On the feasibility of beamforming in millimeter wave communication systems with multiple antenna arrays
毫米（mm）波频谱用于下一代（5G）移动通信最近已经获得了显著的关注。毫米波频率处的小载波波长使得能够合成紧凑的天线阵列，从而提供补偿增加的传播损耗的波束成形增益。在这项工作中，我们研究了在毫米波系统中采用多个天线阵列来获得分集/复用增益的可行性，其中每个阵列都能够独立地进行波束成形。考虑基于码本的波束成形系统（例如，以便于有限的反馈），我们观察到，即使对于非常合理的系统参数，优化多个阵列上的波束形成方向的\emph{jointly}的复杂性也是非常令人望而却步的。为了克服这一瓶颈，我们开发了复杂度降低的算法，用于优化波束形成方向的选择，在稀疏的多径结构的毫米波信道。具体而言，我们通过将注意力限制在一小组主导候选方向上来降低联合波束成形搜索空间的基数。为了获得主导方向集，我们开发了两种互补的方法：（a）基于一种新的空间功率度量的计算;对该度量的详细分析表明，在大天线阵列的限制下，所选择的候选方向接近信道的主要到达角和离开角，并且（b）精确估计信道的（长期）主要到达角，利用跨不同接收器子阵列接收的信号的相关性。我们的方法使优化搜索空间的大幅减少（减少100倍），同时提供接近最佳性能，从而表明在毫米波系统中实现分集和复用增益的潜在可行性。
2014-10-21 cs.IT math.IT
Asymptotic Optimality of Massive MIMO Systems Using Densely Spaced Transmit Antennas
本文研究了大规模多输入多输出（MIMO）系统的性能，该系统使用一个大的发射天线阵列与天线单元间隔密集。在理想均匀线性天线阵无互耦的假设下，证明了当发射天线间距趋于零时，预编码正交相移键控（QPSK）传输可以达到大规模MIMO系统的信道容量。这种渐近最优性类似于QPSK快于奈奎斯特信号。
2016-01-22 cs.IT math.IT
DBRAA: Sub-6 GHz and Millimeter Wave Dual-Band Reconfigurable Antenna Array for ISAC
本文提出双频段可重构天线阵列DBRAA，通过天线复用和混合波束成形实现sub-6G与毫米波频段的ISAC，并设计解耦优化算法最大化通信和速率。
2025-03-27 cs.IT math.IT
Beamforming Design for Large-Scale Antenna Arrays Using Deep Learning
在有限的射频链和基于移相器的模拟波束形成架构下，大规模天线阵列的波束形成（BF）设计已被公认为是毫米波通信系统中的关键问题。它变得更具挑战性的不完美的信道状态信息（CSI）。在这封信中，我们提出了一个基于深度学习的BF设计方法，并开发了一个BF神经网络（BFNN），可以训练学习如何优化波束形成器，以最大限度地提高频谱效率与硬件限制和不完善的CSI。仿真结果表明，与传统的BF算法相比，该算法具有显著的性能改善和对不完美CSI的鲁棒性。
2019-06-05 cs.IT math.IT
Joint Design of Digital and Analog Processing for Downlink C-RAN with Large-Scale Antenna Arrays
在具有大规模天线阵列的毫米波通信系统中，传统的数字波束成形可能不是成本有效的。一个有前途的解决方案是实现混合波束成形技术，它包括低维数字波束成形，然后是模拟射频（RF）波束成形。本文研究了云无线接入网（C-RAN）架构下混合波束赋形的优化问题。在C-RAN系统中，数字基带信号处理功能通过有限容量前传链路从远程无线电头端（RRH）迁移到“云”中的基带处理单元（BBU）。具体而言，这项工作解决了联合优化数字波束成形和前传量化策略在BBU，以及RF波束成形在RRH的问题，与最大化的加权下行链路总速率的目标。前传容量和每RRH功率约束连同对RF波束成形矩阵的恒模约束一起被强制执行。提出了一种基于逐次凸逼近和松弛恒模约束的迭代算法。数值仿真结果验证了该方法的有效性。
2017-04-03 cs.IT math.IT
Wireless Security with Beamforming Technique
