# Multi-axis Relative Rotary Encoding with Layer-wise Random Speaker Projection for Speaker-aware Attention

---

# 1. 动机（Motivation）

## 1.1 Transformer 中相对关系建模的重要性

Self-attention 的核心计算为：

[
A_{ij}=q_i^Tk_j
]

该计算仅依赖 query 与 key 的内容匹配，而缺少显式结构关系建模。

因此 Transformer 通常引入位置编码，使模型能够感知 token 间的相对关系。

RoPE（Rotary Position Embedding）的核心思想是不直接将 position embedding 加入 token 表示，而是通过旋转变换将绝对位置映射到 query/key 空间：

[
q_i'=R(p_i)q_i
]

[
k_j'=R(p_j)k_j
]

此时 attention 得分：

[
(q_i')^Tk_j'
]

展开：

# [

q_i^TR(p_i)^TR(p_j)k_j
]

由于旋转矩阵满足：

[
R(a)^TR(b)=R(b-a)
]

因此：

[
\boxed{
A_{ij}
======

q_i^TR(p_j-p_i)k_j
}
]

即 attention 不再依赖绝对位置：

[
p_i,p_j
]

而只依赖：

[
p_j-p_i
]

因此 RoPE 将：

[
\text{absolute position}
]

转化为：

[
\boxed{\text{relative position}}
]

---

# 1.2 Speaker embedding 的特殊性

在 speaker diarization、speaker-attributed ASR 以及 conversation modeling 中，通常利用 speaker embedding：

[
e_s\in\mathbb R^{d_e}
]

表示说话人身份。

然而，与时间位置不同，speaker embedding 不具有绝对坐标语义。

对于任意保持空间结构的旋转：

[
e'_s=Ue_s
]

其中：

[
U^TU=I
]

有：

[
\cos(e_i',e_j')
===============

\cos(e_i,e_j)
]

说明 speaker embedding 的语义主要存在于：

[
\boxed{
\text{relative geometry}
}
]

而非：

[
\text{absolute coordinate}
]

因此，一个理想的 speaker encoding 应满足：

1. 不依赖 speaker embedding 的绝对方向；
2. 保留 speaker embedding 空间中的相对关系；
3. 相同 speaker token 保持较强 interaction；
4. 不同 speaker token 自动产生 attention decorrelation。

---

# 1.3 从二维 RoPE 到 Speaker-aware Rotary Encoding

二维 RoPE 将二维位置：

[
(x,y)
]

映射到两个独立 rotary 子空间：

[
R(x,y)
======

R_x(x)\oplus R_y(y)
]

使不同相对轴分别建模。

类似地，在 speaker-aware attention 中，可以认为：

[
(position,speaker)
]

构成两个不同的相对结构：

* position axis：
  时间相对距离；

* speaker axis：
  speaker embedding 几何关系。

因此设计：

[
\boxed{
R_{total}
=========

R_{pos}
\oplus
R_{spk}
}
]

其中：

* position rotary 保留原始 RoPE；
* speaker rotary 建模相对 speaker relationship。

---

# 2. 编码设计（Encoding Design）

---

# 2.1 Block-wise Rotary Dimension Split

设 Transformer attention head 维度：

[
d_h
]

划分为：

[
d_h=d_p+d_s
]

其中：

* (d_p)：position rotary 子空间；
* (d_s)：speaker rotary 子空间。

例如：

[
d_h=64
]

采用：

[
d_p=32
]

[
d_s=32
]

则：

[
q_i=
[q_i^{pos};q_i^{spk}]
]

[
k_i=
[k_i^{pos};k_i^{spk}]
]

即：

[
\boxed{
\text{前半部分编码时间，后半部分编码 speaker}
}
]

---

# 2.2 Position Rotary Branch

position 分支完全保持原始 RoPE。

对于第 (l) 层：

[
q_{i,l}^{pos\prime}
===================

R(p_i)q_{i,l}^{pos}
]

[
k_{i,l}^{pos\prime}
===================

R(p_i)k_{i,l}^{pos}
]

其中：

[
p_i=i
]

---

# 2.3 Layer-wise Random Speaker Projection

## Speaker embedding normalization

首先对 speaker embedding 归一化：

[
\hat e_i
========

\frac{e_i}{||e_i||}
]

