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

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

Sinh viên:

Trương Thành Đạt
MSSV: 14141064
Lã Phương Duy
MSSV: 14141038

Hướng dẫn: TS. PHẠM NGỌC SƠN

TP. HỒ CHÍ MINH – 1/2018


LỜI CÁM ƠN
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Ngọc Sơn đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo những kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong suốt quá
trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài.
Đồng thời, nhóm thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa
Điện - Điện Tử đã tạo điều kiện, cung cấp những kiến thức cơ bản, cần thiết giúp
người thực hiện đề tài có đủ điều kiện và kiến thức để thực hiện quá trình nghiên
cứu đề tài.
Ngoài ra, nhóm thực hiện đề tài cũng xin cám ơn các thành viên trong lớp
14141VT2 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 anh
chị đi trước. Các anh chị đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêm
trong việc thực hiện nghiên cứu đề tài.

Trân trọng
Người thực hiện đề tài
Trương Thành Đạt
Lã Phương Duy
1


PHIẾU THÔNG TIN ĐỒ ÁN
1. Thông tin sinh viên
Họ và tên: 1.Lã Phương Duy
MSSV: 14141038
Mail: SĐT: 0905452796
2.Trương Thành Đạt
MSSV: 14141064
Mail: 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)

2


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN 1
(Dùng cho giảng viên phản biện)
Đề tài: Heterogenoeus Networks
Sinh viên thực hiện: 1.Lã Phương Duy
2.Trương Thành Đạt

MSSV: 14141038
MSSV: 14141064

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.
3


-

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

Đề nghị của giảng viên phản biện
.............................................................................................................................................
Tp. HCM, ngày … tháng …. năm 20…
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

4


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………….I
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 KTẦNG 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
5


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
6


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

7


LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của công nghệ là sự đi lên của sự tiện nghi trong
đời sống, công nghệ được phát triển để hướng tới việc giúp con người có cuộc
sống ngày càng tốt đẹp và tiện nghi hơn với việc tối ưu hóa năng lượng và sử
dụng công nghệ xanh.
Tương lai được dự kiến sẽ 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 PS (Power Splitting) được khai thác từ
môi trường xung quanh tần số vô tuyến (RF). Tối ưu hóa trên thiết kế tỷ số PS
được khảo sát để tối đa năng lượng trung bình thu hoạch được trong bối cảnh
mạng 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 trị
hình 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 tăng
hơn 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.

1


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Tần số vô tuyến (RF) đã trở thành nguồn tài nguyên mới có thể áp dụng
trong việc thu hoạch năng lượng, chuyển giao năng lượng và truyền thông không
dây đồng thời (SWIPT) đã trở thành một trong những giải pháp khả thi để thu
hoạch năng lượng bằng cách thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF, và do vậy
dẫn đến việc sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn, kéo dài tuổi thọ hệ thống và
làm giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, có hai thách thức chính trong việc thực
hiện 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. Các
nguồn năng lượng của tín hiệu RF có một số đặc điểm bao gồm vô tận nhưng
không đáng tin cậy, đủ nhưng không ổn định. Hơn nữa, các cell đang khai thác
nhỏ hơn, dày đặc hơn, nhiều tính ngẫu nhiên và hỗn loạn trong các mạng tương
lai cực kỳ dày đặc (UDNs) và các trạm gốc (BSs) thậm chí có thể hỗ trợ các triển
khai "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 di
động 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, được
đặt 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 hoạch
năng lượng RF. Rất nhiều đóng góp được thực hiện để đối phó với các vấn đề
nghiên cứu PS, nhưng hầu hết các nghiên cứu tập trung vào một kênh điểm-điểm
nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO) đã được cố định trước hoặc một mạng đơn
tầng với người dùng cụ thể, bỏ qua nhiễu liên cell hoặc đơn giản hóa các mô hình
mạng. Bài báo cáo này phân tích hiệu suất của một mạng di động K-tầng chung
mạng di động với việc thực hiện PS và thu được một tỷ số thiết kế PS mong
muốn. Những đóng góp chính của bài báo cáo này là :
2


