面向語(yǔ)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(mèng)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)北京市，100876 2鵬城實(shí)驗(yàn)室寬帶通信研究部，中國(guó)深圳市，518066 3中關(guān)村泛聯(lián)移動(dòng)通信研究院，中國(guó)北京市，100876 4北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，中國(guó)北京市，100876

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

1.?研究背景

語(yǔ)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(yǔ)義通信系統(tǒng)提出以來(lái)，已出現(xiàn)面向各種不同信源的語(yǔ)義通信系統(tǒng)。多址接入技術(shù)是每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)志性技術(shù)，基于語(yǔ)義的多址接入技術(shù)對(duì)語(yǔ)義通信范式的發(fā)展有著重要影響，也對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的長(zhǎng)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(guò)時(shí)間、頻率、功率、空間等物理資源實(shí)現(xiàn)多用戶區(qū)分。本文引入模型信息空間，提出基于語(yǔ)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(lái)語(yǔ)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(yǔ)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(gè)用戶的語(yǔ)義信號(hào)疊加情況，盡管用戶1和2的語(yǔ)義信號(hào)是從不同用戶發(fā)送的圖片信源中提取，其語(yǔ)義信號(hào)非常相似，只在振幅和相位上有微小變化。這說(shuō)明從高維語(yǔ)義信號(hào)空間中可以挖掘不同用戶所傳輸語(yǔ)義信息的共性和個(gè)性信息?；贛DMA多用戶系統(tǒng)，旨在充分利用從高維語(yǔ)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(gè)圖片信源的語(yǔ)義信號(hào)

3.?MDMA上下行鏈路設(shè)計(jì) 圖3給出基于MDMA的上行鏈路兩用戶通信流程圖，其中多個(gè)用戶同時(shí)向基站發(fā)送語(yǔ)義信息?；酒ヅ湟呀?jīng)發(fā)起上行鏈路傳輸指令的兩個(gè)用戶。用戶1和2首先用同一頻率和時(shí)間向基站傳輸語(yǔ)義共性信息，然后再分別傳輸語(yǔ)義個(gè)性信息?；窘邮照Z(yǔ)義共性和個(gè)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(gè)用戶信源信息發(fā)送的語(yǔ)義特征。將其語(yǔ)義共性信息用同一頻率和時(shí)間資源傳輸給用戶1和2，再分別傳輸語(yǔ)義個(gè)性信息。用戶1和2接收到語(yǔ)義共性和個(gè)性信息后分別進(jìn)行語(yǔ)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(yǔ)義信息的信號(hào)，定義語(yǔ)義信息重用率（Sor）為疊加信號(hào)占用的帶寬除以原始信號(hào)的帶寬。如圖5（a）所示，隨著語(yǔ)義信息重用率的提高，帶寬占用率降低。當(dāng)Sor達(dá)到50%時(shí)，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(shí)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(shì)。

（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(duì)比

5.?未來(lái)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(shí)帶來(lái)額外性能優(yōu)勢(shì)。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(jì)了論文研究框架并進(jìn)行MDMA的主要理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jiǎn)介?

張平，中國(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，鵬城實(shí)驗(yàn)室寬帶通信部主任，中關(guān)村泛聯(lián)移動(dòng)通信技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究院院長(zhǎng)，中國(guó)電信研究院名譽(yù)院長(zhǎng)，《通信學(xué)報(bào)》主編，F(xiàn)ITEE期刊副主編，IEEE會(huì)士。長(zhǎng)期致力于移動(dòng)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(huì)委員，先后獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)，為我國(guó)自主技術(shù)成為國(guó)際主流做出基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。目前研究興趣聚焦在語(yǔ)義通信和語(yǔ)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(zhǎng)期參與我國(guó)4G、5G、6G技術(shù)攻關(guān)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化等工作，發(fā)表論文100余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利100余項(xiàng)，研發(fā)的6G原型樣機(jī)被評(píng)價(jià)為“業(yè)界領(lǐng)先”，成果入選中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，獲中國(guó)通信學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、中國(guó)出版政府獎(jiǎng)等。兼任IMT-2030（6G）推進(jìn)組專家、中關(guān)村泛聯(lián)院副院長(zhǎng)等，IEEE高級(jí)會(huì)員。主要研究方向?yàn)檎Z(yǔ)義通信、智簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)、多址技術(shù)、Moving Network及試驗(yàn)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?yàn)檎Z(yǔ)義通信、智簡(jiǎn)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(qǐng)專利100余項(xiàng)，其中國(guó)際專利超過(guò)45項(xiàng)。曾獲2014 IEEE VTC Fall最佳論文獎(jiǎng)。??

牛凱，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/5122/" target="_blank">信息論與極化碼、語(yǔ)義通信、5G/6G移動(dòng)通信。先后主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)與面上項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。在IEEE重要學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議發(fā)表論文200余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利100余項(xiàng)，所提極化碼高可靠編碼方案寫入5G標(biāo)準(zhǔn)，榮獲中國(guó)電子學(xué)會(huì)科技獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。撰寫的普通高等教育國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材《移動(dòng)通信原理》榮獲全國(guó)電子信息類優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)。

編輯：黃飛

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