• صفحه اصلی
  • افزایش مجموع گذردهی و به صفر رساندن رد درخواست در یک شبکه سلولی

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : 1401120841378 بازدید : 3811 صفحه: 63 - 77

20.1001.1.27170411.1401.14.53.4.4

نوع مقاله: پژوهشی

افزایش مجموع گذردهی و به صفر رساندن رد درخواست در یک شبکه سلولی

محورهای موضوعی : فناوری اطلاعات و ارتباطات

محسن سیدی ساروی 1 , محمدرضا بینش مروستی 2 * , سیده لیلی میرطاهری 3 , سید امیر اصغری 4

1 - دانشجو دکترا دانشگاه آزاد اسلامی واحد قم
2 - دانشگاه خوارزمی
3 - دانشگاه خوارزمی
4 - دانشگاه خوارزمی

تاریخ دریافت : 1400/06/28 تاریخ پذیرش : 1401/05/24 تاریخ انتشار : 1401/12/10

کلید واژه: شبکه سلولی, گذردهی, مصرف توان, رد درخواست,

چکیده مقاله :

تضمین کیفیت ارائه سرویس های از راه دور در شبکه های سلولی، نیازمند توجه به معیارهای مهمی مانند گذردهی، مصرف توان و تداخل در این شبکه هاست. از آنجاییکه همیشه محدودیت در توان ارسال چه از نظر محدودیت های سخت افزاری و باتری و چه از نظر قوانین رگولاتوری در دنیای واقعی وجود دارند، در این مقاله یک چارچوب برای بهینه ساختن این معیارها با فرض محدودیت توان ارسال گره-های متحرک در یک شبکه سلولی بی سیم ارائه می گردد.. برای ارائه این چارچوب، ابتدا بعد از مطالعه روش های موجود و مقایسه معایب و مزایای آنها، یک ایده جدید مطرح شد و بعداز اثبات فرمولی این ایده، مراحل شبیه سازی آن در نرم افزار متلب انجام گردید. روش هایی که تاکنون ارائه شده بودند، یا با فرض نامحدود بودن توان ارسال، گذردهی را افزایش می دادند و یا باعث عدم دستیابی برخی از گره ها به سرویس ارتباطی می شدند. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی، علاوه بر افزایش 27 درصدی گذردهی، مصرف توان گره های متحرک در شبکه را هم به یک چهارم کاهش می دهد و همچنین به شکلی عمل میکند تا هیچ گره ای، سرویس ارتباطی خود را از دست ندهد.

چکیده انگلیسی:

Quality assurance of providing remote services in cellular networks necessitates attention to significant criteria such as throughput, power consumption, and interference in these networks. Accordingly, this paper presents a framework for optimizing these criteria by assuming a limited transmission capacity for mobile nodes in a wireless cellular network as limitations in the transmission capacity often exist both in terms of hardware, battery limitations, and regulatory rules in the real world. In presenting this framework, a new idea was proposed once the existing methods were examined and their advantages and disadvantages were compared, respectively. After the formula was proved, the idea's simulation steps were performed via MATLAB. Present methods either increased the throughput by assuming unlimited transmission power or prevented some nodes from accessing the communication service. The simulation results showed that the proposed algorithm reduced the power consumption of mobile nodes in the network by a quarter in addition to increasing the throughput by 27%, and further operated in a way that no node would lose communication service

منابع و مأخذ:

