Đồ án Viễn thông : tối ưu hoá chia năng lượng trong mạng HETEROGENEOUS NETWORKS Ktầng

Tối ưu hoá chia năng lượng trong mạng HETEROGENEOUS NETWORKS Ktầng .Tương lai được dự kiến sẽ được tiết kiệm năng lượng và sử dụng công nghệ xanh. một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng kỹ thuật khai thác năng lượng tự động, chẳng hạn như chia năng lượng (Power Splitting) mà thu hoạch năng lượng từ môi trường xung quanh phát thanh tần (RF) tín hiệu trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Tối ưu hóa trên thiết kế tỷ lệ PS được điều tra để tối đa hóa năng lượng trung bình thu hoạch được trong bối cảnh của Ktầng mạng di động không đồng nhất mô lớn nói chung (HCNs). Đặc biệt, xác suất phủ sóng và các biểu thức thu hoạch năng lượng trung bình có nguồn gốc với các giá trị hình học ngẫu nhiên, để làm sáng tỏ hiệu suất của mạng xanh trong tương lai. Sau đó, tối ưu cố địnhtỷ lệ PS cho mỗi cấp được thu được theo hiệu suất phủ song hạn chế. Hơn nữa, với vị trí thông tin thu ‘dễ dàng’ cung cấp trong mạng lưới trong tương lai, một vị trí động dựa trên PS theo thiết kế tỷ lệ (DLPS) được đề xuất để nâng cao hơn nữa hiệu suất năng lượng thu hoạch. Kết quả mô phỏng được đưa ra để chứng minh rằng năng lượng thu hoạch bình quân tăng hiệu quả của hơn 30% khi yêu cầu khả năng phủ sóng lớn hơn 0,7 bởi DLPS đề xuất của chúng tôi so với tối ưu cố định tỷ lệ PS trong khi duy trì việc thực hiện phủ sóng. Hơn nữa, chứ không phải là vẽ ra kết luận về giá trị của chiến lược PS của chúng tôi, công việc này là để cung cấp dể làm khung phân tích để giải quyết các vấn đề thu hoạch năng lượng trong HCNs.Code matlab trong file đính kèm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN 2 HETEROGENEOUS NETWORKS

Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông

LỜI CÁM ƠN

Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Ngọc Sơn đã tậntình hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong suốt quátrình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài

Đồng thời, nhóm thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoaĐiện - Điện Tử đã tạo điều kiện, cung cấp những kiến thức cơ bản, cần thiết giúpngười thực hiện đề tài có đủ điều kiện và kiến thức để thực hiện quá trình nghiêncứu đề tài

Ngoài ra, nhóm thực hiện đề tài cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp14141VT2 đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp hoàn thiện tốt đề tài

Cuối cùng, nhóm thực hiện đề tài cũng xin cám ơn sự chỉ bảo của các anhchị đi trước Các anh chị đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêmtrong việc thực hiện nghiên cứu đề tài

Trân trọng Người thực hiện đề tài Trương Thành Đạt

Lã Phương Duy

PHIẾU THÔNG TIN ĐỒ ÁN

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên: 1.Lã Phương Duy MSSV: 14141038

Mail: 14141038@student.hcmute.edu.vn SĐT: 0905452796

2.Trương Thành Đạt MSSV: 14141064

Mail: 14141064@student.hcmute.edu.vn SĐT: 01626348789

2 Thông tin đề tài

Tên của đề tài: Heterogenoeus Networks

Đồ án môn học được thực hiện tại: Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính- Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ 10/2017 đến 1/2018

3 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

 Tìm hiểu về bài báo

 Phân tích và mô phỏng các kết quả

4 Lời cam đoan của sinh viên

Tôi xin cam đoan những lí thuyết trình bày là sự tham khảo các tài liệu sách, tài liệu trên mạng có nguồn gốc rõ ràng Và việc thiết kế, thi công mạch

là do tôi thực hiện, không có sao chép bất kì nguồn nào

Tp.HCM, ngày tháng 1 năm 2018

SV thực hiện đồ án

Lã Phương Duy Trương Thành Đạt

Giáo viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho phép được bảo vệ:

………

………

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng năm 201

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

(Dùng cho giảng viên phản biện)

Đề tài: Heterogenoeus Networks

Sinh viên thực hiện: 1.Lã Phương Duy MSSV: 14141038

Giảng viên hướng dẫn: Ts Phạm Ngọc Sơn

Nhận xét bao gồm các nội dung sau đây:

