Low Earth Orbit (LEO) satellite communications (SATCOM) offers high-throughput, low-latency global connectivity to a very large number of users. To accommodate this demand with limited hardware resources, beam hopping (BH) has emerged as a prominent approach in LEO SATCOM. However, its time-domain switching mechanism confines coverage to a small fraction of the service area during each time slot, exacerbating uplink throughput bottlenecks and latency issues as the user density increases. Meanwhile, wideband systems experience the beam-squint effect, where analog beamforming (BF) directions vary with subcarrier frequencies, potentially causing misalignment at certain frequencies, thereby hindering the performance of wideband SATCOM. In this paper, we aim to shift the paradigm in wideband LEO SATCOM from beam-squint as an impairment to beam-squint as an asset. Specifically, we put forth 3D rainbow BF employing a joint phase-time array (JPTA) antenna with true time delay (TTD) to intentionally widen the beam-squint angle, steering frequency-dependent beams toward distributed directions. This novel approach enables the satellite to serve its entire coverage area in a single time slot. By doing so, the satellite simultaneously receives uplink signals from a massive number of users, significantly boosting throughput and reducing latency. To realize 3D rainbow BF, we formulate a JPTA beamformer optimization problem and address the non-convex nature of the optimization problem through a novel joint alternating and decomposition-based optimization framework. Through numerical evaluations incorporating realistic 3D LEO SATCOM geometry, our numerical results demonstrate that the proposed rainbow BF-empowered LEO SATCOM achieves up to 2.8-fold increase in uplink throughput compared to conventional BH systems. These results mark a significant breakthrough for 6G wideband LEO SATCOM.


翻译:低地球轨道(LEO)卫星通信(SATCOM)可为海量用户提供高吞吐、低时延的全球连接。为在有限硬件资源下满足这一需求,波束跳变(BH)已成为LEO卫星通信中的主流技术。然而,其时域切换机制使得每个时隙内仅能覆盖服务区域的极小部分,随着用户密度增加,上行链路吞吐瓶颈与时延问题日益凸显。与此同时,宽带系统存在波束倾斜效应,即模拟波束赋形(BF)方向随子载波频率变化,可能导致特定频率上的波束失准,从而制约宽带卫星通信的性能。本文旨在转变宽带LEO卫星通信的范式,将波束倾斜从一种性能损伤转化为可利用的资源。具体而言,我们提出采用联合相位-时间阵列(JPTA)与真实时延(TTD)天线的三维彩虹波束赋形技术,通过有意扩大波束倾斜角,使频率依赖的波束指向分布式方向。这一创新方法使得卫星能在单个时隙内服务其整个覆盖区域。藉此,卫星可同时接收来自海量用户的上行链路信号,从而显著提升吞吐量并降低时延。为实现三维彩虹波束赋形,我们构建了JPTA波束赋形器优化问题,并针对该优化问题的非凸特性,提出了一种基于联合交替与分解的新型优化框架。通过结合真实三维LEO卫星通信几何模型的数值评估,结果表明:相较于传统波束跳变系统,所提出的彩虹波束赋形增强型LEO卫星通信可实现上行链路吞吐量最高2.8倍的提升。这些成果标志着6G宽带LEO卫星通信取得了重大突破。

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