[1] M. Rasti, A. R. Sharafat, and J. Zander, “A Distributed Dynamic Target-SIR-Tracking Power Control Algorithm for Wireless Cellular Networks,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 59, no. 2, pp. 906–916, Feb. 2010.
[2] Carlos Gandarillas ; Carlos Martín-Engeños ; Héctor López Pombo ; Antonio G. Marques, “Dynamic transmit-power control for WiFi access points based on wireless link occupancy 2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2014.
[3] M. Rasti, A. R. Sharafat, and J. Zander, “Pareto and Energy-Efficient Distributed Power Control with Feasibility Check in Wireless Networks,” IEEE Trans. Inf. Theory, Volume: 57, no. 1, pp. 245–255, Jan. 2011.
[4] Sheyda Zarandi ; Mehdi Rasti, “Energy efficient resource allocation in two-tier heterogeneous network with inband full-duplex communications”, IEEE Conferences Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), pp. 2072 – 2077, 2017.
[5] Kamal Singh, “Optimal Power Control in Decentralized Gaussian Multiple Access Channels”, IEEE Communications Letters, Volume: 22, Journal Article, Publisher: IEEE, 2018 .
[6] Sixing Yin; Lihua Li; F. Richard Yu. “Resource Allocation and Base station Placement in Downlink Cellular Networks Assisted by Multiple Wireless Powered UAVs”. IEEE Transactions on Vehicular Technology, pp. 2171 – 2184, 2020.
[7] Z. Chen; k. Chi; K. Zheng; Y. Li; X. Liu. "Common Throughput Maximization in Wireless Powered Communication Network with Non-C\Orthogonal Multiple Access". IEEE Transactions on Vehicular Technology, pp:7692 – 7706, 2020.
[8] J. Zhao; F. Shen; J. Joung. Throughput Maximization with Rate-Dependent Power Consumption in Battery-Limited Multiuser Networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology; pp: 1141 – 1146, 2020.
متن کامل:


 

دو فصلنامه علمي

فناوري اطلاعات و ارتباطات ایران

سال چهاردهم، شماره‌هاي 53 و 54، پاییزو زمستان 1401

صفحات: 63 تا 77

E:\E Drive\logo\iicta Logo0.JPG 

 

 

Increasing the Total Throughput and Zeroing the Request Rejection (Outage) in a Cellular Network

 

Mohsen Seyyedi Saravi* , Mohammadreza Binesh Marvasti **, Seyyed Amir Asghari Tochaei**, Seyyedeh Leili Mir Taheri**

*Ph.D. Student, Faculty of Computer Engineering, Islamic Azad University (Qom Branch) Iran

**Department of Electrical and Computer Engineering, Kharazmi University, Iran 

 

 

Abstract

Guaranteeing high-quality remote services in cellular networks requires considering important criteria such as throughput, power consumption, and interference in these networks. Regarding the ever-existing limitations in sending power, in terms of hardware and battery limitations and regulatory laws in the real world, the preset study develops a framework to optimize these criteria by assuming. In this process, the limitation of the sending power of mobile nodes in a Wireless cellular network is taken into account. To this end, a novel method is proposed by reviewing the existing methods and comparing their advantages and disadvantages. The method is analytically modeled and then simulated in the MATLAB environment. The previous methods either increase the throughput by assuming an unlimited transmission power or prevent access of some nodes to the communication service. The simulation results showed that the proposed algorithm increases throughput by 27% and reduces the power consumption of mobile nodes in the network to a quarter. Moreover, it works such that no node does not lose its communication service.

Keywords: cellular network, throughput, power consumption, outage

 

 

افزایش مجموع گذردهی و به صفر رساندن رد درخواست

در یک شبکه سلولی

محسن سیدی ساروی1°*، محمدرضا بینش مروستی**، سید امیر اصغری ** سیده لیلی میرطاهری**

 

*دانشجوی دکترا ، دانشکده مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد قم

**دکترا ، گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه خوارزمی

تاریخ دریافت: 28/06/1400       تاریخ پذیرش:24/05/1401

نوع مقاله: پژوهشی

 

چکیده

تضمین کیفیت ارائه سرویس­های از راه دور در شبکه­های سلولی، نیازمند توجه به معیارهای مهمی مانند گذردهی، مصرف توان و تداخل در این شبکه­هاست. از آنجاییکه همیشه محدودیت در توان ارسال چه از نظر محدودیت­های سخت افزاری و باتری و چه از نظر قوانین رگولاتوری در دنیای واقعی وجود دارند، در این مقاله یک چارچوب برای بهینه ساختن این معیارها با فرض محدودیت توان ارسال گره­های متحرک در یک شبکه سلولی بی­سیم ارائه می­گردد. برای ارائه این چارچوب، ابتدا بعد از مطالعه روش­های موجود و مقایسه معایب و مزایای آنها، یک ایده جدید مطرح شد و بعداز اثبات فرمولی این ایده، مراحل شبیه­سازی آن در نرم افزار متلب انجام گردید. روش­هایی که تاکنون ارائه شده بودند، یا با فرض نامحدود بودن توان ارسال، گذردهی را افزایش می­دادند و یا باعث عدم دستیابی برخی از گره­ها به سرویس ارتباطی می­شدند. نتایج حاصل از شبیه­سازی نشان می­دهد که الگوریتم پیشنهادی، علاوه بر افزایش 27 درصدی گذردهی، مصرف توان گره­های متحرک در شبکه را هم به یک چهارم کاهش می­دهد و همچنین به شکلی عمل می­کند تا هیچ گره­ای، سرویس ارتباطی خود را از دست ندهد.

