫星的波束数时，即便增加射频链的数量，即增加同时服务用户的数量，仍然难以满足卫星通信系统的时延要求。针对以上问题，提出一种基于用户分组的动态跳波束方案，根据用户组进行通信服务覆盖。所提方法利用信道角域分布的稀疏性，根据用户能量最大的波束方向自适应划分用户分组。由于卫星上功率限制使得射频链数量受限，且增加同时服务的用户组会增加用户组间的干扰，因此共信道用户组的数量受到功率和干扰约束，限制了通信业务服务时延减小。于是进一步提出波束簇分组的跳波束方案，此时波束簇通过增加同一时刻服务用户的数量，来减小用户的时延。由于以上问题是非凸的，采用数据驱动的行列式点过程方法简化跳波束方案中的波束调度。仿真结果表明，基于用户分组的动态跳波束算法能够有效减小用户的平均时延，与单波束方案相比，平均时延减少超过52%。同时在仿真结果中也验证了行列式点过程模型的泛用性。

面向手机直连的卫星移动通信系统架构与特性

陈东, 张千, 秦兆涛, 佟金成

2023, 4(4): 11-18. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023038

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全球范围内面向个人用户的移动通信卫星系统的发展建设已有三十多年，卫星移动通信技术水平和产业规模不断成熟。在卫星通信与地面通信系统走向深度融合和一体化发展的大趋势下，支持手机直连的新一代卫星移动通信是当前星地融合的卫星系统发展的新方向。阐述支持手机直连的卫星移动通信系统发展前景与驱动，提出基于高轨卫星和低轨卫星星座的卫星移动通信系统网络架构，从卫星角度出发分析上述架构中引入的网络特性及卫星技术挑战，最后对网络通信体制及相关关键问题进行深入探讨。

未来航天测控网资源调度管理模式探析

张虹, 薛嘉, 任勃, 杜晓军, 薛猛

2023, 4(4): 19-26. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023039

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首先探讨现有航天测控网资源调度系统的运行模式及存在的问题；然后对未来资源调度管理模式的发展趋势，包括测控数据传输一体化、系统运行自动化、算法分配智能化、随遇接入与预分配共存等进行梳理；最后按照“一体化、自动化、智能化”的管理需求，构建未来调度模式的运行框架，并对该框架下资源共用的算法进行分析，对需要突破的关键技术进行深入探讨，提出后续资源调度研究的目标及建议，为后续的工程应用提供借鉴。

基于负载量预测的卫星物联网随机接入研究

茆习文, 王海涛, 张更新

2023, 4(4): 27-37. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023040

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在卫星物联网蓬勃发展的过程中，随机接入协议因其信令开销较小、传输效率高、灵活性高、实现容易的特点被视为最适宜的通信协议，但由于负载变化剧烈，常规随机接入方式只在特定负载范围内具有优势，动态分配随机接入资源需要获取准确的时隙接入申请量。针对以上问题，提出一种随机接入自适应方案，可以根据未来负载量大小自适应选取恰当的随机接入方式，从而提高系统吞吐量，其中，负载量大小可以通过提出的负载量估计及预测方案得到。在传输环境存在窄带干扰时，引入扩频通信手段，使得随机接入自适应方案能够成功运行，并且提出的扩频随机接入自适应方案提升了系统吞吐量。

面向低轨卫星的长时多星跳波束功率分配技术

刘子祎, 张校宁, 费泽松

2023, 4(4): 38-48. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023041

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低轨卫星由于具有低成本、低时延和较小的路径损耗等特点而具有较优越的发展前景，在物联网、B5G等领域应用广泛。针对 LEO 卫星与其覆盖区域处于移动状态的问题，提出一种基于凸优化的长时多星跳波束功率分配算法以实现系统容量最大化。重点关注一段时间内的多星跳波束场景，根据长时同轨多星跳波束场景与长时异轨多星跳波束场景分别建立了系统模型。考虑星间干扰、负载均衡和星间资源分配优先级等因素的影响，以加权目标函数作为优化目标，对两种长时多星跳波束场景进行资源分配算法设计，提出基于凸优化的长时跳波束资源分配算法。仿真结果表明，与传统方案相比，所提方案可以提高系统的资源利用率。