本论文主要研究波束形成技术在物理层的无线安全性。其中一个新兴领域是物理层的安全增强，它利用了无线介质的固有属性。波束形成技术也被证明具有许多优点，可以用来增强无线安全。最常见的威胁之一，即，被动窃听，在这篇论文中解决。为了降低信息泄露给窃听者的风险，已经研究了传输暴露于窃听的物理区域。在本论文中，我们提出了一种基于暴露区域的波束形成技术，以对抗在衰落信道中来自随机窃听者的威胁。该系统模型考虑了大尺度路径损耗和一般的莱斯衰落信道模型。通过建立暴露区域来描述系统的保密性能，并在此基础上定义发生保密中断事件的概率来评估暴露区域的安全级别。天线阵列是影响基于曝光区的波束形成技术保密性能的重要因素之一。探讨了使用不同的阵列几何形状和阵列配置来提高安全性的可能性。在本论文中，两个常见的数组，即，给出了一般阵列几何的解析表达式，以及直线阵和圆阵的解析表达式。基于实验结果，数值优化算法开发利用阵列配置，以提高系统的安全级别。此外，还对该波束形成器在线阵和圆阵情况下的性能进行了实验研究。特别地，研究了互耦对安全性能的影响。
2016-09-12 cs.IT math.IT
Movable-Antenna Array Enhanced Beamforming: Achieving Full Array Gain with Null Steering
本文研究可移动天线（MA）阵列增强波束成形，通过联合优化天线位置矢量和权重矢量，在期望方向实现全阵列增益并在非期望方向实现零点导向，推导了闭式最优解，性能优于传统固定位置天线阵列。
2024-03-24 cs.IT eess.SP math.IT
Beamforming in Millimeter Wave Systems: Prototyping and Measurement Results
论证大天线阵列波束形成的可行性对于实现毫米波通信系统是必不可少的。这是由于这些系统依赖于大阵列波束成形增益来提供足够的接收信号功率。在本文中，详细解释了在实践中证明这些收益的概念验证原型的设计。我们开发了一个毫米波系统与数字控制的模拟前端。开发的原型使用60 GHz相控阵和通用软件无线电外设（USRP）控制器。我们设计的软件界面易于复制，可用于未来的毫米波原型和演示。
2018-08-04 cs.IT math.IT
Hybrid Digital and Analog Beamforming Design for Large-Scale Antenna Arrays
毫米波（mmWave）频率用于未来无线蜂窝通信系统的潜力已经激发了用于实现高度定向波束成形的大规模天线阵列的研究。然而，由于高频中RF链组件的高成本和高功耗，每个天线元件需要一个射频（RF）链的常规全数字波束成形方法对于大规模天线阵列是不可行的。为了解决这个硬件限制的挑战，本文考虑了一种混合波束形成架构，其中的整体波束形成器包括一个低维数字波束形成器，然后使用模拟移相器实现的RF波束形成器。我们的目的是表明，这样的架构可以接近一个完全数字化的方案的性能与RF链的数量少得多。具体来说，本文建立了，如果RF链的数量是数据流总数的两倍，混合波束形成结构可以实现任何完全数字波束形成器，无论天线元件的数量。针对射频链路数较少的情况，进一步研究了点对点多输入多输出（MIMO）系统和下行多用户多输入单输出（MU-MISO）系统的混合波束成形设计问题.对于每种情况下，我们提出了一个启发式的混合波束成形设计，实现了接近的性能的全数字波束成形基线的性能。最后，所提出的算法进行了修改，更实际的设置中，只有有限分辨率移相器。数值模拟表明，即使在使用分辨率很低的移相器时，所提出的方案也是有效的。
2016-01-25 cs.IT math.IT
A Superdirective Beamforming Approach with Impedance Coupling and Field Coupling for Compact Antenna Arrays
针对紧凑天线阵列，提出基于阻抗与场双重耦合的超方向波束成形方法，推导波束向量并高效计算耦合矩阵，经仿真与实验验证实现超方向性。
2024-11-11 cs.IT math.IT
An EEP-based robust beamforming approach for superdirective antenna arrays and experimental validations
针对超定向天线阵列互耦效应复杂、对激励误差敏感的问题，提出基于嵌入单元方向图（EEP）的超定向波束形成方法及EEP辅助的正交补鲁棒波束形成算法，经仿真和5偶极子阵列实验验证了超定向性与鲁棒性。
2023-08-23 cs.IT math.IT
Arbitrary Beam Synthesis of Different Hybrid Beamforming Systems
对于未来的毫米波移动通信系统，模拟/混合波束成形的使用被设想为关键方面。波束合成是在波束搜索、数据传输和MU MIMO操作期间实现最佳可能操作的关键技术。所开发的合成波束的方法是基于以前的工作，在雷达技术只考虑相控阵天线。利用该技术，可以在期望的目标收发器天线前端的约束下生成任何形状的期望波束。它不受特定天线阵列几何形状的约束，但可以处理一维，二维甚至三维天线阵列几何形状，如圆柱形阵列。数值算例表明，该方法可以在增益、过渡区宽度和通带波纹之间进行用户自定义的折衷，实现波束综合。
2017-04-26 cs.IT math.IT
