前言

移动通信网络历经40余年的快速发展，为人们提供了高速率、低时延、灵活便捷的通信服务。相比于快速提升的通信速率，移动通信网络的全域覆盖率增长速度较为缓慢。特别是受制于需求和服务代价的“长尾效应”，在广大的偏远山区、海洋、空中等区域，移动通信网络仍然面临覆盖率低、覆盖代价高的难题。实现移动通信网络的广域覆盖服务将是6G时代网络基础设施建设的重要任务之一。

卫星通信网络具有天然的广域覆盖、健壮抗毁、服务灵活等优势，虽然前期建设投入成本较高，但运营维护成本较低，是有效抑制“长尾效应”的重要手段。随着电子技术的发展，近年来卫星制造成本、发射运载成本、用户站成本等前期投入成本大幅降低，利用卫星通信提供的广域宽带移动通信网络服务具有较高的性价比，卫星通信网络与地面通信网络的融合发展已成为业内的广泛共识。

然而，卫星通信网络仍然是一个资源极度受限的系统。卫星功率资源有限，通信距离远，导致通信速率受限；卫星通信网络可使用的频谱资源有限，广域覆盖导致能量密度有限，从而用户容量受限。相比而言，地面移动通信网络的快速发展得益于基站后端光纤网络的充分供给，而大容量卫星通信网络所需要的星间光通信、星地光通信设备仍然处于早期研发阶段；地面移动通信网络可以通过加密基站部署和缩小蜂窝半径来实现密集频率复用，从而增加容量，而加密卫星部署通常会带来大量的空载和资源浪费，在用户分布稀疏且不均匀的条件下，有效容量增长有限。因此，如果卫星通信网络沿用地面移动通信网络的发展模式，将消耗巨大成本，大幅抬高运营商投资门槛，不利于卫星通信网络的可持续发展。因此，极有必要探索一条高效费比的卫星通信网络创新发展道路。

实现高效费比的基本手段是实现按需服务，即根据用户业务需求动态调配网络资源，这一点对于资源极度受限的卫星通信网络尤为重要。从广义上讲，传统互联网也是一种按需服务网络，网络资源通过统计复用的方式被按需分配给用户。在低成本充分供给的光纤网络中，这种按需服务能给用户带来良好的体验，也使得互联网碾压了传统的资源固定分配的电路交换网络而得以快速发展。但是，当今用户业务数据的增长速度已大大超过网络容量的增长速度，一旦网络负载增加到超过网络容量的边界，用户间的资源竞争将打破这种良好体验，运营商也将因“路径依赖”而面临“青蛙效应”的困境。因此，按需服务不能单纯依赖资源的充分供给，而要达到系统资源与用户需求及用户体验的平衡，这既涉及深层次的科学问题，也涉及关键技术问题。

在卫星通信网络中，按需服务的基础是主动感知用户业务需求、主动引导和控制用户超量需求，在网络供给侧细化资源粒度、协同分配资源，为不同用户业务提供差异化的服务质量保障。这个按需服务理念也是本书重点研究探讨的内容。进而，借助卫星通信网络星座构型设计，将多重覆盖重点匹配到需要服务的区域，借助捷变点波束将无线资源匹配到需要服务的用户，借助软件定义的多协议识别与队列管理策略，将星载交换资源匹配到不同服务质量要求的业务流，借助星上可重构资源池动态适配系统多样化服务场景等。基于此，从系统设计上优化空间基础设施总体效费比，推动卫星通信网络在6G 时代的广泛应用，推动卫星通信网络与地面移动通信网络的可持续协同演进。

当前，面向2030年商用的6G网络仍然处于愿景需求研究的阶段。对于卫星通信网络研究的科技人员，厘清卫星通信网络的发展趋势和方向是一项非常重要的工作。本书作者及科研团队多年来一直致力于卫星通信网络研究和创新实践。本书从按需服务卫星通信网络的概念内涵、效能评估、星座设计、频率使用、波束资源设计使用、业务预测、网络资源设计使用等角度，介绍了团队近期的部分研究进展，相关学术观点和研究方法可供读者研究参考。

在此，我们要感谢一起奋斗的同事们！感谢姜春晓副研究员、倪祖耀副研究员、刘凯助理研究员在卫星通信网络效能评估、波束资源高效利用、业务预测、星载交换等方面为本书编著提供的重要帮助。感谢詹亚锋研究员、殷柳国研究员、陈曦副研究员、苏厉副研究员、裴玉奎副研究员等在卫星网络测控、通信编码、时空基准、高速传输等方面提供的支持。特别感谢参与本书整理、编写及校对的博士后刘沛龙、张树英及博士生刘秉坤、林志远、任子轩、贾浩歌、吴昊、王帅、李灵慧和胡卓君等。

感谢上海市科技重大专项“智慧天网创新工程”项目对团队创新实践的鼎力支持，感谢“智慧天网创新工程”合作单位的通力协作。感谢科技部“宽带通信和新型网络”重点专项和国家自然科学基金委“空间信息网络基础理论与关键技术”重大研究计划的资助。

感谢家人的支持和理解。

由于作者水平有限，书中难免存在错误和不当之处，敬请读者批评指正。