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 in scenarios where the number of the radio frequency (RF) chains is smaller than that of the antenna elements at the transmitter, which has become a critical consideration in the era of large-scale arrays. 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 continuous optimization-based approximations -- yet these approximations 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,以及其基于不完善的频道状态信息(CSI)的强大光成(RBF)版本。这些问题出现在无线电频率(RF)链数小于发射机天线元素数小于发射机天线元素数的情景中,这在大型阵列时代已成为一个至关重要的考虑因素。 联合(R)BF ⁇ AS问题是一个混合整数和非线性程序,因此,如果不是完全不可能的话,找到 prit 最佳的解决方案,往往成本高昂。 绝大多数先前的工作利用连续的基于优化的近似(RBF)版本(RBF)解决了这些问题,但是这些近似无法确保解决方案的最佳性。首先,一个有效的发射分支分支(BB+B) 测试系统(NF) 和RFFF 解决方案可以保证所审议问题的全球最佳性能保持最佳性能。 其次,帮助加快潜在的B ⁇ B的快速性算算法,一个机器学习的模型(ML)也显示B的中间性网络模式的性性能。

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