Hybrid Beamforming for Large Antenna Arrays with Phase Shifter Selection
利用信道矩阵奇异向量的性质，提出了一种适用于大型天线阵列的渐进最优混合波束形成方案。它示出了具有瑞利衰落的信道矩阵的元素遵循正态分布时，采用大的天线阵列。所提出的波束形成算法在稀疏和丰富的传播环境中都是有效的，并且适用于点对点和多用户场景。此外，一个封闭形式的表达式和下限的可实现的速率时，模拟和数字移相器。它示出的混合波束形成器的性能，使用移相器与超过2位的分辨率与模拟相移。在瑞利衰落信道模型下，提出了一种降低移相器网络功耗的移相器选择方案。使用该选择方案，可以随着移相器网络中的功耗的降低而增加频谱效率。与所有移相器都工作的情况相比，仿真结果表明，当多达50%的移相器被关闭时，频谱效率增加。
2016-08-09 cs.IT math.IT
Hybrid Analog and Digital Beamforming for mmWave OFDM Large-Scale Antenna Arrays
混合模拟和数字波束成形是大规模毫米波MIMO系统的一个有前途的候选者，因为它能够显著降低传统全数字波束成形方案的硬件复杂度，同时能够接近全数字方案的性能。大多数关于混合波束成形的现有工作考虑窄带信道。然而，诸如毫米波系统的宽带系统是频率选择性的。在宽带系统中，需要为整个频带设计通用的模拟波束形成器，同时在不同的频率子带中采用不同的数字波束形成器。本文研究了OFDM调制系统中的混合波束形成设计。首先，对于在发射器和接收器处均采用混合波束成形架构的SU-MIMO系统，由于毫米波信道的稀疏性，具有少量RF链的混合波束成形可以渐近地接近用于足够大数量的收发器天线的全数字波束成形的性能。对于具有实际数量的天线的系统，然后，我们提出了一个统一的启发式设计两种不同的混合波束成形结构，完全连接和部分连接的结构，以最大限度地提高毫米波MIMO系统的整体频谱效率。数值结果表明，该算法的性能优于现有的混合波束形成方法，在全连接结构下，该算法的频谱效率与最优全数字波束形成非常接近，但所需的射频链路要少得多。其次，对于MU-MISO的情况下，我们提出了一种启发式的混合预编码设计，以最大化在下行链路中的加权和速率，并数值表明，所提出的算法与实际数量的RF链已经可以接近全数字波束成形的性能。
2017-11-22 cs.IT math.IT
Opportunistic Beamforming with Wireless Powered 1-bit Feedback Through Rectenna Array
这封信涉及的机会波束形成（OBF）方案的多天线下行链路空间随机性。与传统的OBF相比，终端仅返回1比特反馈，其由通过整流天线阵列的无线功率传输供电。我们研究两个基本的拓扑结构的组合的整流天线元件;直流组合器和射频组合器。利用高阶统计量和随机几何，推导了两种组合方案的波束中断概率的封闭形式。
2015-07-20 cs.IT cs.NI math.IT
Two-Level Spatial Multiplexing using Hybrid Beamforming Antenna Arrays for mmWave Communications
在这项工作中，我们考虑了两个层次的MIMO天线阵列系统，其中每个天线的上层是由一个子阵列上的较低的一个。在这种情况下，空间复用的概念被应用了两次：首先，利用视线（LoS）MIMO系统的空间复用。它基于适当的（子）阵列距离，并由于接收（子）阵列处的信号之间的相位差而实现复用增益。其次，使用不同角度的一个或多个附加反射路径（通过子阵列处的不同空间波束与LoS路径分离）来利用路径之间的空间复用。通过同时利用上述两种复用类型，通过联合使用路径内的“相位差”和路径之间的“角度差”，提出了具有最大空间复用的高维系统。该系统包括一个先进的混合波束形成架构，具有较大的子阵列间隔，这可能发生在毫米波回程场景。系统的可能增益w.r.t.一个纯LOS MIMO系统的总发射功率约束的能力进行了说明。
2016-07-29 cs.IT math.IT
Beamforming Design for Continuous Aperture Array (CAPA)-Based MIMO Systems
The University of Hong Kong（香港大学）；Queen Mary University of London（伦敦大学女王玛丽学院）
针对CAPA-MIMO波束成形优化计算代价高的问题，本文推导了可达速率的闭式表达式，并提出基于变分法的WMMSE迭代算法及Gauss-Legendre求积的低复杂度实现，显著提升性能并降低计算复杂度。
2025-07-18 cs.IT math.IT
Coupling Matrix-based Beamforming for Superdirective Antenna Arrays
