Coverage Analysis of LEO Satellite Downlink Networks: Orbit Geometry Dependent Approach
具有巨型星座的低地球轨道（LEO）卫星网络可以在支持高数据率的同时提供全球覆盖。这种网络的覆盖性能高度依赖于轨道几何参数，包括卫星高度和倾角。传统上，基于模拟的覆盖分析占主导地位，因为缺乏分析方法。本文提出了一种新的系统分析框架，LEO卫星网络突出轨道几何参数。具体来说，我们假设卫星的位置被放置在一个圆形的轨道上，根据一维泊松点过程。然后，我们推导出卫星和一个固定的用户的位置在地球上的轨道几何参数的最近距离的分布。利用这个分布，我们表征的覆盖概率的单轨道LEO网络的网络几何参数的函数，结合小规模和大规模的衰落效应。最后，我们将覆盖分析扩展到多轨道网络，并验证了利用多轨道卫星网络的覆盖概率方面的协同增益。仿真结果验证了数学推导和模型的准确性。
2022-06-19 cs.IT math.IT
Hybrid Analog/Digital Precoding for Downlink Massive MIMO LEO Satellite Communications
大规模多输入多输出（MIMO）技术在低轨卫星通信中具有很好的应用前景，因为它可以提高频谱利用率。然而，传统的全数字预编码架构可能导致高实现复杂度和能量消耗。在本文中，混合模拟/数字预编码解决方案开发的低轨大规模MIMO卫星通信的下行链路操作，通过利用慢变化的统计信道状态信息（CSI）在发射机。首先，我们制定的混合预编码器的设计作为一个能源效率（EE）最大化的问题，同时考虑连续和离散相移网络实现模拟预编码器。被认为是完全和部分连接的架构的情况下。由于EE优化问题是非凸的，因此通常难以求解。为了使EE最大化问题易于处理，我们采用封闭形式的紧上界近似遍历率。然后，我们开发了一种有效的算法来获得全数字预编码器。在此基础上，我们进一步开发了两种不同的高效算法解决方案，分别计算全连接和部分连接架构的混合预编码器。仿真结果表明，所提出的方法实现了显着的EE性能增益超过现有的基线，特别是当离散相移网络用于模拟预编码。
2022-01-17 cs.IT eess.SP math.IT
Downlink Analysis of LEO Multi-Beam Satellite Communication in Shadowed Rician Channels
蜂窝技术即将扩展到低地球轨道（LEO）的基站，需要重新审视地面3GPP信道模型。相对于这些模型，天空到地面的蜂窝信道将表现出更少的衍射，更深的阴影，更大的多普勒频移，并可能更强的跨小区干扰：高仰角和LEO卫星传输到部分重叠的点波束的极端"扇区化"的后果。为了允许预测的预期信号噪声比（SNR），干扰噪声比（INR）和中断的概率，我们的特点所需的功率和干扰信号接收地面用户从这样的低地球轨道卫星。特别是，建立在阴影Rician信道模型，我们观察到，共同小区和跨小区的天空到地面的信号沿着类似的路径，而地面的共同和跨小区的信号沿着非常不同的路径。我们的特点SNR，信号干扰比（SIR），和INR使用发射波束配置文件和线性关系，我们建立某些Shadowed莱斯随机变量之间。这些工具使我们能够简化某些密度函数和时刻，方便未来的分析。数值结果产生洞察新兴的低地球轨道系统是否应被视为干扰或噪声限制的关键问题。
2021-07-29 cs.IT eess.SP math.IT
The Impact of Antenna Height Difference on the Performance of Downlink Cellular Networks
能够显着减少小区的大小和提高空间复用，网络致密化被证明是最主要的方法来扩大网络容量之一。然而，由于可用频谱资源的稀缺性，网络基础设施的过度部署，蜂窝基站（BS）也会加强小区间干扰，从而反过来恶化系统性能。在这个帐户上，我们调查的下行链路蜂窝网络的用户覆盖概率（CP）和网络空间吞吐量（ST）方面的性能，旨在阐明网络致密化的限制。值得注意的是，它表明，CP和ST将退化，甚至减少到零时，BS密度是足够大的，提供的实际天线高度差（AHD）BS和用户之间的参与来表征路径损耗。此外，研究结果还表明，网络ST的增加是以CP的退化为代价的。因此，为了平衡用户和网络性能之间的权衡，我们进一步研究了临界密度，在该密度下，ST可以在CP约束下最大化。通过一个特殊的案例研究，得出临界密度与AHD的平方成反比。本文的研究结果对网络密集化在下一代无线网络中的应用具有一定的指导意义。
