عنوان پایان‌نامه
برداشت انرژی در شبکه های همیار بی سیمبا استفاده از روش های مبتنی بر تئوری بازی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-سیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2741;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69528
- تاریخ دفاع
- ۳۱ خرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- نوید ریحانیان
- استاد راهنما
- وحید شاه منصوری
- چکیده
- بکارگیری سلول‌های کوچک در شبکه‌های مخابرات سلولی، به عنوان یک راه‌حل برای بهبود ظرفیت و پوشش شبکه، یک ویژگی اصلی شبکه‌های سلولی آینده است. در این پایان‌نامه، ابتدا یک الگوریتم غیرمتمرکز برای تبادل انرژی میان ایستگاه‌پایه‌های خودخواه برداشت‌کننده‌ی انرژی پیشنهاد می‌کنیم. یک ایستگاه‌پایه زمانی که به میزان مورد نیازش انرژی برداشت نمی‌کند، مجبور است باقی انرژی را از منبع تجدیدناپذیر انرژی بخرد. به منظور کاهش مصرف انرژی تجدیدناپذیر، یک چهارچوب برای تبادل انرژی میان ایستگاهپایهها پیشنهاد می‌کنیم. با استفاده از نظریه تطبیق، ایستگاه‌پایه‌های دارای انرژی مازاد به ایستگاه‌پایه‌هایی که به اندازه‌ی کافی انرژی برداشت نکرده‌اند، منطبق می‌شوند. در الگوریتم تبادل انرژی متمرکز، ایستگاهپایهها در چهارچوب یک مزایده‌ی دوطرفه به تبادل انرژی می‌پردازند. نشان می‌دهیم که الگوریتم پیشنهادی با داشتن ویژگی‌هایی از جمله دارا بودن بودجه‌ی متعادل، راستگو و حفظ عقلانیت فردی ایستگاهپایهها، آنها را علاقه‌مند به شرکت در مزایده‌ی دوطرفه نگاه می‌دارد. در هر دو الگوریتم پیشنهادی علاوه براینکه میزان مصرف انرژی تجدیدناپذیر به صورت محسوسی کاهش می‌یابد، سود کسب شده توسط ایستگاهپایهها نیز افرایش می‌یابد. شبکه‌ی سلولی مشابهی در نظر گرفته می‌شود. تفاوت این شبکه با شبکه‌ی مورد بررسی در دو بخش قبلی این است که ایستگاه‌پایه‌های دارای انرژی مازاد به صورت همکارانه انرژی مازاد را با ایستگاه‌پایه‌های مواجه با کمبود انرژی به اشتراک می‌گذارند. برای اینکه ایستگاه‌پایه‌های مواجه با کمبود انرژی را برای دریافت انرژی به اشتراک گذاشته شده ترغیب کنیم، یک چهارچوب قیمت گذاری پیشنهاد می‌شود. مساله‌ی بیشینه کردن انصاف در توزیع انرژی فرمول‌بندی می‌شود. با استفاده از تکنیکهای بهینه‌سازی مسائل غیرمحدب، فرم‌بسته‌ی سهم انرژی تجدیدپذیر داده شده به هر ایستگاه‌پایه‌های مواجه با کمبود انرژی بدست آورده شده است که این سهم انصاف در توزیع انرژی را بیشینه می‌کند. مساله‌ی کمینه کردن هزینه‌ی استفاده از شبکه‌ی هوشمند برای توزیع انرژی تجدیدپذیر فرمول‌بندی می‌شود و یک الگوریتم برخط برای تقریب زدن جواب آن پیشنهاد می‌گردد. برخلاف شبکه‌های قبلی، در فصل سوم، گیرنده‌ها برداشت‌کننده‌ی انرژی هستند و فرستنده به منبع ثابت انرژی متصل است. در این فصل ، دو گیرنده مستقل در نظر گرفته شده‌اند که کانال‌های بین فرستنده و گیرنده‌ها از نوع پاک‌شونده است. یک الگوریتم احتمالی با فیدبک برای ارسال بستههای هر گیرنده مورد استفاده قرار گرفته است و نشان می‌دهیم که این الگوریتم احتمالی به ظرفیت کانال‌های همه‌پخشی دارای دو گیرنده می‌رسد. دو مورد در نظر گرفته شده است. در مورد اول، گیرنده‌ها با نرخهای ثابت به برداشت انرژی می‌پردازند. در مورد دوم، نرخهای برداشت انرژی در هر گیرنده در بازه‌های زمانی متفاوت، مختلف است و از قبل دانسته شده است. با استفاده از تعداد بستههای دریافتی و مدت زمان شارژ گیرنده‌ها، گذردهی گیرنده‌ها محاسبه می‌شود. نشان می‌دهیم که می‌توان با طراحی سرآیند برای بستههای همه‌پخشی شده، تعداد بستههای دریافتی توسط گیرنده‌ها را تنظیم کرد و به مدیریت مصرف انرژی برداشتی پرداخت. برای هر مورد، مساله‌ی بهینه‌سازی تعداد بستههای ارسالی و مدت زمان شارژ فرمول‌بندی می‌شود. سپس، مجموع وزن‌دار گذردهی گیرنده‌ها را بیشینه می‌کنیم. درنهایت برای هر مورد یک خط‌مشی سخن پراکنی پیشنهاد می‌شود. واژه‌های کلیدی: برداشت انرژی، شبکه‌ی سلولی چند لایه، نظریه تطبیق، تعادل نش، مزایده‌ی دوطرفه، همکاری انرژی، شبکه‌ی هوشمند، همه‌پخشی با فیدبک، کانال پاک‌شونده، گذردهی گیرنده‌ها.
