Impact of Terrestrial Blockage on the Coverage of Integrated Satellite-Terrestrial Networks

Resumen Técnico: Impacto del Bloqueo Terrestre en la Cobertura de Redes Integradas Satélite-Tierra

Enunciado del Problema
La integración de Redes No Terrestres (NTN), específicamente redes de satélites de Órbita Baja (LEO), con Redes Terrestres (TN) es un habilitador crítico para la conectividad ubicua en los sistemas de sexta generación (6G). Aunque la literatura existente ha analizado las redes satélite-tierra, la mayoría de los estudios asumen enlaces de Línea de Vista (LoS) dominantes o descuidan el impacto geométrico de los bloqueos urbanos en el rendimiento conjunto de estas capas heterogéneas. En escenarios prácticos, las estructuras terrestres (por ejemplo, rascacielos) obstruyen frecuentemente las trayectorias directas de la señal, convirtiendo los enlaces LoS en No Línea de Vista (NLoS) o provocando interrupciones. Existe una falta de cuantificación rigurosa sobre cómo los bloqueos terrestres afectan la probabilidad de cobertura de una Red Integrada Satélite-Tierra (ISTN), considerando particularmente las restricciones geométricas únicas de los enlaces satelitales (curvatura de la Tierra) frente a los enlaces terrestres.

Metodología
Los autores desarrollan un marco analítico basado en geometría estocástica para caracterizar la probabilidad de cobertura de enlace descendente de una ISTN en presencia de bloqueos terrestres. Los componentes clave del modelado incluyen:

• Geometría de la Red:
  • Capa Satelital: Modelada como un Proceso de Puntos de Poisson Esférico Homogéneo (SPPP) en una cáscara a una altitud $h$. La Tierra se modela como una esfera con radio $R_E$.
  • Capa Terrestre: Modelada utilizando una aproximación plana local (plano tangente) para las estaciones base terrestres (TBS) y los usuarios, justificada por las distancias cortas en relación con la curvatura de la Tierra.
  • Bloqueos: Los bloqueos terrestres se modelan mediante un esquema Booleano con huellas rectangulares. Los centros de los bloqueos siguen un PPP homogéneo, con alturas que siguen una distribución Rayleigh y orientaciones aleatorias.
• Modelo de Canal:
  • Enlaces Satelitales: Utilizan un modelo de disponibilidad de dos estados (LoS o bloqueado). Los enlaces bloqueados se tratan como interrupciones. El desvanecimiento para los enlaces LoS sigue un modelo Shadowed-Rician, aproximado por una variable aleatoria Gamma para la tratabilidad analítica.
  • Enlaces Terrestres: Modelan explícitamente tanto la propagación LoS como NLoS con exponentes de pérdida de trayectoria distintos. El desvanecimiento a pequeña escala sigue Nakagami-$m$ para LoS y Rayleigh para NLoS.
  • Interferencia: La interferencia entre capas se descuida (portadoras ortogonales). La interferencia agregada se deriva utilizando el Funcional Generador de Probabilidad (PGFL) del PPP.
• Análisis Geométrico:
  • Una innovación crítica es la derivación de un factor de escala dependiente de la curvatura ($\eta(\psi_S)$) para los enlaces satelitales. A diferencia de los modelos de Tierra plana, este factor tiene en cuenta cómo la curvatura de la Tierra reduce la altura efectiva de los bloqueos con respecto al enlace usuario-satélite a medida que aumenta el ángulo geocéntrico.
  • El marco deriva la probabilidad LoS tanto para enlaces satelitales como terrestres como una función de la distancia y la densidad de bloqueos, incorporando el modelo de bloqueo Booleano.

Contribuciones Clave

1. Marco Analítico Unificado: El artículo presenta un marco de geometría estocástica para la cobertura de enlace descendente de ISTN que incorpora explícitamente un modelo de bloqueo Booleano y la curvatura de la Tierra.
2. Modelado de Bloqueos Dependiente de la Curvatura: Los autores derivan una condición geométrica para el bloqueo de enlaces satelitales, introduciendo un factor de escala que cuantifica cómo la curvatura de la Tierra disminuye la capacidad obstructiva de los bloqueos terrestres en ángulos geocéntricos más grandes. Esto conduce a una caracterización tratable del proceso satelital LoS.
3. Doble Función de los Bloqueos: El análisis revela que los bloqueos terrestres tienen un efecto dual competitivo: atenúan las señales deseadas (provocando interrupciones) pero también actúan como escudos espaciales que suprimen la interferencia agregada.
4. Caracterización de la Ganancia de Cobertura: El artículo cuantifica la ganancia general de cobertura de la ISTN comparando el sistema integrado con redes terrestres o satelitales independientes, identificando regímenes específicos donde la integración mejora significativamente la fiabilidad.

Resultados
Los resultados numéricos y las simulaciones validan el marco analítico y destacan varias conclusiones clave:

• Impacto de la Densidad de Bloqueos: Los bloqueos exhiben un efecto no monótono en la cobertura. A bajas densidades, la interferencia es alta y la cobertura es baja. A medida que aumenta la densidad, los bloqueos suprimen la interferencia, mejorando la cobertura. Sin embargo, a densidades muy altas, la señal deseada se bloquea con frecuencia, degradando la cobertura. Existe una densidad óptima de bloqueos que maximiza la cobertura.
• Diferencias entre Satélite y Terrestre:
  • Para redes satelitales, la densidad óptima de bloqueos aumenta con el número de satélites visibles (debido a una mayor interferencia) y disminuye con la altura del bloqueo (los bloqueos más altos son más efectivos para la supresión).
  • Para redes terrestres, la cobertura típicamente sigue un patrón de tres regímenes: mejora debido a la supresión de interferencia, degradación a medida que el enlace de servicio se vuelve NLoS, y un rebote cuando la mitigación de interferencia domina.
• Rendimiento de la ISTN: La integración de capas satelitales y terrestres proporciona ganancias significativas de cobertura, particularmente en regímenes intermedios de Relación Señal-a-Interferencia más Ruido (SINR) donde las redes independientes ofrecen solo un rendimiento mediocre. La arquitectura ISTN estabiliza la probabilidad de cobertura al proporcionar una ruta de asociación alternativa cuando una capa falla.
• Sensibilidad al Tamaño del Bloqueo: El tamaño "beneficioso" de los bloqueos depende del umbral de SINR. En umbrales bajos, se prefieren bloqueos más pequeños para mantener la disponibilidad LoS. En umbrales altos (limitados por interferencia), los bloqueos más grandes son beneficiosos para suprimir la interferencia.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que su contribución principal es la cuantificación rigurosa del impacto geométrico de los bloqueos terrestres en el rendimiento de la ISTN, una brecha previamente no abordada en la literatura. Al tener en cuenta explícitamente la curvatura de la Tierra y la naturaleza dual de los bloqueos (atenuación de señal frente a blindaje de interferencia), el marco propuesto ofrece un enfoque matemáticamente tratable para el diseño del sistema.

Los autores afirman que sus hallazgos destacan la necesidad de modelado consciente de los bloqueos y diseño conjunto satélite-tierra para lograr conectividad fiable en futuros sistemas 6G. Los resultados sugieren que la ISTN es una arquitectura resiliente capaz de mantener la conectividad bajo condiciones de bloqueo heterogéneas, ofreciendo una solución práctica para entornos donde la infraestructura terrestre es escasa u obstruida severamente. El artículo nota modestamente que la aproximación de independencia utilizada para la probabilidad de cobertura combinada sirve como línea base y que el trabajo futuro podría extender el marco a modelos con bloqueos espacialmente correlacionados.