硕士生郭骏鹏在COMML上发表宽带ISAC系统波束成形论文

2024年12月，硕士生郭骏鹏在戚晨皓教授指导下撰写的第一作者论文“Hybrid Beamforming for Wideband Millimeter Wave MIMO Integrated Sensing and Communications”，被SCI期刊IEEE Communications Letters（IEEE通信快报）录用。论文第一作者郭骏鹏同学本科来自西北工业大学电子信息学院，通过免试进入戚老师课题组攻读硕士学位。

为兼容现有的无线通信系统，通信感知一体化（Integrated Sensing and Communications，ISAC）系统通常使用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）和多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术来实现频率和空间资源的充分利用。由于发射阵列通常采用固定的天线间隔，随着系统带宽的增加，模拟波束成形会产生明显的角度调制效应，导致大规模MIMO系统性能严重下降。为了克服宽带场景下角度调制效应对混合波束成形的影响，该论文提出了一种用于宽带毫米波MIMO系统的时延器网络辅助混合波束形成方案。如下图所示，相比仅仅使用移相器网络进行模拟波束成形的传统混合波束成形（Hybrid Beamforming，HBF）架构，论文通过在数字波束成形器与移相器网络之间增加时延器网络，对不同频率的子载波引入不同的相移，从而将模拟波束成形从频率无关性架构改进为频率相关性架构，消除宽带场景下的角度调制效应。

论文进一步研究了时延器网络辅助混合波束成形的设计问题，通过联合优化数字波束成形器、时延器网络和移相器网络，在满足通信用户信干噪比要求和基站总发射功率的前提下，使所有子载波上的波束图样之和逼近预定义的感知波束图样（Beam Pattern）。为了提高设计的灵活性，论文将感知波束分布在不同的子载波上进行优化，同时引入相位自由度将复杂的子载波模值和问题转换为较简单的线性和问题。在此基础上，通过解耦多变量约束，论文使用交替方向乘子法（Alternating Direction Method of Multipliers，ADMM）将原问题分解成若干易于解决的子问题，包括二阶锥规划（Second-Order Cone Programming，SOCP）、最小二乘（Least Squares，LS）以及一维搜索（One-Dimensional Search，ODS）问题等，并提出了相应的优化算法进行迭代求解。仿真结果表明，与现有的混合波束成形方案相比，论文提出的时延器网络辅助混合波束形成方案可以有效消除角度调制效应，实现更高的系统性能。