Bài viết này phân tích hiệu suất của một mạng di động K-tầng với chương
trình PS và thu được một PS mong muốn theo thiết kế tỷ lệ. Những đóng góp
chính của bài viết này là như sau:
1. Xác suất phủ sóng và biểu thức năng lượng thu hoạch trung bình với
chương trình PS cho một mạng lưới di động K-tầng thu được dưới khung
hình 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 phủ
sóng hạn chế.
3. Với vị trí thông tin thu ‘dễ dàng’ cung cấp trong mạng lưới trong tương
lai, 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 thu
hoạch 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 bày
những kết luận về những giá trị của chiến lược PS của chúng tôi, bài viết
này là để cung cấp một khung phân tích dễ làm như hướng dẫn để giải

quyết 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 giới
thiệu các mô hình hệ thống, và sau đó cung cấp xác suất phủ sóng và định nghĩa
năng lượng thu hoạch trung bình. Trong phần III, xác suất phủ sóng và biểu thức
năng lượng thu hoạch trung bình với chương trình PS nguồn gốc, một PS cố định
tối ưu tỷ lệ cũng được trình bày. Hơn nữa chương trình DLPS được đề xuất trong
Phần III. Phần IV mô tả lý thuyết và mô phỏng các kết quả. Cuối cùng, phần V
kết luận.

3


CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG
A.Giả định:
Chúng ta hãy xem xét một mô hình mạng không dây quy mô lớn gồm Ktầng 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 k
sắp xếp theo một PPP đồng nhất  k với cường độ k tương ứng trong mặt phẳng
Euclide, và các BS phân bố của mỗi tầng là độc lập và mỗi BS hoạt động ở một
công suất truyền tải cố định Pk .

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 tục
trong khi những người sử dụng được trang bị với các thiết bị thu hoạch năng
lượng để có khả năng thu năng lượng RF từ các bức xạ điện từ nhận được. Dựa
trên kỹ thuật PS, người nhận tổng hợp có thể chia tín hiệu đã nhận thành hai
phần, cụ thể phần ρ của năng lượng nhận được được sử dụng để xử lý tín hiệu và
giải mã thông tin, phần còn lại 1   được chuyển thành điện áp DC cho lưu trữ
năng lượng, trong đó

 � 0,1

, và  k được sử dụng khi người nhận được kết nối

với tầng thứ k.
4


Đối với mô hình truyền dẫn suy hao năng lượng, chúng ta ký hiệu α là suy
hao đường truyền hàm mũ đối với fading quy mô lớn. Fading Rayleigh với công
suất 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 với
trung bình là 1.Hãy xem xét một thuê bao ngẫu nhiên điển hình được đặt ở nguồn
gốc tọa độ của mặt phẳng. Do đó, công suất tín hiệu nhận được tại một thuê bao
điển hình ngẫu nhiên từ các BS phục vụ tại điểm
Pk hxk xk



xk (thuộc k-th tầng) là

2
. Và những nhiễu nhiệt được cộng vào và có hằng số năng lượng  A

nhưng không có phân phối cụ thể được giả định. Các quá trình xử lý nhiễu trong
suốt giai đoạn chuyển đổi băng tầng được mô phỏng như Gaussian và có trị trung
2
bình là 0 và phương sai  P . Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR)

được xác định như công thức dưới đây:

SINR ( xk ) 
I  �k 1 �y�
K

j \ xk

Pj hy || y ||

 k Pk hxk || xk ||
 k ( I   A2 )   2p

(1)

2
biểu thị can nhiễu liên cell. Lưu ý rằng  A có thể

được bỏ qua trong một mạng giới hạn can nhiễu đối với các mạng điển hình được
giới hạn can nhiễu và do đó nhiễu nhiệt có ảnh hưởng rất hạn chế trên phân bố
2
SINR, tuy nhiên,  P là cần thiết bởi vì nó có thể trở thành nhiễu chi phối khi  là

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 giới
hạn 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 xác
định 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 hơn

một giá trị ngưỡng quy định cho từng tầng.
5


Ck  P(( SINR( xk )   k )

(2)

Trong đó Ak biểu thị xác suất của một thuê bao điển hình có liên kết với
tầng thứ k và sử dụng luật của tổng các xác suất, thì xác suất bao phủ được đưa
ra như sau:
K

C  �Ck Ak
k 1

(3)

Tiếp theo chúng ta định nghĩa thu hoạch năng lượng trung bình. Bởi vì
phần 1- ρ của năng lượng nhận được được sử dụng để lưu trữ năng lượng nên
năng lượng thu hoạch trung bình tại thuê bao điển hình, tại đó có BS phục vụ
thuộc tầng k (được thể hiện Sk ) được thể hiện như sau:
K
�
�
EH k   E �
(1   k )��Pj hx j || x j || S k �
j 1 x j � j
�
�

(4)

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:
K

EH k  �EH k Ak
k 1

(5)