2017-07-03 cs.IT math.IT
Performance analysis of satellite-terrestrial integrated radio access networks based on stochastic geometry
针对星地一体化无线接入网覆盖性能缺乏理论分析的问题，本文基于随机几何推导同异频场景下的下行覆盖概率表达式，经仿真验证并分析了参数影响，为6G星地融合网络设计提供理论支撑。
2024-04-15 cs.IT eess.SP math.IT
Optimization of Information Reconciliation for Decoy-State Quantum Key Distribution over a Satellite Downlink Channel
本文针对低地球轨道卫星下行链路QKD密钥生成量少的问题，通过建立包含链路几何、闪烁效应和诱骗态信号强度的时变QBER精确模型，优化信息协调效率，使诱骗态BB84协议的安全密钥长度在现实场景下提升近3%。
2025-11-07 cs.CR cs.IT math.IT
A Novel Analytical Model for LEO and MEO Satellite Networks based on Cox Point Processes
本文提出基于Cox点过程的解析模型，准确刻画LEO/MEO卫星沿轨道分布特性，并推导无卫星概率、干扰拉普拉斯变换及覆盖概率，为卫星网络系统级设计优化提供工具。
2024-06-13 cs.IT eess.SP math.IT
Dynamic Downlink-Uplink Spectrum Sharing between Terrestrial and Non-Terrestrial Networks
针对6G中密集低轨卫星星座共享频段时传统FDD系统干扰严重的问题，提出动态FDD频段重分配方法，结合多种优化技术求解联合优化问题，使密集部署中吞吐量较传统FDD提升高达94%。
2025-11-11 cs.IT eess.SP math.IT
Non-Terrestrial Network (NTN): a Novel Alternate Fractional Programming for the Downlink Channels Power Allocation
针对GEO NTN下行功率分配中的非凸NP难优化问题，提出新型交替分式规划算法，以提升频谱效率、平均RBG速率、总速率及资源利用效率。
2023-12-17 cs.IT math.IT
Optimal Receive Design on the Observation Axis for RSMA Satellite-UAV Downlinks
Hefei University of Technology（合肥工业大学）
该研究针对RSMA卫星-无人机下行链路，在PODA结构下推导接收优化方案，提出噪声加权匹配合并器等方法，仿真显示方向余弦RMSE降51.29%，平均最小频谱效率提升28.64%。
2026-10-14 cs.IT math.IT
LEO Satellite Internet of Things: Architecture, Technology, and On-Orbit Verification
Zhejiang University（浙江大学）；Hangzhou Normal University（杭州师范大学）
本文提出6G LEO卫星物联网的二维系统架构，评估上行免授权随机接入、下行深度学习多波束预编码及星间分布式协作路由三项关键技术，并通过在轨平台验证其可行性。
2026-09-18 cs.IT cs.LG math.IT
Optimal Base Station Antenna Downtilt in Downlink Cellular Networks
