Handover Optimization for UAV-Assisted LEO Satellite Networks Based on IPPO and Three-Sided Matching Theory

计算机科学 移交 卫星 匹配(统计) 计算机网络 通信卫星 实时计算 电信 工程类 数学 统计 航空航天工程
作者
Feng Yang,Meng Li,Kan Wang,Pengbo Si,Tomoaki Ohtsuki,F. Richard Yu
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:13 (1): 152-166 被引量:1
标识
DOI:10.1109/jiot.2025.3582379
摘要

Due to the triple mobility of mobile users (MUs), unmanned aerial vehicle (UAV) relays, and low Earth orbit (LEO) satellites, handover becomes a critical and challenging issue for maintaining the continuity and quality of communication services in UAV-assisted LEO satellite networks. This paper proposes a distributed handover decision-making process aimed at improving scalability and reducing communication overhead. The handover problem is modeled as a decentralized Markov decision process (DEC-MDP) with the objective of maximizing the total end-to-end (E2E) throughput. We design an independent proximal policy optimization-based distributed intelligent handover (IPPO-DIH) algorithm within a centralized training with decentralized execution framework to solve the DEC-MDP. To analyze the theoretical optimal E2E throughput, we eliminate the correlation between handover decisions at different time steps. A three-sided matching algorithm with theoretical convergence guarantees is designed to obtain a stable matching among MUs, UAV relays, and LEO satellites at each time step. These stable matchings are combined to provide a theoretical performance benchmark for the handover algorithms. Simulation results validate the convergence of the proposed IPPO-DIH and three-sided matching algorithms. Additionally, the total E2E throughput achieved by the IPPO-DIH algorithm approaches the theoretical performance benchmark and outperforms typical handover algorithms.
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