[论文解读] Semantic Communications in Multi-user Wireless Networks

Xidong Mu, Yuanwei Liu|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出了一种异构语义与比特多用户框架，用于多用户无线网络，将语义通信与正交多址接入（OMA）和非正交多址接入（NOMA）相结合。提出了一种用于NOMA增强型语义通信的半-NOMA方案，以及一种语义增强型NOMA的机遇性语义-比特切换方法，通过数值结果表明，该方法在低信噪比（SNR）或高干扰场景下显著提升了性能——语义速率与比特速率区域得到改善，且遍历等效语义速率更高。

ABSTRACT

This article investigates the exploitation of semantic communications in multi-user networks. We propose a novel heterogeneous semantic and bit multi-user framework for providing flawless, customized, and intelligent information transmission. We discuss both orthogonal multiple access (OMA) and non-orthogonal multiple access (NOMA) for the proposed heterogeneous framework, with an emphasis on investigating the attractive interplay between semantic communications and NOMA, namely NOMA enabled semantic communications and semantic communications enhanced NOMA. 1) For NOMA enabled semantic communications, we propose a semi-NOMA scheme for efficiently facilitating the heterogeneous semantic and bit multi-user communication, which unifies conventional NOMA and OMA schemes. The fundamental performance limit, namely semantic-versus-bit rate region, is characterized, which shows the superiority of the proposed semi-NOMA. 2) For semantic communications enhanced NOMA, we propose an opportunistic semantic and bit communication approach to alleviate the early-late rate disparity issue in NOMA. Numerical case studies demonstrate that significant performance gain can be achieved for NOMA by employing semantic communications than bit communications. Finally, several open research directions are highlighted.

研究动机与目标

• 为解决传统基于比特的通信的局限性，将语义通信集成到多用户无线网络中。
• 在异构网络环境中支持基于语义的用户（S-用户）与基于比特的用户（B-用户）共存。
• 探索NOMA与语义通信之间的协同潜力，以提升频谱效率与可靠性。
• 通过智能语义-比特切换缓解NOMA中的早-晚速率差异问题。
• 提供一个统一框架，实现在未来6G网络中灵活、定制化且智能化的信息传输。

提出的方法

• 提出一种新颖的异构语义与比特多用户框架，支持OMA与NOMA，实现S-用户与B-用户的共存。
• 引入一种半-NOMA方案，将传统OMA与NOMA作为特例统一，实现语义与比特传输之间的灵活资源分配。
• 刻画基本的语义-比特速率区域，以评估在所提框架下系统性能的极限。
• 提出一种机遇性语义与比特通信方法，根据信道条件与用户需求动态切换语义与比特模式。
• 在接收端采用连续干扰消除（SIC）技术，解码NOMA系统中的语义与比特信号。
• 采用遍历等效语义速率作为性能度量，将比特速率转换为语义等效值，以实现公平比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在共存语义用户与比特用户的多用户无线网络中有效集成语义通信？
• RQ2 在异构多用户系统中，语义速率与比特速率之间的基本性能权衡是什么？
• RQ3 在多用户场景下，NOMA如何提升语义通信性能，反之亦然？
• RQ4 在NOMA系统中，语义与比特通信之间的机遇性切换能否减少早-晚速率差异？
• RQ5 在功率与干扰受限条件下，语义通信相较于传统比特通信在NOMA网络中的性能增益是什么？

主要发现

• 所提出的半-NOMA方案在语义-比特速率区域上优于传统OMA与纯NOMA，展现出更高的频谱效率。
• 数值结果表明，语义通信显著提升了NOMA性能，尤其在低信噪比（SNR）或高干扰条件下。
• 当主用户具有严格的速率需求，或次用户功率受限时，语义通信在遍历等效语义速率方面优于比特通信。
• 当主用户速率需求较低且次用户功率预算充足时，比特通信更具优势。
• 机遇性语义-比特切换方案能有效平衡用户性能与干扰，提升整体NOMA系统的鲁棒性。
• 语义通信的集成使得对干扰的控制更优，并在动态衰落信道中提升了公平性。