将束梯效应应用于宽带LEO卫星通信：基于3D彩虹波束的做法

低轨道（LEO）卫星通信（SATCOM）提供了面向大量用户的高速率、低时延全球覆盖。为满足这一需求且资源有限，束跳（BH）方法在LEO SATCOM中日益受到关注。然而，其时域切换机制将覆盖范围限制于每个时间槽的少数区域，随用户密度增加加剧了上行链路吞吐量瓶颈和时延问题。同时，宽带系统会产生束梯效应，其中模拟波束方向随子载波频率而变化，可能在某些频率上导致波束错位，从而阻碍宽带SATCOM性能。本文旨在将宽带LEO SATCOM的范式从“束梯为障碍”转向“束梯为资产”。具体而言，我们提出了采用联合相位-时间阵列（JPTA）天线并利用真实时延（TTD）的3D彩虹波束（3D rainbow BF），有意扩大束梯角度，引导频率相关波束指向分布式方向。这种新方法使卫星在单个时间槽内即可服务其整个覆盖区域，同时接收大量用户的上行信号，显著提升吞吐量并降低时延。为实现3D彩虹波束，我们构建了JPTA波束赋形优化问题，并通过一种新型的联合交替分解优化框架来解决其非凸性。通过包含真实3D LEO SATCOM几何的数值评估，我们的结果表明，所提出的彩虹波束赋形下的LEO SATCOM在上行链路吞吐量上较传统束跳系统提升最高可达2.8倍。这些结果为6G宽带LEO SATCOM带来了重要突破。