Satellite communications (SatComs) have recently entered a period of renewed interest motivated by technological advances and nurtured through private investment and ventures. The present survey aims at capturing the state of the art in SatComs, while highlighting the most promising open research topics. Firstly, the main innovation drivers are motivated, such as new constellation types, on-board processing capabilities, non-terrestrial networks and space-based data collection/processing. Secondly, the most promising applications are described, i.e., 5G integration, space communications, Earth observation, aeronautical and maritime tracking and communication. Subsequently, an in-depth literature review is provided across five axes: i) system aspects, ii) air interface, iii) medium access, iv) networking, v) testbeds & prototyping. Finally, a number of future challenges and the respective open research topics are described.

Satellite communication systems are a promising solution to extend and complement terrestrial networks in unserved or under-served areas, as reflected by recent commercial and standardization endeavors. In particular, 3GPP recently initiated a study item for new radio, i.e., 5G, non-terrestrial networks aimed at deploying satellite systems either as a stand-alone solution or as an integration to terrestrial networks in mobile broadband and machine-type communication scenarios. However, typical satellite channel impairments, as large path losses, delays, and Doppler shifts, pose severe challenges to the realization of a satellite-based NR network. In this paper, based on the architecture options currently being discussed in the standardization fora, we discuss and assess the impact of the satellite channel characteristics on the physical and medium access control layers, both in terms of transmitted waveforms and procedures for enhanced mobile broadband and narrowband-Internet of Things applications. The proposed analysis shows that the main technical challenges are related to the PHY/MAC procedures, in particular random access, timing advance, and hybrid automatic repeat request and depending on the considered service and architecture, different solutions are proposed.

According to the Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) recommendation for TeleCommand (TC) synchronization and coding, the Communications Link Transmission Unit (CLTU) consists of a start sequence, followed by coded data, and a tail sequence, which might be optional depending on the employed coding scheme. With regard to the latter, these transmissions traditionally use a modified Bose–Chaudhuri–Hocquenghem (BCH) code, to which two state-of-the-art Low-Density Parity-Check (LDPC) codes were later added. A low-complexity approach classically used to detect CLTU termination is to choose a non-correctable string as the tail sequence, and then exploit the decoder failure on that sequence as termination detection. This works very well with the BCH code, for which bounded-distance decoders are employed. Instead, when the same approach is employed with LDPC codes and probabilistic belief propagation iterative decoders, the scenario becomes more challenging. In this paper, we study CCSDS-compliant space communications in which LDPC codes are employed, and analyze the TC rejection probability both theoretically and through intensive numerical simulations. Such a performance figure, being the rate at which CLTUs are discarded, should clearly be minimized. Our numerical analysis considers many different choices of the system parameters (e.g., length of the CLTU, decoding algorithm, maximum number of decoding iterations). Particular attention is devoted to the probability of not-acknowledged termination, i.e., the probability that the tail sequence is not recognized.