6G通信系统中多壳层近地轨道（LEO）卫星星座的性能评估

《Journal of Information and Intelligence》：Performance Evaluation of Multi-shell LEO Satellite Constellations in 6G Communication Systems

多壳低地球轨道卫星星座性能评估从地面用户视角出发，构建动态链路拓扑模型，分析卫星可见性、仰角约束及斜距对链路质量的影响，整合自由空间路径损耗、大气衰减和多普勒效应的信道模型，推导接收功率、接入概率、交通负载及多普勒频移等关键指标的表达式，并通过仿真验证高仰角卫星提升接入概率及动态调度策略的有效性。

　　随着第六代（6G）无线通信系统的愿景逐步清晰，即实现全球覆盖和无缝连接，低地球轨道（LEO）卫星系统正迅速发展，并采用多层星座结构。因此，从地面用户的角度评估LEO卫星性能，对于构建高效网络至关重要。本文提出了一种动态的多层LEO卫星星座链路拓扑模型，通过网关站为固定地面小区提供通信服务。该模型深入探讨了卫星可见性、仰角限制与斜距之间的复杂关系，强调了它们对链路质量和服务可用性的影响。为了真实反映卫星动态并评估下行链路性能，模型定义了服务持续时间的可行性，并根据仰角分类服务条件，突出了维持信号质量的最优范围。

在6G愿景中，全球覆盖和无缝连接不仅是技术挑战，也是对通信基础设施的重大需求。特别是在偏远和农村地区，由于缺乏地面设施，这些区域的通信服务尤为重要。LEO卫星星座作为一种有前景的补充手段，正在被广泛用于扩展无线覆盖范围。其优势在于较低的传播延迟和较低的发射成本，这使得LEO卫星成为实现广泛连接的可行方案。然而，单一的LEO星座不足以确保全球范围内的连续覆盖，因为世界上仍有近一半的人口生活在没有基本互联网接入的地方。非地面网络（NTNs）通过提供可靠且经济的宽带服务，填补了这一空白。未来，LEO星座与地面网络的融合将在6G通信系统中发挥关键作用，实现无缝的全球连接，并解决持续存在的覆盖缺口。

随着各大科技公司如SpaceX、Amazon、OneWeb和Geespace对大规模LEO星座部署的投入，LEO卫星通信技术正在快速演进。例如，SpaceX的Starlink网络采用多层星座架构，每个层级包含数百颗小型卫星，专门用于高速互联网服务。此外，近期的研究还表明，在多层无蜂窝大规模MIMO架构中，下行链路性能对确保LEO星座的服务质量至关重要。结合全球范围内的地面网关站，这些卫星构成了一个集成的卫星-地面网络，旨在通过互操作性和高效的资源管理，提供全球覆盖。

尽管在这一领域已有诸多进展，但从用户角度对多层LEO星座进行实际性能评估的方法仍较为有限。许多研究集中在LEO卫星通信的特定方面，如单颗卫星的覆盖范围、链路速率或特定场景下的性能分析，但缺乏对多层星座整体性能的全面理解。例如，一些早期研究基于简化的假设（如固定卫星位置和固定地球覆盖）计算了LEO网络的呼叫阻塞概率，但未能捕捉到卫星的动态运动特性。另一些研究虽然评估了下行链路性能，但未考虑多颗卫星的可见性或切换动态。在实际星座如Starlink中，多个卫星可以同时被一个地面终端所观测到，这突显了需要对多颗卫星链路进行分析的重要性。

本文提出的框架旨在填补这些研究空白，通过整合几何、信道损伤、接入选择、服务持续时间和流量负载，提供一个全面的、以地面用户为中心的评估模型。该模型考虑了多层LEO星座的动态特性，并通过网关站管理的波束调度机制，使移动的LEO卫星能够为固定的地面小区提供服务。模型还明确了卫星可见性，通过最低仰角限制和斜距计算，确保了服务的可行性。同时，模型考虑了现实的下行信道条件，包括自由空间路径损耗、大气吸收和闪烁效应。

为了进一步细化模型，本文引入了动态多轨道拓扑结构，其中卫星的可见性由仰角掩膜、斜距几何和波束分配决定。在每个调度周期内，网关站根据信号强度选择最合适的卫星波束，以确保最佳的通信质量。此外，模型还分析了多层LEO星座的下行链路性能，考虑了真实信道模型中的各种损耗因素，并推导了关键性能指标，如接收信号功率、接入概率、多普勒频移和下行流量吞吐量。这些指标与卫星轨道参数和用户位置密切相关，有助于更全面地评估网络性能。

在分析过程中，我们考虑了离散时间周期内的动态调度，确保每个周期内每个小区最多被一个卫星波束服务。这种机制不仅提高了服务的可靠性，还优化了有效服务持续时间，从而提升了接入概率。同时，通过高仰角链路，模型能够减轻多普勒效应的影响，支持高效的切换和流量管理。本文的关键贡献包括：动态多层星座建模、集成性能评估以及基于仰角的调度策略。这些策略为多层LEO网络的高效运行提供了理论基础和实践指导。

在实际应用中，卫星与地面网络的整合不仅依赖于技术进步，还需要合理的网络架构设计和资源管理策略。本文提出的模型通过综合考虑多个因素，如卫星可见性、仰角限制和流量负载，为多层LEO星座的性能评估提供了一个全面的框架。此外，模型还通过具体的参数设置和数值分析，展示了不同轨道高度和仰角对信号接收功率、接入概率和多普勒效应的影响。这些分析不仅有助于理解多层LEO网络的运行机制，也为未来的研究和部署提供了重要的参考。

通过模拟结果，我们进一步验证了模型的有效性。结果显示，随着仰角的增加，接收信号功率显著提高，从而直接增强了地面用户对可见卫星的接入概率。此外，模拟还揭示了网关站处卫星流量数据的时间变化特性，以及不同星座间的多普勒效应动态。这些结果表明，多层LEO星座在实际部署中具有重要的应用价值，特别是在需要高可靠性和高效资源管理的场景下。

本文的结论指出，提出的多层LEO卫星模型提供了一个更加现实和高效的性能评估框架，支持了用户视角下的全面分析。同时，研究还指出未来的工作方向，包括探索先进的波束切换机制、优化切换策略以及采用基于集群的波束跳跃技术。这些技术将进一步提升多层LEO星座的性能，为6G通信系统的实现奠定基础。此外，本文的作者贡献说明了每位作者在研究中的具体角色，体现了团队合作的重要性。