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电气工程与系统科学 > 信号处理

arXiv:2502.08637v1 (eess)
[提交于 2025年2月12日 (此版本) , 最新版本 2025年3月22日 (v2) ]

标题: 基于联合发射和夹紧波束成形的PASS:优化方法还是学习方法?

标题: Joint Transmit and Pinching Beamforming for PASS: Optimization-Based or Learning-Based?

Authors:Xiaoxia Xu, Xidong Mu, Yuanwei Liu, Arumugam Nallanathan
摘要: 一种新型夹持天线系统(PASS)启用的下行链路多用户多输入单输出(MISO)框架被提出。PASS由跨越数千个波长的多个波导组成,配备大量低成本的介质粒子,称为夹持天线(PAs),用于将信号辐射到自由空间。PAs的位置可以重新配置,以改变信号的大尺度路径损耗和相位,从而促进新型夹持波束成形设计。制定一个总速率最大化问题,联合优化发射和夹持波束成形,以自适应实现建设性信号增强和破坏性干扰抑制。为了解决这个高度耦合和非凸的问题,提出了基于优化和基于学习的方法。1)对于基于优化的方法,开发了一种极大极小和惩罚对偶分解(MM-PDD)算法,该算法使用Lipschitz替代函数处理非凸复指数分量,然后调用PDD进行问题解耦。2)对于基于学习的方法,提出了一种新的KKT引导的对偶学习(KDL)方法,该方法通过学习对偶变量以数据驱动的方式重建KKT解。按照这一思路,开发了一种KDL-Transformer算法,该算法通过注意力机制捕捉PA之间/用户之间以及信道状态信息(CSI)-波束成形之间的依赖关系。仿真结果表明:i)所提出的PASS框架即使在仅有少量PAs的情况下,也显著优于传统的大规模多输入多输出(MIMO)系统。ii)所提出的KDL-Transformer可以在现代GPU上实现毫秒级响应的同时,比MM-PDD算法提高超过30%的系统性能。
摘要: A novel pinching antenna system (PASS)-enabled downlink multi-user multiple-input single-output (MISO) framework is proposed. PASS consists of multiple waveguides spanning over thousands of wavelength, which equip numerous low-cost dielectric particles, named pinching antennas (PAs), to radiate signals into free space. The positions of PAs can be reconfigured to change both the large-scale path losses and phases of signals, thus facilitating the novel pinching beamforming design. A sum rate maximization problem is formulated, which jointly optimizes the transmit and pinching beamforming to adaptively achieve constructive signal enhancement and destructive interference mitigation. To solve this highly coupled and nonconvex problem, both optimization-based and learning-based methods are proposed. 1) For the optimization-based method, a majorization-minimization and penalty dual decomposition (MM-PDD) algorithm is developed, which handles the nonconvex complex exponential component using a Lipschitz surrogate function and then invokes PDD for problem decoupling. 2) For the learning-based method, a novel Karush-Kuhn-Tucker (KKT)-guided dual learning (KDL) approach is proposed, which enables KKT solutions to be reconstructed in a data-driven manner by learning dual variables. Following this idea, a KDL-Tranformer algorithm is developed, which captures both inter-PA/inter-user dependencies and channel-state-information (CSI)-beamforming dependencies by attention mechanisms. Simulation results demonstrate that: i) The proposed PASS framework significantly outperforms conventional massive multiple input multiple output (MIMO) system even with a few PAs. ii) The proposed KDL-Transformer can improve over 30% system performance than MM-PDD algorithm, while achieving a millisecond-level response on modern GPUs.
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主题: 信号处理 (eess.SP) ; 信息论 (cs.IT); 机器学习 (cs.LG)
引用方式: arXiv:2502.08637 [eess.SP]
  (或者 arXiv:2502.08637v1 [eess.SP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.08637
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Xiaoxia Xu [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 2 月 12 日 18:54:10 UTC (522 KB)
[v2] 星期六, 2025 年 3 月 22 日 16:27:16 UTC (522 KB)
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