Hybrid NOMA Assisted Heterogeneous Semantic and Bit Users Communication

기술 요약: 하이브리드 NOMA 지원 이종 의미 및 비트 사용자 통신

문제 제기
본 논문은 차세대 무선 네트워크 내에서 전통적인 비트 기반 통신과 신흥 의미 통신을 통합하는 과제를 다룹니다. 의미 통신은 정보의 의미에 초점을 맞춤으로써 낮은 신호대잡음비 (SNR) 환경에서 이점을 제공하지만, 전통적인 비트 기반 통신은 더 높은 SNR 에서 거의 손실 없는 복원에 있어 여전히 우월합니다. 이러한 두 가지 구별된 사용자 유형 (이종 사용자) 의 공존은 특히 연속 간섭 제거 (SIC) 와 관련하여 특정 설계 과제를 야기합니다. 표준 비직교 다중 접속 (NOMA) 에서 SIC 는 채널 조건 (더 강한 사용자가 약한 사용자의 신호를 복호화) 에 의존합니다. 그러나 결합 시스템에서 비트 사용자는 의미 신호를 복호화하는 데 필요한 사전 훈련된 신경망을 갖추지 못하므로, 전통적인 채널 기반 SIC 는 무효화됩니다. 또한, 기존 하이브리드 NOMA 방식은 종종 이러한 이종 신호 처리 요구 사항을 수용하기 위해 사용자 페어링 및 복호화 순서를 동적으로 적응시키지 못합니다.

방법론
저자들은 레이리 페이딩 채널을 통해 한 명의 비트 사용자 (B) 와 두 명의 의미 사용자 (S1, S2) 를 서비스하기 위해 직교 다중 접속 (OMA) 과 NOMA 를 동적으로 결합하는 다운링크 하이브리드 NOMA 프레임워크를 제안합니다.

• 시스템 모델: 시스템은 의미 속도가 일반화된 로지스틱 함수를 통해 근사된 의미 유사도 함수에 의해 결정되는 DeepSC(심층 의미 통신) 모델을 활용합니다. 비트 사용자의 속도는 섀넌 용량 공식을 따릅니다. 비교를 가능하게 하기 위해 비트 사용자의 속도는 등가 의미 속도로 변환됩니다.
• 적응형 사용자 페어링 및 복호화: 방법론의 핵심은 동적 슬롯 할당 전략 (알고리즘 1) 입니다:
  • 이종 슬롯 (비트 + 의미): 비트 사용자와 의미 사용자가 슬롯을 공유하는 경우, 시스템은 비트에서 의미로의 복호화 순서를 채택합니다. 비트 사용자는 의미 신호를 간섭으로 간주하고 먼저 자신의 신호를 복호화한 후, 의미 사용자는 비트 사용자의 신호를 복호화하고 SIC 를 적용하여 이를 제거한 뒤 간섭 없는 자신의 신호를 복호화합니다.
  • 의미 전용 슬롯: 두 명의 의미 사용자가 슬롯을 공유하는 경우, 더 강한 채널 이득을 가진 사용자가 먼저 복호화됩니다 (약한 사용자를 잡음으로 간주), 그 다음 약한 사용자를 위해 SIC 가 수행됩니다.
  • OMA 전환: 잠재적 페어링에서 의미 사용자가 비트 사용자보다 더 강한 채널 이득을 가지는 경우, 비효율적인 자원 사용을 피하기 위해 슬롯은 비트 사용자에게만 할당됩니다 (OMA 모드).
• 최적화: 총 전력 제약 ($P_{max}$) 을 조건으로 등가 평균 의미 스펙트럼 효율 (SE) 을 최대화하는 전력 할당 문제가 수립됩니다. 의미 유사도 함수의 비볼록성으로 인해, 저자들은 강력한 쌍대성을 확립하기 위해 "시간 공유" 조건을 활용합니다. 그들은 카루시 - 쿤 - 택커 (KKT) 조건을 사용하여 문제를 해결하고, 최적 전력 분포에 대한 폐형 근사식 및 초월 방정식을 유도합니다.

주요 기여

1. 하이브리드 NOMA 프레임워크: 이종 사용자를 위해 특별히 설계된 하이브리드 NOMA 아키텍처를 제안하며, 실시간 채널 조건에 기반하여 사용자를 시간 슬롯에 동적으로 할당합니다.
2. 적응형 복호화 전략: 혼합 슬롯에서는 전통적인 채널 기반 SIC 와는 반대로 비트에서 의미로의 순서를 우선시하고, 의미 전용 슬롯에서는 강한 사용자에서 약한 사용자 순서를 따르는 맞춤형 복호화 순서를 도입합니다.
3. 전력 할당 최적화: 비트 및 의미 사용자의 고유한 속도 특성을 고려하여 등가 평균 의미 SE 를 최대화하는 비볼록 전력 할당 문제를 수립하고 해결합니다.
4. 성능 검증: 시뮬레이션을 통해 제안된 하이브리드 접근 방식이 평균 의미 SE 측면에서 OMA 전용 방식보다 우수함을 입증합니다.

시뮬레이션 결과
저자들은 100 미터 셀 반경을 가진 $10^5$개의 채널 실현에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 접근 방식을 검증합니다.

• SE 성능: 제안된 하이브리드 NOMA 설정은 다양한 최대 전력 ($P_{max}$) 수준 및 의미 유사도 임계값 ($\epsilon_{th}$) 에 걸쳐 이종 OMA 설정보다 일관되게 더 높은 등가 평균 의미 SE 를 달성합니다.
• 전력 할당 동작: $P_{max}$가 증가함에 따라 시스템은 의미 사용자보다 비트 사용자에 훨씬 더 많은 전력을 할당합니다. 저자들은 이는 비트 속도의 로그적 성장과 의미 유사도 함수의 포화 특성 간의 차이로 인해 "불공평한" 최적성을 초래한다고 지적합니다.
• 임계값 민감도: 의미 유사도 임계값 ($\epsilon_{th}$) 을 높이는 것은 일반적으로 재구성 제한으로 인해 SE 를 감소시키지만, 하이브리드 NOMA 설정은 비트 사용자가 효율적인 자원 활용을 통해 정확한 신호 재구성을 돕는 능력에 기인하여 OMA 대비 성능 우위를 유지합니다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 프레임워크가 이종 네트워크에 내재된 SIC 비호환성을 해결함으로써 의미 통신과 비트 기반 통신 간의 간극을 효과적으로 메꾼다고 주장합니다. OMA 와 NOMA 간에 동적으로 전환하고 비트에서 의미로의 복호화 순서를 강제함으로써 시스템은 전체 스펙트럼 효율을 향상시킵니다. 저자들은 이 접근 방식이 다양한 통신 패러다임의 공존이 필요한 차세대 무선 네트워크를 위한 실현 가능한 해결책을 제공하며, 효율적인 자원 활용을 보장하면서 네트워크의 등가 의미 성능을 최대화한다고 주장합니다. 이 작업은 새로운 물리 계층 기술을 발명하는 것이 아니라 기존 NOMA/OMA 및 DeepSC 개념을 통합되고 최적화된 프레임워크로 적응시킴으로써 이종 사용자 네트워크를 최적화하는 한 단계로 제시됩니다.