1 Tính hợp lý trong cách đặt vấn đề và giải quyết vấn đề; ý nghĩa khoa học và

thực tiễn:

2 Phương pháp thực hiện/ phân tích/ thiết kế:

3 Kết quả thực hiện/ phân tích và đánh giá kết quả/ kiểm định thiết kế:

4 Kết luận và đề xuất:

5 Hình thức trình bày, bố cục và chất lượng báo cáo:

6 Tài liệu trích dẫn:

7 Đánh giá về sự trùng lặp của đề tài:

8 Những nhược điểm và thiếu sót, những điểm cần được bổ sung và chỉnh sửa*

Câu hỏi sinh viên phải trả lời trước hội đồng*

Đánh giá chung - Điểm (Quy về thang điểm 10 không làm tròn): …………./10

- Xếp loại chung (Xuất sắc, Giỏi, Khá, Trung bình, Yếu, Kém):

………

………

Đề nghị của giảng viên phản biện

PHIẾU THÔNG TIN ĐỒ ÁN………II BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN….……… III MỤC LỤC….……… V DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ………… ……… …………VI DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT………VI

LỜI MỞ ĐẦU………1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU………2

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG……… 4

A Giả định……… 4

B Định Nghĩa……… 5

CHƯƠNG 3: HIỆU SUẤT THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG TRONG HCNS K-TẦNG VỚI CHƯƠNG TRÌNH PS DƯỚI SỰ HẠN CHẾ HIỆU SUẤT PHỦ SÓNG………7

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TỶ SỐ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT ĐỘNG……… 12

CHƯƠNG 5: THÔNG SỐ VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN……… 10

PHỤ LỤC……….14

TÀI LIỆU THAM KHẢO………16

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 3.1: Mô hình hệ thống các đường downlink HCNs với 2 tầng của BSs.

Thuê bao được lắp đặt với các thiết bị hỗ trợ PS

Hình3.2: Sơ đồ luồng ứng dụng thực tiễn năng lượng thu hoạch với kế hoạch

DLPS

Hình 3.3 : Xác suất bao phủ trong mạng HCNs 2- tầng khi tỷ số PS thay đổi Hình 3.4: Năng lượng trung bình trong mạng HCNs 2- tầng khi tỷ số PS thay đổi Bảng: Các ký hiệu và thông số

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PS: Power splitting

RF: Radio frequency

HCNs: Heterogeneous cellular networks

DLPS: Dynamic location-based PS ratio design

SWIPT: Simultaneous wireless information and power transfer

UDNs: Ultra dense networks

BSs: Base stations

PPP: Poisson point process

MIMO: Multipleinput multiple-output

SINR: Signal to Interference Plus Noise Ratio

MLRP: Maximum long-term received power

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ là sự đi lên của sự tiện nghi trongđời sống, công nghệ được phát triển để hướng tới việc giúp con người có cuộcsống ngày càng tốt đẹp và tiện nghi hơn với việc tối ưu hóa năng lượng và sửdụng công nghệ xanh

Tương lai được dự kiến sẽ tiết kiệm năng lượng và sử dụng côngnghệ xanh Một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng kỹ thuật khai thác năng lượng

tự động, chẳng hạn như chia năng lượng PS (Power Splitting) được khai thác từmôi trường xung quanh tần số vô tuyến (RF) Tối ưu hóa trên thiết kế tỷ số PSđược khảo sát để tối đa năng lượng trung bình thu hoạch được trong bối cảnhmạng di động không đồng nhất K-tầng (HCNs) Đặc biệt, xác suất vùng phủ sóng

và các biểu thức thu hoạch năng lượng trung bình có nguồn gốc với các giá trịhình học ngẫu nhiên Sau đó, tối ưu các tỷ lệ PS cố định cho mỗi tầng Hơn nữa,với vị trí thu thông tin ‘dễ dàng’ thì một vị trí thay đổi dựa trên PS theo thiết kế

tỷ lệ (DLPS) được đề xuất để nâng cao hơn nữa hiệu suất năng lượng thu hoạch.Kết quả mô phỏng đưa ra chứng minh rằng năng lượng thu hoạch bình quân tănghơn 30% khi yêu cầu khả năng phủ sóng lớn hơn 0,7 bằng đề xuất DLPS so với

tỷ lệ PS tối ưu cố định trong khi duy trì việc thực hiện phủ sóng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Tần số vô tuyến (RF) đã trở thành nguồn tài nguyên mới có thể áp dụngtrong việc thu hoạch năng lượng, chuyển giao năng lượng và truyền thông khôngdây đồng thời (SWIPT) đã trở thành một trong những giải pháp khả thi để thuhoạch năng lượng bằng cách thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF, và do vậydẫn đến việc sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn, kéo dài tuổi thọ hệ thống vàlàm giảm chi phí vận hành Tuy nhiên, có hai thách thức chính trong việc thựchiện quá trình SWIPT trong bối cảnh các mạng có quy mô lớn

