Arquitectura De Satelites

COMPARACIÓN DE LAS ARQUITECTURAS DE LOS SATÉLITES Y DEL CELULAR PARA LOS ENLACES DESCENDENTES DE TRANSMISIÓN DE DATOS

Introducción

Las redes tradicionales de voz y vídeo orientado, como las redes celulares y por satélite se están cada vez más utilizando para transportar el tráfico de datos. Muchas aplicaciones en los sistemas inalámbricos requieren una capacidad de emisión de paquetes para poder funcionar. Para el mismo conjunto de recursos, el rendimiento depende de la arquitectura de la red. Incluso teniendo en cuenta sólo la infraestructura de las redes, como el satélite y las redes celulares, el rendimiento puede ser muy diferente dependiendo del criterio utilizado para la comparación.

En este trabajo, se compara el rendimiento de los enlaces de bajada downlink en las órbitas terrestres bajas (LEO) para las arquitecturas de satélites y celulares basadas en el consumo de energía, el retardo de extremo a extremo y el rendimiento máximo estable que puede ser sostenido por las dos arquitecturas.

Las dos arquitecturas se modelan como colas de tiempo discreto Geo/G/1, que transmiten con una potencia de transmisión fija y en una tasa fija. Utilizando tanto los argumentos de la teoría de colas y la trayectoria de las muestras, se obtiene que la arquitectura del satélite es más eficiente en la energía consumida, mientras que la red celular tiene un inferior retardo de extremo a extremo y un mayor rendimiento.

También se estudia la variación de energía y el retraso con el número total de nodos receptores. Tal estudio es particularmente beneficioso para el diseño y planificación de redes de comunicación, y también permite a la red de operadores asignar recursos de manera apropiada con el fin de mejorar el rendimiento de la red.

MODELO DEL SISTEMA

La red satelital consta de un solo satélite LEO en órbita a una altura h, y transmite a N nodos fijos en su presencia. Se supone que el satélite tiene un solo haz que cubre todo el número de nodos. La red celular se compone de células idénticas M que no se solapan de radio r, cada una servida por una sola estación base, que cubren los mismos N nodos. Por simplicidad, suponemos que los N nodos se distribuyen equitativamente entre las estaciones base de M, y N>>M, con el fin de hacer una comparación justa, asumimos el mismo ancho de banda total disponible (W bits / s) en ambas arquitecturas. Sin embargo, debido a la reutilización de frecuencias en el caso celular, y a los factores de la frecuencia de re-utilización f, cada estación de base obtiene un ancho de banda W / F bits por segundo para transmisión. Tomando f =7 como en el caso de GSM, las células adyacentes a una célula en particular utilizan diferentes bandas de frecuencia. Suponemos que la transmisión para la misma banda por las estaciones que no son adyacentes a esta celda no interfieran con sus transmisiones.

Los datos están en forma de paquetes de longitud fija de L bits de longitud cada una. El tiempo se supone que se ranura, y la longitud de la ranura es Todos los transmisores son de ranura síncrona. El tiempo de ida y vuelta (RTT) en el caso de la arquitectura celular se toma como cero. El satélite y cada una de las estaciones base mantienen una sola cola ilimitada en la que los recién llegados se ponen. Los paquetes en la cabeza de la cola se transmite con potencia Ptr, y son vistas por todos los nodos de la huella / célula. Nosotros insistimos en la entrega garantizada, es decir, cada paquete tiene que llegar a todos los nodos N antes de que pueda ser retirado del sistema.

En cada ranura, una fuente genera un paquete con una probabilidad λ y la pone en la cola en el satélite. Para la red celular, una fuente central de manera similar genera un paquete con probabilidad λ en cada ranura, y lo pone al mismo tiempo en las estaciones de base de M-colas. Por lo tanto, la llegada de los

procesos en todas las colas de M son idénticos a los procesos de Bernoulli. El canal entre cada transmisor y el receptor se modela como un AWGN independiente

canal con atenuación. La señal recibida está dada por

Donde x es la señal transmitida, w es el ruido Gaussiano blanco, d es la distancia entre el transmisor y el receptor, y γ es el factor de atenuación. El valor de γ se ha determinado experimentalmente para diferentes entornos. El valor de d es igual a h (la altura del satélite) en el caso de satélite, y se toma como R (radio celular) para el entorno celular. Mientras hacemos esta suposición por la sencillez, reconocemos que la actual distancia entre la estación base y los nodos son menores que el radio de la celda. Por lo tanto, hemos de esperar que el consumo real de energía y el retardo de extremo a extremo va a ser menor que lo que es calculado aquí para el entorno celular.

