[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种在信道状态信息（CSI）不完美条件下的反向散射增强型非正交多址（NOMA）协作车联网（V2X）网络的能量效率优化框架。通过解耦非凸问题并采用迭代次梯度法，该方案在保证服务质量（QoS）的前提下最小化总发射功率，实现了高达0.02 Mb/J的能量效率，显著优于传统NOMA在低功耗和短距离场景下的表现。

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.

研究动机与目标

• 解决在有限功率和不完美CSI条件下大规模连接V2X网络中的能量效率挑战。
• 将环境反向散射通信（AmBC）与NOMA结合，实现无电池、节能的V2X通信。
• 在QoS约束下联合优化基站（BS）的发射功率与反向散射传感器的反射系数。
• 为由不完美CSI和多变量引起的非凸耦合优化问题提供可处理的解决方案。
• 证明AmBC增强型NOMA在能量效率和对CSI误差的鲁棒性方面优于传统纯NOMA。

提出的方法

• 将总发射功率最小化问题建模为由于不完美CSI导致的非凸优化问题，且变量之间存在耦合。
• 将原始问题解耦为两个子问题：一个用于基站的功率分配，另一个用于反向散射传感器的反射系数优化。
• 通过变量替换和近似技术将非线性速率约束转化为线性约束。
• 应用迭代次梯度法求解重构后的问题，并收敛至近似最优解。
• 利用估计的信道增益和误差模型来处理不完美CSI，其中σε表示信道估计误差方差。
• 通过在不同功率预算、CSI质量、路侧单元（RSU）覆盖范围和电路功耗条件下的仿真验证该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反向散射设备与NOMA同时使用且CSI不完美时，如何最大化V2X网络的能量效率？
• RQ2 信道估计误差（σε）对AmBC增强型NOMA V2X系统总能量效率有何影响？
• RQ3 RSU的覆盖范围如何影响AmBC增强型NOMA与传统纯NOMA V2X网络之间的性能差距？
• RQ4 电路功耗消耗在多大程度上会降低系统能量效率？AmBC如何缓解这一问题？
• RQ5 所提出的优化框架是否能在低功耗和短距离V2X场景下优于传统NOMA？

主要发现

• 所提出的AmBC增强型NOMA V2X系统总能量效率最高可达0.02 Mb/J，显著优于传统纯NOMA系统，后者在相似条件下仅实现约0.0145 Mb/J。
• 随着CSI误差（σε）增加，能量效率下降，但AmBC增强系统仍保持鲁棒性，并在σε = 10⁻⁵时维持高性能。
• 较低的总功率预算（如43 dBm）可降低干扰并提高能量效率，尤其在不完美CSI场景下更为显著。
• 较小的RSU覆盖区域可增强AmBC-NOMA相对于纯NOMA的性能增益，且随着覆盖范围缩小，性能差距进一步扩大。
• 即使在电路功耗增加的情况下，系统仍能保持高能量效率，展现出良好的鲁棒性与可扩展性。
• 迭代次梯度法能有效求解非凸优化问题，为节能V2X网络的实际部署提供了可行性。