立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ］

車車間・歩車間無線通信における非直交多元接続を可能にする
自己組織型制御の研究開発
Performance Analysis for Self-Organized V2X with Non-Orthogonal Multiple Access2221023

研究代表者

大阪大学

大学院情報科学研究科

助教平

井健士

共同研究者

大阪大学

大学院情報科学研究科

教

授

若宮直

紀

用いることが検討されている[1][2]。NOMA[研 究 の 目 的]では，逐次干渉除去 (successive interference本研究では，非直交多元接続 (non-orthogonalcancellation: SIC) を 用 い る こ と で，複 数 パ

multiple access) を組み込んだ車車間・歩車間ケットを受信可能にする。具体的には，複数の通信 (vehicle-to-everything: V2X) のための自パケット信号が混ざった信号の中からあるパ己組織型制御の実現に向けた基礎検討を行なっ

ケット信号を 1 つ受信できたときに，混ざったた。

信号から受信できた信号を除去する。これによV2X では，各車両・歩行者がユーザとなり，り，残った信号の中からさらなるパケット信号自身の位置情報等を周囲のユーザに伝えるワンを受信できる可能性がある。このステップを繰

ホップ V2X と，渋滞情報等を周囲に拡散するり 返 す こ と で，複 数 の パ ケ ッ ト を 受 信 で きマルチホップ V2X の 2 種類のパケット通信がる。ただし，毎回の受信ステップの度に，あ検討されている。このとき，衝突事故警告等のる信号の電力に対する干渉とノイズの電力値

V2X が利用される典型的なシステムを想定すの 合 計 で あ る 信 号 対 干 渉 ノ イ ズ 比 (signal-る と，各 ユ ー ザ は，自 身 か ら 100 m 離 れ た

to-interference-and-noise ratio: SINR) が十分

ユ ー ザ に 対 し て，パ ケ ッ ト 受 信 率 (packetに 高 い 必 要 が あ る。以 下 で は，ワ ン ホ ッ プ

reception ratio: PRR) が 0.9 以上を達成すべき

V2X に NOMA を組み込んだワンホップ V2X-であるという要求がある。

NOMA とマルチホップ V2X に NOMA を組み

V2X は，低遅延での通信が必要であること込んだマルチホップ V2X-NOMA を考える。

から，基地局に頼らない (つまり，自律分散的

ただし，NOMA による PRR の向上が見込な) 直接通信が求められている。ただし，自律まれる状況を作り出す方法については未だ十分分散性により，無線資源 (帯域) へのアクセス明らかになっていない。具体的には，そもそもが競合してしまい，通信失敗が頻発し，PRRの通信方法や，アクセス競合が可能なユーザの低下が生じてしまう。つまり，輻輳の問題がの位置関係，及び，電力の設定等は十分明ら発生する。特に，市街地のようなユーザ数が多かになっていない。また，ワンホップ V2X-い環境では，このような帯域のアクセス競合がNOMA とマルチホップ V2X-NOMA のそれぞ頻発してしまうため，輻輳問題を緩和する必要れに対して，適切な通信状況を明らかにする必がある。

要がある。

この輻輳問題を緩和するために，NOMA を― 1 ―そこで，本研究では，ワンホップ・マルチ立石科学技術振興財団

ホ ッ プ V2X-NOMA の そ れ ぞ れ に つ い て，力を小さく設定する。これにより，通常の送信NOMA が効果的に働く通信状況を明らかにすと同様に，位置関係による SINR の向上に加える。具体的には，解析とシミュレーションを通て，電力の違いによる SINR の向上も期待でき

し て，SIC を 使 わ な い 直 交 多 元 接 続 (ortho-

るため，SIC に成功する確率が高められる。たgonal multiple access: OMA) と比較し，PRRだし，連送については，送信電力を低下させるの特性を明らかにする。これにより，自己組織ため，通常の送信よりも通信距離が低減してし化と呼ばれる高度な状況を創発できうる自律分まう。そのため，連送に関しては，連送電力の散制御を開発する前段階として，創発させるべ設定と同時送信するユーザの選択が PRR に関き理想の状況を明らかにすることになる。

わる。これらを解析・シミュレーションにより明らかにする。

[研究の内容・成果](2) PRR の解析・シミュレーション結果〈連送なしのワンホップ V2X-NOMA の PRR
本研究では，ワンホップ通信とマルチホップ特性〉

