Latency Optimization in LEO Satellite Communications with Hybrid Beam Pattern and Interference Control

要約

低地球軌道 (LEO) 衛星通信システムの急速な進歩により、グローバル接続が大幅に強化され、次世代アプリケーションに不可欠な大容量、低遅延のサービスが提供されています。
ただし、LEO コンステレーションの高密度構成は、リソース割り当ての最適化と干渉管理に課題をもたらし、他の通信システムとの共存を複雑にします。
これらの制限に対処するために、この論文では、マルチビーム LEO システムにおけるビーム スケジューリングとリソース割り当てを最適化するための新しいフレームワークを提案します。
不均一な地上トラフィック需要を満たすために、ハイブリッド ビーム パターンが採用されてダウンリンクのサービス品質が向上し、LEO 衛星から地上ユーザー端末への伝送遅延が最小限に抑えられます。
さらに、動的同一チャネル干渉 (CCI) 制御メカニズムが開発され、LEO コンステレーション内のビーム間干渉を軽減し、他のネットワークから保護されたユーザーに影響を与えるシステム間干渉を制限します。
電力最適化を伴うユーザー ビーム周波数割り当ての問題は、混合整数動的計画法モデルとして定式化され、低複雑性のニューラル ネットワーク ベースのグラフ生成アルゴリズムを使用して解決されます。
シミュレーション結果は、提案されたアプローチが完全な周波数再利用と単一チャネル送信の基本的な方法よりも優れていることを示し、マルチユーザー送信でさらなるパフォーマンス向上の可能性を強調しています。

要約(オリジナル)

The rapid advancement of low Earth orbit (LEO) satellite communication systems has significantly enhanced global connectivity, offering high-capacity, low-latency services crucial for next-generation applications. However, the dense configuration of LEO constellations poses challenges in resource allocation optimization and interference management, complicating coexistence with other communication systems. To address these limitations, this paper proposes a novel framework for optimizing the beam scheduling and resource allocation in multi-beam LEO systems. To satisfy the uneven terrestrial traffic demand, a hybrid beam pattern is employed to enhance the downlink quality of service and minimize the transmission latency from LEO satellites to ground user terminals. Additionally, a dynamic co-channel interference (CCI) control mechanism is developed to mitigate inter-beam interference within the LEO constellation and limit cross-system interference affecting protected users from other networks. The problem of user-beam-frequency allocation with power optimization is formulated as a mixed-integer dynamic programming model and solved using a low-complexity neural network-based graph generation algorithm. Simulation results show that the proposed approach outperforms the baseline methods of full frequency reuse and single-channel transmission, and highlights the potential for further performance improvement with multi-user transmissions.

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