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.

An important part of designing non-geostationary satellite orbit (NGSO) constellations is to ensure that they can co-exist with the legacy geostationary satellite orbit (GSO) systems in terms of interference levels. According to the current radio regulations defined by the International Telecommunication Union (ITU), NGSO systems shall not cause unacceptable interference to GSO systems. However, the traditional interference avoidance methods considered for the NGSO systems impact the coverage and overall service quality of their users. Embracing the trends of equipping NGSO satellites with phased array antennas, this paper investigates downlink beamforming strategies to improve NGSO users' service and mitigate the interference caused at GSO systems, ensuring seamless co-channel operation for NGSO and GSO network systems. Our proposed aggregate interference-constrained (AIC) beamforming optimization, limits the co-channel interference at GSO ground stations while minimizing the NGSO satellites' transmitted power. The AIC beamformer is designed under average channel state information (aCSI) to consider a practical scenario in NGSO satellite communications where acquiring perfect instantaneous channel information is challenging due to satellite mobility and long propagation roundtrip. Furthermore, for a more general scenario, this study considers robust AIC beamforming to account for the uncertainty in GSO ground stations' location when suppressing interference. Numerical results evidence the benefits of our proposed method ensuring service quality and providing the lowest probability for unaccepted interference levels at GSO ground stations among other benchmarks.

In this work, we consider a typical scenario in a harsh urban propagation environment which is typical for a smart city scenario where multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are deployed in different hotspot areas to overcome signal blockage between the base station and users. Our goal is to ensure uninterrupted service availability to users in different hotspot areas regardless of their location. Consistent service availability can be achieved by guaranteeing that each RIS deployed in a hotspot area can support a certain number of users. This plays a critical role in smart city applications in the context of emergency communications and ubiquitous connectivity since the design ensures service availability to as many users as possible in all relevant locations. Taking into consideration the challenges in obtaining channel state information (CSI) given the passive nature of RIS and dynamic environments, we formulate a robust fairness problem to maximize the minimum expected number of served users in proximity to each RIS while considering the available transmit power and the worst-case quality of service (QoS) constraints within the bounded CSI error model framework. The resulting problem is a mixed integer non-convex program which is highly coupled and challenging to solve in polynomial time. Thus, we resort to binary variable relaxation, convex approximation techniques, and alternating optimization to tackle the problem. Additionally, we handle the semi-infinite uncertainty constraints by employing the S-procedure and general sign-definiteness. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed design in obtaining consistent and reliable service in different hotspot areas compared to the relevant benchmark schemes. In addition, the proposed design shows flexibility in serving users with their target QoS given different channel uncertainty levels.