Handover Strategy Based on Bipartite Graph and Hysteresis Margin in LEO Satellite

Le mémoire présente une stratégie de transfert ("handover"; HO) innovante pour l’intégration des réseaux terrestres ("terrestrial network"; TN) avec des satellites en orbite terrestre basse ("low Earth orbit"; LEO), abordant le défi de maintenir une communication de haute qualité avec une fréquence de HO minimale. En utilisant un cadre de graphe bipartite et l’algorithme de Kuhn-Munkres (KM), l’approche garantit la qualité des liaisons et des appariements de poids maximum uniques pour chaque station passerelle et satellite, favorisant l’équilibrage de charge. Une marge d’hystérésis ("hysteresis margin"; HM) est mise en oeuvre pour réduire le fréquent de HOs en modifiant l’algorithme pour prioriser les connexions existantes dans des circonstances spécifiques. Les résultats de simulation démontrent une réduction significative de la fréquence de HO - jusqu’à 40% - avec un impact minimal sur le débit et la qualité des données, atteignant des débits élevés avec une marge de 3 dB. La stratégie équilibre efficacement la continuité et la stabilité du service, améliorant la qualité de service ("quality of service"; QoS). De plus, nos résultats indiquent une performance améliorée sous diverses conditions de signal, comme le montrent les simulations avec facteur K de Rician variable. La stratégie proposée démontre également une efficacité économique en réduisant les coûts de HO. L’analyse des coûts de HO a montré que la stratégie proposée équilibre efficacement la qualité du service et les dépenses opérationnelles, en particulier avec une marge de 3 dB, tout en maintenant des débits élevés et gérant les coûts plus efficacement que les stratégies existantes. Ces résultats soulignent le potentiel de la stratégie proposée pour des applications futures dans les systèmes intégrés de réseaux terrestres et de satellites LEO, offrant une solution robuste aux défis de la mobilité dans les communications par satellite, conformément aux normes du Projet de partenariat de troisième génération ("3rd Generation Partnership Project"; 3GPP).

Abstract

This thesis presents an innovative handover (HO) strategy for integrating terrestrial network (TN) with low Earth orbit (LEO) satellites, addressing the challenge to maintain high-quality communication with minimal HO frequency. Utilizing a bigraph framework and the Kuhn-Munkres (KM) technique, the approach ensures link quality and unique maximum weight matches for each gateway station and satellite, promoting load balancing. A hysteresis margin (HM) is implemented to reduce frequent HO by modifying the algorithm to prioritize existing connections under specific circumstances. The simulation findings indicate a significant decrease in HO frequency—up to 40%—with minimal impact on data rate and quality, achieving high data rates with a 3 dB margin. The strategy effectively balances service continuity and stability, enhancing the quality of service (QoS). Additionally, our simulation results indicate improved performance under diverse signal conditions, as shown by varying Rician K-factor values. The proposed strategy also demonstrates cost efficiency by reducing HO costs. The HO cost analysis showed that the proposed strategy effectively balances service quality and operational expenses, particularly with a 3 dB margin, by maintaining high data rates and managing costs more efficiently than existing strategies. These findings underscore the potential of the proposed strategy for future applications in integrated terrestrial and LEO satellite systems, offering a robust solution to the mobility challenges in satellite communications, aligning with 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards.