[论文解读] Performance Analysis of Satellite Communication System Under the Shadowed-Rician Fading: A Stochastic Geometry Approach

Dong‐Hyun Jung, Joon-Gyu Ryu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Satellite Communication Systems参考文献 38被引用 125

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何的下行链路低地球轨道（LEO）卫星通信性能分析，考虑了遮蔽莱斯衰落，通过齐次二项点过程（BPP）建模卫星分布。利用泊松极限定理推导了精确和近似的中断概率表达式，并提出了一个在可见性和中断约束下的吞吐量最大化问题，通过一种迭代算法求解，实现了接近最优的性能且复杂度较低。

ABSTRACT

In this paper, we consider downlink low Earth orbit (LEO) satellite communication systems where multiple LEO satellites are uniformly distributed over a sphere at a certain altitude according to a homogeneous binomial point process (BPP). Based on the characteristics of the BPP, we analyze the distance distributions and the distribution cases for the serving satellite. We analytically derive the exact outage probability, and its approximated expression is obtained using the Poisson limit theorem. With these derived expressions, the system throughput maximization problem is formulated under the satellite-visibility and outage constraints. To solve this problem, we reformulate it with bounded feasible sets and propose an iterative algorithm to obtain near-optimal solutions. Simulation results perfectly match the derived exact expressions for the outage probability and system throughput. The analytical results of the approximated expressions are fairly close to those of the exact ones. It is also shown that the proposed algorithm for the throughput maximization is very close to the optimal performance obtained by a two-dimensional exhaustive search.

研究动机与目标

• 分析在有限、均匀分布的卫星条件下，下行链路LEO卫星通信在遮蔽莱斯衰落下的系统性能。
• 使用齐次二项点过程（BPP）对LEO卫星的空间分布进行建模，以实现对有限节点系统的精确建模。
• 基于BPP和遮蔽莱斯衰落，推导中断概率的精确和近似表达式，以实现数学上的可处理性。
• 制定并求解在卫星可见性和中断约束下的系统吞吐量最大化问题。
• 提出一种迭代算法，与穷举搜索相比，显著降低复杂度，同时实现接近最优的吞吐量。

提出的方法

• 将LEO卫星星座建模为齐次二项点过程（BPP），以捕捉在固定高度上有限且均匀分布的卫星。
• 基于BPP的几何结构和波束成形约束（主瓣和旁瓣区域），推导到最近和服务卫星的精确距离分布。
• 利用泊松极限定理推导中断概率的近似表达式，实现可处理的分析。
• 引入一个采用定向波束成形和固定波束天线（对准星下点）的系统模型。
• 将吞吐量最大化问题在有界可行集上重新表述，以确保迭代算法的收敛性。
• 提出一种迭代算法，联合优化传输速率和最小仰角，实现接近最优的性能，且计算成本低。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限数量的LEO卫星如何影响下行链路卫星系统中的距离分布和选择服务卫星？
• RQ2 当卫星通过BPP建模时，在遮蔽莱斯衰落下，中断概率的精确和近似表达式是什么？
• RQ3 波束成形特性（主瓣与旁瓣）如何影响基于BPP的LEO卫星网络的系统性能？
• RQ4 在可见性和中断约束下，如何实现传输速率与最小仰角之间的最优权衡以最大化系统吞吐量？
• RQ5 所提出的迭代算法的性能与通过二维穷举搜索获得的最优解相比有多接近？

主要发现

• 通过BPP几何方法推导出的精确中断概率表达式与仿真结果完全一致，验证了分析模型的正确性。
• 利用泊松极限定理推导出的近似中断概率表达式与精确结果高度吻合，支持低复杂度系统分析。
• 所提出的吞吐量最大化迭代算法性能与通过二维穷举搜索获得的最优解相比，差距在1%以内。
• 随着卫星数S的增加，系统吞吐量提高，这是由于可见性改善和中断概率降低，但在高S时因最小距离约束出现饱和。
• 波束指向误差（如1°）和降雨衰减（如g = -3 dB）显著降低系统性能，导致吞吐量下降。
• 精确中断概率的计算复杂度为O(S²N²τ)，主要受卫星数S主导；而近似版本为O(N²τ)，在大规模系统中表现出高效率。