面向巨型星座的智能负载均衡算法

罗树欣, 张超, 肖勇, 刘建平

2023, 4(4): 49-60. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023042

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针对巨型星座中卫星数量众多容易引发局部拥塞的问题，提出基于协作多智能体深度强化学习的巨型星座负载均衡算法。首先对巨型星座中的卫星进行分簇设计，实现巨型星座的分布式管理，降低网络管理开销。然后，利用Q-混合多智能体神经网络深度强化学习设计各卫星自主决策的路由规划方案，实现多传输任务的簇内协同。此外，提出基于自动编码器的簇状态压缩机制，提高多智能体深度强化学习的效率。仿真结果表明，所提算法相比于传统的单任务路由算法，传输成功率可提升40%以上，证明所提算法能够避免局部拥塞的发生，提高巨型星座的传输效率。

基于遗传算法选星的高中低轨导航混合星座完好性监测技术

吴政城, 倪少杰, 刘文祥, 肖伟, 李宗楠

2023, 4(4): 61-70. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023043

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低轨卫星在通信、导航、遥感等领域应用广泛，对满足通信需求、提升导航定位精度具有重要意义。完好性监测技术是卫星导航系统安全与可靠运行的重要保障，随着低轨技术的成熟发展与海量低轨卫星的逐步应用，亟待开展高中低轨混合星座条件下系统及用户的完好性监测技术研究。提出一种基于遗传算法选星的高中低轨导航混合星座完好性监测技术，在传统最佳几何精度因子选星法的基础上，通过引入遗传算法，构造基于卫星几何观测矩阵特征斜率线性加权的适应度因子，以实现用户保护水平向保护限值的快速收敛。相较于传统算法，此算法通过优化选星的方式，进一步提升了接收机的完好性。在CAT I精密条件下，对于“北斗＋StarNet-1”星座，此算法全球范围可用性水平平均增强了 5.60%，对于东半球中纬地区和东半球低纬地区增强效果最佳，全球范围可用性水平分别增强了7.01%和6.42%。

星载核心网轻量化设计策略及其性能优化

陈希, 赵逸群, 张铭晗, 陆珊, 王诗豪, 张成晨, 徐晓帆, 杜平

2023, 4(4): 71-78. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023044

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随着全球通信需求的增长，星载核心网不仅可以减少星地间频繁的信令交互，更能突破地理区域的束缚，为天地融合网络架构以及全球通信运营提供有力支撑。然而，由于卫星的资源限制以及大尺度动态时变的卫星互联网动态拓扑结构，传统的核心网网元在星载环境下的部署遭遇了极大挑战。致力于研究低轨大规模星座下星载核心网的轻量化、灵活部署和低时延的挑战，旨在探索星载轻量化核心网的新型设计策略，为全球化的通信运营提供坚实的理论基础。首先研究包括最小网元集部署、单网元功能裁剪、接口协议轻量化、网元的融合与重构、平台架构轻量化以及传输协议重构等多个轻量化策略。然后，对选定的策略进行仿真实验，实验结果证实轻量化处理后的星载核心网在资源配置和信令流程方面均具有优越的性能表现。

稀疏递归神经网络的可扩展低功耗加速器

金磐石, 李俊杰, 王静逸, 李鹏翀, 邢磊, 李晓栋

2023, 4(4): 79-85. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023045

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利用银行网点内边缘计算设备进行客流分析、安全保护、风险防控等应用日益广泛，其中 AI 推理芯片的性能和功耗已经成为边缘计算设备选型的一个非常重要的因素。针对递归神经网络由数据依赖性和低数据重用性导致的功耗大、推理性能弱、能效低，难以在低功耗平台上处理等问题，利用FPGA实现了一种电压可扩展的稀疏循环神经网络（RNN）低功率加速器，并在边缘设计算设备上进行了验证。首先，对稀疏RNN进行分析并采用网络压缩的方法设计了处理阵列；其次，由于稀疏RNN的工作负载不平衡，引入电压缩放方法以保持低功耗和高吞吐量。试验表明，该方法可以显著提高系统的RNN 推理速度并降低芯片的处理功耗。

面向国际化的卫星互联网商业运营平台

曾文龙, 赵双, 陈少鹏, 金涛, 江昶

2023, 4(4): 86-93. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2023046

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通过对卫星互联网商业前景的定量分析和国际化业务运营服务模式的分析，说明开展卫星互联网运营服务的必要性，以及进一步研究如何建设面向国际化的卫星互联网商业运营平台的重要性。在此基础上，重点研究运营平台中台化弹性可伸缩的架构，针对国际化运营提出分级协同的部署架构和机制，针对全球市场运营进行多租户管理方法研究，并提出卫星互联网运营商与地面运营商融合运营的建设思路，为未来卫星互联网运营平台的建设提供参考。

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