在大多数多输入多输出（MIMO）通信系统中，例如，大规模MIMO，天线间距一般不小于半个波长。它有助于减少互耦合，从而方便系统设计。最大阵列增益是此设置中的天线数量。然而，当天线间距非常小时，紧凑阵列的阵列增益可以与天线数量的平方成比例-一个比传统阵列大得多的值。然而，为了实现这种所谓的“超方向性”，已知激励系数（波束成形向量）的计算是一个具有挑战性的问题。本文基于一种新的耦合矩阵使能方法，推导了超定向阵列的波束形成矢量。我们还提出了一种方法来获得耦合矩阵，这是由球面波展开法和有源元件图案。全波电磁仿真验证了该方法的有效性。仿真结果表明，当应用本文方法得到的波束形成矢量时，所设计的偶极子天线阵的方向性与理论值吻合较好。
2022-04-25 cs.IT eess.SP math.IT
Multicast Multigroup Beamforming for Per-antenna Power Constrained Large-scale Arrays
大的发射元件的数量，多天线阵列与每个元件的限制是本工作的重点。在这种情况下，物理层多组多播下每天线功率约束，在这里进行了研究。为了解决这个复杂的优化问题，提出了半定松弛的低复杂度替代方案。目标是在最大公平性的意义下优化每个天线功率受限的发射机，这是一个非凸二次约束二次问题。因此，最近开发的可行点追踪和逐次凸逼近的工具扩展到占实际的每天线功率约束。有趣的是，新的迭代法不仅表现出优越的性能，在接近放松的上限，但也显着的复杂性降低，作为优化变量的尺寸增加。因此，多播多组波束成形的大规模阵列发射机与每个天线专用放大器的计算效率和准确性。对半定松弛常产生非秩1解的大系统，给出了一个初步的性能评估。
2015-03-24 cs.IT math.IT
Ray Antenna Array Enhanced Low-Altitude ISAC: Performance Analysis and Beamforming Design
The Sixty-third Research Institute, National University of Defense Technology（国防科技大学第六十三研究所）；National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University（东南大学移动通信国家重点实验室）；Purple Mountain Laboratories（紫金山实验室）
针对低空经济中传统天线阵列成本高、覆盖有盲区的问题，提出利用射线天线阵列（RAA）增强通感一体化（ISAC）系统，通过联合射线选择和波束赋形优化，在通信约束下提升感知覆盖，仿真表明RAA能提供更高感知信噪比。
2026-06-18 cs.IT math.IT
Hybrid Beamforming with Spatial Modulation in Multi-user Massive MIMO mmWave Networks
射频（RF）链的成本是大规模MIMO毫米波网络的最大缺点。通过采用空间调制（SM），可以实现比发射天线更少数量的RF链，但仍然实现高频谱效率。在这项工作中，我们提出了一个系统模型的SM计划与混合波束形成在发射机和数字组合在接收机。在该模型中，空间调制比特映射到天线阵列的索引。结果表明，该模型实现了约5dB的增益比经典的多用户SM计划，只有8个发射天线在每个天线阵列。可以通过增加每个阵列处的发射天线的数量而不增加RF链的数量来进一步提高该增益。
2017-09-14 cs.IT math.IT
Mutual Coupling in Continuous Aperture Arrays: Physical Modeling and Beamforming Design
The University of Hong Kong（香港大学）；Constructor University (previously Jacobs University Bremen)（康斯特鲁克特大学（原雅各布斯不来梅大学））
本文研究连续孔径阵列中互耦现象的物理建模与波束成形设计，提出考虑极化和表面损耗的通用模型，推导最优波束成形结构，并通过核近似和共轭梯度法解决互耦核求逆问题。
2026-07-21 cs.IT math.IT
Flexible Coupler Array with Reconfigurable Pattern: Mechanical Beamforming and Digital Agent
University of Waterloo（滑铁卢大学）；Xidian University（西安电子科技大学）
本文提出了一种可重构图案的柔性耦合器阵列，结合机械波束成形和数字代理技术，通过双时间尺度优化提升通信性能和覆盖范围。
2026-02-23 cs.IT math.IT
Holographic MIMO Communications: What is the benefit of closely spaced antennas?
