基于LEO卫星的多波束通信技术matlab性能仿真

1.前言

低地球轨道（LEO）卫星凭借轨道高度低、传输时延小、路径损耗低、部署灵活等优势，成为全球全域通信、物联网接入、宽带移动通信的核心载体。单波束LEO卫星覆盖范围有限、系统容量低、频谱利用率差，无法满足海量终端并发接入与高速率传输需求，多波束通信技术通过天线阵列形成多个定向窄波束，实现地面区域分区覆盖、频率复用、干扰抑制与容量扩容，是当前LEO宽带卫星系统的核心技术。

2.算法测试效果图预览

3.算法运行软件版本

matlab2024B

4.部分核心程序

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for i = 1:K 
    i
    w         = w - mu*D;
    r(:,i)    = r0 + mu*A*D; Rk(i) = norm(r(:,i),2);
    alpha     = r(:,i)'*A*A'*r(:,i)./(r0'*A*A'*r0);
    D         = A'*r(:,i) - alpha*D;
    mu        = r(:,i)'*A*A'*r(:,i)./(D'*A'*A*D);
    r0        = r(:,i);
    Rk(i)     = norm(r(:,i));
end
% figure
% semilogy(k,Rk,'b-o');
% grid on

w     = w/w(1);
theta = linspace(5,7,181);
phi   = linspace(0,180,181);
Phi   = (2*pi*(n-2)/(N-1))/pi*180;
yy    = zeros(length(theta),length(phi));
for i = 1:length(theta)
    for t = 1:length(phi)
        aa      = func_MultibeamSAT(theta(i),phi(t),N,2);
        yy(i,t) = w'*aa;
    end
end

figure
meshc(theta,phi,real(20*log10(yy/max(max(yy))))');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('SINR');
view([125,40]);

figure
imagesc(theta,phi,real(20*log10(yy/max(max(yy))))');
xlabel('x');
ylabel('y');
title('SINR分布')
colorbar

5.算法理论概述

LEO卫星轨道高度通常在200km~2000km之间，卫星绕地球高速运动，单颗卫星对地可视时长短、星地链路动态变化明显。传统单波束卫星采用宽波束天线，整个覆盖区使用同一载波频率，不仅频谱资源严重浪费，相邻终端、不同区域间同频干扰问题突出，单星通信容量难以提升。

多波束通信的核心思路是利用卫星搭载的相控阵天线、反射面多波束天线等设备，将卫星辐射的电磁波划分为若干个空间独立的窄定向波束，每个波束对应地面一块独立的小区覆盖区域，类似地面蜂窝移动通信的小区组网模式。其核心技术优势集中在三点：一是空间隔离，不同波束指向地面不同位置，空间衰减天然降低波束间干扰；二是频率复用，相邻波束采用异频、隔区同频的频率规划方式，大幅提升频谱效率；三是功率优化，窄波束能量集中，同等发射功率下地面接收信号强度更高，可降低终端发射功率，适配物联网、低功耗终端接入场景。

从信号传输维度划分，LEO多波束通信分为下行链路（卫星发、地面终端收）与上行链路（地面终端发、卫星收）。下行链路中，卫星基带信号经波束成形网络分配至不同天线单元，形成定向波束投射到地面小区；上行链路中，地面各小区终端的信号通过对应波束汇聚至卫星天线阵列，再经波束合成、解调分离出各路用户信号。由于LEO卫星高速移动，波束覆盖区域会随卫星位置动态漂移，系统还需搭配波束跟踪、波束切换算法，保障通信连续性，这也是LEO多波束区别于高轨静止卫星多波束的关键特征。

数字波束成形是多波束形成的核心，LEO卫星普遍采用均匀线阵/均匀面阵相控阵天线，通过对每一路基带信号施加不同的复加权系数（幅度加权 + 相位偏移），利用天线单元间的波程差，在指定空间方向形成定向窄波束。

对于均匀线阵，空间角度θk对应的空间相位差由天线单元波程差决定，第m个天线单元相对于参考单元（m=0）的相位偏移量为：

为让第k路信号在θk方向形成波束，需要对第m个天线单元施加复加权系数wk,m，加权系数包含幅度与相位两部分：

将K路波束信号叠加后，送入第m个天线单元的合成基带信号为各路信号加权求和：

该式是发射波束成形的核心公式，不同波束对应不同的加权系数组合，最终M路天线单元信号辐射后，会在地面空间形成K个相互独立的定向窄波束。由于LEO卫星持续运动，θk、φk会实时变化，系统会动态更新加权系数wk,m，实现波束跟踪。

天线单元将电信号转换为射频电磁波，经功率放大后向空间辐射。根据电磁场远场理论，在距离卫星足够远的地面覆盖区（LEO星地链路满足远场条件），空间任意方向(θ,φ)处的合成辐射电场信号，由所有天线单元辐射信号叠加而成。第m个天线单元的单元方向图为F(θ,φ)，则空间方向(θ,φ)处的射频辐射信号为：

将前文ym(t)与加权系数代入，可得到多波束联合辐射信号。当θ=θk时，各路单元信号相位同相叠加，信号幅度达到峰值，对应第k个波束的主瓣方向；当θ=θk时，信号相位相互抵消，形成低副瓣，实现空间定向覆盖。对于LEO卫星，波束主瓣宽度公式为：

天线单元数量M越多，波束宽度越窄，定向性越强，空间隔离效果越好。

6.算法完整程序工程

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