博士生黄婧佳在IEEE TWC上发表公平性SSB波束码本设计论文

2025年8月，博士生黄婧佳在戚晨皓教授的指导下，撰写的第一作者论文“Fair SSB Codebook Design for Multi-Cell mmWave MIMO Communications”被通信领域旗舰SCI期刊IEEE Transactions on Wireless Communications录用。论文的第三作者和第四作者分别为帝国理工学院的Geoffrey Ye Li教授和加拿大纽芬兰纪念大学的Octavia A. Dobre教授。

在毫米波通信中，波束码本被广泛用于降低波束成形的复杂度与信令开销。传统波束码本通常以实现全角度空间均匀覆盖为设计目标，但由于用户在角度空间中的分布往往呈现非均匀特性，这类码本可能导致不必要的波束训练开销。为解决该问题，“站点特定码本”（Site-Specific Codebook）设计方案应运而生，其核心在于依据基站周边的实际通信环境优化波束。

现有的站点特定码本设计方案大多基于深度学习或强化学习，并以最大化反映基站周边用户整体数据传输性能的指标作为优化目标。然而，此类优化目标并不适用于传输同步信号块（Synchronization Signal Block，SSB）的波束。SSB主要用于终端初始接入蜂窝网络的阶段，其作用是使得用户能检测基站存在与否、实现下行同步并接收一部分系统信息。因此，SSB波束设计的核心目标是保障基站的覆盖性能，即尽可能使更多用户成功接入基站。

多基站毫米波MIMO码本设计

针对上述需求，本文考虑了一个多小区毫米波MIMO无线通信系统，并对面向公平性的SSB波束码本设计问题展开了研究。我们将其建模为一个移相器相位优化问题，优化目标为最大化多个用户簇中的最低簇平均信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）。该问题的难点在于目标函数非凸且非光滑，并由于大量用户SINR的求和而计算开销高；其中，非光滑特性源于最优波束对选择函数与最小值算子。为解决该波束码本设计问题，我们提出一种双循环框架。外循环通过迭代降低误差的方式为选择函数构建光滑的近似函数，而内循环则求解对应的近似问题。每次内循环迭代包含三个主要步骤：目标函数光滑化、近似函数梯度估计、码本更新。首先，近似问题的目标函数因涉及最小值算子而保持非凸，我们因此进一步为其构建了一个光滑近似函数，并在内循环迭代中逐步降低近似误差。随后，为规避大量SINR求和所引起的高计算开销，我们为该光滑函数的梯度设计了一种方差缩减估计器，以高效获取梯度估计值。最后，我们基于梯度估计结果更新码本，并同步更新迭代步长、光滑化程度、估计器权重等超参数。基于此框架，我们提出了一阶与零阶两种优化方案。一阶方案需要完整信道状态信息样本以实现梯度估计，而零阶方案仅需用户反馈的SINR样本。仿真结果表明，两种方案均能以少于DFT码本的波束，达到相当或更优的SINR公平性水平。