واژگان کلیدی: شبکه­ سلولی، گذردهی، مصرف توان، رد درخواست

 

[1] ° نویسنده مسئول: محمدرضا بینش مروستی m.seyyedi@aut.ac.ir

1.       مقدمه

ارتباطات به بزرگترین انگیزه برای توسعه فناوری در قرن 21 تبدیل شده است. توسعه ارتباطات به تجارت، صنعت، فرهنگ و روابط بین انسان­ها کمک می­کند. از نظر فنی، جنبه­های مختلفی در این ارتباط  حائز اهمیت می­باشد. دستگاه­های ارتباطی مانند گوشی­های هوشمند، معمولاً بی­سیم هستند و بنابراین ملاحظات خاصی برای آنها وجود دارد، مانند اهمیت مصرف انرژی، محدودیت باتری، و مسایل امنیتی. یکی از معیارهای مهم در کارایی یک سیستم ارتباطی شامل چندین کاربر، مجموع گذردهی آن سیستم است که شاخصی برای اندازه­گیری بهره­وری و ضمانت کیفیت سرویس در آن شبکه می­باشد. گذردهی در یک سیستم ارتباطی، با جنبه­های مختلفی از سیستم مانند کیفیت کانال، نویز محیط، توان ارسال سیگنال، محدودیت­های رگولاتوری در توان ارسال سیگنال، فرکانس و الگوریتم­های مورد استفاده در دستگاه، ارتباط دارد. با توجه به اهمیت گذردهی یک سیستم شامل دستگاه­های ارتباطی و تلفن­های هوشمند که عموماً در شبکه­های سلولی باهم ارتباط برقرار می­کنند، هم از نظر ارتقاء کیفیت کانال جهت دریافت و ارسال داده و هم از نظر محدودیت انرژی برای ارسال پیغام با توجه به بی­سیم بودن این سیستم­ها،  ارائه روشی برای افزایش گذردهی، کاهش مصرف توان و نیز کاهش رد درخواست با استفاده از کنترل توان پویا توسط هر گره، اهمیت پیدا می­کند. منظور از کنترل توان پویا، تغییر توان ارسال سیگنال بصورت لحظه­ای، به منظور حفظ پایداری سیستم و همچنین استفاده حداکثری از ظرفیت کانال برای ارسال پیغام است. این افزایش توان باید به شکلی باشد تا نویز و تداخل غیرقابل کنترل روی سایر دستگاه­هایی که در این سیستم قرار دارند، ایجاد نشود. موارد فوق نشان می­دهد که ضرورت استفاده از روش­ها و ابزارهای جدید برای افزایش بهره­وری در این حوزه، دارای اهمیت است. روش پیشنهادی در این مقاله به گره­های بی­سیمی که در یک شبکه سلولی قرار دارند، اجازه می­دهد تا با حداکثر توان ارسال، البته تا جاییکه منجر به ایجاد تداخلی بیش از حد تحمل گره­های دیگر نشود و باعث قطع شدن ارتباط سایر گره­ها با شبکه نگردد، گذردهی خود را بالا برده و در نتیجه گذردهی کل سیستم افزایش یابد. در روش­های قبلی، معمولاً یک جنبه مانند نرخ رد درخواست گره­ها در شبکه و یا افزایش گذردهی شبکه بدون توجه به محدودیت­های فیزیکی مصرف انرژی مورد بررسی قرار گرفته است. در روش پیشنهادی ما، علاوه بر اینکه سه معیار افزایش گذردهی، به صفر رساندن نرخ رد درخواست گره­های موجود در شبکه و کاهش مصرف انرژی در نظر گرفته شده است، محدودیت­های مربوط به توان بیشینه نیز لحاظ گردیده است. روش پشنهادی در فاز مقدماتی از روش­ها و الگوریتم­های پیشین استفاده می­کند، اما در جاییکه ادامه کار منجر به رد درخواست برخی از گره­ها و یا استفاده از توان غیرمجاز یا غیرعملی توسط برخی از گره­ها می­شود، از فرمول پیشنهادی که در همین مقاله مورد اثبات قرار گرفته است استفاده می­کند تا برخلاف روش­های قبل، بتواند در هر سه معیار مورد نظر که در بالا به آنها اشاره گردید، بهبود ایجاد نماید. اثبات فرمولی در این مقاله منجر به ارائه فرمول جدید محاسباتی شده است و نتایج شبیه­سازی­هایی که با داده­های یکسان بین الگوریتم­های پیشین و روش پیشنهادی در محیط MATLAB انجام گرفته است، صحت نتایج را ثابت می­کند. 