根据最近的研究，当基站（BS）天线和用户设备（UE）天线之间的绝对高度差大于零时，下行链路（DL）蜂窝网络的面积频谱效率（ASE）性能将随着全负载超密集网络（UDN）中的网络密集化而持续降低并最终为零，这被称为ASE崩溃。我们重新审视这个问题，通过考虑的BS天线下倾的下行链路网络容量的影响。通常，在实际网络中，BS和UE之间存在高度差。通常利用天线下倾来调整垂直天线方向图的方向，从而增加接收信号功率或降低小区间干扰功率以改善网络性能。从覆盖概率和ASE两个方面研究了基站天线下倾与下行网络容量的关系。推导了覆盖概率和ASE的解析结果，发现对于每个基站密度，存在一个最优天线下倾以获得最大的覆盖概率。此外，我们推导出数值可解的最佳天线下倾，这是一个函数的基站密度的表达式。我们的理论和数值结果表明，应用最佳天线下倾后，网络性能可以得到显着改善。具体地，利用最佳天线下倾，ASE崩溃可以在基站密度方面延迟近一个数量级。
2018-02-21 cs.IT cs.NI math.IT
Dynamical System Characterization of Heterogeneous Walker Satellite Networks: An Orbit-Aware Stochastic Geometry Perspective
School of Electrical Engineering, KAIST（韩国科学技术院电气工程学院）；Telecom Paris and Inria Paris（巴黎电信学院和巴黎国家信息与自动化研究所）
本文提出一种轨道感知的随机几何框架，将异构低轨卫星网络建模为多个Walker点过程的叠加，并分析其周期性与遍历性，推导了最近卫星距离分布和SINR覆盖概率，为下行性能分析提供了严格工具。
2026-06-28 cs.IT eess.SP math.DS
Visual Event Detection over AI-Edge LEO Satellites with AoI Awareness
School of Physics, Engineering and Computer Science, University of Hertfordshire（哈特福德大学物理、工程与计算机科学学院）；COPELABS, Lusófona University（卢索丰大学COPELABS）；UNINOVA-CTS and LASI（UNINOVA-CTS和LASI）；Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa（里斯本大学高等理工学院）；Department of Computer Engineering, Chosun University（朝鲜大学计算机工程系）
本文提出了一种基于深度联合源-信道编码的下行方案，用于AI原生LEO卫星网络中的视觉事件检测，通过优化语义信息传输提升推理准确性和时效性。
2025-12-21 cs.IT eess.SP math.IT
Mean Gain Is Not a Guarantee: Risk-Controlled Open-Loop Scheduling for Ka-Band LEO Semantic Downlinks
Department of Electrical；Electronics Engineering, Ko c University, Istanbul, T\"urkiye
针对低轨卫星下行调度平均增益标准失效的问题，提出基于过境数据反效果频率设置安全裕量的风险控制方法，可减少调度反效果，提升单次过境性能。
2026-10-12 cs.IT eess.SP math.IT
Collaborative Multi-Resource Allocation in Terrestrial-Satellite Network Towards 6G
地面卫星网络被设想在第六代（6G）无线网络中发挥重要作用。在这样的网络中，热气球是有用的，因为它们可以在卫星和地面站之间中继信号。大多数现有的工作假设热气球部署在相同的高度，具有相同的最小仰角到卫星，这可能是不切实际的，由于可能的路线冲突与飞机和其他飞行设备。在本文中，我们考虑一个TSN包含在不同的高度和不同的最小仰角的热气球，这创造了不均匀的可用服务时间的热气球和卫星之间的通信的挑战。共同考虑地面气球卫星链路和卫星间激光链路的缓存、计算和通信（3C）资源管理，我们的目标是最大限度地提高网络能源效率。首先，提出了一种自来水注水算法，根据卫星的可用服务时间，对卫星间的业务进行调度。然后，我们生成一系列的配置矩阵，在此基础上，我们制定的中继时间和功耗之间的关系，在卫星之间的中继。最后，建立了TSN的集成系统模型，并采用泰勒级数近似的几何规划方法进行求解。仿真结果证明了该方案的有效性。