6


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 chương
trình PS. Trong trường hợp khi tất cả các tầng có ngưỡng SINR định trước  k thì
xác suất phủ sóng có thể được cho chính xác. Bởi vì năng lượng can thiệp dễ
dàng chiếm ưu thế trước nhiễu nhiệt nên chúng ta bỏ qua cho tác dụng không
đáng kể của nó trên phân phối SINR cũng như để phân tích dể làm. Với các giả
thuyết 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 phủ
bởi 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 }) với
chương trình PS được cho bởi:
K

�
� 2 K
� � k p2 r 
C ({ k })  �2k �r exp �
 r �W j �
exp �
�
0
k 1
j

1
�
� � Pk  k

�
dr
�
�
�

(6)

Trong đó:
2/

�P �
W j    k 2 F1[1, 0.5;1.5; k ]  1  j � j �
�Pk �

Với 2 F1[.] biểu thị hàm hypergeometric Gauss.
Các kết quả của biểu thức xác suất được tính toán một cách hiệu quả về số
lượng, trong đó cho thấy các tỷ lệ  k PS có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phủ
sóng.
7


Các biểu thức thu hoạch năng lượng trung bình.
Trong phần này, chúng ta sửa đổi các mô hình suy hao đường truyền để
tránh các yếu tố đặc biệt cũng như để đảm bảo tính chính xác của mô hình suy
hao trong khoảng cách ngắn. Cho một thuê bao được đặt tại một ví trí ngẫu nhiên
tại một điểm gốc, công suất tính hiệu nhận được từ BS x được cho bởi:
Px , k hx ,k  Pk [max(|| x ||, r0 )] hx ,k

(7)

Trong đó r0 >1 đề có thể làm tối thiểu suy hao đường truyền. Bên cạnh đó, sửa
đổi này không ảnh hưởng đến phân tích xác suất phủ sóng cho một mạng lưới mà
2
không phải là quá dày đặc và k đủ nhỏ so với 1/ r0 [12].

Đề xuất 2: Trong một mạng K-tầng, công suất năng lượng trung bình thu hoạch
với các chương trình PS được cho bởi:
K
K
�
�
EH   �E �
(1   k )��Px , j hx , j Sk �
Ak

k 1
j 1 x� j
�
�
K

K

k 1

j 1

K

K

(8)

  �(1   k ) Ak � j �
Pj [max(|| x ||, r0 )] dx
2
�

  �(1   k ) Ak �2 j Pj
k 1

j 1

 �xr
r0

�  P (1  
�
� P
K

 r0

 2

j

j 1

K

j 1

j

j


0

0

K

2/

k 1
j

k

�

dx  �x1 dx
r0



)k Pk2/

Để theo đuổi một nghiên cứu thống nhất trên hiệu suất phủ sóng và hiệu
suất thu hoạch năng lượng, một vấn đề lý thuyết giải quyết tỷ lệ tối ưu PS {ρk}
để tối đa hóa năng lượng trung bình được thu hoạch trong khi đảm bảo xác suất
phủ sóng là dưới hạn chế, tức là, nó là cao hơn một giá trị  dự kiến sẽ được đưa
ra như sau (kí hiệu P1):
P1

max EH
 k 

K

s.t.

�� �
k 1

k

�k  �'k  Ck' (1)
�γ
k,

'
k

0

(9)

8


Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể viết lại

�

K

sang

k 1

EH k'

�

K

sang

k 1

Ck' (  k )

, EH

và mỗi mục của tổng chỉ bao gồm biến  k duy nhất. Nếu vấn đề

này là giải pháp khả thi thì  có thể được thể hiện
Đáng chú ý là

C (  k  )

Ck (  k  )

�

K

�k

k 1

/
trong đó 0 � k �Ck (1) .

là một hàm tăng đều của  k từ đề xuất 1 và EH k là một

/
giảm đều đều của  k từ đề xuất 2 cho một  k nhất định, nếu Ck (  k ) bị hạn chế
/
*
bởi Ck (  k )   k thì  k tối ưu (ký hiệu là  k ) được tìm thấy ở các điều kiện biên,

tức là:
Ck' (  k* ) �k

(10)

*
/ 1
Hoặc  k  Ck ( k ) bởi vì đơn điệu, có thể được dễ dàng giải quyết bằng
*
bisection method đối với một số nhất định  k . Các giải pháp tối ưu toàn bộ {  k
/
} thu được khi mỗi Ck (  k ) đạt đến  k . Giới thiệu các thay đổi đơn giản để tiếp

tục chuyển đổi những ràng buộc vào những tiêu chuẩn tuyến tính, vấn đề tối ưu
hóa có định dạng dưới đây:
 r0
min  EH  
{�k }
 2

� P

� 1  C

P
�
K

j

j 1

K

j 1

j

j

K

2/
k 1
j

' 1
k

(�k )  k Pk2/

K

s.t.