本文利用多端口通信理论分析全息MIMO系统中紧密排列天线的性能，发现仅中等尺寸阵列的频谱效率随间距减小而提升，大型阵列改善甚微。
2024-03-19 cs.IT eess.SP math.IT
Beamforming Inferring by Conditional WGAN-GP for Holographic Antenna Arrays
本文针对全息天线阵列波束赋形开销高的问题，提出基于条件WGAN-GP的方法，仅用极少量信道信息推断完整波束赋形矩阵，在保持与WMMSE算法相当性能的同时将开销降低超过50%。
2024-05-16 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Beamforming and Matching for Ultra-Dense Massive Antenna Arrays
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；armasuisse Science and Technology（瑞士国防军科学与技术局）
本文提出了一种低成本超密集天线阵列架构，通过开关网络实现联合波束成形与匹配，显著降低成本和复杂度，接近全数字方案的性能。
2025-12-02 cs.IT eess.SP math.IT
Super-Beamforming in Holographic MIMO
Univ. Pompeu Fabra（庞培法布拉大学）
本文探讨了在全息MIMO中通过互耦实现超波束成形的可能性，证明当天线损耗足够小时，互耦可以实现端射增益与天线数量平方成正比的超波束。
2026-08-20 cs.IT math.IT
Beamforming Codebook Compensation for Beam Squint with Channel Capacity Constraint
相控阵模拟波束成形是一种很有前途的毫米波段5G无线通信技术。波束聚焦在小范围的到达角或离开角上，并且由于实际硬件约束而对应于跨频率的一组固定相移。在切换波束形成中，由多个波束组成的离散码本用于覆盖更大的角度范围。然而，对于足够大的带宽，相控阵列提供的增益是频率相关的，即使天线元件的辐射图案是频率无关的，这种效应称为波束偏斜。本文研究了波束倾斜对均匀线阵信道容量的影响。波束成形码本被设计为通过施加信道容量约束来补偿波束偏斜。例如，我们的码本设计算法可以提高信道容量的17.8%，与64天线的工作在2.5 GHz的带宽和载波频率为73 GHz。分析和数值示例表明，与没有波束偏斜的情况相比，需要更密集的码本来补偿波束偏斜。此外，波束偏斜的效果示出增加带宽的增加，和波束偏斜限制给定的阵列中的天线的数量的带宽。
2017-05-12 cs.IT math.IT
Wideband Beamforming for Near-Field Communications with Circular Arrays
本文针对近场宽带通信中均匀圆形阵列的波束斜视问题，提出基于真时延单元的解析设计和联合优化两种波束赋形方法，有效提升阵列增益与频谱效率。
2024-04-03 cs.IT eess.SP math.IT
The information and wave-theoretic limits of analog beamforming
宽带毫米波（mmWave）RF架构的性能通常由诸如香农容量的数学概念确定。这些系统还必须遵守物理定律，如能量守恒和传播定律。考虑物理和硬件限制对于表征某些架构（如模拟波束成形）下毫米波系统的实际性能至关重要。在这种情况下，我们考虑一个宽带频率相关的阵列模型，明确包括增量的时间偏移，而不是个别天线之间的相移，并采用了物理定义的辐射功率。作为该模型的结果，我们提出了一种新的联合方法来设计模拟波束形成的最佳波形和波束形成向量。我们的研究结果表明，对于足够大的阵列尺寸，可实现的速率主要是有限的模拟波束形成增益和信号带宽之间的基本权衡。
2018-03-01 cs.IT math.IT
Elevation Beamforming with Full Dimension MIMO Architectures in 5G Systems: A Tutorial
全维（FD）多输入多输出（MIMO）技术作为下一代无线通信网络的一种有前途的技术，在过去几年中吸引了无线工业界和学术界的大量研究关注。FD-MIMO场景利用平面二维有源天线系统（AAS），其不仅允许将大量天线元件放置在可行的基站（BS）形状因子内，而且还提供在仰角和传统方位角维度上的自适应电子波束控制的能力。本文介绍了一个教程仰角波束成形分析蜂窝网络利用FD大规模MIMO天线阵列。与第三代合作伙伴计划（3GPP）中专注于FD-MIMO标准化的现有作品相比，本教程在天线阵列和3D信道建模的理论方面具有深度。为了弥合工业界和学术界之间的差距，本初步教程介绍了3GPP Release 13中提出的支持仰角波束成形的相关阵列和收发器架构设计。然后，它提出并比较了两种不同的三维信道建模方法，可用于仰角波束形成技术的性能分析。基于这两种信道建模方法，对FD-MIMO阵列的空间相关性进行了表征和比较，分析了不同信道和阵列参数对空间相关性的影响。所有这些方面放在一起，以提供一个数学框架，在单小区和多小区的情况下的仰角波束成形方案的设计。仿真例子与比较和讨论。为此，本文重点介绍了最新的研究成果，并指出了未来的研究方向。
