[論文レビュー] Energy-Efficient Resource Allocation for Aggregated RF/VLC Systems

Sylvester Aboagye, Telex M. N. Ngatched+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2022

Optical Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、マッチング理論と多目的最適化を用いて、アクセスポイント（AP）の割り当て、サブチャンネル割り当て（SA）、電力割り当て（PA）を最適化する統合的でエネルギー効率の高いリソース割り当てフレームワークを提案する。この手法は、遮蔽および干渉状態においても、ハイブリッドシステムと比較してエネルギー効率、合計スループット、アウトージ性能において顕著な向上を達成する。

ABSTRACT

Visible light communication (VLC) is envisioned as a core component of future wireless communication networks due to, among others, the huge unlicensed bandwidth it offers and the fact that it does not cause any interference to existing radio frequency (RF) communication systems. Most research on RF and VLC coexistence has focused on hybrid designs where data transmission to any user could originate from either an RF or a VLC access point (AP). However, hybrid RF/VLC systems fail to exploit the distinct transmission characteristics of RF and VLC systems to fully reap the benefits they can offer. Aggregated RF/VLC systems, in which any user can be served simultaneously by both RF and VLC APs, have recently emerged as a more promising and robust design for the coexistence of RF and VLC systems. To this end, this paper, for the first time, investigates AP assignment, subchannel allocation (SA), and transmit power allocation (PA) to optimize the energy efficiency (EE) of aggregated RF/VLC systems while considering the effects of interference and VLC line-of-sight link blockages. A novel and challenging EE optimization problem is formulated for which an efficient joint solution based on alternating optimization is developed. More particularly, an energy-efficient AP assignment algorithm based on matching theory is proposed. Then, a low-complexity SA scheme that allocates subchannels to users based on their channel conditions is developed. Finally, an effective PA algorithm is presented by utilizing the quadratic transform approach and a multi-objective optimization framework. Extensive simulation results reveal that: 1) the proposed joint AP assignment, SA, and PA solution obtains significant EE, sum-rate, and outage performance gains with low complexity, and 2) the aggregated RF/VLC system provides considerable performance improvement compared to hybrid RF/VLC systems.

研究の動機と目的

• 干渉および遮蔽下でのエネルギー効率（EE）を高めるための、統合RF/VLCシステムにおける統合最適化の不足に応えること。
• 異種RF/VLCネットワークにおけるAP割り当て、サブチャンネル割り当て、電力割り当てのスケーラブルで低複雑性のソリューションを開発すること。
• RF（広域カバレッジ）とVLC（高帯域幅、低干渉）の相補的利点を活用して、システム性能を向上させること。
• 回路電力、QoS要件、LoS遮蔽確率といった主要システムパラメータがEEおよびアウトージ性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• ユーザーのチャネル状態とAPの非均一性を考慮した、エネルギー効率的なAP割り当てのための新しいマッチング理論ベースのアルゴリズムを提案する。
• 割り当てられたAPからのチャネルゲインに基づき、公平性とスペクトル効率のバランスを取る低複雑性のサブチャンネル割り当て方式を設計する。
• 多目的最適化フレームワーク内での2次変換に基づく電力割り当てアルゴリズムを開発し、EEとスループット要件の両立を図る。
• 元の混合整数非線形プログラミング問題を3つの部分問題（AP割り当て、SA、PA）に分解し、交互最適化により解く。
• 反復的な交互最適化を用いて、収束性と低計算複雑性を保証する統合的ソリューションを段階的に最適化する。
• シミュレーションモデルには、LoS遮蔽確率、回路電力、QoS制約といった現実的なパrameterを組み込む。

Figure 1 : Network model of a three–tier heterogeneous network.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉およびLoS遮蔽下で、統合RF/VLCシステムにおけるエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 EE、合計スループット、アウトージの観点から、統合システムはハイブリッドRF/VLCシステムに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ3 回路電力消費とLoS利用可能性は、システムのエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ4 異種RF/VLCネットワークにおいて、AP割り当て、サブチャンネル割り当て、電力割り当ての低複雑性統合最適化を達成できるか？

主な発見

• 提案された統合的ソリューションは、ベンチマーク手法と比較して、エネルギー効率、合計スループット、アウトージ性能において顕著な向上を達成しており、すべてのLoS確率シナリオで最高のEE性能を示す。
• 特にLoS条件が悪い状況では、二重リンクダイバーシティと信頼性の向上により、統合システムがハイブリッドシステムを上回る性能を発揮する。
• 回路電力消費が増加しても、提案手法は高いEEを維持できるが、回路電力が増加するにつれてEEは低下する傾向にあり、低消費電力ハードウェアの必要性が浮き彫りになる。
• アウトージ性能は統合システムで顕著に向上し、ユーザーが同時にRFおよびVLCリンクでサービスを受けることで、チャネル状態が悪くてもQoS要件を満たすことが可能になる。
• マッチングベースのAP割り当てアルゴリズムは、視野（FoV）および遮蔽効果による不適切な関連付けを回避し、ユーザーを最適なAPに効果的に割り当てる。
• 2次変換に基づくPAアルゴリズムにより、EEとスループット要件の両立を図る効率的な電力割り当てが可能となり、QoS制約を無視する手法よりも優れた性能を発揮する。

Figure 2 : Block diagram of data transmission in an aggregated RF/VLC system.