[論文レビュー] Energy Efficiency Optimization for Backscatter Enhanced NOMA Cooperative V2X Communications under Imperfect CSI

Wali Ullah Khan, Muhammad Ali Jamshed+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのバックスキャター強化NOMA協調V2Xネットワークにおけるエネルギー効率的パワーおよび反射係数最適化フレームワークを提案する。非凸問題を分離し、反復的部分勾配法を用いることで、QoSを保証しつつ総送信パワーを最小化し、最大で0.02 Mb/Jのエネルギー効率を達成する。これは低電力および短距離シナリオにおいて従来のNOMAを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Automotive-Industry 5.0 will use beyond fifth-generation (B5G) technologies to provide robust, computationally intelligent, and energy-efficient data sharing among various onboard sensors, vehicles, and other devices. Recently, ambient backscatter communications (AmBC) have gained significant interest in the research community for providing battery-free communications. AmBC can modulate useful data and reflect it towards near devices using the energy and frequency of existing RF signals. However, obtaining channel state information (CSI) for AmBC systems would be very challenging due to no pilot sequences and limited power. As one of the latest members of multiple access technology, non-orthogonal multiple access (NOMA) has emerged as a promising solution for connecting large-scale devices over the same spectral resources in B5G wireless networks. Under imperfect CSI, this paper provides a new optimization framework for energy-efficient transmission in AmBC enhanced NOMA cooperative vehicle-to-everything (V2X) networks. We simultaneously minimize the total transmit power of the V2X network by optimizing the power allocation at BS and reflection coefficient at backscatter sensors while guaranteeing the individual quality of services. The problem of total power minimization is formulated as non-convex optimization and coupled on multiple variables, making it complex and challenging. Therefore, we first decouple the original problem into two sub-problems and convert the nonlinear rate constraints into linear constraints. Then, we adopt the iterative sub-gradient method to obtain an efficient solution. For comparison, we also present a conventional NOMA cooperative V2X network without AmBC. Simulation results show the benefits of our proposed AmBC enhanced NOMA cooperative V2X network in terms of total achievable energy efficiency.

研究の動機と目的

• 限られた電力および不完全なCSI下での大規模接続V2Xネットワークにおけるエネルギー効率の課題に対処すること。
• 環境バックスキャター通信（AmBC）とNOMAを統合し、バッテリーフリーでエネルギー効率の高いV2X通信を実現すること。
• QoS制約下で基地局（BS）の送信パワーとバックスキャターセンサーの反射係数を共同最適化すること。
• 不完全なCSIと複数変数に起因する非凸で結合された最適化問題に対する実用的な解決策を開発すること。
• AmBC強化NOMAが従来の純粋NOMAに比べ、エネルギー効率およびCSI誤差へのロバストネスにおいて優れていることを実証すること。

提案手法

• 不完全なCSIに起因する結合変数を有する非凸最適化として、総送信パワー最小化問題を定式化する。
• 元の問題を2つの部分問題に分離する：基地局におけるパワー割り当て問題と、バックスキャターセンサーにおける反射係数最適化問題。
• 変数置換および近似技術を用いて非線形なレート制約を線形制約に変換する。
• 再定式化された問題を反復的部分勾配法により解き、近似的最適解に収束させる。
• 推定されたチャネルゲインと誤差モデルを用いて不完全なCSIを扱い、σεはチャネル推定誤差分散を表す。
• さまざまな電力予算、CSI品質、RSUカバレッジ、回路電力条件下でシミュレーションを実施してフレームワークを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックスキャター機器とNOMAを併用するV2Xネットワークにおいて、不完全なCSI下でエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 チャネル推定誤差（σε）は、AmBC強化NOMA V2Xシステムの総エネルギー効率にどのような影響を及えるか？
• RQ3 RSUのカバレッジ範囲が、AmBC強化NOMAと従来の純粋NOMAV2Xネットワーク間の性能差に与える影響は何か？
• RQ4 回路電力消費がシステムのエネルギー効率をどの程度悪化させるか、またAmBCはその影響をどのように軽減するか？
• RQ5 提案された最適化フレームワークは、低電力および短距離V2Xシナリオにおいて従来のNOMAを上回ることができるか？

主な発見

• 提案されたAmBC強化NOMA V2Xシステムは、最大で0.02 Mb/Jの総エネルギー効率を達成し、同様の条件下で従来の純粋NOMAが僅かに~0.0145 Mb/Jにとどまるのに対し、顕著に優れた性能を発揮する。
• CSI誤差（σε）が増加するにつれてエネルギー効率は低下するが、AmBC強化システムはロバスト性を保ち、σε = 10⁻⁵の状況でも高い性能を維持する。
• 低い総電力予算（例：43 dBm）では干渉が低減し、特に不完全なCSI環境下でエネルギー効率が向上する。
• RSUカバレッジ範囲が小さいほど、AmBC-NOMAと純粋NOMAの性能差が拡大し、カバレッジが縮小するほどギャップが拡大する。
• 回路電力消費が増加しても、システムは高いエネルギー効率を維持し、耐障害性とスケーラビリティを示す。
• 反復的部分勾配法は非凸最適化問題を効果的に解き、エネルギー効率的V2Xネットワークの実用的導入を可能にする。