2019-06-05 cs.IT math.IT
Analysing of 3D MIMO Communication Beamforming in Linear and Planar Arrays
该研究分析线性与平面阵列中三维MIMO通信的波束成形，采用基于协方差的波形方法，通过MATLAB仿真评估不同波束成形技术的性能。
2023-10-12 cs.IT eess.SP math.IT
Sub-Nyquist Sampling and Fourier Domain Beamforming in Volumetric Ultrasound Imaging
超声图像形成的关键步骤之一是由放置在阵列上的几个换能器元件采样的信号的数字波束形成。高分辨率数字波束形成要求采样率明显高于信号的奈奎斯特速率，这大大增加了必须从系统前端传输的数据量。在3D超声成像中，使用2D换能器阵列而不是1D阵列，并且需要更多的扫描线。这意味着采样数据的量相对于2D成像大大增加。在这项工作中，我们表明，可以实现相当大的数据率的减少，通过应用的想法Xcadix和频域波束形成，导致一个子奈奎斯特采样率，它只使用一部分的带宽的超声信号来重建图像。我们扩展以前的工作频域波束形成的二维超声成像，以适应体积扫描和二维网格的换能器元件施加的几何形状。我们展示了高图像质量的低速率样本模拟的幻影图像由几个小的反射器。我们还将我们的技术应用于由商业3D超声系统获得的心室体模的原始数据。我们表明，通过在频域中执行3D波束成形，可以实现亚奈奎斯特采样和低处理速率，同时保持足够的图像质量。
2015-08-20 cs.IT math.IT
3D Beamforming Through Joint Phase-Time Arrays
针对高频宽带通信覆盖受限及传统相控阵调度时延高的问题，本文提出基于联合相位-时间阵列的3D波束成形方案，通过设计移相器和实时延迟单元最大化目标方向子带波束增益，仿真验证其性能优于现有最优方案。
2024-08-13 cs.IT eess.SP math.IT
Analog Beamforming Enabled Multicasting: Finite-Alphabet Inputs and Statistical CSI
针对有限字母表输入和统计CSI的模拟波束赋形多播系统，推导AMR表达式并分析高信噪比渐近性能，提出最大化阵列增益的波束赋形算法以提升平均多播速率。
2024-05-22 cs.IT eess.SP math.IT
Low-Complexity Multicast Beamforming for Millimeter Wave Communications
为了开发一种低复杂度的毫米波多播波束形成方法，本文首先提出了一种信道增益估计方法。我们使用波束扫描来找到最好的码字和它的两个相邻的码字，以形成一个复合波束。然后，我们估计信道增益的基础上的复合波束，这是离线计算的波束覆盖范围内的波束增益的方差最小化。在估计信道增益的基础上，提出了一种基于最大最小公平准则的多播波束形成设计方法。为了降低计算复杂度，我们将大的天线阵列分成几个小尺寸的子阵列，其中每个子阵列的大小由估计的信道增益来确定。特别是，我们引入了一个相位因子为每个子阵列探索所考虑的问题的额外的自由度。仿真结果表明，与现有方法相比，本文提出的多播波束成形设计方法在性能损失较小的情况下，能够显著降低计算复杂度。
2022-03-12 cs.IT eess.SP math.IT
Electromagnetic Hybrid Beamforming for Holographic Communications
本文提出基于三维超方向性全息天线阵列的电磁混合波束赋形方案，通过联合优化模拟激励电流与数字预编码，消除方向图畸变并实现全空间可编程聚焦，仿真显示和速率增益超过传统算法150%。
2024-10-23 cs.IT eess.SP math.IT
A Primer on Near-Field Beamforming for Arrays and Reconfigurable Intelligent Surfaces
无线通信系统几乎专门在天线和天线阵列的远场中操作，其传统特征在于具有超过夫琅和费距离的传播距离。这是自然的，因为夫琅和费距离通常只有几个波长。随着物理上大的有源阵列和无源可重构智能表面（RIS）的出现，发射器或接收器位于单个阵列/表面元件的Fraunhofer距离和整个阵列的Fraunhofer距离之间是合理的。然后，RIS可以被配置为将入射波形朝向表面的辐射近场中的点反射，从而产生具有有限深度的光束，或者作为具有无限远焦点的常规角度光束，这仅导致远场中的放大。为了了解这些不同的选择是可行的，近场行为的准确表征是必要的。在本文中，我们重新审视了夫琅和费距离背后的动机和近似，并表明它不是确定近场聚焦何时可能的正确度量。我们得到的距离范围有限的深度波束成形是可能的，波束成形增益逐渐减少的距离。
2021-12-08 cs.IT eess.SP math.IT
Scale-Free Beamforming using Swarm Arrays for Remote Sensing under Interference