后续记：

[
e_i=\hat e_i
]

因此：

[
||e_i||=1
]

---

## Layer-wise projection matrix

不同于共享单一 projection，本方法为每个 Transformer layer 分配独立随机矩阵：

[
\boxed{
W_l\in
\mathbb R^{d_s/2\times d_e}
}
]

其中：

[
\boxed{
(W_l)_{mn}\sim N(0,1)
}
]

并满足：

* 不同 layer：

[
W_l\neq W_{l'}
]

* 同一 layer、同一 utterance：

所有 token 使用同一个：

[
W_l
]

因此：

[
\theta_{i,l}
============

W_le_i
]

---

## 为什么采用 layer-wise projection？

不同 layer 学习不同抽象层级的 speaker relationship。

因此：

layer (l)：

[
\theta_{i,l}=W_le_i
]

相当于从不同随机子空间观察 speaker manifold。

同时：

由于同一 layer 内：

[
W_l
]

保持一致：

[
\theta_{j,l}-\theta_{i,l}
=========================

W_l(e_j-e_i)
]

保证 relative speaker property。

---

# 2.4 Speaker Rotary Transformation

第 (l) 层：

[
q_{i,l}^{spk\prime}
===================

R(\theta_{i,l})q_{i,l}^{spk}
]

[
k_{i,l}^{spk\prime}
===================

R(\theta_{i,l})k_{i,l}^{spk}
]

---

# 2.5 Combined Attention

最终：

[
q_i'
====

[
q_i^{pos\prime};
q_i^{spk\prime}
]
]

[
k_j'
====

[
k_j^{pos\prime};
k_j^{spk\prime}
]
]

attention：

[
A_{ij}
======

(q_i')^Tk_j'
]

由于两个子空间正交：

[
\boxed{
A_{ij}
======

A_{pos}
+
A_{spk}
}
]

其中：

[
A_{pos}
=======

(q_i^{pos\prime})^Tk_j^{pos\prime}
]

[
A_{spk}
=======

(q_i^{spk\prime})^Tk_j^{spk\prime}
]

---

# 3. 理论证明（Theoretical Analysis）

---

# 3.1 原始 RoPE 相对位置性质保持

考虑 position branch：

[
q_i^{pos\prime}
===============

R(p_i)q_i^{pos}
]

[
k_j^{pos\prime}
===============

R(p_j)k_j^{pos}
]

attention：

[
A_{pos}
=======

(q_i^{pos\prime})^Tk_j^{pos\prime}
]

展开：

# [

(q_i^{pos})^TR(p_i)^TR(p_j)k_j^{pos}
]

利用旋转性质：

[
R(p_i)^TR(p_j)
==============

R(p_j-p_i)
]

得到：

[
\boxed{
A_{pos}
=======

(q_i^{pos})^TR(p_j-p_i)k_j^{pos}
}
]

因此：

加入 speaker rotary 后：

[
\boxed{
\text{original RoPE relative position property is preserved}
}
]

原因：

position rotary 与 speaker rotary 位于独立子空间。

---

# 3.2 Layer-wise Speaker Rotary Relative Property

对于第 (l) 层：

[
q_{i,l}^{spk\prime}
===================

R(\theta_{i,l})q_{i,l}^{spk}
]

[
k_{j,l}^{spk\prime}
===================

R(\theta_{j,l})k_{j,l}^{spk}
]

因此：

[
A_{spk}^{(l)}
=============

(q_i^{spk})^T
R(\theta_{i,l})^TR(\theta_{j,l})
k_j^{spk}
]

得到：

# [

(q_i^{spk})^T
R(\theta_{j,l}-\theta_{i,l})
k_j^{spk}
]

由于：

[
\theta_{i,l}=W_le_i
]

所以：

[
\theta_{j,l}-\theta_{i,l}
=========================

W_l(e_j-e_i)
]

因此：

[
\boxed{
A_{spk}^{(l)}
=============

(q_i^{spk})^T
R(W_l(e_j-e_i))
k_j^{spk}
}
]

说明：

第 (l) 层 speaker rotary 只依赖：

[
\boxed{
e_j-e_i
}
]