1-2. بیان مساله

کاربرانی که باهم در یک شبکه سلولی قرار دارند و با گوشی­ها و دستگاه­های هوشمند باهم به تبادل پیغام می­پردازند، بصورت تصادفی در یک محیط محدود پراکنده شده و با ارتباط بی­سیم، یک شبکه را تشکیل می­دهند و مجهز به باتری برای تامین انرژی مصرفی می­باشند. منظور از محیط محدود، یک سلول مخابراتی است که امروزه در شبکه­های سلولی مخابراتی مورد توجه قرار می­گیرد. یکی از اهدف این تحقیق، افزایش گذردهی این سیستم بوسیله کنترل توان هر کاربر است. می­توانیم از کلمه گره1 بجای کاربر استفاده ­کنیم. هر گره، وقتی پیغامی را در قالب یک سیگنال ارسال می­کند، SINR2 خودش را دارد. یکی از معیارهای مهم در ارزیابی کارایی یک سیستم ارتباطی شامل چندین کاربر، مجموع گذردهی آن سیستم است که شاخصی برای اندازه­گیری بهره­وری و ضمانت کیفیت سرویس در آن شبکه می­باشد. گذردهی در یک سیستم ارتباطی، با جنبه­های مختلفی مانند کیفیت کانال، نویز محیط، توان ارسال سیگنال، محدودیت­های رگولاتوری در توان ارسال سیگنال و فرکانس و همچنین الگوریتم­های مورد استفاده در دستگاه، ارتباط دارد. مجموع SINR تمام گره­ها بعنوان شاخصی از گذردهی کل سیستم است که دستیابی به کیفیت مناسبی از سرویس را نشان می­دهد. ابهامات مساله، عبارتست از چگونگی پراکندگی گره­ها، متفاوت بودن SINR آنها و تغییراتی که ممکن است در SINR بسته به نوع کاربرد ایجاد شود، اولویت­بندی گره­ها برای دسترسی به کانال که می­تواند کاربردهای متنوعی برای این نوع شبکه­ها را تعریف نماید. تفاوت در SINR از آنجا ناشی می­شود که کیفیت سرویس در سرویس­های مختلف، باهم فرق دارد. مثلاً تضمین کیفیت شبکه برای انتقال یک فایل در مقایسه با تضمین کیفیت شبکه برای برقراری یک مکالمه تصویری بین دو کاربر، باهم متفاوت است. متغییرهای اصلی عبارتند از توان ارسال داده توسط هر گره، بهره­مسیر و نیز تداخل کل سیستم بر روی یک گره و تداخلی که یک گره برای سایر گره­ها ایجاد می­کند، تداخل موثر، SINR و نویز محیط که بسته به شرایط کاربرد و محیط های مختلف کاری، متغییر است. در این میان، مدیریت تداخل نیز بسیار مهم است، زیرا اگر مدیریت نشود، بیشتر از دو گره نمی­توانند باهمدیگر ارتباط برقرار کنند. هرچه فاصله دو گره که باهم ارتباط بی­سیم دارند بیشتر شود، تضعیف سیگنال نیز بیشتر خواهد بود. در حالت متمرکز، باید سیگنال­های کنترلی از مرکز ارسال شود و پهنای باند را اشغال می­کند و نیاز به همزمانی نیز دارد. بنابراین اگر سیستم توزیع­شده باشد نیاز به هماهنگی از یک گره مرکزی نداشته و از سربار شدن سیگنال­های کنترلی، ایجاد گلوگاه در مدیریت و سایر مسایل اجتناب می­شود.

