Mobile-edge computing (MEC) and wireless power transfer are two promising techniques to enhance the computation capability and to prolong the operational time of low-power wireless devices that are ubiquitous in Internet of Things. However, the computation performance and the harvested energy are significantly impacted by the severe propagation loss. In order to address this issue, an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled MEC wireless-powered system is studied in this paper. The computation rate maximization problems in a UAV-enabled MEC wireless powered system are investigated under both partial and binary computation offloading modes, subject to the energy-harvesting causal constraint and the UAV's speed constraint. These problems are non-convex and challenging to solve. A two-stage algorithm and a three-stage alternative algorithm are, respectively, proposed for solving the formulated problems. The closed-form expressions for the optimal central processing unit frequencies, user offloading time, and user transmit power are derived. The optimal selection scheme on whether users choose to locally compute or offload computation tasks is proposed for the binary computation offloading mode. Simulation results show that our proposed resource allocation schemes outperform other benchmark schemes. The results also demonstrate that the proposed schemes converge fast and have low computational complexity.

Current cellular spectrum at below 3 GHz bands is experiencing severe shortage and cannot keep up with the dramatic proliferation of mobile traffic in the near future, requiring the search for innovative solutions to enable the 5G era. mmWave communications, with a possible gigabit-per-second data rate, have attracted great attention as a candidate for 5G broadband cellular communication networks. However, a complete characterization of mmWave links for 5G wireless networks still remains elusive and there are many challenges and research areas that need to be addressed. In this work we discuss several key elements to enable mmWave communications in 5G: · Channel characteristics regarding mmWave signal attenuation due to free space propagation, atmospheric gaseous and rain are explained. · The hybrid (digital plus analog) beamforming architecture in mmWave system is discussed. · The blockage effect in mmWave communications due to penetration loss and possible approaches are presented. · The application of mmWave transmission with narrow beams in non-orthogonal device-todevice communication is proposed. · mmWave transmission in the booster cell of heterogeneous anchor-booster networks. · mmWave transmission for small cell backhaul is further discussed.

In this article we explore a system framework of cooperative green heterogeneous networks for 5G wireless communication systems. We first survey the state-of-the-art on spectrum efficiency (SE), energy efficiency (EE), and quality of service (QoS) based mobile association, multi-layer interference management and power control, network wide cooperation and dynamic resource allocation for heterogeneous wireless networks. We also present the system framework of cooperative green heterogeneous networks, which aims at balancing and optimizing SE, EE, and QoS in heterogeneous wireless networks. We discuss the design principles and show some preliminary performance results on the tradeoffs among SE, EE, and QoS. Finally, we identify the technical challenges that remain in the cooperative green heterogeneous network design. The presented wireless system framework is expected to advance the understandings of the critical technical issues toward energy and spectrum efficient 5G wireless communication systems.

This paper studies the joint communication, caching and computing design problem for achieving the operational excellence and the cost efficiency of the vehicular networks. Moreover, the resource allocation policy is designed by considering the vehicle's mobility and the hard service deadline constraint. These critical challenges have often been either neglected or addressed inadequately in the existing work on the vehicular networks because of their high complexity. We develop a deep reinforcement learning with the multi-timescale framework to tackle these grand challenges in this paper. Furthermore, we propose the mobility-aware reward estimation for the large timescale model to mitigate the complexity due to the large action space. Numerical results are presented to illustrate the theoretical findings developed in the paper and to quantify the performance gains attained.

Device-to-device communication underlaying a cellular network is a promising technology in future wireless networks to improve network capacity and user experience. While D2D communication has great potential to improve wireless system spectral and energy efficiency due to the proximity of communication parties and higher spectrum reuse gain, tremendous work is still ongoing to turn the promising technology into a reality. This article discusses D2D technical challenges as well as standards progress and important research aspects that enable D2D communications underlaying cellular networks. The key research areas addressed include interference management, multihop D2D communications, and D2D communications in heterogeneous networks. When enabling D2D communications underlaying cellular networks, D2D communications can use either cellular downlink or cellular uplink resources. The two resource sharing modes will create different interference scenarios. The performance evaluation on D2D communications underlaying cellular networks under these two different scenarios is provided.

A wide variety of works have been conducted in vehicle-to-everything (V2X) communications to enable a variety of applications for road safety, traffic efficiency and passenger infotainment. Although dedicated short-range communications (DSRC) based V2X is already in the deployment phase, cellular based V2X is gaining more interest in academia and industry most recently. This article surveys the existing work and challenges on LTE and 5G to support efficient V2X communications. First, we present the motivations for cellular based V2X communications. Second, we summarize the LTE V2X architecture and operating scenarios being considered. Third, we discuss the challenges in existing LTE for supporting V2X communications such as physical layer structure, synchronization, multimedia broadcast multicast services (MBMS), resource allocation, security and survey the recent solutions to these challenges. We further discuss the challenges and possible solutions for 5G based vehicular communications. Finally, we discuss the open research issues and possible research directions in cellular based vehicular communications.

Cooperative communications enable efficient utilization of communication resources, by allowing nodes or terminals in a communication network to collaborate with each other in information transmission. It is a promising technique for future communication systems. In this article, we first survey cooperative communication schemes and discuss their advantages in improving system capacity and diversity. Following that, we examine the applications of cooperative relaying schemes in LTE-advanced systems. Specifically, we investigate two intra-cell coordinated multi-point schemes in LTE-advanced systems, and evaluate the performance of the schemes. It is shown that cooperative relaying leads to both network coverage extension and capacity expansion in LTE-advanced systems. Cooperative communications can significantly improve the system spectrum efficiency and performance.

Cognitive radio (CR) and non-orthogonal multiple access (NOMA) have been deemed two promising technologies due to their potential to achieve high spectral efficiency and massive connectivity. This paper studies a multiple-input single-output NOMA CR network relying on simultaneous wireless information and power transfer conceived for supporting a massive population of power limited battery-driven devices. In contrast to most of the existing works, which use an ideally linear energy harvesting model, this study applies a more practical non-linear energy harvesting model. In order to improve the security of the primary network, an artificial-noise-aided cooperative jamming scheme is proposed. The artificial-noise-aided beamforming design problems are investigated subject to the practical secrecy rate and energy harvesting constraints. Specifically, the transmission power minimization problems are formulated under both perfect channel state information (CSI) and the bounded CSI error model. The problems formulated are non-convex, hence they are challenging to solve. A pair of algorithms either using semidefinite relaxation (SDR) or a cost function are proposed for solving these problems. Our simulation results show that the proposed cooperative jamming scheme succeeds in establishing secure communications and NOMA is capable of outperforming the conventional orthogonal multiple access in terms of its power efficiency. Finally, we demonstrate that the cost function algorithm outperforms the SDR-based algorithm.

To address the ever increasing high data rate and connectivity requirements in the next generation 5G wireless network, novel radio access technologies (RATs) are actively explored to enhance the system spectral efficiency and connectivity. As a promising RAT for 5G cellular networks, non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted extensive research attentions. Compared with the orthogonal multiple access (OMA) that has been widely applied in existing wireless communication systems, NOMA possesses the potential to further improve the system spectral efficiency and connectivity capability. This paper develops analytical frameworks for NOMA downlink and uplink multi-cell wireless systems to evaluate the system outage probability and average achievable rate. In the downlink NOMA system, two different NOMA group pairing schemes are considered, based on which theoretical results on outage and achievable data rates are derived. In the uplink NOMA, revised back-off power control scheme is applied, and outage probability and per UE average achievable rate are derived. As wireless networks turn into more and more densely deployed, inter-cell interference has become a dominant capacity limiting factor but has not been addressed in most of the existing NOMA studies. In this paper, a stochastic geometry approach is used to model a dense wireless system, that supports NOMA on both uplink and downlink, based on which analytical results are derived either in pseudo-closed forms or succinct closed forms and are further validated by simulations. Numerical results demonstrate that NOMA can bring considerable system-wide performance gain compared with OMA on both uplink and downlink when properly designed.

The advanced features of 5G mobile wireless network systems yield new security requirements and challenges. This paper presents a comprehensive study on the security of 5G wireless network systems compared with the traditional cellular networks. The paper starts with a review on 5G wireless networks particularities as well as on the new requirements and motivations of 5G wireless security. The potential attacks and security services are summarized with the consideration of new service requirements and new use cases in 5G wireless networks. The recent development and the existing schemes for the 5G wireless security are presented based on the corresponding security services, including authentication, availability, data confidentiality, key management, and privacy. This paper further discusses the new security features involving different technologies applied to 5G, such as heterogeneous networks, device-to-device communications, massive multiple-input multiple-output, software-defined networks, and Internet of Things. Motivated by these security research and development activities, we propose a new 5G wireless security architecture, based on which the analysis of identity management and flexible authentication is provided. As a case study, we explore a handover procedure as well as a signaling load scheme to show the advantages of the proposed security architecture. The challenges and future directions of 5G wireless security are finally summarized.