In this dissertation, we are concerned with mobility and traffic analyses in low earth orbit(LEO) satellite communication systems considering the shadowing of communicating satellites.
First, we propose a satellite selection scheme when two or more satellites are simultaneously visible. The transmitter antenna of each satellite has a beam pattern proportional to the residual distance in the coverage area and inversely proportional to the path loss between satellite links. Each terminal can select a satellite with the maximum sojourn time without additional system overheads or increased terminal complexity in the proposed non-uniform power transmission scheme. For multiple spot beam environments this scheme can be extended with a hybrid algorithm which considers both the position information and the received signal strength of each spot beam to reduce both intersatellite and interbeam handoffs.
Second, we analyze the handoff performance of LEO satellite communication systems considering the shadowing of candidate satellites to a mobile terminal. We obtain the probability distribution of the number of candidate satellites and model shadowing process with an elevation angle dependent two-state continuous time Markov chain. The system performance is evaluated in terms of the call blocking probability and the average number of handoffs during a call.
Third, we analyze the handoff performance of LEO satellite communication systems considering the shadowing of candidate satellites to a fixed terminal in multiple spot beam environments. We obtain the residual distances of both communicating satellite and spot beam, and evaluate the performance in urban and suburban environments.
Finally, we propose a dynamic resource reservation(DRR) scheme for code division multiple access(CDMA) based LEO satellite communication systems. This scheme adaptively reserves interfernece margin proportional to the number of users covered in the front spot beam preceding a considered spot beam. We analyze the system performance of the DRR scheme in a lognormal shadowing environment considering dual satellite diversity and imperfect power control in terms of the new call blocking probability and the handoff call dropping porbability.
본 연구는 저궤도 위성 통신 시스템에서 위성간 핸드오프 및 스팟빔간 핸드오프의 발생을 감소시키는 위성 선택 방법을 제안하고, 이동 단말 및 고정 단말의 핸드오프 특성에 전파 음영이 미치는 영향을 분석한다. 그리고, CDMA 기반이 위성 통신 시스템에서의 동적 자원 할당 기법을 제안한다.
첫번째로, 본 논문에서는 두 개 이상의 위성과 동시에 통화 가능한 경우의 위성 선택 방법을 제안한다. 제안한 방법의 위성 송신 안테나 빔 패턴은 위성의 관할 영역 내에서의 체재 거리에 비례하며 위성 링크에서의 경로 손실을 보상하도록 설계된다. 이러한 비균질 전력 전송 방법을 사용할 경우에 각 단말은 서로 다른 위성으로부터의 파일롯 신호 중에서 가장 수신 전력이 큰 위성을 선택하는 것으로 가장 체재 시간이 긴 위성과 연결될 수 있다. 이 방법은 또한 다중 스팟빔을 사용하는 경우에, 각 스팟빔의 수신 신호 세기와 위성 관할 영역 내의 상대적 위치 정보를 이용하는 하이브리드 방법과 함께 적용하여 위성간 핸드오프 및 스팟빔간 핸드오프의 발생을 감소시킬 수 있다.
두번째로, 이동 단말에 대한 통화 가능한 후보 위성들의 전파 음영 효과에 따른 저궤도 위성의 핸드오프 특성을 해석적으로 분석한다. 이를 위하여, 임의의 위도에서 통화 가능한 후보 위성들의 수에 대한 확률 분포를 해석적으로 구하고 시뮬레이션을 이용하여 이를 검증한다. 전파 음영 현상을 앙각에 따른 연속 시간 마르코프 모델을 이용하여 모델링함으로 해서, 연결된 위성 내에서의 체재 거리와 위성이 장애물에 가려질 때까지의 거리 분포를 구한다. 이러한 해석적인 모델을 이용하여 호손율과 호 중 평균 위성간 핸드오프 수 측면에서의 성능을 분석한다.
세번째로, 고정 단말에 대한 연결 후보 위성들의 전파 음영 효과에 따른 저궤도 위성의 핸드오프 특성을 분석한다. 통화중인 위성의 체재 거리와 함께 통화중인 위성 내 스팟빔의 체재 거리 분포를 해석적으로 구한다. 호 중 평균 위성간 핸드오프 수 및 스팟빔간 핸드오프 수의 분포를 도심 지역 환경과 농촌 지역 환경에서 해석적으로 구한다. 통화중인 위성이 가려지는 현상은 빈번한 위성간 핸드오프를 초래하나, 스팟빔간 핸드오프에는 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
마지막으로, CDMA 기반의 저궤도 위성 통신 시스템에의 동적 자원 관리 기법을 제안한다. 이 기법은 위성의 진행 방향에 대하여 고려하는 스팟빔의 앞부분에 위치하는 스팟빔에 존재하는 사용자이 수에 비례하도록 스팟빔간 핸드오프를 위한 간섭량을 예약한다. 이러한 동적 자원 관리 기법의 성능을 두 개의 위성과 동시에 통화할 수 있는 망 구성 환경에서 로그-정규 분포를 갖는 전파 음영과 불완전한 전력 제어가 이루어지는 상황에서 분석하였다. 제안하는 동적 자원 관리 기법은 기존의 우선권을 가지지 않는 방법에 비하여 시스템의 용량을 증가시킬 수 있으며, 시스템의 파라미터 및 트래픽 상황의 변화에 쉽게 적응할 수 있다.