2021-05-04 cs.IT cs.SY eess.SY
Downlink Analysis in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Assisted Cellular Networks with Clustered Users
使用作为空中基站（BS）操作的无人驾驶飞行器（UAV）已经成为一种有前景的解决方案，特别是在需要快速部署的场景中（例如，在拥挤的热点、体育赛事、紧急情况、自然灾害的情况下），以便协助地面BS。提出了一种分析无人机（UAV）辅助蜂窝网络集群用户设备（UE）信号干扰噪声比（SINR）覆盖概率的分析框架。UAV和地面BS的位置被建模为毒点过程（PPP），并且UE被假设为根据泊松簇过程（PCP）分布在UAV在地面上的投影周围。首先推导了无人机和地面基站层路径损耗的互补累积分布函数和概率密度函数。随后，获得与每个层的关联概率。SINR覆盖概率推导出整个网络使用工具从随机几何。最后，确定了整个网络的面积频谱效率（ASE），并考虑无人机位于不同高度的情况，给出了更一般模型下的SINR覆盖概率表达式。通过数值计算，我们已经表明，无人机高度和路径损耗指数的覆盖性能起着重要的作用。此外，覆盖概率可以用较少数量的UAV来提高，而更好的区域频谱效率通过采用更多的UAV并且使UE更紧凑地聚集在UAV周围来实现。
2018-06-12 cs.IT math.IT
Energy-Efficient RIS-Assisted Satellites for IoT Networks
使用卫星为密集部署的物联网（IoT）网络提供无处不在的覆盖和连接，预计将在新兴的6G网络中成为现实。然而，物联网节点的低电池容量构成了它们与卫星直接连接的问题，这些卫星位于高达2000公里的高度。在本文中，我们提出了一种新的架构，涉及使用可重构智能表面（RIS）单位，以减轻与长传输距离的路径损耗。这些RIS单元可以放置在卫星反射阵列上，并且当用于广播和波束形成时，它们可以在信号传输中提供显著的增益。这项研究表明，RIS辅助卫星可以为物联网网络提供高达10^5倍的下行链路和可实现的上行链路速率。
2021-05-21 cs.IT math.IT
Downlink Cellular Network Analysis with LOS/NLOS Propagation and Elevated Base Stations
在本文中，我们研究了密集蜂窝网络的下行链路性能与高架基站（BS）使用的信道模型，包括视线（LOS）/非视线（NLOS）传播在小规模和大规模衰落。模型LOS衰落与Nakagami- $m$衰落，我们提供了一个统一的框架，随机几何的基础上，包括最接近和最强的BS关联。我们的研究是特殊的两个距离相关的LOS/NLOS模型的实际利益。仅考虑LOS传播的影响，我们推导出封闭形式的表达式与Nakagami- $m$衰落的覆盖概率，最强的BS关联的性能是相同的瑞利衰落的情况下，而最接近的BS关联它单调增加的形状参数$m$。然后，专注于提高BS的效果，我们表明，网络致密化最终导致几乎普遍中断，即使是适度低BS密度：特别是，最大面积频谱效率是成正比的平方BS高度的倒数。
2017-03-03 cs.IT math.IT
Downlink Coverage and Rate Analysis of an Aerial User in Vertical Heterogeneous Networks (VHetNets)
在本文中，我们分析了在垂直HetNets（VHetNets）包括空中基站（aerial-BS）和地面BS的下行链路覆盖概率和速率的空中用户。地面基站的位置被建模为一个无限的2-D泊松点过程（PPP），而空中基站的位置被建模为一个有限的2-D二项式点过程（BPP）。我们的蜂窝到空气（C2A）信道模型采用了视线（LoS）和地面BS和一个典型的空中用户之间的非LoS传输，而我们假设所有的空中链路LoS传输。我们假设空中用户与提供最强平均接收功率的空中BS或地面BS相关联。利用随机几何，我们推导出精确的和近似的表达式的覆盖概率和速率的干扰功率的拉普拉斯变换。表达式被简化，假设仅用于C2A信道的LoS传输。这使得能够在升高的空中用户高度处具有良好精度的易于计算的方程。我们发现，在低空盘旋的空中用户往往连接到密集的地面环境中的空中基站。在空中BS处采用定向波束成形通过减少从空中BS接收的干扰信号来保证空中用户处的可接受性能。在更密集的地面网络中，尽管波束成形，空中用户的性能大幅下降。
