下一代通信系统：面向语义通信的模分多址技术
面向语义通信的模分多址技术
张平1,2,3，许晓东1,2,3，董辰1，牛凯1,2，梁灏泰1，梁子键1，秦晓琦1，孙梦颖1，陈昊2，马楠1,2，许文俊1，王光宇1，陶小峰2,4
1北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876 2鹏城实验室宽带通信研究部，中国深圳市，518066 3中关村泛联移动通信研究院，中国北京市，100876 4北京邮电大学信息与通信工程学院，中国北京市，100876
【本文已于2023年6月2日在线出版，全文请见https://doi.org/10.1631/fitee.2300196】
1. 研究背景
语义通信被认为是具有潜力的下一代通信系统新范式，自第一代基于文本的语义通信系统提出以来，已出现面向各种不同信源的语义通信系统。多址接入技术是每一代移动通信系统的标志性技术，基于语义的多址接入技术对语义通信范式的发展有着重要影响，也对移动通信系统的长期演进路径有重要意义。
如图1所示，传统多址接入技术通过时间、频率、功率、空间等物理资源实现多用户区分。本文引入模型信息空间，提出基于语义域资源的模分多址接入技术（mdma），推导了mdma的可行适配域，为未来语义通信系统的多址接入技术研究提供了重要基础和指导方法。
图1 基于语义通信的模分多址技术
2. 模型信息空间挖掘
图2表示两个用户的语义信号叠加情况，尽管用户1和2的语义信号是从不同用户发送的图片信源中提取，其语义信号非常相似，只在振幅和相位上有微小变化。这说明从高维语义信号空间中可以挖掘不同用户所传输语义信息的共性和个性信息。基于mdma多用户系统，旨在充分利用从高维语义空间中挖掘的共性信息，降低由于冗余传输而造成的多余带宽消耗。
图2 mnist数据集中两个图片信源的语义信号
3. mdma上下行链路设计 图3给出基于mdma的上行链路两用户通信流程图，其中多个用户同时向基站发送语义信息。基站匹配已经发起上行链路传输指令的两个用户。用户1和2首先用同一频率和时间向基站传输语义共性信息，然后再分别传输语义个性信息。基站接收语义共性和个性信息后，可以使用解码器恢复两用户各自信源信息。 图4给出基于mdma的下行链路两用户通信流程图，基站提取两个用户信源信息发送的语义特征。将其语义共性信息用同一频率和时间资源传输给用户1和2，再分别传输语义个性信息。用户1和2接收到语义共性和个性信息后分别进行语义恢复，获得各自所需信源信息。
图3 mdma上行链路流程图
图4 mdma下行链路流程图
4. mdma与其他多址技术的比较
基于mdma，叠加和传输包含信息量差异较小的语义信息的信号，定义语义信息重用率（sor）为叠加信号占用的带宽除以原始信号的带宽。如图5（a）所示，随着语义信息重用率的提高，带宽占用率降低。当sor达到50%时，信息恢复性能与原始信息恢复性能几乎一致，意味着可以节省25%带宽。图5（b）给出高斯信道下sor=0.5时mdma和其他多址技术在不同信噪比、功率和带宽下的信息恢复性能。这里只比较了多址技术，并未叠加其它信道编码技术等增益。可以看到，在低信噪比下，mdma相比noma等技术有接近5 db的性能优势。
（a）
（b）
图5 （a）不同sor下的恢复性能和带宽节省率；（b）不同多址技术性能对比
5. 未来研究方向
mdma技术可与noma等多址技术兼容工作，在保持兼容性的同时带来额外性能优势。本文研究的mdma主要为非正交mdma方式，后续将继续分析正交mdma方式。
作者贡献：
张平、许晓东、董辰、牛凯是mdma技术主要提出者。所有作者联合设计了论文研究框架并进行mdma的主要理论分析和实验验证。 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
主要作者简介
张平，中国工程院院士，北京邮电大学教授、博士生导师、网络与交换技术全国重点实验室主任，鹏城实验室宽带通信部主任，中关村泛联移动通信技术创新应用研究院院长，中国电信研究院名誉院长，《通信学报》主编，fitee期刊副主编，ieee会士。长期致力于移动通信理论研究和技术创新，担任imt- 2020（5g）专家组成员、imt-2030（6g）推进组咨询委员会委员，先后获国家科学技术进步奖特等奖等多项奖励，为我国自主技术成为国际主流做出基础性贡献。目前研究兴趣聚焦在语义通信和语用达意网络。
许晓东，北京邮电大学教授、博士生导师。长期参与我国4g、5g、6g技术攻关和国际标准化等工作，发表论文100余篇，申请发明专利100余项，研发的6g原型样机被评价为“业界领先”，成果入选中国高校十大科技进展，获中国通信学会科学技术奖一等奖、中国产学研合作创新奖、中国出版政府奖等。兼任imt-2030（6g）推进组专家、中关村泛联院副院长等，ieee高级会员。主要研究方向为语义通信、智简网络、多址技术、moving network及试验系统等。
