在宽带近地轨道卫星通信中采用光束斜视效应：一种三维彩虹波束成形方法

《IEEE Transactions on Wireless Communications》：Embracing Beam-Squint Effects for Wideband LEO Satellite Communications: A 3D Rainbow Beamforming Approach

　　

摘要：

低地球轨道（LEO）卫星通信（SATCOM）为大量用户提供了高吞吐量、低延迟的全球连接服务。为了在有限的硬件资源下满足这一需求，波束跳变（Beam Hopping, BH）成为LEO SATCOM中的一种重要技术。然而，其时域切换机制导致每个时间槽内的覆盖范围仅限于服务区域的一小部分，随着用户密度的增加，这加剧了上行链路的吞吐量瓶颈和延迟问题。同时，宽带系统会遇到波束偏移效应，即模拟波束成形（Analog Beamforming, BF）的方向会随子载波频率的变化而变化，可能在某些频率下导致波束对齐不良，从而影响宽带SATCOM的性能。在本文中，我们旨在将宽带LEO SATCOM中的波束偏移问题从一种障碍转变为一种优势。具体来说，我们提出了一种采用联合相位时间阵列（Joint Phase-Time Array, JPTA）天线的3D彩虹波束成形技术，该天线具有真正的时延（True Time Delay, TTD），可以有意扩大波束偏移角度，将频率依赖的波束指向分散的方向。这种新方法使卫星能够在单个时间槽内覆盖整个服务区域。这样一来，卫星能够同时接收来自大量用户的上传信号，显著提升吞吐量并减少延迟。为了实现3D彩虹波束成形，我们构建了一个JPTA波束成形器优化问题，并通过一种新颖的联合交替与分解优化框架解决了该问题的非凸性质。通过结合实际3D LEO SATCOM几何结构的数值评估，我们的结果表明，与传统的BH系统相比，所提出的彩虹波束成形技术使LEO SATCOM的上行链路吞吐量提高了多达2.8倍。这些成果为宽带LEO SATCOM带来了重大突破，为高吞吐量、低延迟的全球连接奠定了基础。