Artificial intelligence (AI)-native three-dimensional (3D) spectrum maps are crucial in spectrum monitoring for intelligent communication networks. However, it is challenging to obtain and transmit 3D spectrum maps in a spectrum-efficient, computation-efficient, and AI-driven manner, especially under complex communication environments and sparse sampling data. In this paper, we consider practical air-to-ground semantic communications for spectrum map completion, where the unmanned aerial vehicle (UAV) measures the spectrum at spatial points and extracts the spectrum semantics, which are then utilized to complete spectrum maps at the ground device. Since statistical machine learning can easily be misled by superficial data correlations with the lack of interpretability, we propose a novel knowledge-enhanced semantic spectrum map completion framework with two expert knowledge-driven constraints from physical signal propagation models. This framework can capture the real-world physics and avoid getting stuck in the mindset of superficial data distributions. Furthermore, a knowledge-enhanced vector-quantized Transformer (KE-VQ-Transformer) based multi-scale low-complex intelligent completion approach is proposed, where the sparse window is applied to avoid ultra-large 3D attention computation, and the multi-scale design improves the completion performance. The knowledge-enhanced mean square error (KMSE) and root KMSE (RKMSE) are introduced as novel metrics for semantic spectrum map completion that jointly consider the numerical precision and physical consistency with the signal propagation model, based on which a joint offline and online training method is developed with supervised and unsupervised knowledge loss. The simulation demonstrates that our proposed scheme outperforms the state-of-the-art benchmark schemes in terms of RKMSE.


翻译:人工智能原生的三维频谱地图在智能通信网络的频谱监测中至关重要。然而,在频谱效率、计算效率和人工智能驱动的方式下获取和传输三维频谱地图具有挑战性,特别是在复杂通信环境和稀疏采样数据条件下。本文研究了用于频谱地图补全的实用空地语义通信,其中无人机在空间点测量频谱并提取频谱语义,随后地面设备利用这些语义完成频谱地图。由于统计机器学习在缺乏可解释性的情况下容易被表面数据相关性误导,我们提出了一种新颖的知识增强语义频谱地图补全框架,该框架引入了来自物理信号传播模型的两项专家知识驱动约束。该框架能够捕捉真实世界的物理规律,避免陷入表面数据分布的思维定式。进一步地,我们提出了一种基于知识增强向量量化Transformer(KE-VQ-Transformer)的多尺度低复杂度智能补全方法,其中应用稀疏窗口以避免超大规模的三维注意力计算,多尺度设计则提升了补全性能。我们引入了知识增强均方误差(KMSE)及其平方根(RKMSE)作为语义频谱地图补全的新评估指标,这些指标同时考虑了数值精度和与信号传播模型的物理一致性。基于此,我们开发了一种结合离线和在线训练的联合训练方法,融合了监督和无监督的知识损失。仿真结果表明,所提方案在RKMSE指标上优于现有最先进的基准方案。

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