硕士生肖镇江在SCI期刊IEEE Communications Letters上发表论文

2023年7月，硕士生肖镇江在戚晨皓教授指导下撰写的第一作者论文“Beam Tracking based on Variable Step Beam for Millimeter Wave Massive MIMO”，被SCI期刊IEEE Communications Letters（IEEE通信快报）录用。论文第一作者肖镇江同学本科来自东南大学信息科学与工程学院，通过免试进入戚老师课题组攻读硕士学位。论文的第三作者为课题组已毕业的硕士研究生聂娟。

在毫米波大规模MIMO无线通信中，波束训练与波束跟踪是一个难点问题，特别是对毫米波移动通信。为此，本文提出了一种基于可变阶梯波束（Variable Step Beam, VSB）的波束跟踪方案。由于用户的移动性，用户可能从当前通信波束主瓣的中心移动到其边缘，因此需要采用波束跟踪技术来跟踪用户的运动。首先，为了保持当前通信波束的指向不变，从而使得当前毫米波通信不中断，本文提出了一种可变增益的VSB波束跟踪方案，在不改变当前通信波束的指向或宽度的情况下进行波束跟踪。VSB的小部分波束能量用于波束跟踪，而VSB大部分能量用于维持当前的通信质量。考虑到毫米波通信带宽很宽，在毫米波通信质量较高的场景下，可适当的牺牲掉一小部分通信质量来换取对用户移动的有效跟踪，若跟踪不上未来用户的移动，即使当前通信质量再高，也难以有效保障未来毫米波通信的质量，因此，可用少量的资源去做一件非常重要的事情。而另一方面，毫米波大规模天线阵列为波束设计提供了高自由度，这使得波束主瓣内的可变波束增益易于实现。如下图所示，VSB的高增益主瓣部分（high mainlobe）指向用户可能移动的方向；与红色的理想矩形波束相比，VSB低增益主瓣部分（low mainlobe）的波束增益略有降低，目的正是为了提高VSB高增益主瓣部分的波束增益值，且维持波束总能量与理想矩形波束相同。图中波束外观看起来像是握紧拳头并伸出一个手指，但其本质是阶梯波束。通过改变VSB的高增益主瓣部分的指向，类似于握紧拳头并先后伸出食指、中指、无名指和小拇指，实现对波束主瓣覆盖范围内的一个细化的波束扫描。

基于波束扫描结果，本文提出了一种基于贝叶斯后验概率迭代更新的出发角（Angle of departure，AoD）估计算法，具有较强的抗噪声性能。考虑信号的传输以帧为单位，每一帧包括帧头和数据部分，帧头用于进行波束扫描或者波束跟踪。如果用户反馈的RSRP低于某个预设的门限值，将触发波束扫描，如果RSRP高于门限值，采用波束跟踪。与现有工作不同，本文不需要已知信道衰落因子，而是在迭代估计AoD的时候顺带把信道衰落因子也估计出来，因此，信道衰落因子的估计没有产生额外的开销。最后，本文基于高斯过程回归（Gaussain Process Regression，GPR）的预测结果对下一帧的波束指向和宽度进行更新，确保波束能覆盖用户在当前帧内的移动。仿真结果表明，与现有的波束跟踪方案相比，本文提出的方案具有更高的可达速率性能。