通信について，基礎的なアーキテクチャと制御

まず，連送のない NOMA を用いたワンホッパラメータを検討し，その PRR の解析モデル

プの V2X について，PRR の特性を解析した。

を構築して，解析・シミュレーションを通して， 以下の図 1 と図 2 がその結果を示している。こPRR の特性を示す。

こでは，あるユーザ A が原点に存在し，もう1．ワ ン ホ ッ プ V2X-NOMA の 解 析・シ ミ ュレーション(1) 基礎的なアーキテクチャと特徴

NOMA を 用 い た ワ ン ホ ッ プ の V2X で は，各ユーザが自身のパケットを送信する[3]。結果的に，複数のユーザが同時送信することになると，周囲のユーザは，これらのパケットを同時に受信するために，SIC を用いる。
V2X では，同時送信するユーザと受信ユー
ザ と の 位 置 関 係 に よ り，受 信 ユ ー ザ が 得 る

図1

SINR の特性が異なる。つまり，これに伴い，ワンホップ V2X-NOMA の PRR の空間的特性 ([3]から引用)

PRR の 特 性 も 異 な る。そ こ で，ワ ン ホ ッ プ
V2X-NOMA において，空間に分布している受信ユーザと PRR の関係性を解析する必要がある。具体的には，本研究では，ワンホップ
V2X-NOMA の PRR を定式化して，各位置による PRR の特性を空間的に調査する。
また，この SINR が十分に得られない位置に存在する受信ユーザが得る PRR を向上させるために，同一のパケットを複数回送信する連送が考えられる[2]。この手法において NOMAを活かすために，連送を通常の送信より送信電

図 2 ワンホップ V2X-OMA の PRR の空間的特性 ([3]から引用)― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

一方のユーザ B と同時送信する場合に，各座標 x, y に存在するユーザが，ユーザ A のパケットについての PRR をカラーマップにより示している。横軸と縦軸は，それぞれx座標とy座標を示している。ここでは，ユーザ A と B間の距離を 300 m に設定している。また，図 1と 図 2 は，そ れ ぞ れ，ワ ン ホ ッ プ V2XNOMA とワンホップ V2X-OMA の PRR を示す。

図4連送電力比に対する各送信パケットの PRR の特性([2] から引用)

図5

連送電力比を約 1/200 に設定した連送手法の PRR の特性 ([2] から引用)

図 1 と図 2 から，V2X-OMA では，同時送信ユーザ付近に存在するユーザほど A のパケットを受信できていなかったのに対して，
V2X-NOMA では，ユーザ B の付近ではむしろ A のパケットを受信可能であることが分かった。提案手法により，ユーザ A と B の中間付近の PRR が低下してしまうことが明らかになった。
また，図 3 は，PRR が 0.9 以上の面積を示している。横軸がユーザ A と B の間の距離であり，縦軸が面積である。A と B の間の距離がNOMA の PRR を示しており，横軸は周囲の300 m 離れたときに，PRR の要求を満たす面

ユーザ数，縦軸は PRR である。この評価では，積を 55% 増加可能であることが明らかになっ周囲に多数のユーザを配置し，それらのユーザた。ただし，520 m 以上離れると，V2X-OMAが V2X の仕組みで通信している環境をシミュと同様の空間特性を示すことが明らかになった。

レーションした。これにより，先ほどの評価と〈連送ありのワンホップ V2X-NOMA の PRRは異なり，ユーザ同士の同時送信と，それらの特性〉位置関係は確率的に決まることになる。ただし，次に連送ありのワンホップ V2X-NOMA の評価の都合上，連送するユーザは恣意的に決めPRR 特性を示す。図 4 は，連送の電力設定とてある。具体的には，本紙には載せていないが，PRR の関係を示しており，横軸は連送電力比[2] 内の他の評価結果から，近距離のユーザので，縦軸は PRR である。図 5 は最適な連送電

通常パケットに同期して連送する場合が最も力 比 に お け る 連 送 あ り の ワ ン ホ ッ プ V2X-

PRR を高められるということを明らかになっている。そのため，各ユーザの近くに配置したユーザと同時送信する状況で評価している。
まず，図 4 では，最適な連送電力比が明らかになっており，連送電力比を −23 dB，つまり，約 1/200 に設定しておくと，初送の PRR と連送しない場合の PRR をほぼ同等にしつつ，連送により，初送と連送の合計の PRR を向上可

図3

PRR が 0.9 以上となる空間の面積の特性 ([3] から引用)能であることが分かった。また，図 5 では，連送電力比を用いたときの PRR を示している。

― 3 ―立石科学技術振興財団

PRR が 0.9 以上となるユーザ数が連送のない
V2X-NOMA よりも 29% 向上できることが明らかになった。
(3) 自己組織型制御の設計に向けてこれらの研究を通して，ワンホップ V2XNOMA の自己組織型制御の設計に向けて，連送のために，近距離ユーザとの同期制御を検討していく予定である。類似の自己組織型制御として，ホタルの発光同期等もモデル化できる結合振動子モデルが提案されているため，これらを利用することを予定している。