而不依赖：

[
e_i,e_j
]

的绝对坐标。

---

# 3.3 Overall Multi-axis Relative Property

第 (l) 层：

[
A_{ij}^{(l)}
============

A_{pos}^{(l)}
+
A_{spk}^{(l)}
]

即：

# [

q_p^TR(p_j-p_i)k_p
+
q_s^TR(W_l(e_j-e_i))k_s
]

因此：

[
\boxed{
A_{ij}^{(l)}
============

f(
p_j-p_i,
e_j-e_i
)
}
]

同时满足：

* relative position encoding；
* relative speaker encoding。

---

# 3.4 Speaker Rotary Phase Decorrelation

考虑：

[
\Delta e=e_j-e_i
]

speaker rotary 中：

[
R(W_l\Delta e)
]

对应复数形式：

[
e^{iw_r^T\Delta e}
]

其中：

[
w_r\sim N(0,I)
]

由于：

[
w_r^T\Delta e
\sim
N(0,||\Delta e||^2)
]

根据 Gaussian characteristic function：

[
E[e^{ix}]
=========

e^{-\frac12Var(x)}
]

得到：

[
\boxed{
E[
e^{iw_r^T\Delta e}
]
=

e^{-\frac12||\Delta e||^2}
}
]

因此：

[
\boxed{
E[S_m(\Delta e)]
================

m e^{-\frac12||\Delta e||^2}
}
]

随着：

[
||e_j-e_i||
]

增加：

phase cancellation 增强。

因此：

[
\boxed{
speaker\ distance
\uparrow
\Rightarrow
attention\ correlation
\downarrow
}
]

---

# 3.5 与 Cosine Speaker Similarity 的关系

由于：

[
||e_i||=||e_j||=1
]

有：

[
||e_i-e_j||^2
=============

2-2cos(e_i,e_j)
]

因此：

[
E[S]
====

e^{-(1-cos(e_i,e_j))}
]

即：

[
\boxed{
cos(e_i,e_j)
\uparrow
\Rightarrow
speaker\ rotary\ correlation
\uparrow
}
]

与 speaker embedding 几何空间一致。

---

# 4. 设计评价（Design Summary）

## 4.1 方法优势

### (1) 完全保留原 RoPE 能力

采用：

[
R_{total}
=========

R_{pos}\oplus R_{spk}
]

position branch 与原始 RoPE 完全一致。

因此：

* 不破坏已有位置建模能力；
* 不影响长上下文建模。

---

### (2) 从绝对 speaker encoding 转向相对 speaker encoding

传统：

[
x+e_s
]

依赖 speaker embedding 绝对坐标。

本文：

[
R(W_l(e_j-e_i))
]

直接编码：

[
speaker\ relationship
]

---

### (3) Layer-wise random projection 提升表示能力

不同 Transformer layer：

[
W_1,W_2,...,W_L
]

提供不同随机观察空间。

同时：

同层内共享：

[
W_l
]

保证：

[
\theta_j-\theta_i=W_l(e_j-e_i)
]

严格满足 relative property。

---

### (4) 理论性质统一

最终 attention：

[
\boxed{
A_{ij}^{(l)}
============

f(
\Delta p,
\Delta e
)
}
]

同时具有：

* RoPE relative position property；
* speaker relative geometry property；
* speaker distance induced decorrelation。

---

# 4.2 总结

本文提出：

[
\boxed{
\textbf{Multi-axis Relative Rotary Encoding with Layer-wise Random Speaker Projection}
}
]

将 rotary embedding 从单一时间轴扩展到：

[
(position,speaker)
]

通过：

[
\boxed{
R_{total}
=========

R_{pos}
\oplus
R(W_le)
}
]

实现：

* 时间相对关系建模；
* speaker 相对关系建模。

理论证明：

1. 原始 RoPE 的相对位置性质完全保持；
2. speaker rotary 满足 relative speaker encoding；
3. layer-wise random projection 保留 speaker embedding 几何不变性；
4. speaker embedding 距离增加导致 rotary phase cancellation，从而产生 attention decorrelation。

该方法提供了一种无需显式 speaker token、无需全局 speaker index 的 speaker-aware Transformer encoding 机制。