Suponiendo una modulación BPSK y la transmisión con potencia Ptr; la probabilidad del éxito de la recepción por un receptor único en las dos arquitecturas está dada por las ecuaciones (2) y, (3) donde No es la varianza del ruido

Donde γs y γt, representan el máximo exponente de pérdida de trayectoria de las arquitecturas de satélite y celulares respectivamente, y Q denota la probabilidad de cola de la norma aleatoria gaussiana variable. Enviar y espera ARQ se utiliza en todos los transmisores. Por lo tanto, el satélite y cada estación base en repetidas ocasiones retransmite un paquete hasta que todos los nodos reciban el paquete con éxito. Si la transmisión de paquetes toma A ranuras y el tiempo de ida y vuelta de R ranuras, la energía es gastado en las primeras ranuras A y los acuses de recibo para el paquete llega al final de la ranura A+R. La siguiente transmisión se inicia en la ranura posterior. El intervalo de tiempo en consideración es el intervalo durante el cual el satélite LEO está muy por encima del horizonte. Aunque la continúa cobertura a través de cualquier área dada sólo es posible mediante el uso de una constelación de satélites.

MODELO MATEMÁTICO

Matemáticamente, las arquitecturas de satélite y celular se modelan como un sistema de 1

y M tiempo discreto Geo/G/1 colas, respectivamente. Geo indica una geométrica entre llegadas de tiempo, que corresponde a un proceso de llegada de Bernoulli. Aunque la distribución del tiempo de servicio en los dos casos es diferente, la diferencia no surge de la estructura, pero si a partir de los parámetros de las dos arquitecturas. Con el fin de derivar las estadísticas del tiempo de servicio de las colas en las dos arquitecturas, consideramos en primer lugar una cola genérica Geo/G/1 y obtenemos los resultados para ello.

Cola genérica Geo/G/1

Consideramos la posibilidad de una cola de un solo servidor que sirve nodos Nc, alimentados por un proceso de llegada de Bernoulli con tasa λ; transmite con potencia P y que tiene una probabilidad de recepción con éxito de p , debido a la naturaleza independiente del canal, un paquete dado requiere Xi transmisiones para alcanzar el nodo i, donde Xi - Geo(p) es independiente sobre i. Debido a la multidifusión inalámbrica (en donde la naturaleza de difusión del medio inalámbrico permite a todos los nodos dentro de un área dada recibir el paquete con una sola transmisión, en oposición al caso por cable) cada transmisión es recibida por todos los nodos Nc. Por lo tanto, el número total de transmisiones requeridas

para el paquete a ser reparado está dada por:

Donde las Xi son geométricamente distribuidas e independientes, para calcular el PDF y

función de probabilidad de generación (PGF) de NTR :

Donde q =1- p y F(z) es el PGF de NTR: El número medio de transmisiones de que un paquete.

Y el tiempo promedio de servicio viene dado por si cada transmisión toma A ranuras seguido por un tiempo de ida y vuelta de R ranuras, la energía media gastada por paquete es igual al número de transmisiones de veces la energía gastada por transmisión, por lo tanto igual a

El rendimiento estable máximo viene dado por el recíproco del tiempo de servicio promedio. El promedio de retraso de extremo a extremo en la cola solo se calcula utilizando la formula de Pollaczek-Khintchine fórmula, dada por donde σ es el tiempo de servicio.

Consumo de energía

Después de haber calculado la energía, el retardo y la estabilidad máxima para la cola genérica Geo/G/1, como hemos visto anteriormente, a continuación, sustituimos para el satélite y Nc =

para la arquitectura celular donde Ps y Pt están dadas por las ecuaciones anteriores. Esto nos da las siguientes expresiones para el consumo de energía en los dos casos.

Retraso medio de extremo a extremo

En la sección anterior, encontramos expresiones cerradas para la energía en el satélite y las redes celulares. El retardo de extremo a extremo, sin embargo, es mucho menos tratable. Si bien es bastante fácil para calcular el retraso en la red de satélites utilizando la fórmula de Pollaczek-Khintchine, es muy difícil hacerlo en el caso celular. La razón es que el retraso de extremo a extremo se define como el tiempo entre la generación y el tiempo que todos los nodos N reciben el paquete, que se traduce en el momento en que el paquete deja la última cola. Por lo tanto, el retardo de extremo a extremo es el máximo de los retrasos en cada cola. Para calcular la media del retraso de extremo a extremo, necesitamos calcular el PDF de la demora en una sola cola, y luego encontrar el PDF de la máxima

de M como independientes e idénticamente distribuidas (iid) variables

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