図 6 重畳電力比=1/50 の場合の自身のパケットの PRRの空間特性

2．マルチホップ V2X-NOMA の解析・シミュ
レーション(1) 基礎的なアーキテクチャと特徴

マルチホップ V2X-NOMA では，各ユーザが自身のパケットを送信することに加えて，マルチホップすべきパケットを 1 つの信号として重畳して送信する。このとき，利用可能な送信電力は上限が決まっており，V2X では，一般的に，ワンホップ V2X に最大電力を使うため，マルチホップすべきパケットを拡散するユーザは，自身のワンホップ V2X のパケットに割り

図7

重畳電力比=1/50 の場合のマルチホップパケットのPRR の空間特性

当てる電力の一部をマルチホップのパケットに割り当てることで重畳する必要がある。つまり，畳しているとする。本紙では，αを 1/50 に設

αを重畳電力比とすると，自身のパケットには，定したときの特性を示す。縦軸と横軸は，それ1−αの電力しか割り当てることができない。

ぞれx座標とy座標である。ここでも，1 と同様

ただし，各ユーザは自身のパケットを周囲に十に，ユーザ A と B 間の距離を 300 m に設定し分届ける必要があるため，αは十分小さくしてている。図 6 は，このときの自身のパケットのおく必要がある。そのため，自身のパケットのPRR の空間特性を示しており，図 7 は，マル

PRR を十分に確保したまま，マルチホップのチホップさせたパケットの PRR の空間特性をパケットの PRR をできるだけ高めるような重示している。

畳電力比の設定が重要となる。

図 6 と 図 7 か ら，マ ル チ ホ ッ プ V2XNOMA の基礎的な空間特性が明らかになった。

(2) PRR の解析・シミュレーション結果

ここでは，1 の PRR の解析と同様のユーザ

図 6 から，α を 1/50 の十分小さな値に設定しA と B を考え，各座標x, y に存在するユーザておけば，図 1 と遜色ない PRR が達成可能でにおけるユーザ A からのパケットに関するあることが明らかになった。具体的には，PRRPRR をカラーマップにより示している。ただが 0.9 以上であることが要求される 100 m 半径

し，ユーザ A は，重畳電力比αによって，自身の円内に限れば，マルチホップしない場合と比のパケットとマルチホップすべきパケットを重べて，PRR が 0.9 以上となる面積は 0.4% しか― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation縮小しないことが明らかになった。このとき，

本研究成果に基づくと，刺激に対する反応閾値α を 1/5 にした場合は， 7 % も縮小していた。

は十分低く設計が可能であると仮定しており，また，図 7 から，α を 1/50 に設定しても，マ今後，評価等を進めていく予定である。

ルチホップされたパケットを受信可能なユーザは十分期待できることが明らかになった。具体的には，円に換算すると 45 m 半径の円内で[参考文献][ 1 ] T.

HiraiandT.

Murase,“Performance

0.9 を超える PRR を達成できることが明らかに

Evaluation of NOMA for Sidelink Cellular-V2Xなった。これらの結果は，今後，学会に投稿予Mode 4 in Driver Assistance System with Crash

定である。

Warning,” IEEE Access, vol. 8, pp. 168321-168332,
Sep. 2020.

(3) 自己組織型制御の設計に向けて[ 2 ] T. Hirai and T. Murase, “NOMA-aided Pro-

本研究を通して，適切な重畳電力比が明らか

babilistic Cooperative Transmission for PC5-basedになった。この重畳電力比に設定することで，Cellular V2X Mode 4 for Crash Warning,” IEEE

1 回の拡散によりパケットを届けられる空間がAccess, vol. 9, pp. 62602-62615, 2021.

明らかになった。この研究成果をベースに，マルチホップすべきパケットを拡散するユーザの決定方法を検討する必要がある。ただし，重畳[成果の発表・論文など][1]平 井 健 士，“
［依 頼 講 演］イ ン フ ラ レ ス セ ル ラ

V2X の た め の 非 直 交 多 元 接 続，”信 学 技 報，vol.

電力比の設定により，マルチホップのパケット

122, no. 48, IN2022-8, pp. 38-42, 2022 年 5 月．

を重畳しても自身のパケットは十分広範囲に届[ 2 ] T. Hirai, N. Wakamiya, T. Murase “NOMA-

けられることが明らかになっているため，マルチホップは積極的に行なっても構わないと予想される。

dependent

Low-PoweredRetransmission

inSensing-based SPS for Cellular-V2X Mode 4,” IEEE
VTC2022-Fall, pp. 1-7, Sep. 2022.
[ 3 ] T. Hirai, T. Kimura, N. Wakamiya, “Spatial Per-

自己組織化制御の中で，反応閾値モデルと呼ばれる役割分担のモデル等を用いて，このユーザの決定手法を設計可能であると考えている。

― 5 ―formance

AnalysisofAutonomous

Sidelink

Cellular-V2X with NOMA,” IEEE GLOBECOM
2022, pp. 1205-1210, Dec. 2022.