[논문 리뷰] Exploiting Semantic Communication for Non-Orthogonal Multiple Access

Xidong Mu, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 27인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2차원 먼 사용자(F-user)가 의미통신(SemCom)을 사용하고, 1차원 가까운 사용자(N-user)가 전통적인 비트 기반 통신(BitCom)을 사용하는 의미론적 기반 비직교 다중접근(NOMA) 프레임워크를 제안한다. 낙폭 채널 조건에 따라 SemCom과 BitCom를 유연하게 전환함으로써 F-user는 기준선 대비 더 높은 에르고딕 의미론적 속도를 달성하며, 특히 1차 사용자 비트 속도 제약 조건이 높을 경우 성능 향상이 두드러지며, 연속적 전력 제어가 간섭 관리와 성능 향상에 필수적임을 입증한다.

ABSTRACT

A novel semantics-empowered two-user uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) framework is proposed for resource efficiency enhancement. More particularly, a secondary far user (F-user) employs the semantic communication (SemCom) while a primary near user (N-user) employs the conventional bit-based communication (BitCom). The fundamental performance limit, namely semantic-versus-bit (SvB) rate region, of the proposed semantics-empowered NOMA framework is characterized. The equivalent SvB rate region achieved by the conventional BitCom-based NOMA is provided as the baseline scheme. It unveils that, compared to BitCom, SemCom can significantly improve the F-user's performance when its permitted transmit power is strictly capped, but may perform worse when its permitted transmit power is high. Guided by this result, the proposed semantics-empowered NOMA framework is investigated over fading channels. An opportunistic SemCom and BitCom scheme is proposed, which enables the secondary F-user to participate in NOMA via the most suitable communication method at each fading state, thus striking a good tradeoff between its own achieved performance and the interference imposed to the primary N-user. Two scenarios are considered for employing the opportunistic scheme, namely on-off resource management and continuous resource management. For each scenario, the optimal communication policy over fading channels is derived for maximizing the ergodic semantic rate achieved at the secondary F-user, subject to the minimum ergodic bit rate constraint of the primary N-user. Numerical results show that the proposed opportunistic scheme in both scenarios can achieve higher communication performance for NOMA than the baseline schemes merely employing SemCom or BitCom.

연구 동기 및 목표

• 2차 사용자에게 의미론적 통신(SemCom)을 통합함으로써 NOMA 시스템 내 성능 격차를 해소하고자 한다.
• SemCom와 BitCom를 포함한 2사용자 업링크 NOMA 시스템의 기본적인 의미론 대 비트(SvB) 속도 영역을 규명하고자 한다.
• 낙폭 채널 상태에 따라 유연하게 SemCom 또는 BitCom를 선택하는 기회적 통신 정책을 설계하여 F-user의 에르고딕 의미론적 속도를 최대화하고자 한다.
• 간섭 제약 조건 하에서도 1차 N-user의 최소 에르고딕 비트 속도 요구사항을 충족시킬 수 있도록 보장하고자 한다.
• 연속적 대 기계적(on-off) 전력 제어 및 시간 스케줄링이 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 1차 N-user가 BitCom를 사용하고, 2차 F-user가 SemCom를 사용하는 새로운 의미론 기반 2사용자 업링크 NOMA 프레임워크를 제안한다.
• 제안된 프레임워크의 기본 성능 한계를 규명하기 위해 의미론 대 비트(SvB) 속도 영역을 도입한다.
• 각 낙폭 채널 상태에서 SemCom 또는 BitCom를 선택함으로써 F-user의 에르고딕 의미론적 속도를 최적화하는 기회적 통신 기법을 개발한다.
• 기본 자원 관리 시나리오인 기계적(on-off) 및 연속적 자원 관리 시나리오 하에서 최적의 통신 정책을 유도한다.
• 1차 N-user의 최소 비트 속도 요구사항을 충족시키기 위해 에르고딕 속도 제약 조건을 활용한다.
• 간섭 관리 및 성능 향상을 위해 연속적 전력 제어 및 시간 스케줄링을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 F-user의 전송 전력이 엄격하게 제한될 경우, NOMA에서 SemCom의 성능이 BitCom에 비해 어떻게 다를까?
• RQ2 제안된 의미론 기반 NOMA 프레임워크의 기본 성능 한계는 무엇이며, 기존 BitCom 기반 NOMA와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 특히 간섭 관리 및 에르고딕 속도 측면에서 SemCom가 BitCom를 초월하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 연속적 전력 제어 및 시간 스케줄링은 낙폭 채널에서 F-user의 에르고딕 의미론적 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 SemCom와 BitCom를 조합한 기회적 기법이, 독립적인 SemCom나 BitCom보다 더 높은 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기회적 기법은 모든 시나리오에서 독립적인 SemCom 및 BitCom보다 F-user의 에르고딕 의미론적 속도 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• F-user의 전송 전력이 엄격하게 제한될 경우 SemCom는 BitCom에 비해 F-user의 성능을 크게 향상시키지만, 전력이 높아지면 성능이 열 劣화될 수 있다.
• 낙폭 채널에서 높은 성능을 달성하기 위해 연속적 전력 제어가 필수적임을 입증하였으며, 이는 효과적인 간섭 관리를 가능하게 한다.
• 기계적 시간 스케줄링만으로도 충분한 성능 향상을 달성함을 확인하여, 전력 제어가 연속적일 경우 연속적 시간 스케줄링이 유의미한 성능 향상을 제공하지는 않는다는 점을 시사한다.
• 시간 스케줄링 전략에 관계없이 연속적 전력 제어 기법이 기계적 전력 제어보다 유의미하게 높은 에르고딕 의미론적 속도를 달성한다.
• 1차 N-user의 통신 요구사항이 높을 경우 SemCom가 BitCom보다 F-user의 성능 보장을 더 효과적으로 달성한다.