硕士生沈益扬在IEEE WCL发表硬件损伤影响下的鲁棒波束成形论文

2026年4月，硕士生沈益扬在戚晨皓教授的指导下，撰写的第一作者论文“Robust Hybrid Beamforming for Wideband mmWave MIMO ISAC with Hardware Impairments”被SCI期刊IEEE Wireless Communications Letters（IEEE无线通信快报）录用。论文的第一作者是沈益扬同学，第二作者是沈益扬的导师戚晨皓教授，第三作者是美国奥本大学的Shiwen Mao教授。

通信感知一体化（Integrated Sensing and Communications，ISAC）作为下一代无线通信的关键技术，能够同时实现通信与感知功能，提高用户服务体验。为了充分利用空间资源与频率资源，毫米波ISAC系统通常会采用多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术。为了应对系统带宽增加引起的波束斜视（Beam Squint）效应，论文采用了一种真时延器（‌True Time Delay，TTD）网络辅助的混合波束成形框架，如下图所示。然而，现有的混合波束成形方案主要基于理想硬件假设，但在实际系统中存在随机硬件损伤（Hardware Impairments，HWI），包括有限分辨率引起的移相器量化误差以及制造工艺误差、温度变化和随机噪声等因素引起的TTD网络群延迟波动。这些硬件损伤会显著影响波束成形性能，因此考虑硬件损伤的联合建模与优化具有重要的理论与工程意义。

宽带毫米波ISAC系统框图

该论文首先对硬件损伤进行建模，包括移相器量化误差的均匀分布模型和TTD网络群延迟波动的高斯分布模型，在此基础上，推导了损伤波束成形矩阵的自相关矩阵期望的闭式表达式。论文进一步研究了混合波束成形的设计问题，以最小化目标方向估计的克拉美罗界（Cramér-Rao Bound，CRB）为目标，提出了一种硬件损伤鲁棒混合波束成形（Hardware Impairment Robust Hybrid Beamforming，HWI-RHBF）方案，在满足通信用户信干噪比约束和基站总发射功率约束的前提下，我们联合优化了移相器网络、TTD网络和数字波束成形器。基于惩罚对偶分解（Penalty Dual Decomposition，PDD）方法，HWI-RHBF方案将原问题转化为可处理的子问题进行迭代优化，包括半定规划（Semidefinite Programming，SDP）问题、一维搜索问题以及最小二乘问题等，特别地，每次迭代中的CRB、用户信干噪比和基站发射功率均通过损伤波束成形矩阵自相关矩阵期望的闭式表达式计算得到，显著降低了计算复杂度。仿真结果表明，所提出的算法能够有效收敛，且在硬件损伤下，所提出的HWI-RHBF方案优于现有方案。另外，TTD网络的损伤对宽带系统的影响更为显著，需要重点建模与优化。