2020-09-10 cs.IT eess.SP math.IT
Outage Performance of $3$D Mobile UAV Caching for Hybrid Satellite-Terrestrial Networks
在本文中，我们考虑一个混合的卫星-地面网络（HALDS），其中多天线卫星与地面用户设备（UE）的帮助下，多个缓存启用放大转发（AF）三维（$3$ D）移动无人机（UAV）中继通信。在这里，我们采用两个基本的最流行的内容（MPC）和统一内容（UC）的缓存方案的两种类型的移动无人机中继，即完全$3$ D和固定高度。考虑到多天线卫星链路和随机$3$ D无人机中继和UE之间的距离，我们分析了所考虑的系统与MPC和UC缓存方案的中断概率（OP）。我们进一步进行了相应的渐近OP分析，提出了两种类型的$3$ D移动无人机中继的两种方案可实现的性能增益的见解。具体来说，我们表明：（a）MPC缓存占主导地位的UC和没有缓存计划;（b）完全$3$ D移动无人机中继优于其固定高度的同行。最后通过仿真验证了理论分析的正确性。
2021-06-10 cs.IT eess.SP math.IT
Stochastic Geometry Analysis of Ultra-Dense Networks: Impact of Antenna Height and Performance Limits
超密集网络（UDN）的概念通常被视为下一代移动网络的关键推动者。然而，现有的UDN分析，包括随机几何，还不能完全确定致密化的潜在收益和限制。在本文中，我们研究了UDN在下行链路中的性能，并提供了新的见解天线高度和仔细的网站选择对网络性能的影响。我们集中我们的调查覆盖的概率，平均小区速率和平均区域频谱效率的网络与定期和随机BS部署。我们表明，在考虑天线高度的路径损耗模型下，网络性能存在一个上限，该上限取决于路径损耗模型参数。我们的分析显示了一个有趣的发现，即使对于过密网络，也可以实现不可忽略的系统性能。
2017-12-06 cs.IT math.IT
Underlay Drone Cell for Temporary Events: Impact of Drone Height and Aerial Channel Environments
针对物联网临时活动的覆盖需求，提出基于随机几何的underlay无人机空中基站上下行覆盖概率分析框架，验证了准确性并揭示信道环境与高度的影响，给出部署设计准则。
2018-10-09 cs.IT math.IT
Stochastic Geometry and Dynamical System Analysis of Walker Satellite Constellations
针对Walker卫星星座的空间结构特性与通信性能分析需求，本文建立随机几何模型，结合动力系统理论与随机几何方法，实现星座结构特性分析及下行通信性能与星座参数的关联推导。
2025-08-01 cs.IT math.IT
Modeling and Performance Analysis of IoT-over-LEO Satellite Systems under Realistic Operational Constraints: A Stochastic Geometry Approach
针对现有低轨卫星物联网理论研究假设脱离现实的问题，提出基于二项点过程的随机几何模型，结合真实信道与干扰分析，经仿真验证可准确评估系统覆盖概率等关键性能。
2025-05-18 cs.IT cs.NI math.IT
Performance Analysis of Satellite Communication System Under the Shadowed-Rician Fading: A Stochastic Geometry Approach
