[논문 리뷰] Energy-Efficient NOMA Multicasting System for 5G Cellular V2X Communications with Imperfect CSI

Asim Ihsan, Wen Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 5G 라우드사이드 유닛(RSU) 지원의 NOMA 멀티캐스팅을 위한 에너지 효율적인 전력 할당 방식을 제안한다. 기울기 보조 이진 검색(GABS)과 순차적 볼록 근사화(SCA)를 Dinkelbach 및 이중 분해와 조합하여, 낮은 계산 복잡도로 근사 최적의 에너지 효율성을 달성하며, 통신 장애 확률, QoS 및 전력 제약 조건을 만족한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고속 이동성과 불완전한 CSI를 고려한 5G 라우드사이드 유닛(RSU) 지원의 V2X 통신에서 에너지 효율성 향상 문제를 해결하기 위해.
• 채널 장애 확률, QoS 및 전송 전력 제약 조건을 만족하면서도 신뢰할 수 있는 멀티캐스팅을 보장하는 전력 할당 전략을 설계하기 위해.
• RSU 지원의 NOMA 멀티캐스팅 시스템에서 근사 최적의 에너지 효율성을 유지하면서도 계산 복잡도를 최소화하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 CSI로 인한 채널 장애 확률 제약 조건이 있는 비볼록 확률적 최적화 문제로 에너지 효율적 전력 할당을 수식화한다.
• 이론적 기법을 사용하여 확률적 문제를 결정론적 비확률적 형태로 변환한다.
• 저복잡도 기반의 기울기 보조 이진 검색(GABS)을 적용하여 RSU의 전송 전력 할당을 효율적으로 최적화한다.
• 전력 할당 계수 문제를 다룰 수 있는 볼록-비볼록 분수 프로그래밍(CCFP) 문제로 변환하기 위해 순차적 볼록 근사화(SCA)를 사용한다.
• CCFP 문제를 해결하고 최적의 전력 할당 계수를 도출하기 위해 Dinkelbach의 방법과 이중 분해를 활용한다.
• 높은 계산 복잡도를 지닌 전수 검색 기반 벤치마크와 성능을 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI와 고속 이동성을 고려한 NOMA 기반 V2X 멀티캐스팅 환경에서 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 QoS 및 장애 제약 조건을 만족하면서도 근사 최적의 에너지 효율성을 달성할 수 있는 저복잡도 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 제안된 GABS 및 SCA 기반 방법은 RSU 지원 V2X 네트워크의 전력 할당에서 전수 검색과 비교해 성능 및 복잡도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 채널 추정 오차는 NOMA 멀티캐스팅의 시스템 신뢰성과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 대규모 연결 환경에서의 고밀도 V2X 환경에서도 제안된 방법은 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 지연을 유지를 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 전수 검색 기반 벤치마크와 매우 유사한 근사 최적의 에너지 효율성(EE) 성능을 달성한다.
• 제안된 방법의 계산 복잡도는 전수 검색보다 크게 낮아 실시간 V2X 응용에 적합하다.
• 채널 장애 확률 제약 조건을 적용함으로써 불완전한 CSI 하에서도 신뢰할 수 있는 통신을 유지한다.
• SCA 및 Dinkelbach 방법을 통한 최적의 차량 전력 할당을 통해 에너지 효율성이 향상된다.
• 라그랑주 제약 조건과 카우시-쿠른-터커(KKT) 조건을 활용하여 각 차량에 대한 전력 할당 계수에 대한 폐형 해를 유도한다.
• 시뮬레이션 결과는 GABS 및 SCA 기반 접근법이 동적인 V2X 환경에서 에너지 효율성, QoS 및 시스템 신뢰성을 효과적으로 균형 잡는 데 성공했음을 확인한다.