博士生李胤辰在IEEE TWC发表可重构天线阵列的三混合波束成形论文

2026年2月，博士生李胤辰在戚晨皓教授的指导下，撰写的第一作者论文“Tri-Hybrid Beamforming for Radiation-Center Reconfigurable Antenna Array: Spectral Efficiency and Energy Efficiency”被无线通信领域旗舰SCI期刊IEEE Transactions on Wireless Communications录用。论文的第一作者是博士生李胤辰同学，第二作者是李胤辰的导师戚晨皓教授，第三作者是美国奥本大学的Shiwen Mao教授，第四作者是加拿大纽芬兰纪念大学的Octavia A. Dobre教授。

毫米波大规模MIMO阵列通过在较小的尺寸内集成大量天线，能够实现空间分集、空间复用和波束成形增益，是满足未来无线通信技术需求的关键。然而，阵列规模的不断增加带来了高硬件成本和高功耗的挑战。传统的混合波束成形（Hybrid Beamforming，HBF）架构相比于全数字架构，虽然能减少射频链路数量，但是依赖大量的移相器和功率放大器等射频组件，硬件成本和功耗依然偏高。

为了克服上述挑战，本文探索了可重构天线与HBF架构的融合，提出一种基于辐射中心可重构天线阵列（Radiation-Center Reconfigurable Antenna Array，RCRAA）的三混合波束成形（Tri-Hybrid Beamforming，THBF）架构，在不增加天线端口和移相器数目的情况下提升了设计自由度。如图1所示，基于RCRAA的THBF架构包括数字波束成形、模拟波束成形和电磁波束成形。其中，电磁波束成形可以基于可重构像素天线（Reconfigurable Pixel Antenna）技术实现，通过可编程地调节像素单元间的连通状态，可以灵活改变RCRAA的辐射方向图。本文将这一过程等效地建模为在RCRAA上选择离散辐射中心的问题。

图1 基于RCRAA的三混合波束成形（THBF）架构

为全面分析与优化架构性能，本文在毫米波多用户下行通信场景下，构建了频谱效率最大化和能效最大化两个优化问题，并提出三循环交替优化（Tri-Loop Alternating Optimization）方案求解这两个问题。在内层和中层循环中，基于惩罚对偶分解（Penalty Dual Decomposition）方法优化了数字和模拟波束成形器；在外层循环中，通过坐标下降方法求解了辐射中心选择问题。

仿真结果表明，相较于传统的HBF架构，本文提出的基于RCRAA的THBF架构在频谱效率和能效方面都有显著的优势，能够在不增加天线端口、移相器和功率放大器等射频组件的情况下，以较低的硬件成本和功耗提升系统性能。该研究展示了可重构天线阵列与现有HBF架构相融合的巨大潜力，为未来无线通信系统的绿色化和高效化发展提供了解决思路。