在本文中，我们考虑下行链路低地球轨道（LEO）卫星通信系统中，多个LEO卫星均匀分布在一个球体在一定的高度，根据齐次二项式点过程（BPP）。根据BPP的特点，分析了BPP的距离分布和服务卫星的分布情况。我们解析地推导出精确的中断概率，并利用泊松极限定理得到其近似表达式。利用这些推导的表达式，系统吞吐量最大化问题下的卫星可见性和中断约束。为了解决这个问题，我们重新制定了有界可行集，并提出了一个迭代算法，以获得近最优解。仿真结果完全符合推导出的中断概率和系统吞吐量的精确表达式。近似表达式的解析结果与精确表达式的解析结果相当接近。它还表明，所提出的算法的吞吐量最大化是非常接近的最佳性能得到一个二维穷举搜索。
2022-06-23 cs.IT eess.SP math.IT
Downlink Coverage Analysis for a Finite 3D Wireless Network of Unmanned Aerial Vehicles
在本文中，我们考虑一个有限的网络无人机（UAV）服务于一个给定的区域。将该网络建模为均匀二项点过程（BPP），在假设所有无线链路均为Nakagami- $m$衰落的情况下，推导出位于地面任意位置的参考接收机的下行链路覆盖概率。假设参考接收机连接到其最近的发射节点，这在蜂窝系统中通常是这种情况。在推导出从参考接收机到服务节点和干扰节点的距离分布之后，我们推导出了干扰功率分布的拉普拉斯变换的导数方面的下行链路覆盖概率的精确表达式。在该系统的下行链路中，遇到视线（LOS）分量明显强于反射的多径分量的情况并不罕见。为了模拟这种情况下，我们也得到了覆盖概率在没有衰落的Nakagami-$m$衰落的结果，通过采取限制$m \to \infty$。利用不完全伽玛函数的渐近展开式，我们具体地证明了这一极限归结为一个冗余条件。因此，我们推导出一个准确的覆盖概率近似这种情况下，使用占主导地位的干扰的方法，其中占主导地位的干扰的效果被准确地捕获和其他干扰的残留干扰仔细近似。然后我们利用Berry-Esseen定理推导出近似覆盖概率的界。我们的分析揭示了几个有用的趋势，覆盖概率的函数的高度的发射节点和参考接收器在地面上的位置。
2017-01-05 cs.IT cs.NI math.IT
Energy Efficiency Optimization in Integrated Satellite-Terrestrial UAV-Enabled Cell-Free Massive MIMO
本文提出逐次凸逼近算法，在功率和服务质量约束下最大化卫星-无人机无蜂窝大规模MIMO网络中UAV的下行能效，推导了EE闭式表达式，仿真证明数十架UAV即可显著提升卫星网络频谱效率。
2024-07-24 cs.IT eess.SP math.IT
Satellite Infrastructure Sharing: Orbit-Structured Stochastic Geometry Modeling and Connectivity Analysis in Heterogeneous Satellite Networks
School of EE, KAIST（韩国科学技术院电气工程学院）
本文针对异构LEO卫星网络，采用球面Cox点过程等建模方法，分析卫星基础设施共享的可行性，推导关键性能指标闭式表达式，揭示覆盖重叠的固有权衡。
2026-08-13 cs.IT eess.SP math.IT
Location-Based Timing Advance Estimation for 5G Integrated LEO Satellite Communications
卫星-地面综合通信网络旨在利用卫星和地面移动通信，从而提供真正的无处不在的覆盖。对于5G低轨道（LEO）卫星通信系统，在初始随机接入过程中需要估计定时提前量（TA），以便于不同用户之间的上行帧对齐。然而，由于LEO卫星通信系统的固有特性，例如，波束覆盖范围广、传播延迟长，现有的5G地面上行TA方案不适用于卫星网络。在本文中，我们研究了基于位置的TA估计5G综合低轨卫星通信系统。在下行链路定时和频率同步阶段，我们获得了到达时间差（TDOA）和到达频率差（FDOA）的测量，这是从卫星在不同的时刻。我们建议采取这些测量用于UE地理定位或星历估计，从而计算TA值。然后，将估计公式化为二次优化问题，其全局最优解可以通过二次罚算法获得。为了减少计算复杂性，我们进一步提出了一种替代的近似方法的基础上迭代执行线性化过程的二次等式约束。仿真结果表明，该方法能够逼近TA估计的Cramer-Rao下界，从而保证不同用户的上行帧对齐。
2021-05-09 cs.IT math.IT