University of Iowa（爱荷华大学）；Collins Aerospace（柯林斯航空航天）
研究利用自主中继的群体阵列在消除干扰器时将期望信号以最大保真度转发到融合中心的问题，提出分布式算法计算最优迫零波束成形权重，算法无标度，计算和带宽开销与阵列大小无关。
2026-07-07 cs.DC cs.IT eess.SP
Efficient Solvers for Coupling-Aware Beamforming in Continuous Aperture Arrays
Korea Advanced Institute of Science and Technology（韩国科学技术院）；Samsung Electronics Company Ltd.（三星电子株式会社）
本文提出两种高效求解器，用于连续孔径阵列中考虑互耦的波束成形优化，通过坐标变换和LU分解提升计算效率与准确性。
2026-02-24 cs.IT eess.SP math.IT
Tri-Hybrid Beamforming for Radiation-Center Reconfigurable Antenna Array: Spectral Efficiency and Energy Efficiency
本文针对辐射中心可重构天线阵列提出三混合波束成形架构，通过三环交替优化及两种分式规划方案分别最大化频谱效率与能量效率，在降低计算复杂度的同时保持性能。
2025-08-21 cs.IT eess.SP math.IT
Secure Multiuser Beamforming With Movable Antenna Arrays
China Telecom Beijing Research Institute（中国电信北京研究院）；University of Alberta（阿尔伯塔大学）；Queen Mary University of London（伦敦大学玛丽女王学院）
提出基于可移动天线的安全多用户传输框架，通过联合优化数字波束赋形和天线位置最大化总保密速率，采用分数规划和块坐标下降法实现高效求解。
2026-06-03 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Beamforming for Terahertz Wireless Communications: Challenges, Architectures, and Open Problems
太赫兹（THz）通信通过提供数十GHz带宽而被视为第六代（6 G）无线系统的支柱技术。为了克服传输距离短和传播损耗大的缺点，人们提出了采用亚毫米波长天线阵列的超大规模MIMO系统，以获得高增益。在UM-MIMO系统中，混合波束成形技术在提高数据率和降低功耗方面具有巨大的潜力。针对太赫兹波的特殊性，研究了太赫兹波混合波束形成技术的特点和面临的挑战。具体来说，我们证明了空间自由度（SDoF）小于5，这是由于太赫兹信道的极端稀疏性。研究了由高达15 dB以上的巨大反射和散射损耗引起的阻塞问题。此外，我们分析了包含1024个或更多天线的阵列所带来的挑战，包括对智能子阵列架构的要求，严格的能源效率，以及基于球面波传播机制的传播特性。由于带宽高达几百GHz，当带宽分数超过10%时，波束倾斜效应会导致超过5 dB的阵列增益损失。受此启发，本文提出了三种新的太赫兹混合波束形成结构，包括宽间隔多子阵、动态子阵阵列和基于真时延的结构。我们还展示了潜在的数据率，功耗和阵列增益的太赫兹通信能力。作为THz混合波束形成设计的路线图，多个开放的问题和潜在的研究方向进行了阐述。
2021-01-21 cs.IT eess.SP math.IT
Rotatable Array-Aided Hybrid Beamforming for Integrated Sensing and Communication
School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications（北京邮电大学信息与通信工程学院）
本文研究多用户可旋转阵列辅助ISAC系统的子连接混合波束成形设计，提出基于分数规划与交替优化的算法，通过SVD和梯度上升法分别求解模拟波束与天线旋转角，显著提升系统性能并降低硬件成本。
2025-09-15 cs.ET cs.IT math.IT
Physics-Inspired Discrete-Phase Optimization for 3D Beamforming with PIN-Diode Extra-Large Antenna Arrays
本文针对PIN二极管大型天线阵列离散相位配置的NP难优化问题，提出将目标函数精确转化为QUBO子问题序列，并利用模拟退火算法求解，实现了多达10000个单元超大型阵列的高效3D波束成形。
2024-01-03 cs.ET cs.IT math.IT
Hybrid Near/Far-Field Frequency-Dependent Beamforming via Joint Phase-Time Arrays
本文提出利用联合相位-时间阵列在单射频链下同时服务近远场多用户，通过三步交替优化和深度学习（含图注意力网络）联合优化波束成形与子带分配，实现高用户速率、公平性和能效平衡。
