Hybrid NOMA Assisted Heterogeneous Semantic and Bit Users Communication

Technische Samenvatting: Hybride NOMA-gesteunde Heterogene Communicatie voor Semantische en Bit-gebruikers

Probleemstelling
Het artikel adresseert de uitdaging om traditionele op bits gebaseerde communicatie te integreren met opkomende semantische communicatie binnen draadloze netwerken van de volgende generatie. Hoewel semantische communicatie voordelen biedt in omgevingen met een laag Signaal-ruisverhouding (SNR) door zich te richten op de betekenis van informatie, blijft traditionele op bits gebaseerde communicatie superieur voor bijna-verliesvrije herstel bij hogere SNR's. Het samenleven van deze twee distincte gebruikerssoorten (heterogene gebruikers) creëert specifieke ontwerputdagingen, met name met betrekking tot Successive Interference Cancellation (SIC). In standaard Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) vertrouwt SIC op kanaalcondities (sterkere gebruikers decoderen de signalen van zwakkere gebruikers). Echter, in een gezamenlijk systeem missen bit-gebruikers de vooraf getrainde neurale netwerken die vereist zijn om semantische signalen te decoderen, waardoor traditionele op kanaal gebaseerde SIC inefficiënt wordt. Bovendien falen bestaande hybride NOMA-schema's vaak om dynamisch aan te passen aan gebruikerskoppeling en decoderingsvolgorde om deze heterogene signaalverwerkingsvereisten te accommoderen.

Methodologie
De auteurs stellen een downlink hybride NOMA-raamwerk voor dat dynamisch Orthogonale Multiple Access (OMA) en NOMA combineert om één bit-gebruiker (B) en twee semantische gebruikers (S1, S2) te bedienen over Rayleigh-uitdovingskanalen.

• Systeemmodel: Het systeem maakt gebruik van een DeepSC (Deep Semantic Communication) model waarbij semantische snelheden worden bepaald door een semantische vergelijkingsfunctie, benaderd via een gegeneraliseerde logistische functie. De snelheid van de bit-gebruiker volgt Shannons capaciteitsformule. Om vergelijking mogelijk te maken, wordt de snelheid van de bit-gebruiker omgezet in een equivalente semantische snelheid.
• Adaptieve Gebruikerskoppeling en Decodering: De kern van de methodologie is een dynamische slottoewijzingsstrategie (Algoritme 1):
  • Heterogene Slots (Bit + Semantisch): Als een bit-gebruiker en een semantische gebruiker een slot delen, hanteert het systeem een bit-naar-semantische decoderingsvolgorde. De bit-gebruiker decodeert zijn signaal eerst, waarbij hij het semantische signaal als interferentie behandelt. De semantische gebruiker decodeert vervolgens het signaal van de bit-gebruiker, past SIC toe om dit te verwijderen, en decodeert zijn eigen signaal interferentievrij.
  • Alleen Semantische Slots: Als twee semantische gebruikers een slot delen, wordt de gebruiker met de sterkere kanaalwinst eerst gedecodeerd (waarbij de zwakkere als ruis wordt behandeld), gevolgd door SIC voor de zwakkere gebruiker.
  • OMA-overgang: Als een semantische gebruiker een sterkere kanaalwinst heeft dan de bit-gebruiker in een potentiële koppeling, wordt het slot exclusief toegewezen aan de bit-gebruiker (OMA-modus) om inefficiënt gebruik van middelen te voorkomen.
• Optimalisatie: Er wordt een vermogensallocatieprobleem geformuleerd om de verwachte equivalente ergodische semantische Spectrale Efficiëntie (SE) te maximaliseren, onderworpen aan een totale vermogensbeperking ($P_{max}$). Vanwege het niet-convexe karakter van de semantische vergelijkingsfunctie maken de auteurs gebruik van de "time-sharing" conditie om sterke dualiteit vast te stellen. Ze lossen het probleem op met behulp van de Karush-Kuhn-Tucker (KKT) condities, waarbij ze gesloten-vorm benaderingen en transcendentale vergelijkingen afleiden voor optimale verdeling van vermogen.

Belangrijkste Bijdragen

1. Hybride NOMA-raamwerk: Voorstel van een hybride NOMA-architectuur die specifiek is ontworpen voor heterogene gebruikers, waarbij gebruikers dynamisch worden toegewezen aan tijdslots op basis van real-time kanaalcondities.
2. Adaptieve Decoderingsstrategie: Introductie van een op maat gemaakte decoderingsvolgorde die een bit-naar-semantische volgorde prioriteert in gemengde slots (in tegenstelling tot traditionele op kanaal gebaseerde SIC) en een sterk-naar-zwak volgorde in alleen semantische slots.
3. Optimalisatie van Vermogensallocatie: Formulering en oplossing van een niet-convex vermogensallocatieprobleem dat de equivalente ergodische semantische SE maximaliseert, rekening houdend met de distincte snelheidskenmerken van bit- en semantische gebruikers.
4. Validatie van Prestaties: Demonstratie via simulaties dat de voorgestelde hybride aanpak OMA-only schema's overtreft in termen van ergodische semantische SE.

Simulatie Resultaten
De auteurs valideren hun aanpak met Monte Carlo-simulaties over $10^5$ kanaalrealisaties met een celstraal van 100 meter.

• SE-prestaties: De voorgestelde hybride NOMA-opstelling bereikt consistent een hogere equivalente ergodische semantische SE in vergelijking met een heterogene OMA-opstelling over verschillende niveaus van maximaal vermogen ($P_{max}$) en semantische vergelijkingsdrempels ($\epsilon_{th}$).
• Gedrag van Vermogensallocatie: Naarmate $P_{max}$ toeneemt, wijst het systeem aanzienlijk meer vermogen toe aan de bit-gebruiker dan aan de semantische gebruikers. De auteurs merken op dat dit resulteert in een "onrechtvaardige" optimaliteit, gedreven door het verschil tussen de logaritmische groei van bitsnelheden en het verzadigende karakter van de semantische vergelijkingsfunctie.
• Drempelgevoeligheid: Hoewel het verhogen van de semantische vergelijkingsdrempel ($\epsilon_{th}$) over het algemeen de SE verlaagt vanwege reconstructiebeperkingen, behoudt de hybride NOMA-opstelling een prestatievoordeel ten opzichte van OMA, toegeschreven aan het vermogen van de bit-gebruiker om bij te dragen aan nauwkeurige signaalreconstructie door efficiënt gebruik van middelen.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat het voorgestelde raamwerk de kloof tussen semantische en op bits gebaseerde communicatie effectief overbrugt door de SIC-incompatibiliteit inherent aan heterogene netwerken op te lossen. Door dynamisch over te schakelen tussen OMA en NOMA en een bit-naar-semantische decoderingsvolgorde af te dwingen, verbetert het systeem de algehele Spectrale Efficiëntie. De auteurs stellen dat deze aanpak een levensvatbare oplossing biedt voor toekomstige draadloze netwerken die de co-existentie van diverse communicatieparadigma's vereisen, waarbij efficiënt gebruik van middelen wordt gewaarborgd terwijl de equivalente semantische prestaties van het netwerk worden gemaximaliseerd. Het werk wordt gepresenteerd als een stap in de richting van het optimaliseren van netwerken met heterogene gebruikers zonder nieuwe fysieke laagtechnologieën uit te vinden, maar door bestaande NOMA/OMA en DeepSC-concepten aan te passen tot een samenhangend, geoptimaliseerd raamwerk.