[论文解读] Coverage Analysis of LEO Satellite Downlink Networks: Orbit Geometry Dependent Approach

Junse Lee, Song Noh+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2022

Satellite Communication Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的分析框架，用于低地球轨道（LEO）卫星下行链路网络的覆盖概率，通过将卫星位置建模为圆形轨道上的一维泊松点过程，基于轨道几何参数（高度、倾角）推导出最近邻距离分布，并在小尺度和大尺度衰落条件下表征覆盖概率。其主要贡献是一个可计算的、具备几何感知能力的模型，能够量化轨道参数对网络性能的直接影响，经仿真验证，并进一步扩展至多轨道系统，展现出协同增益。

ABSTRACT

The low-earth-orbit (LEO) satellite network with mega-constellations can provide global coverage while supporting the high-data rates. The coverage performance of such a network is highly dependent on orbit geometry parameters, including satellite altitude and inclination angle. Traditionally, simulation-based coverage analysis dominates because of the lack of analytical approaches. This paper presents a novel systematic analysis framework for the LEO satellite network by highlighting orbit geometric parameters. Specifically, we assume that satellite locations are placed on a circular orbit according to a one-dimensional Poisson point process. Then, we derive the distribution of the nearest distance between the satellite and a fixed user's location on the Earth in terms of the orbit-geometry parameters. Leveraging this distribution, we characterize the coverage probability of the single-orbit LEO network as a function of the network geometric parameters in conjunction with small and large-scale fading effects. Finally, we extend our coverage analysis to multi-orbit networks and verify the synergistic gain of harnessing multi-orbit satellite networks in terms of the coverage probability. Simulation results are provided to validate the mathematical derivations and the accuracy of the proposed model.

研究动机与目标

• 为解决LEO卫星网络覆盖缺乏分析工具的问题，聚焦于轨道几何参数（如高度和倾角）。
• 开发一种可计算的框架，将卫星位置建模为圆形轨道上的一维泊松点过程。
• 基于轨道几何，推导固定用户到最近卫星距离的分布。
• 在单轨道与多轨道网络中，表征覆盖概率作为几何参数与衰落效应的函数。
• 通过仿真验证模型，并展示多轨道配置下的协同增益。

提出的方法

• 使用强度为 λ 的一维泊松点过程，在圆形轨道上建模卫星位置。
• 通过涉及地球半径、轨道半径 R 和最小仰角的几何分析，推导轨道上可见卫星轨迹的长度。
• 基于卫星轨道倾角（θₙ）和用户位置，利用几何函数 η(R, θₙ, Rₐ) 的反余弦，定义可见概率。
• 通过在可见弧长上积分并应用随机几何原理，建立用户到最近卫星距离的分布。
• 通过结合小尺度衰落（如瑞利衰落）和大尺度路径损耗，利用推导出的距离分布计算覆盖概率。
• 通过整合多个轨道平面的可见性和距离分布，将分析扩展至多轨道网络。

实验结果

研究问题

• RQ1 LEO卫星的轨道倾角和高度如何影响固定用户在地球表面到最近卫星距离的分布？
• RQ2 在考虑几何参数与衰落效应的前提下，单轨道LEO下行链路网络的覆盖概率是否存在解析表达式？
• RQ3 卫星的可见概率如何依赖于用户地理位置和轨道平面的朝向？
• RQ4 在多轨道LEO网络中，通过组合多个轨道平面可获得多大的覆盖增益？其增益如何依赖于轨道几何？
• RQ5 所提出的依赖几何的模型在多大程度上与仿真结果一致？其在不同轨道配置下的准确性如何？

主要发现

• 当轨道平面正对天顶（θₙ = π/2）时，轨道上可见卫星轨迹的长度达到最大，与直观的几何预期一致。
• 随着最小仰角 ω_min 增大，可见轨迹长度减小，因为较大的仰角会缩小可见球冠区域。
• 最近邻距离分布以闭式形式推导得出，其表达式依赖于轨道半径 R、倾角 θₙ 和地球半径 R_E，从而实现覆盖性能的解析评估。
• 覆盖概率对轨道几何极为敏感，当卫星轨道与用户天顶对齐时性能达到最优。
• 多轨道扩展分析表明，通过合理配置轨道平面间距以最小化盲区，可显著提升覆盖概率，展现出协同增益。
• 仿真结果证实，该分析模型在各种轨道配置和衰落条件下均具有高精度。