Beamforming is a key technology in millimeter-wave (mmWave) communications that improves signal transmission by optimizing directionality and intensity. However, conventional channel estimation methods, such as pilot signals or beam sweeping, often fail to adapt to rapidly changing communication environments. To address this limitation, multimodal sensing-aided beam prediction has gained significant attention, using various sensing data from devices such as LiDAR, radar, GPS, and RGB images to predict user locations or network conditions. Despite its promising potential, the adoption of multimodal sensing-aided beam prediction is hindered by high computational complexity, high costs, and limited datasets. Thus, in this paper, a novel resource-efficient learning framework is introduced for beam prediction, which leverages a custom-designed cross-modal relational knowledge distillation (CRKD) algorithm specifically tailored for beam prediction tasks, to transfer knowledge from a multimodal network to a radar-only student model, achieving high accuracy with reduced computational cost. To enable multimodal learning with realistic data, a novel multimodal simulation framework is developed while integrating sensor data generated from the autonomous driving simulator CARLA with MATLAB-based mmWave channel modeling, and reflecting real-world conditions. The proposed CRKD achieves its objective by distilling relational information across different feature spaces, which enhances beam prediction performance without relying on expensive sensor data. Simulation results demonstrate that CRKD efficiently distills multimodal knowledge, allowing a radar-only model to achieve $94.62%$ of the teacher performance. In particular, this is achieved with just $10%$ of the teacher network's parameters, thereby significantly reducing computational complexity and dependence on multimodal sensor data.


翻译:波束成形是毫米波通信中的关键技术,通过优化方向性和强度来改善信号传输。然而,传统的信道估计方法(如导频信号或波束扫描)往往难以适应快速变化的通信环境。为应对这一局限,多模态感知辅助的波束预测技术受到广泛关注,其利用来自LiDAR、雷达、GPS和RGB图像等多种设备感知数据来预测用户位置或网络状态。尽管前景广阔,但多模态感知辅助波束预测的应用受限于高计算复杂度、高成本及有限数据集。为此,本文提出一种新颖的资源高效学习框架用于波束预测,该框架采用专为波束预测任务定制的跨模态关系知识蒸馏算法,将知识从多模态网络迁移至仅使用雷达的学生模型,在降低计算成本的同时实现高精度预测。为利用真实数据进行多模态学习,本文开发了一种新型多模态仿真框架,将自动驾驶模拟器CARLA生成的传感器数据与基于MATLAB的毫米波信道建模相结合,并反映真实环境条件。所提出的跨模态关系知识蒸馏算法通过蒸馏不同特征空间中的关系信息实现目标,在不依赖昂贵传感器数据的情况下提升波束预测性能。仿真结果表明,该算法能高效蒸馏多模态知识,使仅使用雷达的模型达到教师模型性能的94.62%,且仅需教师网络10%的参数,显著降低了计算复杂度及对多模态传感器数据的依赖。

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