[论文解读] Exploiting Semantic Communication for Non-Orthogonal Multiple Access

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

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用 5

一句话总结

本文提出了一种语义赋能的非正交多址接入（NOMA）框架，其中次要远用户（F-user）采用语义通信（SemCom），而主要近用户（N-user）采用传统的基于比特的通信（BitCom）。通过根据快衰落信道条件机会性地在SemCom与BitCom之间切换，F-user在高主用户速率约束条件下，相比基准方案实现了更高的遍历语义速率，且连续功率控制对于干扰管理和性能提升至关重要。

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.

研究动机与目标

• 为解决NOMA系统中性能差异的问题，通过为次要用户引入语义通信（SemCom）。
• 表征双用户上行链路NOMA系统中语义通信与比特通信（SvB）的速率区域的基本性能极限。
• 设计一种机会性通信策略，根据快衰落信道状态动态选择SemCom或BitCom，以最大化F-user的遍历语义速率。
• 在干扰约束下，确保主N-user的最小遍历比特速率要求得到满足。
• 评估连续功率控制与开关式功率控制及时间调度对系统性能的影响。

提出的方法

• 提出一种新颖的语义赋能双用户上行链路NOMA框架，其中主N-user使用BitCom，次F-user使用SemCom。
• 引入语义-比特（SvB）速率区域，以表征所提框架的基本性能极限。
• 设计一种机会性通信方案，根据每个快衰落信道状态选择SemCom或BitCom，以优化F-user的遍历语义速率。
• 推导在两种资源管理场景下（开关式与连续式）的最优通信策略。
• 采用遍历速率约束，确保主N-user的最小比特速率要求得以满足。
• 采用连续功率控制与时间调度，以在快衰落信道中实现干扰管理并提升性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当F-user的发射功率严格受限时，SemCom在NOMA中的性能与BitCom相比如何？
• RQ2 所提语义赋能NOMA框架的基本性能极限是什么？与基于传统BitCom的NOMA相比有何差异？
• RQ3 在何种条件下SemCom优于BitCom，特别是在干扰管理与遍历速率方面？
• RQ4 连续功率控制与时间调度如何影响快衰落信道中F-user的遍历语义速率？
• RQ5 结合SemCom与BitCom的机会性方案是否能优于独立的SemCom或BitCom方案？

主要发现

• 所提机会性方案在所有场景下，其F-user的遍历语义速率均优于独立的SemCom与BitCom。
• 当F-user的发射功率严格受限时，SemCom显著优于BitCom，但在高功率条件下可能表现较差。
• 在快衰落信道中，连续功率控制对于实现高性能至关重要，因其可实现有效的干扰管理。
• 开关式时间调度已足够实现良好性能，表明在连续功率控制下，连续时间调度带来的增益可忽略不计。
• 无论采用何种时间调度策略，连续功率控制方案的遍历语义速率显著高于开关式功率控制。
• 当主N-user的通信需求较高时，SemCom在保障F-user性能方面优于BitCom。