�� �
k 1

k

�k  �'k  Ck' (1)
�γ
k,

'
k

0

(11)

/
Trong đó,  k , k ∈ {1, 2, ..., K} biểu thị các biến đơn giản. Từ các vến đề tối ưu

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 ưu
một cách dễ dàng. Thực hiện theo các hướng khả thi, lập trình tuyến tính này có
thể được thực hiện nhanh chóng bởi máy tính. Do đó, các giải pháp tối ưu trong
P1 có thể thu được.

9

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 hóa
năng 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 nhiều
công 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 để
nâng cao hơn nữa hiệu suất thu hoạch năng lượng.
2/
�� 1
� K
�Pj � 2 �
 k ( r )  1  exp � � *  1�
 � j � � r �
��
1  k
j 1
�
�Pk � �
�
�

(17)

Với r biểu thị khoảng cách giữa người sử dụng và BS phục vụ của mình.
Thiết kế này được lấy cảm hứng từ:
�
�
E

[

]

 k (r ) f Rk (r )dr   k* ,
k
�
�
0
�
0   k ( r )  1,
�
�
�
 ( r )   k ( r2 ) for r1  r2  (0,
�k 1

Trong đó,

f Rk (r )

),

(18)

là hàm mật độ xác suất của khoảng cách giữa thuê bao và BS

phục vụ của nó (thuộc thứ k-tầng).

10

*
 Phương trình (13a) duy trì sự mong đợi của ρk (r) để tối ưu  k được cố

định
 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 ) , cụ
thể là phương trình (12), mà hiệu quả đạt được tốt hơn hiệu suất thu hoạch năng
lượng trong khi hiệu suất bảo hiểm giữ rất gần để các giải pháp tối ưu cho những
trường 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 việc
khai thác năng lượng với chương trình DLPS được đề xuất. Điều này bao gồm
các 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 chương
trình 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.
Deyployment 1

symbol
Default Values
1
105 m 2

Deyployment 2
symbol
Default Values
1
1.5 x10 4 m 2
11


2

5 2
4X 10 m

2

P1

41dBm

P1

P2

33dBm

P2

1
2


8dB

1
2




2
A

 P2

8dB

4

174dBm / Hz



107 W

 P2

2
A

3 x104 m 2
32dBm
20dBm
6dBm
6dBm

4

174dBm / Hz

10 7 W

Bảng: Các ký hiệu và thông số

CHƯƠNG 5: THÔNG SỐ VÀ KẾT QUẢ THẢO LUẬN
Sau đây, chúng tôi trình bày so sánh của mô phỏng Monte Carlo và các
kết quả phân tích để đánh giá vùng phủ sóng và năng lượng hiệu suất thu hoạch
với chương trình PS. Chúng tôi sử dụng các giá trị mặc định trong Bảng trên trừ
khi có quy định khác và mô phỏng một mạng hai tầng trong một 10km × 10km
vuông khu vực có thu chuẩn tại gốc. Chúng tôi lấy mẫu 10000 và xác suất mô
phỏng được tính như (SINR ≥ ngưỡng) / 10000 và trung bình năng lượng thu
được bằng trung bình những 10000 kết quả sử dụng phương trình (4). Mô phỏng
này cũng trình bày khác nhau các loại triển khai ký hiệu là D1 và D2.
Hình 3 và 4 mô tả xac suất phủ sóng và năng lượng trung bình hiệu suất
thu hoạch trong một HCN 2-tầng. Trong hình 3, PS tỷ lệ là khác nhau nhưng
giống nhau ở mỗi tầng. Hình 4 cho thấy làm thế nào biến và tác dụng trung bình

năng lượng thu hoạch và các trường hợp xác suất phủ sóng bên dưới yêu cầu
được in bằng màu xanh đậm. Trước hết, kết quả cho thấy là kết quả lý thuyết của
chúng tôi kết hợp chặt chẽ tương ứng kết quả mô phỏng. Với mô hình kết nối
MLPR, cả hai số liệu cho thấy tỷ lệ PS đóng một vai trò quan trọng trong quá
trình thu năng lượng. Cụ thể, chúng tôi lưu ý rằng xác suất phủ sóng tăng đều với
sự tăng của ρ trong khi năng lượng thu hoạch bình quân lại giảm đều với sự gia
tăng của ρ, và những thay đổi của xác suất phủ sóng dần dần phẳng trong khi
12


biến đổi năng lượng thu hoạch trung bình giữ tuyến tính. Giá trị tối đa có nguồn
gốc chính xác khi bảo hiểm có khả năng đáp ứng các yêu cầu.

