Tri-Hybrid Beamforming Design for ISAC Systems with Reconfigurable Antennas

論文模擬顯示，相比傳統全向天線基準設計，新框架讓頻譜效率提升近 100%，天線硬體開銷同步縮減 62.5%。這套命名為 Tri-HBF（三重混合波束成形）的架構，首次將可重構天線（RA）的電磁特性動態調控能力整合進 ISAC（Integrated Sensing and Communication，集成感知與通信）系統，為 6G 感知通信一體化硬體設計開闢新路徑。

ISAC 系統的波束成形硬體困境

5G/6G 時代有一個關鍵架構趨勢：讓同一套硬體同時完成無線通信與雷達感知兩件事，這就是 ISAC。這個想法的吸引力在於頻譜複用——同一段頻率、同一批天線，通信和感知一起做——但難點在於波束成形設計。波束成形（beamforming，控制天線陣列訊號方向性的技術）在 ISAC 系統裡必須同時優化通信速率和雷達偵測效能，兩個目標往往互相拉鋸。傳統的全數字波束成形（fully digital beamforming）效能最佳，但毫米波天線陣列動輒 64 根、256 根，每根天線需配一條射頻鏈路（RF chain），硬體成本與功耗難以承受。正因如此，學術界過去十年大力研究 HBF（Hybrid Beamforming，混合波束成形）——用少量 RF 鏈路搭配模擬移相網路，在性能與成本之間取得平衡。然而，HBF 的自由度（DoF）仍受制於天線陣列的物理結構，一旦陣列固定，模擬端的操控空間就被鎖死，這是 Tri-HBF 要突破的核心限制。

可重構天線帶來的第三個 EM 調控維度

可重構天線（Reconfigurable Antenna, RA）正是突破上述限制的新工具。RA 的核心能力是在不更換實體硬體的情況下，動態改變天線的電磁（EM）特性——包括輻射方向圖（radiation pattern）、極化方式（polarization）、操作頻段等，常見實現技術包括 PIN 二極體開關陣列和液晶天線。傳統 HBF 框架只有兩個「旋鈕」：數位波束成形器和模擬波束成形器。引入 RA 之後，多了第三個調控維度——EM 波束成形器——直接從天線的物理輻射層面介入，「三重混合（Tri-HBF）」的命名由此而來。值得注意的是，RA 整合進 ISAC 系統的研究至今幾乎一片空白：現有工作要麼只處理純通信場景，要麼只做純感知，兼顧兩者的 RA-ISAC 波束成形正是本研究填補的空缺。

Tri-HBF 框架的三層解耦交替優化

論文的方法論核心是「解耦三重混合波束成形（decoupled Tri-HBF）」——三個波束成形器交替優化而非同時聯合求解，避免高維聯合問題的計算爆炸。優化目標是同時最大化通信速率和感知的 SCNR（Signal-to-Clutter-plus-Noise Ratio，雜波加噪聲下的信噪比）。論文針對兩個場景分別設計：SUST（Single-user Single-target，單用戶單目標）和 MUMT（Multiple-user Multiple-target，多用戶多目標）。兩個場景的原始目標函數都是分數形式，需先轉換成無分數形式（fraction-free）再逐變數塊做交替優化。SUST 場景的三個子問題全部可推導閉合解（closed-form solution，直接給出計算公式不需迭代）；MUMT 場景中，數位和模擬子問題同樣具閉合解，只有 EM 波束成形子問題需借助半正定鬆弛（SDR, Semidefinite Relaxation）求解。針對 SDR 在大規模問題中的計算瓶頸，論文提出「逐天線迭代（iterative approach across antennas）」的低複雜度替代方案：每次只更新一根天線的 EM 參數，其他固定，循環迭代直到收斂，每步同樣具閉合解，規避了 SDR 的矩陣半正定投影運算，顯著降低計算複雜度。

模擬驗證：頻譜效率近翻倍、天線開銷縮六成

模擬結果對比傳統全向天線（omnidirectional antenna）與定向天線（directional antenna）兩個基準設計，Tri-HBF 框架實現頻譜效率提升近 100%、天線硬體開銷縮減 62.5%，且兩個指標同時達成——打破了「更好性能必須換更多天線」的直覺預期。可重構天線的引入讓系統可以用更少的物理天線，透過電磁特性的動態重配置實現更豐富的波束控制。三層架構揭示的關鍵設計洞察是：EM 層的加入並非邊際改善，而是在陣列物理結構固定之後，真正拓展了系統可達的性能邊界。從理論框架到低複雜度求解算法，這套方案提供了一條完整的設計路徑，展示可重構天線在 6G 感知通信一體化場景下的實用潛力。

Tri-HBF 把可重構天線的 EM 調控整合進 ISAC，頻譜效率翻倍、天線開銷縮六成，為 6G 一體化感知通信架構開啟第三個設計維度。