- Abstract
- Deploying small cells in cellular networks, as a technique for capacity and coverage enhancement, is an indispensable characteristic of future cellular networks. In this thesis, a novel online decentralized algorithm for enabling energy trading in multi-tier cellular networks with selfish energy harvesting capable base stations (BSs) is proposed. A BS uses the non-renewable energy when it cannot harvest sufficient energy to serve its connected users. To minimize the non-renewable energy consumption, we establish a framework for trading energy such that BSs with energy deficit are stimulated to compensate their energy shortage with the extra harvested energy of other BSs. BSs with energy deficit are assigned to BSs with extra harvested energy by using matching theory. The extra harvested energy is distributed by the smart grid. Along with energy trades, BSs gain more profit and their utility functions enhance. In a centralized approach, a double auction trading framework is proposed to motivate BSs with the extra harvested energy to share their surplus energy with BSs that have not harvested sufficient energy. In addition, BSs with energy deficit are timulated to buy surplus energy of other BSs which results in reducing of the non-renewable energy consumption. We show that the algorithm satisfies truthfulness, individual rationality and budget balance and it reaches the Nash equilibrium. The extra harvested energy is distributed by the smart grid that prevents the waste of harvested energy due to limited battery capacities. Simulations results show that the non-renewable energy consumption reduces considerably when the algorithm is applied, and BSs utility functions enhance. In a similar multi-tier cellular networks, we propose a novel online centralized algorithm for energy cooperation among energy harvesting capable BSs. BSs with the extra harvested energy operate cooperatively and share their surplus energy with BSs that have not harvested sufficient energy. To stimulate BSs with energy deficit to use the shared energy of other BSs, an energy pricing framework is established which results in reducing of the non-renewable energy consumption. We formulate the problem of maximizing the fairness of the renewable energy distribution. The closed-form of energy share given to each BS with energy deficit is found, by which the renewable energy distribution fairness is maximized. Energy is shared by the smart grid. The problem of minimizing the smart grid usage cost for distributing energy is formulated and an online algorithm is proposed to approximate its solution. Simulation results show that the approximate algorithm reduces the non-renewable energy consumption significantly and reduces the cost of smart grid usage near to the optimal solution. In the rest of the thesis, an optimal scheduling for broadcasting packets to two receivers over erasure channels with feedback is studied. We propose a probabilistic algorithm for packet broadcasting to two receivers, and it is demonstrated that the algorithm is capacity achieving. The probabilistic algorithm is a feedback-based network coding algorithm. By using the probabilistic broadcasting algorithm, we formulate the problem of maximizing the weighted sum of energy harvesting receivers throughputs for any desired number of channel uses. Two cases are considered. In the first case, the energy harvesting rates of receivers are constant. In the second case, the harvesting rate of each receiver changes during time slots and are known prior to transmissions. For each case, we optimize number broadcasted packets and charging time in order to maximize the weighted sum of throughputs, and then, two packet broadcasting policies are proposed. Key words: Energy harvesting, multi-tier cellular network, matching theory, Nash equilibrium, double auction, energy cooperation, smart grid, broadcasting with feedback, erasure channel, receivers throughputs.
