Deep learning-based approaches have been developed to solve challenging problems in wireless communications, leading to promising results. Early attempts adopted neural network architectures inherited from applications such as computer vision. They often yield poor performance in large scale networks (i.e., poor scalability) and unseen network settings (i.e., poor generalization). To resolve these issues, graph neural networks (GNNs) have been recently adopted, as they can effectively exploit the domain knowledge, i.e., the graph topology in wireless communications problems. GNN-based methods can achieve near-optimal performance in large-scale networks and generalize well under different system settings, but the theoretical underpinnings and design guidelines remain elusive, which may hinder their practical implementations. This paper endeavors to fill both the theoretical and practical gaps. For theoretical guarantees, we prove that GNNs achieve near-optimal performance in wireless networks with much fewer training samples than traditional neural architectures. Specifically, to solve an optimization problem on an $n$-node graph (where the nodes may represent users, base stations, or antennas), GNNs' generalization error and required number of training samples are $\mathcal{O}(n)$ and $\mathcal{O}(n^2)$ times lower than the unstructured multi-layer perceptrons. For design guidelines, we propose a unified framework that is applicable to general design problems in wireless networks, which includes graph modeling, neural architecture design, and theory-guided performance enhancement. Extensive simulations, which cover a variety of important problems and network settings, verify our theory and the effectiveness of the proposed design framework.


翻译:开发了深层次的学习方法,以解决无线通信中具有挑战性的问题,从而带来有希望的成果。早期尝试采用了从计算机视觉等应用程序中继承下来的神经网络结构,这些网络结构往往在大型网络(即可缩缩缩性差)和无形网络设置(即一般化差)中产生不良的性能。为了解决这些问题,最近采用了图形神经网络(GNN),因为它们能够有效利用域知识,即无线通信问题的图形表层学。基于GNN的方法可以在大型网络中实现接近最佳的性能,并在不同的系统设置下全面化,但理论基础和设计准则仍然难以实现,这可能会阻碍这些网络的实际实施。关于理论保障,我们证明GNNNS在无线网络中取得了接近最佳的性能,其培训样本比传统神经结构要少得多。具体来说,为了解决一个以美元为单位的无线结构框架(即节点代表用户、基站或天线)的稳定性,但是理论基础基础和设计准则仍然难以实现。GNNUS的理论基础理论和设计框架的覆盖面 和结构设计需要一个普通的通用的模型。

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