董辰，北京邮电大学特聘研究员、博士生导师。主要研究方向为语义通信、智简网络、低功耗物联网，视频通信等。发表论文45篇，申请专利100余项，其中国际专利超过45项。曾获2014 ieee vtc fall最佳论文奖。
牛凯，北京邮电大学教授、博士生导师。主要研究方向为信息论与极化码、语义通信、5g/6g移动通信。先后主持多项国家自然科学基金重点与面上项目、重点研发计划项目。在ieee重要学术期刊和会议发表论文200余篇，申请国家发明专利100余项，所提极化码高可靠编码方案写入5g标准，荣获中国电子学会科技奖自然科学一等奖。撰写的普通高等教育国家级规划教材《移动通信原理》荣获全国电子信息类优秀教材一等奖。
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1北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876 2鹏城实验室宽带通信研究部，中国深圳市，518066 3中关村泛联移动通信研究院，中国北京市，100876 4北京邮电大学信息与通信工程学院，中国北京市，100876
【本文已于2023年6月2日在线出版，全文请见https://doi.org/10.1631/fitee.2300196】
1. 研究背景
语义通信被认为是具有潜力的下一代通信系统新范式，自第一代基于文本的语义通信系统提出以来，已出现面向各种不同信源的语义通信系统。多址接入技术是每一代移动通信系统的标志性技术，基于语义的多址接入技术对语义通信范式的发展有着重要影响，也对移动通信系统的长期演进路径有重要意义。
如图1所示，传统多址接入技术通过时间、频率、功率、空间等物理资源实现多用户区分。本文引入模型信息空间，提出基于语义域资源的模分多址接入技术（mdma），推导了mdma的可行适配域，为未来语义通信系统的多址接入技术研究提供了重要基础和指导方法。
图1 基于语义通信的模分多址技术
2. 模型信息空间挖掘
图2表示两个用户的语义信号叠加情况，尽管用户1和2的语义信号是从不同用户发送的图片信源中提取，其语义信号非常相似，只在振幅和相位上有微小变化。这说明从高维语义信号空间中可以挖掘不同用户所传输语义信息的共性和个性信息。基于mdma多用户系统，旨在充分利用从高维语义空间中挖掘的共性信息，降低由于冗余传输而造成的多余带宽消耗。
图2 mnist数据集中两个图片信源的语义信号
3. mdma上下行链路设计 图3给出基于mdma的上行链路两用户通信流程图，其中多个用户同时向基站发送语义信息。基站匹配已经发起上行链路传输指令的两个用户。用户1和2首先用同一频率和时间向基站传输语义共性信息，然后再分别传输语义个性信息。基站接收语义共性和个性信息后，可以使用解码器恢复两用户各自信源信息。 图4给出基于mdma的下行链路两用户通信流程图，基站提取两个用户信源信息发送的语义特征。将其语义共性信息用同一频率和时间资源传输给用户1和2，再分别传输语义个性信息。用户1和2接收到语义共性和个性信息后分别进行语义恢复，获得各自所需信源信息。
图3 mdma上行链路流程图
图4 mdma下行链路流程图
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基于mdma，叠加和传输包含信息量差异较小的语义信息的信号，定义语义信息重用率（sor）为叠加信号占用的带宽除以原始信号的带宽。如图5（a）所示，随着语义信息重用率的提高，带宽占用率降低。当sor达到50%时，信息恢复性能与原始信息恢复性能几乎一致，意味着可以节省25%带宽。图5（b）给出高斯信道下sor=0.5时mdma和其他多址技术在不同信噪比、功率和带宽下的信息恢复性能。这里只比较了多址技术，并未叠加其它信道编码技术等增益。可以看到，在低信噪比下，mdma相比noma等技术有接近5 db的性能优势。
（a）
（b）
图5 （a）不同sor下的恢复性能和带宽节省率；（b）不同多址技术性能对比
5. 未来研究方向
mdma技术可与noma等多址技术兼容工作，在保持兼容性的同时带来额外性能优势。本文研究的mdma主要为非正交mdma方式，后续将继续分析正交mdma方式。
作者贡献：
张平、许晓东、董辰、牛凯是mdma技术主要提出者。所有作者联合设计了论文研究框架并进行mdma的主要理论分析和实验验证。 引用信息：
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