面向語義通信的模分多址技術(shù)

張平1,2,3，許曉東1,2,3，董辰1，牛凱1,2，梁灝泰1，梁子鍵1，秦曉琦1，孫夢穎1，陳昊2，馬楠1,2，許文俊1，王光宇1，陶小峰2,4

1北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，中國北京市，100876 2鵬城實驗室寬帶通信研究部，中國深圳市，518066 3中關(guān)村泛聯(lián)移動通信研究院，中國北京市，100876 4北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中國北京市，100876

【本文已于2023年6月2日在線出版，全文請見https://doi.org/10.1631/FITEE.2300196】

1.?研究背景

語義通信被認(rèn)為是具有潛力的下一代通信系統(tǒng)新范式，自第一代基于文本的語義通信系統(tǒng)提出以來，已出現(xiàn)面向各種不同信源的語義通信系統(tǒng)。多址接入技術(shù)是每一代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)志性技術(shù)，基于語義的多址接入技術(shù)對語義通信范式的發(fā)展有著重要影響，也對移動通信系統(tǒng)的長期演進(jìn)路徑有重要意義。

如圖1所示，傳統(tǒng)多址接入技術(shù)通過時間、頻率、功率、空間等物理資源實現(xiàn)多用戶區(qū)分。本文引入模型信息空間，提出基于語義域資源的模分多址接入技術(shù)（MDMA），推導(dǎo)了MDMA的可行適配域，為未來語義通信系統(tǒng)的多址接入技術(shù)研究提供了重要基礎(chǔ)和指導(dǎo)方法。

圖1?基于語義通信的模分多址技術(shù)

2.?模型信息空間挖掘

圖2表示兩個用戶的語義信號疊加情況，盡管用戶1和2的語義信號是從不同用戶發(fā)送的圖片信源中提取，其語義信號非常相似，只在振幅和相位上有微小變化。這說明從高維語義信號空間中可以挖掘不同用戶所傳輸語義信息的共性和個性信息?；贛DMA多用戶系統(tǒng)，旨在充分利用從高維語義空間中挖掘的共性信息，降低由于冗余傳輸而造成的多余帶寬消耗。

圖2?MNIST數(shù)據(jù)集中兩個圖片信源的語義信號

3.?MDMA上下行鏈路設(shè)計 圖3給出基于MDMA的上行鏈路兩用戶通信流程圖，其中多個用戶同時向基站發(fā)送語義信息。基站匹配已經(jīng)發(fā)起上行鏈路傳輸指令的兩個用戶。用戶1和2首先用同一頻率和時間向基站傳輸語義共性信息，然后再分別傳輸語義個性信息?；窘邮照Z義共性和個性信息后，可以使用解碼器恢復(fù)兩用戶各自信源信息。 圖4給出基于MDMA的下行鏈路兩用戶通信流程圖，基站提取兩個用戶信源信息發(fā)送的語義特征。將其語義共性信息用同一頻率和時間資源傳輸給用戶1和2，再分別傳輸語義個性信息。用戶1和2接收到語義共性和個性信息后分別進(jìn)行語義恢復(fù)，獲得各自所需信源信息。

圖3 MDMA上行鏈路流程圖

圖4 MDMA下行鏈路流程圖

4.?MDMA與其他多址技術(shù)的比較

基于MDMA，疊加和傳輸包含信息量差異較小的語義信息的信號，定義語義信息重用率（Sor）為疊加信號占用的帶寬除以原始信號的帶寬。如圖5（a）所示，隨著語義信息重用率的提高，帶寬占用率降低。當(dāng)Sor達(dá)到50%時，信息恢復(fù)性能與原始信息恢復(fù)性能幾乎一致，意味著可以節(jié)省25%帶寬。圖5（b）給出高斯信道下Sor=0.5時MDMA和其他多址技術(shù)在不同信噪比、功率和帶寬下的信息恢復(fù)性能。這里只比較了多址技術(shù)，并未疊加其它信道編碼技術(shù)等增益?？梢钥吹?，在低信噪比下，MDMA相比NOMA等技術(shù)有接近5 dB的性能優(yōu)勢。

（a）

（b）

圖5 （a）不同Sor下的恢復(fù)性能和帶寬節(jié)省率；（b）不同多址技術(shù)性能對比

5.?未來研究方向

MDMA技術(shù)可與NOMA等多址技術(shù)兼容工作，在保持兼容性的同時帶來額外性能優(yōu)勢。本文研究的MDMA主要為非正交MDMA方式，后續(xù)將繼續(xù)分析正交MDMA方式。

作者貢獻(xiàn)：

張平、許曉東、董辰、牛凱是MDMA技術(shù)主要提出者。所有作者聯(lián)合設(shè)計了論文研究框架并進(jìn)行MDMA的主要理論分析和實驗驗證。 ? 引用信息：

Zhang P,?Xu?XD, Dong C, et al., 2023. Model division multiple access for semantic?communications.?Front Inform Technol Electron Eng, early access.?https://doi.org/10.1631/FITEE.2300196

主要作者簡介?

張平，中國工程院院士，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)全國重點(diǎn)實驗室主任，鵬城實驗室寬帶通信部主任，中關(guān)村泛聯(lián)移動通信技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究院院長，中國電信研究院名譽(yù)院長，《通信學(xué)報》主編，F(xiàn)ITEE期刊副主編，IEEE會士。長期致力于移動通信理論研究和技術(shù)創(chuàng)新，擔(dān)任IMT- 2020（5G）專家組成員、IMT-2030（6G）推進(jìn)組咨詢委員會委員，先后獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎等多項獎勵，為我國自主技術(shù)成為國際主流做出基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。目前研究興趣聚焦在語義通信和語用達(dá)意網(wǎng)絡(luò)。?

許曉東，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。長期參與我國4G、5G、6G技術(shù)攻關(guān)和國際標(biāo)準(zhǔn)化等工作，發(fā)表論文100余篇，申請發(fā)明專利100余項，研發(fā)的6G原型樣機(jī)被評價為“業(yè)界領(lǐng)先”，成果入選中國高校十大科技進(jìn)展，獲中國通信學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎、中國出版政府獎等。兼任IMT-2030（6G）推進(jìn)組專家、中關(guān)村泛聯(lián)院副院長等，IEEE高級會員。主要研究方向為語義通信、智簡網(wǎng)絡(luò)、多址技術(shù)、Moving Network及試驗系統(tǒng)等。?

董辰，北京郵電大學(xué)特聘研究員、博士生導(dǎo)師。主要研究方向為語義通信、智簡網(wǎng)絡(luò)、低功耗物聯(lián)網(wǎng)，視頻通信等。發(fā)表論文45篇，申請專利100余項，其中國際專利超過45項。曾獲2014 IEEE VTC Fall最佳論文獎。??

牛凱，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向為信息論與極化碼、語義通信、5G/6G移動通信。先后主持多項國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)與面上項目、重點(diǎn)研發(fā)計劃項目。在IEEE重要學(xué)術(shù)期刊和會議發(fā)表論文200余篇，申請國家發(fā)明專利100余項，所提極化碼高可靠編碼方案寫入5G標(biāo)準(zhǔn)，榮獲中國電子學(xué)會科技獎自然科學(xué)一等獎。撰寫的普通高等教育國家級規(guī)劃教材《移動通信原理》榮獲全國電子信息類優(yōu)秀教材一等獎。

編輯：黃飛

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