شكل ‌دهي پرتو و تسهيم توان در سيستم‌هاي نسل پنجم مشاركتي مبتني بر SWIPT ،NOMA و برداشت انرژي خورشيدي

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

در شبكه‌هاي بي‌سيم نسل پنجم (5G)، به منظور بهبود بازدهي طيفي و پايداري ارتباط مي‌توان به‌ترتيب از روش‌هاي دسترسي چندگانه غيرمتعامد (NOMA) و انتقال همزمان داده و توان بي‌سيم (SWIPT) استفاده نمود. در اين مقاله، يك پروتكل SWIPT NOMA مشاركتي در حالت چند آنتني MISO فروسو مورد بررسي قرار گرفته است كه در آن يك كاربر با شرايط كانال قوي (كاربر دوم) به عنوان رله برداشت‌كننده انرژي با يك كاربر با شرايط كانال ضعيف‌تر (كاربر اول) مشاركت مي‌نمايد. همچنين براي بهبود عملكرد، غير از برداشت انرژي از سيگنال‌هاي راديويي، برداشت انرژي خورشيدي نيز در كاربر دوم در نظر گرفته‌ شده است. در ادامه، يك طراحي بهينه‌سازي روي ضريب تسهيم توان در رله و بردار شكل‌دهي پرتو در فرستنده به منظور بيشينه كردن نرخ داده كاربر دوم و رفع نيازهاي كيفيت سرويسِ (QoS) كاربر اول انجام شده است. پس از فرمول‌بندي مسأله بهينه‌سازي، عملكرد سيستم از نظر نرخ مجموع و احتمالِ امكان‌پذيري بهينه‌سازي به ازاي سطوح مختلفي از سطح توان برداشت شده از خورشيد، شبيه‌سازي شده است. بر اساس نتايج به‌دست‌آمده، مي‌توان گفت برداشت انرژي خورشيد، بخصوص در SNRهاي پايين، بهبود قابل توجهي را براي روش SWIPT NOMA مشاركتي از نظر نرخ مجموع و احتمالِ قطعي به همراه دارد.

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.