شکل‌دهی پرتو و تسهیم توان در سیستم‌های نسل پنجم مشارکتی مبتنی بر SWIPT ،NOMA و برداشت انرژی خورشیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

در شبکه‌های بی‌سیم نسل پنجم (5G)، به منظور بهبود بازدهی طیفی و پایداری ارتباط می‌توان به‌ترتیب از روش‌های دسترسی چندگانه غیرمتعامد (NOMA) و انتقال همزمان داده و توان بی‌سیم (SWIPT) استفاده نمود. در این مقاله، یک پروتکل SWIPT NOMA مشارکتی در حالت چند آنتنی MISO فروسو مورد بررسی قرار گرفته است که در آن یک کاربر با شرایط کانال قوی (کاربر دوم) به عنوان رله برداشت‌کننده انرژی با یک کاربر با شرایط کانال ضعیف‌تر (کاربر اول) مشارکت می‌نماید. همچنین برای بهبود عملکرد، غیر از برداشت انرژی از سیگنال‌های رادیویی، برداشت انرژی خورشیدی نیز در کاربر دوم در نظر گرفته‌ شده است. در ادامه، یک طراحی بهینه‌سازی روی ضریب تسهیم توان در رله و بردار شکل‌دهی پرتو در فرستنده به منظور بیشینه کردن نرخ داده کاربر دوم و رفع نیازهای کیفیت سرویسِ (QoS) کاربر اول انجام شده است. پس از فرمول‌بندی مسأله بهینه‌سازی، عملکرد سیستم از نظر نرخ مجموع و احتمالِ امکان‌پذیری بهینه‌سازی به ازای سطوح مختلفی از سطح توان برداشت شده از خورشید، شبیه‌سازی شده است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان گفت برداشت انرژی خورشید، بخصوص در SNRهای پایین، بهبود قابل توجهی را برای روش SWIPT NOMA مشارکتی از نظر نرخ مجموع و احتمالِ قطعی به همراه دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Beamforming and Power Splitting in Cooperative 5G systems based on SWIPT, NOMA, and Sun Energy Harvesting

نویسندگان [English]

  • H. Zaeri
  • M. Hejazi
  • M. R. Zoghi
Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده [English]

In 5G wireless communication networks, the non-orthogonal multiple access (NOMA) and the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) methods can be exploited to improve the spectral efficiency and link reliability, respectively. This paper focuses on a cooperative SWIPT NOMA protocol in MISO downlink case, where a user with strong channel conditions, i.e. user 2 (U2), acts as an energy harvesting (EH) relay to assist a user with poor channel conditions, i.e. user 1 (U1). Furthermore, U2 exploits sun energy harvesting, along with the RF signal energy harvesting through SWIPT, to improve the system performance. A jointly optimizing design is performed on the power splitting (PS) ratio of the relay and beamforming vector of the transmitter to maximize the data rate of U2 subject to satisfying the QoS requirement of U1. We have formulated the optimization problem and evaluated the system performance for different values of harvested sun powers. Our results show that exploiting the solar energy harvesting provides a considerable improvement for the cooperative SWIPT NOMA method in terms of system sum rate and feasible probability of the optimization, especially at low SNR regimes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-orthogonal multiple access (NOMA)
  • Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT)
  • Throughput optimization
  • Beamforming
  • Cooperative communications

مراجع

[1] Y. Saito, Y. Kishiyama, A. Benjebbour, T. Nakamura, A. Li, and K. Higuchi, "Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access," in 2013 IEEE 77th vehicular technology conference (VTC Spring), 2013, pp. 1-5: IEEE.
[2] Z. Ding, P. Fan, and H. V. Poor, "Impact of user pairing on 5G nonorthogonal multiple-access downlink transmissions," IEEE Transactions on Vehicular Technology vol. 65, no. 8, pp. 6010-6023, 2015.
[3] Z. Ding, Z. Yang, P. Fan, and H. V. Poor, "On the performance of non-orthogonal multiple access in 5G systems with randomly deployed users," IEEE signal processing letters, vol. 21, no. 12, pp. 1501-1505, 2014.
[4] D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of wireless communication. Cambridge university press, 2005.
[5] Z. Ding, F. Adachi, and H. V. Poor, "The application of MIMO to non-orthogonal multiple access," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 15, no. 1, pp. 537-552, 2015.
[6] Y. Lan, A. Benjebboiu, X. Chen, A. Li, and H. Jiang, "Considerations on downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) combined with closed-loop SU-MIMO," in 2014 8th International Conference on Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS), 2014, pp. 1-5: IEEE.
[7] Q. Sun, S. Han, I. Chin-Lin, and Z. Pan, "On the ergodic capacity of MIMO NOMA systems," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 4, no. 4, pp. 405-408, 2015.
[8] Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems," IEEE Communications Letters, vol. 19, no. 8, pp. 1462-1465, 2015.
[9] O. Ozel, K. Tutuncuoglu, J. Yang, S. Ulukus, and A. Yener, "Transmission with energy harvesting nodes in fading wireless channels: Optimal policies," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 29, no. 8, pp. 1732-1743, 2011.
[10] L. R. Varshney, "Transporting information and energy simultaneously," in 2008 IEEE International Symposium on Information Theory, 2008, pp. 1612-1616: IEEE.
[11] C. Shen, W.-C. Li, and T.-H. Chang, "Wireless information and energy transfer in multi-antenna interference channel," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 62, no. 23, pp. 6249-6264, 2014.
[12] R. Zhang and C. K. Ho, "MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 5, pp. 1989-2001, 2013.
[13] Y. Xu, C. Shen, et al., "Joint beamforming and power-splitting control in downlink cooperative SWIPT NOMA systems," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 65, no. 18, pp. 4874-4886, 2017.
[14] Q. Shi, C. Peng, W. Xu, M. Hong, and Y. Cai, "Energy efficiency optimization for MISO SWIPT systems with zero-forcing beamforming," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 64, no. 4, pp. 842-854, 2015.
[15] Z. Luo, W. Ma, A. M. So, Y. Ye and S. Zhang, "Semidefinite Relaxation of Quadratic Optimization Problems," IEEE Signal Processing Magazine, vol. 27, no. 3, pp. 20-34, 2010.
[16] S. Boyd and L. Vandenberghe, Convex optimization. Cambridge university press, 2004.
[17] W. Li, T. Chang, C. Lin and C. Chi, "Coordinated Beamforming for Multiuser MISO Interference Channel Under Rate Outage Constraints," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 61, no. 5, pp. 1087-1103, 2013.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار