LEO-Terrestrial 网络中多普勒效应精确表征的统计建模
系统与控制
2025-07-01 v1 系统与控制
摘要
低轨道（LEO）卫星通信是实现全球无线覆盖、特别是针对欠服务和偏远地区的解决方案。然而，LEO 卫星的高相对速度会引起显著的多普勒频移，这会破坏子载波正交性并降低多载波系统性能。虽然常见的时变多普勒频移可以相对于参考点进行补偿，但覆盖单元内用户之间的残余微分多普勒仍然是一个显著挑战，导致严重的载子间干扰。本文提出了一个广义分析框架，用于表征 LEO 系统中的多普勒频移幅度和微分多普勒。不同于以往基于平地假设或特定轨道配置的工作，本模型包含地球曲率，支持任意仰角。基于球面几何，我们推导了基于卫星与地面用户之间的中心角计算多普勒频移的闭式表达式。我们进一步提供了关于多普勒频移幅度和微分多普勒在均匀分布于球形拱盖单元用户中的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）的统计表征。此外，我们推导了多普勒频移 CDF 的紧上界以及覆盖区域所经历的最大微分多普勒的精确表达式。为缓解单元内的多普勒变异，我们实现了一个用户聚类技术，将覆盖区域基于多普勒不平衡阈值划分为球形子单元，确保符合 3GPP 容差要求。广泛的仿真测试在真实卫星星座上验证了我们的分析，并揭示了高度、波束宽度以及卫星-用户几何对多普勒行为的影响。
引用
@article{arxiv.2506.23817,
title = {Statistical Modeling for Accurate Characterization of Doppler Effect in LEO-Terrestrial Networks},
author = {Islam M. Tanash and Risto Wichman and Nuria Gonzalez-Prelcic},
journal= {arXiv preprint arXiv:2506.23817},
year = {2025}
}