2025-01-25 cs.IT eess.SP math.IT
Joint Phase-Time Arrays: A Paradigm for Frequency-Dependent Analog Beamforming in 6G
针对传统混合波束成形因依赖频率平坦响应组件导致波束方向图灵活性不足的问题，提出结合实时延迟元件的JPTA方案，可通过单射频链实现频率相关波束，性能优于传统方案，并给出未来研究方向。
2023-12-18 cs.IT eess.SP math.IT
Beamforming with Joint Phase and Time Array: System Design, Prototyping and Performance
本文提出联合相位时间阵列（JPTA）架构，通过在移相器附加时间延迟元件，使毫米波基站利用单条RF链形成多频率相关波束，实现频分复用多用户调度，仿真与原型验证表明其能显著提升上行覆盖并服务多用户。
2025-01-31 cs.IT eess.SP math.IT
Near-Field Wideband Beamforming for Extremely Large Antenna Arrays
针对6G中极大规模天线阵列与太赫兹通信融合引发的“近场波束分裂”问题，提出基于分段远场信道模型的相位延迟聚焦（PDF）方法，通过联合控制移相器与延迟器有效补偿相位差异并缓解波束分裂，同时推导出更准确界定近场范围的“有效瑞利距离”新指标。
2024-06-01 cs.IT eess.SP math.IT
Sparse Array Enabled Near-Field Communications: Beam Pattern Analysis and Hybrid Beamforming Design
Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）；Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
本文提出利用稀疏阵列实现近场通信，通过分析波束图案并设计混合波束成形方案，有效抑制格栅峰干扰，提升通信效率。
2024-01-11 cs.IT eess.SP math.IT
Matching in the Air: Optimal Analog Beamforming under Angular Spread
高频段的长距离Gbps无线传输在5G及以后具有巨大的潜力，只要能够以可承受的成本提供高波束成形增益，以对抗严重的路径损耗。在有限数量的RF链的情况下，高增益天线的有效波束宽度将通过信道角扩展而“加宽”，从而导致增益降低。在本文中，我们制定了模拟波束形成作为一个约束优化问题，并提出了封闭形式的解决方案，最大限度地提高有效波束形成增益。天线阵列的最佳波束方向图原来是“匹配”的信道角扩展，和理论结果的有效性已被验证的数值评估，通过穷举搜索和系统级仿真使用3D信道模型。此外，我们提出了一种有效的角扩展估计方法，使用少至三个功率测量，并验证其准确性的实验室测量使用$16{\times}16$相控阵在28 GHz。估计角展度和匹配的波束方向图的能力，使高的有效增益，使用低成本的模拟/混合波束形成实现，我们展示了几个例子，其中大量的增益可以通过阵列几何优化。
2019-10-24 cs.IT eess.SP math.IT
InFocus: A spatial coding technique to mitigate misfocus in near field LoS beamforming
针对宽带大规模相控阵在近场因频率相关波束成形器失配导致的失焦问题，提出空间调频编码方法InFocus，并证明其可同时缓解近场失焦与远场波束斜视、提升数据速率。
2021-03-08 cs.IT eess.SP math.IT
Optimal Beamforming for Multi-User Continuous Aperture Array (CAPA) Systems
针对多用户CAPA系统波束成形优化的非凸泛函规划难题，推导了最优波束成形器闭式结构，提出全局最优求解方法及低复杂度MRT、ZF、MMSE设计，理论证明其渐近或特定场景最优性，仿真验证CAPA较SPDA有显著性能增益。
2025-02-18 cs.IT eess.SP math.IT
Initial Beamforming for Millimeter-Wave and Terahertz Communications in 6G Mobile Systems
为了满足太比特每秒的最高数据率的需求，下一代移动通信系统需要充分利用毫米波和太赫兹波段丰富的频谱资源。然而，高频传输严重依赖于大规模天线阵列来获得高波束成形增益，用于补偿严重的传播损耗。它提出了在初始接入阶段期间的全向波束成形的问题，其中基站需要向其覆盖范围内的所有用户广播同步信号和系统信息。本文提出了一种新的初始波束形成方案，该方案通过形成一对互补波束在各个方向上提供相等的瞬时增益。数值结果表明，该方法可以实现全向覆盖，其性能明显优于随机波束形成方法。它适用于任何形式的大规模阵列，以及所有三种架构，即，数字、模拟和混合波束形成。
2022-05-02 cs.IT eess.SP math.IT