Một là: Để cho phép các mạng giao tiếp với các khả năng thu hoạch năng

lượng RF, phân tích lý thuyết chính xác và hiệu quả là không thể thiếu Cácnguồn năng lượng của tín hiệu RF có một số đặc điểm bao gồm vô tận nhưngkhông đáng tin cậy, đủ nhưng không ổn định Hơn nữa, các cell đang khai thácnhỏ hơn, dày đặc hơn, nhiều tính ngẫu nhiên và hỗn loạn trong các mạng tươnglai cực kỳ dày đặc (UDNs) và các trạm gốc (BSs) thậm chí có thể hỗ trợ các triểnkhai "drop and play " Kết quả là, một cách áp dụng nhiều hơn cả là mô hình các

vị trí BS là ngẫu nhiên và được rút ra từ một xử lý ngẫu nhiên trong không gian,chẳng hạn như quá trình Poisson điểm (PPP) Các lý thuyết ngẫu nhiên hình học

có lợi thế cho một phân tích chính xác hơn và dễ kiểm soát trong các mạng diđộng cơ hội và không theo quy luật

Hai là: làm thế nào để thiết lập cấu hình thu hoạch năng lượng là một vấn

đề khó khăn Một trong những cơ chế RF thiết thực cho SWIPT giới thiệu, đượcđặt tên là chia tách năng lượng (PS), trong đó một phần của tín hiệu nhận được

sử dụng để giải mã thông tin, trong khi các phần khác được sử dụng để thu hoạchnăng lượng RF Rất nhiều đóng góp được thực hiện để đối phó với các vấn đềnghiên cứu PS, nhưng hầu hết các nghiên cứu tập trung vào một kênh điểm-điểmnhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO) đã được cố định trước hoặc một mạng đơntầng với người dùng cụ thể, bỏ qua nhiễu liên cell hoặc đơn giản hóa các mô hìnhmạng Bài báo cáo này phân tích hiệu suất của một mạng di động K-tầng chungmạng di động với việc thực hiện PS và thu được một tỷ số thiết kế PS mongmuốn Những đóng góp chính của bài báo cáo này là :

Bài viết này phân tích hiệu suất của một mạng di động K-tầng với chươngtrình PS và thu được một PS mong muốn theo thiết kế tỷ lệ Những đóng gópchính của bài viết này là như sau:

1 Xác suất phủ sóng và biểu thức năng lượng thu hoạch trung bình vớichương trình PS cho một mạng lưới di động K-tầng thu được dưới khunghình ngẫu nhiên, đó là tính hiệu quả về số lượng

2 Một tối ưu cố định tỷ lệ PS cho mỗi tầng được đưa ra theo hiệu suất phủsóng hạn chế

3 Với vị trí thông tin thu ‘dễ dàng’ cung cấp trong mạng lưới trong tươnglai, một tỷ lệ PS được ra dựa trên địa điểm thay đổi động theo thiết kế(DLPS) được đề xuất để nâng cao hơn nữa hiệu suất năng lượng thuhoạch được

4 Kết quả lý thuyết và mô phỏng là trình bày: trong đó đã chứng thực mạnh

mẽ về tính chính xác của chúng tôi phân tích Tuy nhiên, thay vì trình bàynhững kết luận về những giá trị của chiến lược PS của chúng tôi, bài viếtnày là để cung cấp một khung phân tích dễ làm như hướng dẫn để giảiquyết vấn đề thu năng lượng trong các mạng di động quy mô lớn

Phần còn lại, bài viết này được tổ chức như sau Trong Phần II, chúng tôi giớithiệu các mô hình hệ thống, và sau đó cung cấp xác suất phủ sóng và định nghĩanăng lượng thu hoạch trung bình Trong phần III, xác suất phủ sóng và biểu thứcnăng lượng thu hoạch trung bình với chương trình PS nguồn gốc, một PS cố địnhtối ưu tỷ lệ cũng được trình bày Hơn nữa chương trình DLPS được đề xuất trongPhần III Phần IV mô tả lý thuyết và mô phỏng các kết quả Cuối cùng, phần Vkết luận

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG

A.Giả định:

