Robust beamforming design under imperfect channel state information (CSI) is a fundamental challenge in multiuser multiple-input multiple-output (MU-MIMO) systems, particularly when the channel estimation error statistics are unknown. Conventional model-driven methods usually rely on prior knowledge of the error covariance matrix and data-driven deep learning approaches suffer from poor generalization capability to unseen channel conditions. To address these limitations, this paper proposes a hybrid offline-online framework that achieves effective offline learning and rapid online adaptation. In the offline phase, we propose a shared (among users) deep neural network (DNN) that is able to learn the channel estimation error covariance from observed samples, thus enabling robust beamforming without statistical priors. Meanwhile, to facilitate real-time deployment, we propose a sparse augmented low-rank (SALR) method to reduce complexity while maintaining comparable performance. In the online phase, we show that the proposed network can be rapidly fine-tuned with minimal gradient steps. Furthermore, a multiple basis model-agnostic meta-learning (MB-MAML) strategy is further proposed to maintain multiple meta-initializations and by dynamically selecting the best one online, we can improve the adaptation and generalization capability of the proposed framework under unseen or non-stationary channels. Simulation results demonstrate that the proposed offline-online framework exhibits strong robustness across diverse channel conditions and it is able to significantly outperform state-of-the-art (SOTA) baselines.


翻译:在不完善信道状态信息(CSI)下的鲁棒波束成形设计是多用户多输入多输出(MU-MIMO)系统中的一个基本挑战,尤其是在信道估计误差统计特性未知的情况下。传统的模型驱动方法通常依赖于误差协方差矩阵的先验知识,而数据驱动的深度学习方法则对未见信道条件的泛化能力较差。为应对这些局限性,本文提出了一种混合离线-在线框架,实现有效的离线学习和快速的在线适应。在离线阶段,我们提出了一种用户间共享的深度神经网络(DNN),能够从观测样本中学习信道估计误差协方差,从而在无需统计先验的情况下实现鲁棒波束成形。同时,为便于实时部署,我们提出了一种稀疏增强低秩(SALR)方法,在保持可比性能的同时降低复杂度。在线阶段,我们表明所提出的网络可通过最少的梯度步数进行快速微调。此外,进一步提出了多基模型无关元学习(MB-MAML)策略,以维护多个元初始化,并通过在线动态选择最佳初始化,提升所提框架在未见或非平稳信道下的适应与泛化能力。仿真结果表明,所提出的离线-在线框架在不同信道条件下表现出强鲁棒性,且能显著优于现有最先进(SOTA)基线方法。

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