1-3. فرضیه های تحقیق

فرضیه­های این تحقیق عبارتند از:

1.       دستگاه­های هوشمند یا گره­ها، بصورت تصادفی و توزیع پواسون در یک سلول مخابراتی پراکنده شده­اند و بهره مسیر متفاوتی از هم دارند.

2.       گره­های موجود در یک شبکه سلولی مخابراتی، می­توانند با کنترل پویای توان ارسال سیگنال، نسبت به افزایش SINR خود و بهبود کیفیت ارتباطات، اقدام کنند.

3.       افزایش توان ارسال سیگنال گره­ها، می­تواند باعث ایجاد تداخل و نویز روی ارتباط سایر گره­های موجود در آن سلول و یا حتی سلول­های مجاور در شبکه شود.

4.       افزایش گذردهی کل سیستم در یک شبکه سلولی مخابراتی، باید بدون حذف سایر گره­های ضعیف­تر (از نظر کیفیت کانال ارتباطاتی و یا از نظر وضعیت باتری) انجام شود.

5.       باید یک مصالحه بین توان ارسال سیگنال، توان و مصرف باتری و همچنین تداخل و نویز قابل تحمل در محیط برای دستیابی به بهترین گذردهی در سیستم برقرار شود.

1-4. روش تحقیق

در این مقاله، ایده اصلی با استفاده از فرمول­های ریاضی، اثبات می­شود. برای تایید نتایج عملی، کدنویسی و شبیه­سازی الگوریتم پیشنهادی برمبنای اثبات فرمولی، در نرم افزار MATLAB انجام شده است. داده­های مورد نیاز در شبیه­سازی، توسط توابع تصادفی با توزیع پواسون، در نرم افزار MATLAB در بازه­های منطقی تولید شده و عملیات شبیه­سازی الگوریتم قبلی و پیشنهادی، با همان داده­ها انجام شده­است. نتایج حاصله از شبیه­سازی، در پارامترهای مورد نظر تحقیق مانند مجموع گذردهی سیستم، مصرف توان و رد درخواست با نتایج حاصل از شبیه­سازی الگوریتم­ قبلی با همین دیتاست موجود، مقایسه گردیده است. 

ادامه این مقاله به­صورت زیر سامان­دهی شده است:

در بخش دوم، کارهای پیشین مورد بررسی و مرور قرار می­گیرد و در بخش سوم، مدل سیستم ارائه می­شود. در بخش چهارم، الگوریتم­های فعلی مرتبط با موضوع مقاله بیان شده و در بخش پنجم، روش پیشنهادی ارائه و بعداز اثبات فرمولی، شبیه­سازی می­شود و نتایج حاصل از شبیه­سازی، مورد بررسی و مقایسه قرار می­گیرد، و در نهایت در بخش ششم، نتیجه­گیری تحقیق بیان می­شود.

 

2.       کارهای پیشین

فعالیت­های مختلفی بر­روی ارزیابی و یا افزایش گذردهی در پروتکل‌های ارتباطی بی­سیمِ شبکه­های سلولی انجام شده­است. در طول دهه 90، تحقیقات زیادی انجام گرفت و نتیجه این شد که با استفاده از روش­های متمرکز و نه توزیع­شده، می­توان به بهینه سازی روش­های کنترل توان ارسال توسط گره­ها برای دستیابی به SINR مورد نظر دست یافت.