Kết quả thu được

Coverage Probability in 2­tier HCNs

0.8

 

Cov erage P robability

0.7
0.6
0.5
D1 theoretical C

0.4

D2 theoretical C

0.3
0.2
0.1
0 
0

0.1

0.2

0.3

0.4
0.5
0.6
 p = p1 = p2 

0.7

0.8

0.9

1

Hình 3 : Xác suất bao phủ trong mạng HCNs 2- tầng khi tỷ số PS thay đổi

13

­4

8

Average Harvested Energy in 2­tier HCNs

x 10

 

Average Harvested Energy (W)

7
6

D1 theoretical EH
D2 theoretical EH

5
4
3
2
1
0 
0

0.1

0.2

0.3

0.4
0.5
0.6
 p = p1 = p2

0.7

0.8

0.9

1

Hình 4: Năng lượng trung bình trong mạng HCNs 2- tầng khi tỷ số PS thay đổi

PHỤ LỤC
Chứng minh đề xuất 1.
Hãy xem xét một người sử dụng điển hình tại các nguồn gốc gắn liền với thứ k
tầng. Ký hiệu khi khoảng cách giữa người sử dụng và phục vụ của mìnhBS.
Hàm mật độ xác suất (x) của khoảng cách và xác suất mà người dùng đang kết
hợp với các tầng thứ k tương ứng được cho bởi [15]:
2/
�
�Pj � 2 �
2k
� K

�
f Rk ( r ) 
r exp �
 � j � � r �,
Ak
P
� j 1 � k � �
k Pk2/
Ak  K
�j 1 k Pk2/

Sự biến đổi dựa trên khoảng cách Rk:
K

C  �Ak ERk P(( SINR   k ) | Rk
k 1
K

�

 �Ak �P (( SINR   k ) | r ) f Rk (r )dr
k 1

0

14


Dựa vào P (( SINR   k ) | r ) ta
�

�
Pk hxk r 
�
Pk  P
� k r �
K

2
�
�
��j 1 �y� \ x Pj hy || y ||  p /  k
�
j k
�
�
� �
��
� K
 p2 �

 E�
exp �
 k Pk1r  �
P
h
||
y
||

�r �

�
�
�
j
y
� j 1 y� j \ xk
�
�
��

�
k �
�
��
� �

(a)

�K
E�
exp   k Pk1r  Pj hy || y || 
�
�
�j 1 y� j \ xk

� � k p2 r 
r�
exp �
�
� � Pk  k

�
�
�
�

Với (a) sau từ việc phân phối hulk. Và người đầu tiên nhân của là kết quả của sự
giao thoa giữa các tế bào, chúng tôi biểu thị bởi và có được
�K
�
Ik  E �
exp   k Pk1r  Pj hy || y ||  r �
�
�
�
�j 1 y� j \ xk
�K
�
1
 E�
r�
�
�
1 

�
�j 1 y� j \ xk 1   k Pk r Pj || y ||

(b )

�
�
�
y
 �exp �
 j �
dy �

1



�
0 1 P r P y
�
j 1
k k
j
�
�

(c) K

2/
K
�
�Pj � �
2
 exp �
 r  k 2 F1[1, 0.5;1.5;  k ]� j � � �

,
�
Pk � �
j 1
�
�
�

(d )

Với
(b) Phân phối kể từ mờ đi là độc lập và theo cấp số nhân phân phối với các đơn
vị trung bình
(C) sau từ tạo khả năng (PGFL) củaPPP [16].
(D) là kết quả của việc sử dụng một số tính chất của Gauss chức năng
hypergeometric và một số thao tác đại số.
Không-điều kiện trên , thay thế (14), (17) và (18) vào(16), chúng tôi có Dự Luật
1.

15


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Yongce Chen, Ying Wang, Ran Zhang, Xuemin (Sherman) Shen, “Optimization on Power
Splitting Ratio Design for K-tier HCNs with Opportunistic Energy Harvesting”. State Key
Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and
Telecommunications, Beijing 100876, P.R. China Department of Electrical and Computer
Engineering, University of Waterloo, 200 University Avenue West Waterloo, Ontario, Canada,
N2L 3G1.

16


17