Chúng ta hãy xem xét một mô hình mạng không dây quy mô lớn gồm tầng của BSs được phân biệt bởi mật độ không gian và công suất truyền dẫn,chẳng hạn như macro-cells, femto-cell hoặc pico-cells Các BS trong tầng thứ ksắp xếp theo một PPP đồng nhất kvới cường độ k tương ứng trong mặt phẳngEuclide, và các BS phân bố của mỗi tầng là độc lập và mỗi BS hoạt động ở mộtcông suất truyền tải cố định P k

K-Hình 1: Mô hình hệ thống các đường downlink HCNs với 2 tầng của BSs Thuê

bao được lắp đặt với các thiết bị hỗ trợ PS

Trong mô hình này, mỗi BS có một nguồn cung cấp năng lương liên tụctrong khi những người sử dụng được trang bị với các thiết bị thu hoạch nănglượng để có khả năng thu năng lượng RF từ các bức xạ điện từ nhận được Dựatrên kỹ thuật PS, người nhận tổng hợp có thể chia tín hiệu đã nhận thành haiphần, cụ thể phần ρ của năng lượng nhận được được sử dụng để xử lý tín hiệu vàgiải mã thông tin, phần còn lại 1 được chuyển thành điện áp DC cho lưu trữnăng lượng, trong đó 0,1 , và k được sử dụng khi người nhận được kết nốivới tầng thứ k

Đối với mô hình truyền dẫn suy hao năng lượng, chúng ta ký hiệu α là suyhao đường truyền hàm mũ đối với fading quy mô lớn Fading Rayleigh với côngsuất trung bình đơn vị tạo nên kênh ngẫu nhiên fading nhanh, được ký hiệu là h ~exp (1), cụ thể là các kênh ngẫu nhiên theo biến h sau một phân phối mũ vớitrung bình là 1.Hãy xem xét một thuê bao ngẫu nhiên điển hình được đặt ở nguồngốc tọa độ của mặt phẳng Do đó, công suất tín hiệu nhận được tại một thuê baođiển hình ngẫu nhiên từ các BS phục vụ tại điểm x k(thuộc k-th tầng) là

k

P h x  

Và những nhiễu nhiệt được cộng vào và có hằng số năng lượng A2

nhưng không có phân phối cụ thể được giả định Các quá trình xử lý nhiễu trongsuốt giai đoạn chuyển đổi băng tầng được mô phỏng như Gaussian và có trị trungbình là 0 và phương sai P2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR)được xác định như công thức dưới đây:

đủ nhỏ

Chúng ta hãy xem xét một mô hình kết nối công suất dài hạn cực đại nhận được(MLRP): Một thuê bao di động được kết hợp với BS mạnh nhất trong các giớihạn của công suất dài hạn cực đại nhận được tại thuê bao

B.Định nghĩa:

Dưới đây chúng tôi cung cấp cho các định nghĩa của các số liệu chính, tức

là xác suất phủ sóng và thu hoạch năng lượng trung bình Chúng tôi đầu tiên xácđịnh xác suất phủ sóng là biện pháp chủ yếu của HCNs downlink

Xác suất phủ sóng là xác suất mà SINR tức thời của một thuê bao lớn hơnmột giá trị ngưỡng quy định cho từng tầng

Trong đó, (0,1] biểu thị hiệu suất chuyển đổi từ tín hiệu RF sang điện

áp DC Và năng lượng thu hoạch trung bình của toàn bộ mạng là:

CHƯƠNG 3: HIỆU SUẤT THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG TRONG HCNS K-TẦNG VỚI CHƯƠNG TRÌNH PS DƯỚI SỰ HẠN CHẾ

HIỆU SUẤT PHỦ SÓNG

Phần này trình bày biểu thức xác suất phủ sóng đầu tiên với các chươngtrình PS Trong trường hợp khi tất cả các tầng có ngưỡng SINR định trướck thìxác suất phủ sóng có thể được cho chính xác Bởi vì năng lượng can thiệp dễdàng chiếm ưu thế trước nhiễu nhiệt nên chúng ta bỏ qua cho tác dụng khôngđáng kể của nó trên phân phối SINR cũng như để phân tích dể làm Với các giảthuyết này, bây giờ chúng ta có thể tìm được xác suất phủ sóng cho một thuê bao

di động được đặt ở vị trí ngẫu nhiên

Một thuê bao di động được đặt ở vị trí ngẫu nhiên là có thể được bao phủbởi bất kỳ tầng nào và BSs ở các tầng khác nhau được phân phối độc lập

Đề xuất 1: Trong một mạng K-tầng, xác suất phủ sóng C ({k}) vớichương trình PS được cho bởi:

2 2

Với 2 1F[.] biểu thị hàm hypergeometric Gauss

Các kết quả của biểu thức xác suất được tính toán một cách hiệu quả về sốlượng, trong đó cho thấy các tỷ lệ kPS có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phủsóng

Các biểu thức thu hoạch năng lượng trung bình.

