宽带LEO卫星通信的彩虹波束赋形：原理、应用与技术挑战

低地球轨道（LEO）卫星通信（SATCOM）已成为6G网络全球连接的关键推动力。为了克服星地链路显著的路径损耗，高增益定向波束赋形（BF）不可或缺。然而，随着LEO系统向更宽带宽演进以支持数据密集型应用，它们遇到了一个被称为波束斜视效应的基本物理限制，该效应会导致频率相关的波束失准。传统上，波束斜视效应被视为必须缓解的关键性能损伤。本文通过将波束斜视重新定义为一种宝贵的频率-空间分集资源，引入了宽带LEO卫星系统的范式转变，并提出了彩虹波束赋形的原理。彩虹波束赋形不是缓解波束斜视，而是有意利用它来生成频率相关的波束，使得仅使用单个或少量射频链即可让不同频率分量照射不同的空间方向。通过支持动态的频率-空间波束分配，彩虹波束赋形为宽带LEO SATCOM提供了增强的灵活性和可扩展性。我们通过三个代表性的LEO SATCOM应用进一步说明了彩虹波束赋形的优势：i) 大规模多址接入，以克服传统波束跳变的延迟和吞吐量瓶颈；ii) 集成感知与通信，用于同时进行目标检测和数据传输；iii) 快速卫星捕获，以减少搜索开销并提高链路可靠性。最后，我们讨论了在宽带LEO SATCOM中实现彩虹波束赋形的关键挑战，并概述了有前景的未来研究方向。