Le déploiement ultra-dense de satellites interconnectés caractérisera les futures méga-constellations en orbite terrestre basse (LEO). Exploitant cela vers un réseau satellitaire plus efficace (SatNet), cet article propose une nouvelle architecture LEO SatNet basée sur la technologie distribuée massive à entrées multiples et sorties multiples (DM-MIMO) permettant aux terminaux d'utilisateurs au sol d'être connectés à un groupe de satellites. À cette fin, nous étudions divers aspects de la conception de réseaux satellitaires basés sur DM-MIMO, les avantages de l'utilisation de cette architecture, les défis associés et les solutions potentielles. En outre, nous proposons une technique de gestion conjointe distribuée de l'allocation de puissance et du transfert (D-JPAHM) qui optimise conjointement les processus d'allocation de puissance et de gestion du transfert de manière intercouche. Ce cadre vise à maximiser le débit du réseau et à minimiser le taux de transfert tout en tenant compte des exigences de qualité de service (QoS) des terminaux utilisateurs et des capacités de puissance des satellites. De plus, nous concevons une solution basée sur l'intelligence artificielle (IA) pour mettre en œuvre efficacement le cadre D-JPAHM proposé d'une manière adaptée au fonctionnement en temps réel et à l'environnement SatNet dynamique. À notre connaissance, il s'agit du premier travail à introduire et à étudier la technologie DM-MIMO dans LEO SatNets. Des résultats de simulation approfondis révèlent la supériorité de l'architecture et des solutions proposées par rapport aux approches conventionnelles de la littérature.

El despliegue ultradenso de satélites interconectados caracterizará las mega constelaciones futuras de órbita terrestre baja (LEO). Aprovechando esto hacia una red satelital más eficiente (SatNet), este documento propone una nueva arquitectura LEO SATNET basada en la tecnología distribuida de múltiples entradas y múltiples salidas masivas (DM-MIMO) que permite conectar terminales de usuario en tierra a un grupo de satélites. Con este fin, investigamos varios aspectos del diseño de redes satelitales basadas en DM-MIMO, los beneficios de usar esta arquitectura, los desafíos asociados y las posibles soluciones. Además, proponemos una técnica de asignación de potencia conjunta distribuida y gestión de traspasos (D-JPAHM) que optimiza conjuntamente los procesos de asignación de potencia y gestión de traspasos de manera cruzada. Este marco tiene como objetivo maximizar el rendimiento de la red y minimizar la tasa de transferencia teniendo en cuenta las demandas de calidad de servicio (QoS) de los terminales de usuario y las capacidades de potencia de los satélites. Además, ideamos una solución basada en inteligencia artificial (IA) para implementar de manera eficiente el marco D-JPAHM propuesto de una manera adecuada para la operación en tiempo real y el entorno dinámico de SatNet. Hasta donde sabemos, este es el primer trabajo en introducir y estudiar la tecnología DM-MIMO en LEO SatNets. Los extensos resultados de la simulación revelan la superioridad de la arquitectura y las soluciones propuestas en comparación con los enfoques convencionales en la literatura.

The ultra-dense deployment of interconnected satellites will characterize future low Earth orbit (LEO) mega-constellations. Exploiting this towards a more efficient satellite network (SatNet), this paper proposes a novel LEO SatNet architecture based on distributed massive multiple-input multiple-output (DM-MIMO) technology allowing ground user terminals to be connected to a cluster of satellites. To this end, we investigate various aspects of DM-MIMO-based satellite network design, the benefits of using this architecture, the associated challenges, and the potential solutions. In addition, we propose a distributed joint power allocation and handover management (D-JPAHM) technique that jointly optimizes the power allocation and handover management processes in a cross-layer manner. This framework aims to maximize the network throughput and minimize the handover rate while considering the quality-of-service (QoS) demands of user terminals and the power capabilities of the satellites. Moreover, we devise an artificial intelligence (AI)-based solution to efficiently implement the proposed D-JPAHM framework in a manner suitable for real-time operation and the dynamic SatNet environment. To the best of our knowledge, this is the first work to introduce and study DM-MIMO technology in LEO SatNets. Extensive simulation results reveal the superiority of the proposed architecture and solutions compared to conventional approaches in the literature.

إن النشر فائق الكثافة للأقمار الصناعية المترابطة سيميز المجموعات الضخمة المستقبلية للمدار الأرضي المنخفض (LEO). باستغلال هذا من أجل شبكة أقمار صناعية أكثر كفاءة (SatNet)، تقترح هذه الورقة بنية LEO SatNet جديدة تستند إلى تقنية موزعة متعددة المدخلات ومتعددة المخرجات (DM - MIMO) تسمح بتوصيل محطات المستخدم الأرضية بمجموعة من الأقمار الصناعية. تحقيقا لهذه الغاية، نقوم بالتحقيق في مختلف جوانب تصميم شبكة الأقمار الصناعية القائمة على DM - MIMO، وفوائد استخدام هذه البنية، والتحديات المرتبطة بها، والحلول المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، نقترح تقنية توزيع مشترك للطاقة وإدارة التسليم (D - JPAHM) التي تعمل بشكل مشترك على تحسين عمليات تخصيص الطاقة وإدارة التسليم بطريقة مشتركة بين الطبقات. يهدف هذا الإطار إلى تعظيم إنتاجية الشبكة وتقليل معدل التسليم مع مراعاة متطلبات جودة الخدمة (QoS) لمحطات المستخدم وقدرات الطاقة للأقمار الصناعية. علاوة على ذلك، فإننا نبتكر حلاً قائمًا على الذكاء الاصطناعي (AI) لتنفيذ إطار عمل D - JPAHM المقترح بكفاءة بطريقة مناسبة للتشغيل في الوقت الفعلي وبيئة SatNet الديناميكية. على حد علمنا، هذا هو أول عمل لتقديم ودراسة تقنية DM - MIMO في LEO SatNets. تكشف نتائج المحاكاة الواسعة عن تفوق البنية والحلول المقترحة مقارنة بالنهج التقليدية في الأدبيات.