This work revisits the joint beamforming (BF) and antenna selection (AS) problem, as well as its robust beamforming (RBF) version under imperfect channel state information (CSI). Such problems arise due to various reasons, e.g., the costly nature of the radio frequency (RF) chains and energy/resource-saving considerations. The joint (R)BF\&AS problem is a mixed integer and nonlinear program, and thus finding {\it optimal solutions} is often costly, if not outright impossible. The vast majority of the prior works tackled these problems using techniques such as continuous approximations, greedy methods, and supervised machine learning -- yet these approaches do not ensure optimality or even feasibility of the solutions. The main contribution of this work is threefold. First, an effective {\it branch and bound} (B\&B) framework for solving the problems of interest is proposed. Leveraging existing BF and RBF solvers, it is shown that the B\&B framework guarantees global optimality of the considered problems. Second, to expedite the potentially costly B\&B algorithm, a machine learning (ML)-based scheme is proposed to help skip intermediate states of the B\&B search tree. The learning model features a {\it graph neural network} (GNN)-based design that is resilient to a commonly encountered challenge in wireless communications, namely, the change of problem size (e.g., the number of users) across the training and test stages. Third, comprehensive performance characterizations are presented, showing that the GNN-based method retains the global optimality of B\&B with provably reduced complexity, under reasonable conditions. Numerical simulations also show that the ML-based acceleration can often achieve an order-of-magnitude speedup relative to B\&B.


翻译:这项工作重新审视了联合光成(BF)和天线选择(AS)问题,以及在不完善的频道状态信息(CSI)下,其强大的光成(RBF)版本(RBF)问题,以及在不完善的频道状态信息(CSI)下,其强劲的光成(RBFF)版本(RBF)问题,这些问题源于各种原因,例如无线电频率(RF)链条的成本性质以及能源/资源节约方面的考虑。(R)BBFZAS问题是一个混合的整数和非线性程序,因此,找到最佳解决方案往往成本高昂,即使不是完全不可能。先前的绝大多数全面性工作都利用连续近效、贪婪方法和受监督的机器学习等技术解决这些问题。然而,这些方法并不能确保解决方案的最佳性,甚至不能确保解决方案的最佳性(RB-B) 快速化(RB) 快速化(RB) 快速化(ML) 测试(NB) 的系统运行模式(Orental-L) 系统显示一个常规设计(G) 的系统(Oral-L) 系统(Oreval) 显示B) 的运行(Oral-L) 的系统(Oral-L) 的运行) 显示一个普通的系统(O) 的系统。

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