硕士生沈益扬在IEEE TVT上发表毫米波通信多用户波束跟踪论文

2026年7月，硕士生沈益扬在戚晨皓教授指导下撰写的第一作者论文 “Extended-Range Beam Tracking Based on Beam Multiplexing for Multiuser Millimeter Wave Massive MIMO”，被IEEE车辆技术学会（Vehicular Technology Society, VTS）旗舰SCI刊物IEEE Transactions on Vehicular Technology录用。论文的第一作者是硕士生沈益扬，第二作者是沈益扬的导师戚晨皓教授，第三作者是硕士毕业生董颖同学，第四作者是美国奥本大学的Shiwen Mao教授。

毫米波大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）天线阵列的高指向波束增益能够补偿高频的路径损耗，但波束的覆盖范围有限，为了在未知信道环境中实现有效的波束对准（Beam Alignment），通常采用波束训练（Beam Training）技术。在用户移动的场景下，为了保持波束对准，需要频繁的进行波束训练；为了降低波束训练的频次，可采用波束跟踪（Beam Tracking）技术。通过发掘相邻时间帧的信道相关性，波束跟踪利用上一时间帧的波束对准结果来辅助当前时间帧的波束对准。不同于现有的波束跟踪方案，基于辅助波束对（Auxiliary Beam Pair，ABP）的波束跟踪方案无需依赖角度变化模型或基站用户几何关系，且可以提高角度估计精度。现有的ABP波束跟踪方案如图1的左边子图所示，左辅助波束与右辅助波束构成一对ABP，并通过比率的单调递减区间进行角度估计。然而，ABP波束跟踪方案受限于ABP的波束跟踪范围，且主要集中于单用户场景。因此，如何扩展波束跟踪范围并在多用户场景下考虑多用户干扰抑制，具有重要意义。

图1 ABP方案与BTBM方案的波束示意图

针对毫米波大规模MIMO系统，论文提出了一种扩展范围的基于波束复用的波束跟踪方案（Beam Tracking Based on Beam Multiplexing，BTBM），并将其推广至多用户系统。在单用户场景下，BTBM方案的波束示意图如图1右边子图所示。考虑到现有的ABP方案并没有利用通信波束的既有资源，BTBM方案通过复用通信波束，分别将通信波束与左、右辅助波束构成两对ABP，同时分别利用比率度量在单调递增和单调递减区间上的单调性，估计出一组候选角度，并依据最大投影准则从中选取最终角度估计值。所提出的BTBM方案在不增加训练开销的情况下，将现有的ABP波束跟踪方案的跟踪范围扩大到原来的3倍。

 图2 混合波束成形多用户系统示意图

在多用户场景下，为抑制多用户干扰，本文在混合波束成形架构的基础上引入波束跟踪专用射频链路，如图2所示，并针对该射频链路提出了一种基于黎曼共轭梯度的主瓣逼近零陷指向（Riemannian Conjugate Gradient Based Null Steering with Mainlobe Approximation, RCG-NSMA）的波束成形方案，在干扰用户的角度不确定区域方向上形成零陷来抑制干扰。基于BTBM和RCG-NSMA方案，本文进一步提出了基于波束复用的零陷导向与轮询辅助混合波束跟踪（Null Steering and Polling Assisted Hybrid Beam Tracking Based on Beam Multiplexing, NSP-HBTBM）方案。使用波束跟踪专用射频链路依次为每个用户服务形成左、右辅助波束，并复用通信波束形成ABP，同时引入图3所示轮询机制，在维持上行数据传输的条件下，对多个用户依次执行BTBM。仿真结果表明，所提NSP-HBTBM方案在扩展范围内能够逼近完美信道状态信息下的性能，并有效实现了多用户波束跟踪及干扰抑制。

图3 基于轮询机制的多用户波束跟踪