10 Throughput and Capacity Evaluation of 5G New Radio Non-Terrestrial Networks with LEO Satellites

LEO的5G广播非地面网络的吞吐量和容量

本文一些工作

30MHz带宽的S波段LEO卫星的下行链路容量约为600Mbps，为手持终端服务
400MHz带宽的Ka波段的LEO卫星下行链路能力约为7Gbps，为甚小孔径终端(VSTA)服务
由于LEO NTN中的小区较大，区域容量密度适中：S频段下行链路速度为1-10 kbps/km2，Ka频段下行链路速度为14-120 kbps/km2（取决于纬度）。

系统模拟的方法

仿真设置

1. NTN系统：FDD
2. 两个频带
   1. S频段：上/下行链路载波频率均为2GHz，系统带宽为30MHz，子载波间隔为15kHz。
   2. Ka频段：下行链路和上行链路载波频率分别为20GHz和30GHz，系统带宽为400MHz，子载波间隔为60kHz。 27-40??
3. 600Km的低轨卫星
4. 5G NR协议栈实现动态模拟
   1. 调度和混合自动重传请求（HARQ）反馈的完整控制信令
   2. 调度器：以比例将接收到的缓冲器状态报告进行调度
   3. 控制平面：通过UE的测量报告进行切换

卫星和终端参数

1. 归一化天线增益g(θ)
2. 半功率波束宽度(HPBW)：波束峰值向下3dB点之间的辐射图案的角宽度，用于确定卫星波束位置和尺寸，取决于天线圆形孔径的半径和载波波长
3. 卫星波束一六边形方式指向地面
   
   U轴：轨道平面上与卫星地线的垂直线,UV平面正交的直线指向地球中心。
   地面上的UV平面图和归一化卫星天线增益分布的图示。在上图中，90°中心仰角。在下图中，60°中心仰角。

估计低轨星座系统容量

1. 单个卫星提供的容量
   
   N _beams:在一定时间内，卫星在覆盖范围内产生的波束个数，波束可以是任何方向
   B：每个波束分配的带宽
2. 每个地球表面积的容量(the capacity per Earth surface area can be computed as)
   
   A _cell：覆盖范围，六边形的面积
   N^ satellite^ _cells:每个卫星服务的小区数量

系统仿真结果

图二 下行链路信噪比和吞吐量

1.

2. 随着用户密度的增加，S波段、Ka波段的SINR降低
3. users/cell=0.1~1 每个小区的平均UE数量小于小区数量，密度增加，波束间干扰增加，SINR恶化；
4. users/cell=1~4 每个小区的平均UE数量大于小区数量，SINR对用户密度不敏感
5. 用户密度增加，更多用户共享小区容量，波间干扰严重，波段的京吞吐量下降

图三 上行链路信噪比和吞吐量

1. 同下行，图里的参数
2. S波段，用户密度非常低时上行链路SINR也不高。原因：手持UE工作在S波段，且受到上行功率的限制，干扰对用户密度不敏感。Ka波段有高发射功率和高增益天线，在此频带内UE不会受到上行功率限制的影响，用户密度增加，上行链路SNR减少
3. S波段，用户密度增加，用户平均吞吐量增加，与下行链路不同，这是因为手持UE受到了上行功率的限制，因此可以为每个手持UE分配小带宽，用户密度低时，不能充分利用带宽，增加用户密度，调度器充分调度上行带宽并将其分配给UE，直到上行资源被充分利用

表一：上下行链路在S/Ka频段的频谱利用率

图四：卫星容量：不同高度的卫星or小区的数量

1. 实验环境
   LEO 含3200颗卫星，分为80个轨道平面，倾角为50°，高度为600公里。
   假设该系统的最小仰角为35°。
   根据所考虑的频带，每个卫星可以产生19个不同大小的波束。每个光束的特征在于两个正交极化。
   对于S频带和Ka频带，再次假设系统带宽分别为30MHz和400MHz。

visible Satellites per cell ：每个小区的卫星数量
Cells served by a Satellite (S band) ：S波段卫星服务的小区数量
Cells served by a Satellite (Ka band) ：Ka波段卫星服务的小区数量

3. 结果
   1. S波段覆盖小区数量比Ka波段小：载波频率小，天线孔径大导致S波段功率变大，小区范围变大，S波段卫星服务小区的数量减小
   2. 卫星服务的小区数量高于它产生的波束的数量

图五：不同高度，不同波段，上下行链路的容量

[1] J. Sedin, L. Feltrin and X. Lin, “Throughput and Capacity Evaluation of 5G New Radio Non-Terrestrial Networks with LEO Satellites,” GLOBECOM 2020 - 2020 IEEE Global Communications Conference, 2020, pp. 1-6, doi: 10.1109/GLOBECOM42002.2020.9347998.