用于近场ISCPT系统的混合波束成形设计

《Chinese Journal of Electronics》：Hybrid Beamforming Design for Near-Field ISCPT Systems

　　

本文研究了一种近场集成感知、通信和能量传输（ISCPT）系统，该系统采用混合波束成形技术和全连接天线架构。我们构建了一个优化问题，旨在通过混合波束成形设计最大化通信用户的总速率，同时受到四个约束条件的限制：传感的最大Cramér-Rao界限约束、无线能量传输的最小能量收集约束、基站的总发射功率约束以及模拟波束成形元件的单位模相位移动器约束。所构建的问题是非凸的，并且变量之间高度耦合，给优化工作带来了显著挑战。为了解决这个问题，我们提出了一个两阶段优化框架：第一阶段优化全数字波束成形矩阵以提高算法性能；第二阶段将矩阵分解为模拟和数字部分以实现混合波束成形。数值模拟结果表明，各种约束参数对总速率有影响，并验证了所提出的两阶段优化框架的有效性。此外，数值结果显示，通过使用一定数量的射频链，混合架构的性能可以接近全数字架构的性能。这种混合架构设计提高了系统在实际应用中的经济可行性。

随着第五代（5G）技术的商用部署以及向第六代（6G）网络的演进，未来无线通信系统的需求变得越来越复杂。除了传统的通信功能外，这些系统还必须支持诸如感知、定位、控制和环境监测等多种任务[1]。在物联网（IoT）[2]、智能交通和自动驾驶等新兴应用中，集成感知和通信（ISAC）已成为一个关键的研究领域。ISAC代表了一种无线通信的变革性范式，旨在将通信和感知功能集成到一个统一的系统中。与将通信和感知视为独立实体的传统设计不同，ISAC利用共享资源和硬件平台实现无缝集成[3]–[5]。ISAC的一个关键优势在于它能够在同一频谱上同时执行数据传输和环境感知任务。这种双重能力不仅提高了频谱利用率，还提供了实时的环境感知能力，例如目标检测和定位。通过利用感知信息，ISAC系统可以动态调整传输参数，以适应快速变化的无线环境（如多路效应和用户移动性），从而优化信道选择和波束成形策略，减少干扰并提高信号质量[6]、[7]。ISAC的这种集成特性使其成为下一代网络中高效资源管理和智能调度的核心。