[论文解读] Heterogeneous Semantic and Bit Communications: A Semi-NOMA Scheme

Xidong Mu, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于异构语义与比特通信的半NOMA方案，其中接入点同时向对语义感兴趣的用户（S-用户）和对比特感兴趣的用户（B-用户）传输语义流和比特流。通过使用广义逻辑函数近似语义相似度，作者推导出一个可处理的性能模型，并证明半NOMA在语义-比特速率区域和功率效率方面优于OMA和NOMA，尤其当S-用户具有更好的信道条件时表现更优。

ABSTRACT

Multiple access (MA) design is investigated for facilitating the coexistence of the emerging semantic transmission and the conventional bit-based transmission in future networks. The semantic rate is considered for measuring the performance of the semantic transmission. However, a key challenge is that there is a lack of a closed-form expression for a key parameter, namely the semantic similarity, which characterizes the sentence similarity between an original sentence and the corresponding recovered sentence. To overcome this challenge, we propose a data regression method, where the semantic similarity is approximated by a generalized logistic function. Using the obtained tractable function, we propose a heterogeneous semantic and bit communication framework, where an access point simultaneously sends the semantic and bit streams to one semantics-interested user (S-user) and one bit-interested user (B-user). To realize this heterogeneous semantic and bit transmission in multi-user networks, three MA schemes are proposed, namely orthogonal multiple access (OMA), non-orthogonal multiple access (NOMA), and semi-NOMA. More specifically, the bit stream in semi-NOMA is split into two streams, one is transmitted with the semantic stream over the shared frequency sub-band and the other is transmitted over the separate orthogonal frequency sub-band. To study the fundamental performance limits of the three proposed MA schemes, the semantic-versus-bit (SvB) rate region and the power region are defined. An optimal resource allocation procedure is then derived for characterizing the boundary of the SvB rate region and the power region achieved by each MA scheme. The structures of the derived solutions demonstrate that semi-NOMA is superior to both NOMA and OMA given its highly flexible transmission policy. Our numerical results validate the analysis and show the superiority of semi-NOMA.

研究动机与目标

• 为解决语义通信系统中语义相似度缺乏闭式表达式的问题。
• 通过高效的多址（MA）设计，实现未来无线网络中语义与基于比特的传输共存。
• 利用语义-比特（SvB）速率区域与功率区域，刻画异构语义与比特通信的根本性能极限。
• 对比并优化三种MA方案——OMA、NOMA与半NOMA，以实现对S-用户与B-用户的同时传输。
• 为配对S-用户与更高信道增益的用户以最大化半NOMA性能提供设计洞见。

提出的方法

• 提出一种数据回归方法，利用广义逻辑函数近似语义相似度，从而实现可处理的性能分析。
• 设计一种异构通信框架，其中接入点通过共享与正交的频带子带，向一个S-用户和一个B-用户同时传输语义流与比特流。
• 正式定义三种MA方案——OMA、NOMA与半NOMA，其中半NOMA将比特流划分为共享与正交两部分。
• 利用最优资源分配过程，数学表征每种MA方案的SvB速率区域与功率区域。
• 推导出最优功率与子带分配方案，以追踪SvB速率区域边界并最小化发射功率。
• 通过数值评估，比较在不同信道条件与系统参数下三种方案的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否推导出语义相似度的闭式近似表达式，以实现语义通信系统中的性能分析？
• RQ2 半NOMA在语义-比特速率区域与功率效率方面相较于OMA与NOMA表现如何？
• RQ3 为最大化半NOMA性能增益，S-用户与B-用户之间应采用何种最优用户配对策略？
• RQ4 当S-用户与B-用户之间的信道质量差异变化时，所提方案的性能如何变化？
• RQ5 每秒语义符号数（K）对半NOMA所需发射功率与资源分配有何影响？

主要发现

• 即使在对称信道条件下，半NOMA在语义-比特（SvB）速率区域最大且所需发射功率最低，优于OMA与NOMA。
• 当S-用户信道条件优于B-用户时，半NOMA的性能增益最为显著，证实了将高信道增益的S-用户与低信道增益的B-用户配对的优势。
• 当每秒语义符号数（K）超过某一阈值（K=6,7）后，为实现目标比特速率，所需发射功率因带宽重新分配至共享子带而上升。
• 所提出的广义逻辑函数能有效且可处理地近似语义相似度，从而实现性能的解析表征。
• 半NOMA中的最优资源分配具有高度灵活性，可实现语义与比特速率性能之间的动态权衡。
• 结果表明，优化语义编码/解码方案至关重要，因为对K的性能敏感性表明存在显著的改进空间。