Trong phần này, chúng ta sửa đổi các mô hình suy hao đường truyền đểtránh các yếu tố đặc biệt cũng như để đảm bảo tính chính xác của mô hình suyhao trong khoảng cách ngắn Cho một thuê bao được đặt tại một ví trí ngẫu nhiêntại một điểm gốc, công suất tính hiệu nhận được từ BS x được cho bởi:

Đề xuất 2: Trong một mạng K-tầng, công suất năng lượng trung bình thu hoạchvới các chương trình PS được cho bởi:

K

k

j j j

P r

P P

Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể viết lại C ( k) sang k K1C  k'( )k

k 

0 k C k(1).Đáng chú ý là C k(k)

là một hàm tăng đều của k từ đề xuất 1 và EH klà mộtgiảm đều đều của k từ đề xuất 2 cho một k nhất định, nếu C k/( )k bị hạn chếbởi C k/( )k k thì ktối ưu (ký hiệu là k*) được tìm thấy ở các điều kiện biên,tức là:

K

k

j j j

P r

có ràng buộc tuyến tính, chúng ta có thể sử dụng một số thuật toán tìm kiếm,chẳng hạn như các phương pháp Zoutendijks, để có được những giải pháp tối ưumột cách dễ dàng Thực hiện theo các hướng khả thi, lập trình tuyến tính này cóthể được thực hiện nhanh chóng bởi máy tính Do đó, các giải pháp tối ưu trongP1 có thể thu được

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TỶ SỐ PHÂN CHIA CÔNG SUẤT ĐỘNG

Trong phần trên, chúng ta thu được tối ưu k cho từng tầng để tối đa hóanăng lượng thu hoạch trung bình thuộc phạm vi hạn chế hiệu suất Tuy nhiên, tỷ

lệ cố định PS cho tất cả các thuê bao dường như không phải là thích hợp vì nó rất

dễ dàng để đạt được yêu cầu SINR khi thuê bao gần BS phục vụ của nó và nhiềucông suất năng lượng nhận được có thể được lưu trữ để sử dụng trong tương lai

và thời gian tồn tại của hệ thống được kéo dài Vì vậy, đề xuất kế hoạch DLPS đểnâng cao hơn nữa hiệu suất thu hoạch năng lượng

Với r biểu thị khoảng cách giữa người sử dụng và BS phục vụ của mình.

Thiết kế này được lấy cảm hứng từ:

* 0

 Phương trình (13b) đảm bảo ρk (r) là khả thi

 Phương trình (13c) đảm bảo sự đơn điệu mong muốn của r

Hạn chế bởi những điều kiện này, một đề xuất một biểu thức thỏa mãn k( )r , cụthể là phương trình (12), mà hiệu quả đạt được tốt hơn hiệu suất thu hoạch nănglượng trong khi hiệu suất bảo hiểm giữ rất gần để các giải pháp tối ưu cho nhữngtrường hợp cố định tỷ lệ PS

Hình 2: Sơ đồ luồng ứng dụng thực tiễn năng lượng thu hoạch với kế hoạch

DLPS

Như hình trên chỉ ra rằng, biểu đồ để mô tả một ứng dụng thực tế của việckhai thác năng lượng với chương trình DLPS được đề xuất Điều này bao gồmcác bước sau:

1 Tương tác thông tin các BS: Mỗi BS nhận được thông tin theo chu kỳ từ

các BS xung quanh về các hoạt động BS và mật độ của mỗi tầng k.(Lưu ý rằng một số BSs có thể hoạt động ở chế độ ngủ hoặc có thể hỗ trợ

"drop and play".)

2 Thông tin phản hồi thuê bao: Các thuê bao nên phản hồi lại thông tin mà

chủ yếu bao gồm ước lượng vị trí và thông tin trạng thái kênh (CSI), etc

3 Thiết kế tỷ lệ phân chia công suất động: Tính các k cố định tối ưu sau

đó coi k như một tham số để nâng cao hơn nữa tỷ lệ PS của chươngtrình DLPS đề xuất

4 Chỉ định phân chia công suất: BSs chỉ định các phía nhận làm thế nào để

cấu hình bộ chia công suất theo kết quả từ bước 3