硕士生马乾宸在IEEE WCL上发表多基站多阵列ISAC波束成形论文

2025年7月，硕士生马乾宸在戚晨皓教授指导下撰写的第一作者论文“Multi-Array Beamforming and Mode Optimization for Cooperative Multi-Cell ISAC Systems”，被SCI期刊IEEE Wireless Communications Letters（IEEE无线通信快报）录用。论文第一作者马乾宸同学本科来自哈尔滨工业大学（威海）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。

为了充分发掘通信感知一体化（Integrated Sensing and Communications, ISAC）的潜力，从孤立的单基站（Based Station, BS）ISAC系统向多基站协作ISAC系统的演进至关重要。然而，现有的多基站ISAC系统研究主要集中在单阵列基站配置上，忽视了多阵列（Multi-Array）基站部署对信道建模、信号处理和ISAC性能的影响。图1为该论文考虑的系统框图，各基站配备3个阵列，每个阵列均可以选择发射模式或接收模式，可作为发射阵列或接收阵列，各发射阵列发送通信信号和专用感知信号来分别服务通信用户和感知目标，各接收阵列处理来自目标的回波信号。

图1：论文所考虑的多基站多阵列系统框图

该论文首先深入分析了集中式阵列与分布式阵列信道间的特性，并据此对该场景下信杂干噪比（Signal-to-Clutter-plus-Interference-and-Noise Ratio，SCINR）进行建模。为了提高感知性能，我们联合处理各基站的接收信号，根据最大似然比检测器，引入了多小区感知SCINR（Multi-cell Sensing SCINR）作为优化目标，并构建了阵列收发模式选择与波束成形联合优化问题——在满足各通信用户的信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）需求的约束条件下，最大化最小的多小区感知SCINR。由于优化问题涉及到离散变量和连续变量的联合优化，求解较为复杂，我们提出了一种联合多基站多阵列波束成形和模式优化（Joint Multi-BS Multi-array Beamforming and Mode Optimization，JMMB-MO）方案，迭代优化波束成形和收发模式选择，采用了二阶锥规划（Second-Order Cone Programming，SOCP）、半正定松弛（Semidefinite Relaxation，SDR）和坐标下降法来优化各阵列的模式选择。

仿真配置如图2所示，多基站多阵列系统考虑3个通信和2个感知目标，各基站协同覆盖400×400米的区域，所有基站的位置和阵列朝向均可根据图中标注信息计算得出。为了分析系统的覆盖性能，我们将服务区域分成10×20=200个格点，并假设目标可能出现在任意两个网格位置上，以此评估系统的覆盖性能。

图2：论文的仿真系统图

仿真结果表明，相对于单阵列基站，部署了多阵列基站的多基站ISAC系统在相同的阵列数、功率约束和通信用户SINR需求的约束下，能获得更优的感知性能和信号覆盖能力，反映了在多基站ISAC系统中部署多阵列基站的有效性。另外，JMMB-MO方案相对于各阵列随机收发模式选择，在感知性和信号覆盖能力方面都有显著提升，从而反映了基站各阵列收发模式选择的重要性。