博士生黄婧佳在IEEE TWC上发表用于高铁的毫米波通信波束设计论文

2024年11月，课题组的一篇论文“Beam Switching Based Beam Design for High-Speed Train mmWave Communications”，被无线通信领域旗舰刊物IEEE Transactions on Wireless Communications（影响因子：8.9）录用。论文的第一作者是博士生黄婧佳同学，第二作者是黄婧佳的导师戚晨皓教授，第三作者是加拿大纽芬兰纪念大学的Octavia A. Dobre教授，第四作者为帝国理工学院的Geoffrey Ye Li教授。

高铁（High-Speed Train）等高速交通工具的普及推动了人们对于高质量车载通信服务的迫切需求。为满足这一需求，移动场景下的毫米波无线通信受到了广泛研究。虽然毫米波无线通信在移动场景下具备实现超高速数据传输的潜力，但由用户端移动引起的信道角度快速时变为其在该场景下的实际应用带来了挑战。但特别需要注意的是，高铁的移动路线即轨道是提前已知的，高铁的运行速度也是提前设计规划好的，高铁经过的区域大部分是空旷区域具有视距路径，这些特殊之处，为频谱资源充沛的毫米波无线通信技术在高铁场景下的应用带来了契机。尽管如此，相比于动态的波束跟踪，预设好的波束切换（Beam Switching）更能满足高速运动的高铁的快速波束对准的需求。因此，我们探索了基于波束切换的毫米波高铁通信的波束设计问题，考虑如何在保证高铁接收信号强度比较稳定的情况下，减少波束切换频次。在使用窄波束时，因其覆盖范围有限，基站需频繁执行波束切换以确保波束对准，从而导致大量信令开销。而宽波束虽然覆盖范围较广，但其波束增益较低，易导致毫米波信号强度减弱。如何面向高铁通信场景综合权衡波束的宽度和波束的增益，是一个亟待解决的问题。

为应对上述问题，论文将基于波束切换的波束设计建模为一个优化问题，以波束宽度与波束成形向量为优化变量，以最小化给定范围内的波束切换次数为优化目标，以高铁处的接收信噪比不低于给定阈值为约束条件。为求解该问题，论文提出了两种序贯波束设计方案，每种方案均包含两个交替执行的阶段。第一阶段中，给定波束覆盖区间，首先将原始优化问题转化为可行性问题，随后将接收信噪比约束转化为目标函数中的惩罚项，从而将可行性问题转化为最小-最大优化问题，最终通过求解该问题得到波束成形向量。第二阶段中，通过评估第一阶段得到的波束成形向量的可行性，更新波束覆盖区间。