Efficient Time Allocation Strategies in Satellite Communication Networks

Abstract

This paper introduces a novel time allocation algorithm designed for satellite communication networks, utilizing diverse communication links such as Radio Frequency (RF), Free Space Optical (FSO), and Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). The proposed algorithm prioritizes gateway nodes based on key criteria, including priority levels and packet count, aiming to minimize delays and optimize overall throughput in satellite communication systems. LoRaWAN, known for its long-range communication capabilities, maximum device lifetime, multi-usage flexibility, bidirectional data transfer, low cost, and robust security, is particularly suited for such applications. Through a comprehensive study involving 200 gateway nodes, the algorithm’s effectiveness in improving communication efficiency is demonstrated, offering a scalable solution for modern satellite networks.

Keywords

• satellite communication systems
• Time allocation algorithm
• communications efficiency.

Uydu Haberleşme Ağlarında Etkin Zaman Tahsis Algoritmaları ve Stratejileri

Abstract

Bu makalede, Radyo Frekansı (RF), Serbest Uzay Optiği (FSO) ve Uzun Menzilli Geniş Alan Ağı (LoRaWAN) gibi çeşitli iletişim bağlantılarını kullanan uydu iletişim ağları için yenilikçi bir zaman tahsis algoritması tanıtılmaktadır. Önerilen algoritma, öncelik seviyeleri ve paket sayısı gibi temel kriterlere göre ağ geçidi düğümlerine öncelik vererek, uydu iletişim sistemlerinde gecikmeleri en aza indirmeyi ve genel veri aktarım hızını optimize etmeyi amaçlamaktadır. Uzun menzilli iletişim kapasitesi, maksimum cihaz ömrü, çoklu kullanım esnekliği, çift yönlü veri transferi, düşük maliyet ve güçlü güvenlik gibi özellikleriyle bilinen LoRaWAN, bu tür uygulamalar için özellikle uygundur. 200 ağ geçidi düğümünü içeren kapsamlı bir çalışma ile algoritmanın iletişim verimliliğini artırmadaki etkinliği gösterilmiş ve modern uydu ağları için ölçeklenebilir bir çözüm sunulmuştur.

Keywords

• Zaman tahsis algoritması
• uydu iletişim sistemleri
• iletişim verimliliği

References

1. [1] B. Yu, Y. Bao, Y. Huang, W. Zhan and P. Liu, "Modeling and Throughput Optimization of Multi-Gateway LoRaWAN," in IEEE Access, vol. 11, pp. 142940-142950, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3343385.
2. [2] X. Luo, H. -H. Chen and Q. Guo, "LEO/VLEO Satellite Communications in 6G and Beyond Networks–Technologies, Applications, and Challenges," in IEEE Network, vol. 38, no. 5, pp. 273-285, Sept. 2024, doi: 10.1109/MNET.2024.3353806.
3. [3] J. A. Fraire, S. Céspedes and N. Accettura, "Direct-to-satellite IoT—A survey of the state of the art and future research perspectives: Backhauling the IoT through LEO satellites", Proc. Ad-Hoc Mobile Wireless Netw. Conf., pp. 241-258, 2019.
4. [4] M. Centenaro, C. E. Costa, F. Granelli, C. Sacchi and L. Vangelist, "A survey on technologies standards and open challenges in satellite IoT", IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 23, no. 3, pp. 1693-1720, 3rd Quart. 2021.
5. [5] M. Asad Ullah, K. Mikhaylov and H. Alves, "Massive machine-type communication and satellite integration for remote areas", IEEE Wireless Commun., vol. 28, no. 4, pp. 74-80, Aug. 2021.
6. [6] M. Asad Ullah, K. Mikhaylov and H. Alves, "Enabling mMTC in remote areas: LoRaWAN and LEO satellite integration for offshore wind farms monitoring", IEEE Trans. Ind. Informat., Sep. 2021.
7. [7] M. A. Ullah, K. Mikhaylov and H. Alves, "Analysis and Simulation of LoRaWAN LR-FHSS for Direct-to-Satellite Scenario," in IEEE Wireless Communications Letters, vol. 11, no. 3, pp. 548-552, March 2022, doi: 10.1109/LWC.2021.3135984.
8. [8] B. Jabbari, "Cost-effective networking via digital satellite communications," in Proceedings of the IEEE, vol. 72, no. 11, pp. 1556-1563, Nov. 1984, doi: 10.1109/PROC.1984.13052.

9. [9] Y. Wang, M. Zeng and Z. Fei, "Efficient Resource Allocation for Beam-Hopping-Based Multi-Satellite Communication Systems," Electronics, vol. 12, no. 11, p. 2441, May 2023, doi: 10.3390/electronics12112441.
10. [10] P. Li, D. K. Borah, E. K. Tameh, and A. R. Nix, "Turbo Codes, LDPC Codes, and Polar Codes for Modern Satellite Communication Systems," IEEE Communications Magazine, vol. 50, no. 12, pp. 75-82, Dec. 2022, doi: 10.1109/MCOM.2022.6375934.
11. [11] Ferrus, R., Koumaras, H., Sallent, O., Agapiou, G., Rasheed, T., & Kourtis, M.-A. (2015). SDN/NFV-enabled satellite communications networks: Opportunities, scenarios and challenges. Physical Communication, 18, 95–112. doi: 10.1016/j.phycom.2015.08.007.
12. [12] Bertaux, L., Medjiah, S., Berthou, P., Abdellatif, S., Hakiri, A., & Gelard, P. (2015). Software-defined networking and virtualization for broadband satellite networks. IEEE Communications Magazine, 53(3), 54–60. doi: 10.1109/MCOM.2015.7060487.
13. [13] B. Jabbari, "Cost-effective networking via digital satellite communications," Proc. IEEE, vol. 72, no. 11, pp. 1556-1563, Nov. 1984. doi: 10.1109/PROC.1984.13052.