[論文レビュー] Energy-Efficient NOMA Multicasting System for 5G Cellular V2X Communications with Imperfect CSI

Asim Ihsan, Wen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用数 5

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5GセルラーV2Xネットワークにおけるルートステーション（RSU）支援型NOMAマルチキャスティングにおけるエネルギー効率的で省電力な送信パワー割り当て方式を提案する。勾配支援型二分探索（GABS）と逐次凸近似（SCA）をDinkelbach法および双対分解と組み合わせることで、計算量が低く、中程度のエネルギー効率性を実現し、オフライン確率、QoS、送信パワー制約を満たす。

ABSTRACT

Vehicle-to-everything (V2X) is a modern vehicular technology that improves conventional vehicle systems in traffic and communications. V2X communications demand energyefficient and high-reliability networking because of massive vehicular connections and high mobility wireless channels. Nonorthogonal multiple access (NOMA) is a promising solution for 5G V2X services that intend to guarantee high reliability, quality-of-service (QoS) provisioning, and massive connectivity requirements. In V2X, it is vital to inspect imperfect CSI because the high mobility of vehicles leads to more channel estimation uncertainties. Unlike existing literatures, we propose energy-efficient roadside units (RSUs) assisted NOMA multicasting system for 5G cellular V2X communications, and investigate the energy-efficient power allocation problem. The proposed system multicast the information through low complexity optimal power allocation algorithms used under channel outage probability constraint of vehicles with imperfect CSI, QoS constraints of vehicles, and transmit power limits constraint of RSUs. The formulated problem with the channel outage probability constraint is a nonconvex probabilistic optimization problem. This problem is solved efficiently by converting the probabilistic problem through relaxation into a non-probabilistic problem.

研究の動機と目的

• 高い移動性と不完全なCSIを伴う5GセルラーV2X通信におけるエネルギー効率性の課題に対処すること。
• チャネルオフライン確率、QoS、送信パワー制約を満たす条件下で、信頼性の高いマルチキャスティングを実現する送信パワー割り当て戦略を設計すること。
• RSU支援型NOMAマルチキャスティングシステムにおける近似的最適なエネルギー効率性を維持しつつ、計算量を最小限に抑えること。

提案手法

• 不完全なCSIによるチャネルオフライン確率制約を伴う非凸確率的最適化問題として、エネルギー効率的送信パワー割り当てを定式化する。
• 緩和技術を用いて確率的問題を決定的で確率的でない形に変換する。
• RSU送信パワーを効率的に最適化するため、低計算量の勾配支援型二分探索（GABS）を適用する。
• 送信パワー割り当て係数問題を扱いやすい凹凸分数プログラミング（CCFP）問題に変換するために、逐次凸近似（SCA）を用いる。
• CCFP問題を解き、最適な送信パワー割り当て係数を求めるためにDinkelbach法および双対分解を採用する。
• 計算量が高いが、基準となる方法としての全探索と性能を比較検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIおよび高い移動性下でのNOMAベースのV2Xマルチキャスティングにおけるエネルギー効率性をどのように最大化できるか？
• RQ2 QoSおよびオフライン確率制約を満たしつつ、近似的最適なエネルギー効率性を達成できる低計算量のアルゴリズムは何か？
• RQ3 提案手法であるGABSおよびSCAに基づく方法は、RSU支援型V2Xネットワークにおける送信パワー割り当てにおいて、全探索と比較して性能および計算量の面でどのように異なるか？
• RQ4 チャネル推定誤差は、NOMAマルチキャスティングにおけるV2Xのシステム信頼性およびエネルギー効率性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案手法は、多数の端末が接続される密度の高いV2X環境でも、高いスペクトル効率と低遅延を維持できるか？

主な発見

• 提案手法は、全探索ベンチマークに非常に近い近似的最適なエネルギー効率性（EE）性能を達成する。
• 提案手法の計算量は、全探索に比べて顕著に低く、リアルタイムのV2Xアプリケーションに適している。
• チャネルオフライン確率制約を課すことにより、不完全なCSI下でも信頼性の高い通信を維持できる。
• SCAおよびDinkelbach法による最適なパワー割り当てにより、エネルギー効率性の向上が達成される。
• ラグランジュ緩和およびKKT条件を用いて、各車両のパワー割り当て係数の閉形式式が導出された。
• シミュレーション結果から、GABSおよびSCAに基づくアプローチが、動的で変化しやすいV2X環境において、エネルギー効率性、QoS、システム信頼性のバランスを効果的に実現していることが確認された。