博士生张程宏在IEEE TCOM发表低轨卫星通信非规则阵列设计论文
2026年8月，课题组的一篇论文“Beamforming and Irregular Tiled Array Design for LEO Satellite Communications”被无线通信领域旗舰SCI期刊 IEEE Transactions on Communications录用。论文的第一作者是博士生张程宏同学，第二作者是张程宏的导师戚晨皓教授，第三作者是王承祥教授，第四作者是美国休斯顿大学的Zhu Han教授。
现有的大规模阵列通常采用形态单一、结构相同的天线阵元排布，例如均匀线性阵列（Uniform Linear Array，ULA）或均匀平面阵列（Uniform Planar Array，UPA）。在大幅增加阵元数量的同时，为了控制射频通道或TR组件的数量从而避免硬件复杂度过高，通常将大规模阵列划分为若干个子阵（Subarray），其中每个子阵包含多个天线阵元，每个子阵连接一个射频通道。最常见的就是规则分块阵列（Regular Tiled Array，RTA），整个阵列被完全相同、周期重复的矩形或正方形子阵（tile）密铺，每个子阵的天线单元数、几何形状完全一致，子阵按周期晶格排布，每个子阵独立连接一个射频通道或TR 组件。然而，随着LEO卫星对高容量通信需求的不断提升，星载阵列规模持续扩大。为了抑制子阵栅瓣，在不损失线单元数量的情况下提高天线口径效率，非规则子阵分块阵列（Irregular Tiled Array，ITA）被提出，不同子阵的几何形状不再要求完全一致，从而引入了更多的阵列设计自由度。需要说明的是，不同于稀疏阵（Sparse Array），RTA或者ITA一般都是密布阵，并不是天线阵元稀疏分散的，或者说，RTA或者ITA只是将整个天线阵面划分为密布的子阵，并不像稀疏阵一样大幅的减少单位面积上的天线阵元数量。
图1 全阵与超阵
图2 四联子阵的5种不同几何形状
本文将整个阵列（Entire Array）划分为若干个结构完全相同的超阵（Super Array），每个超阵进一步划分为阵元数相同的若干个非规则子阵（Subarray）。每个子阵通常由两个或四个天线阵元组成，分别形成二联子阵和四联子阵，对应于多米诺骨牌（domino）和俄罗斯方块（tetromino）的拓扑结构。每个子阵可连接一个独立的射频通道，在子阵内部，该射频通道通过等功率分配器连接至各个阵元。论文图1中，全阵划分为64个超阵，每个超阵进一步划分为16个四联子阵，其中四联子阵有5种不同的几何形状（不包括其旋转或翻转），包括I形、O形、Z形、L形和T形，如图2所示。
图3 IFDBF架构
为最大化LEO卫星通信系统的和速率，本文首先提出了基于ITA的全数字波束赋形（ITA-based Fully-Digital Beamforming，IFDBF）架构，每个子阵连接一个射频链路，如图3所示。对于ITA，本文引入0-1转换矩阵对阵元与子阵之间的划分关系进行建模，该转换矩阵的每一行对应一个阵元，每一列对应一个子阵；若某一阵元被划分至某一子阵，则二者对应的矩阵元素取值为1，否则为0。为降低求解复杂度，本文将0-1二元转换矩阵松弛为取值[0,1]范围内的连续转换矩阵，并基于加权最小均方误差（Weighted Minimum Mean Square Error，WMMSE）对转换矩阵与FDBF矩阵进行交替优化求解。最后，根据所有可能的子阵位置生成备选子阵集合，并从中选择相应数量的子阵，对连续转换矩阵进行二元逼近，获得满足硬件约束的最优0-1转换矩阵。
图4 IFCHBF架构
图5 IGCHBF架构
基于已设计好的ITA阵列，为进一步降低计算复杂度与硬件成本，本文进一步研究了基于ITA的混合波束赋形（Hybrid Beamforming，HBF）架构。首先，本文考虑了基于ITA的全连接混合波束赋形（ITA-based Fully-Connected Hybrid Beamforming，IFCHBF）架构，如图4所示，作为ITA应用于HBF的基础架构。不同于IFDBF架构，IFCHBF架构仅配置少量射频链路，并通过移相器将每条射频链路与全部子阵相连。为了进一步提高系统模块化程度并减少移相器数量，本文提出了基于ITA的分组连接混合波束赋形（ITA-based Group-Connected Hybrid Beamforming，IGCHBF）架构，如图5所示。在该架构中，每个超阵配置固定数量的射频链路，且每个超阵内的射频链路仅与同一超阵内的非规则子阵相连，从而实现分组连接。针对IGCHBF架构，本文采用交替方向乘子法，对模拟波束赋形器和数字波束赋形器进行了联合优化。
图6 两种不同排布方式的HITA
为进一步提高ITA阵列的灵活性，本文提出了混合ITA（Hybrid ITA，HITA）架构，如图6所示。不同于传统ITA中每个子阵包含相同数量的阵元，HITA允许每个超阵内同时存在单阵元、二联子阵和四联子阵，从而提供更加灵活的阵列排布方式。针对HITA设计问题，本文分别构建了单阵元、二联子阵和四联子阵的备选子阵集合，并对不同类型子阵的功率进行归一化后进行合并，生成混合备选子阵集合。随后，采用与ITA相同的优化方法，从混合备选子阵集合中选择满足约束的子阵组合，最终获得优化后的HITA阵列。
仿真结果表明，ITA与HITA能够在显著减少射频链路的同时，实现接近于规则阵列的通信速率。在相同功率约束和射频链路数量条件下，ITA比规则阵列具有更优的通信性能。本文研究工作展示了ITA与HITA在LEO卫星通信中的应用潜力，为LEO卫星低复杂度阵列设计提供了新思路。