در پژوهشی در سال 2010، روش­های اصلی کنترل توان ردیاب هدف SINR پویای توزیع­شده از جمله 3TPC و OPC4 بصورت دقیق بررسی شده­اند ]1[ و سپس با استفاده از مزیت هرکدام از این روش­ها، روش جدیدی به نام DTPC5 معرفی گردیده­است. این روش جدید، علاوه بر اینکه دستیابی تمام گره­ها به SINR هدف را تضمین می­کند، بلکه حداکثر توان کل سیستم و بهینه­سازی آن را نیز فراهم می­نماید. ضعف این روش در این است که توان ارسال گره­ها به­صورت نامحدود درنظر گرفته شده­است، درحالی­که در عمل، محدودیت­های سخت­افزاری و رگولاتوری وجود دارد. در این مقاله ]2[، یک طرح DTPC ساده اما جدید برای نقاط دسترسی  802.11n ارائه شد. کاهش توان ارسال، تداخل در سلول مورد نظر و سلول­های مجاور را کاهش می دهد و از این رو مزایایی را برای همه WLAN های مجاور ایجاد می­کند. طرح DTPC در یک شبیه­ساز مورد آزمایش قرار گرفت و مزایای نظری فوق مورد تأیید قرار گرفت. در ]3[ مشکل حذف تدریجی کاربران در شبکه­های بی­سیم در جایی­که تعداد اندکی از گره­ها باید حذف شوند تا سیستم برای سایر گره­ها پایدار باشد مطرح شد و یک روش کنترل توان توزیع­شده با حذف موقت و بررسی پایداری سیستم DFC6 ارائه گردید. این روش از دست دادن گره­ها در یک سیستم را به مقدار کمینه می­رساند و مصرف توان ارسال را نیز در گره­ها کاهش می­دهد. در تحقیق دیگری، صرفه­جویی در مصرف باتری گره­ها با توجه به محدودیت ظرفیت ذخیره­سازی باتری در شبکه­های بی­سیم مورد توجه قرار گرفت و یک راهبرد کنترل توان برخط نیز ارائه گردید ]4[. در مقاله دیگری در سال 2018، کنترل توان بهینه در کانال­های دسترسی چندگانه گاوسی غیرمتمرکز مورد بررسی گرفت، به طوری که میانگین توان مصرف شده توسط گره­ها در کل سیستم، حداکثر باشد ]5[.

در سال 2020، کاری مشابه تحقیق ما انجام گرفت، اما با این روش که ایستگاه­های پایه7 که در شبکه­های سلولی ثابت هستند، بصورت متحرک و با استفاده از فناوری پهباد، متحرک در نظر گرفته شدند ]6[. این پهبادها با دریافت اطلاعات دستگاه­ها برای حل 3 مشکل فرعی شامل ارتباط کاربران، تخصیص منابع و محل قرارگیری ایستگاه پایه، با استفاده از الگوریتمی مبتنی بر روش جریمه و بهینه­سازی متوالی محدب8 بعنوان روش پیشنهادی فعالیت می­کنند. در نهایت حتی با افزوده شدن تعداد این ایستگاه­ها یا پهبادها، سربار حاصل از افزونگی ارتباطی به علت تبادل پیغام بالای این روش در شبکه، از حد مورد قبول فراتر رفت. درهمین سال مقاله دیگری شبکه­های ارتباطی بی­سیم با مجموعه­ای از گره­ها را در نظر گرفت که به یک هاب متصل می­باشند. نویسندگان این مقاله فرض کردند که انرژی این گره­ها، از طریق انرژی فرکانس رادیویی تامین می­شود و هدف آن به حداکثر رساندن گذردهی گره­ها در این سیستم است. در این سیستم برای کاهش مصرف انرژی، تداخل­ها شناسایی و مدام برطرف می­شود. نتایج شبیه­سازی و اثبات فرمولی در این تحقیق نشان داد که این راه حل، فعلاً غیر قابل اجراست ]7[.

در مقاله­ای دیگر، یک سیستم با چند گره در نظر گرفته شده و تمرکز این تحقیق نیز بر مصرف باتری و دوام آن قرار داده شده است ]8[. هر دستگاه با یک باتری و با ظرفیت محدود در این سیستم قرار گرفت. حداکثر توان عملیاتی و جمع حداکثر توان مصرفی بعنوان دو مشکل برای بهینه­سازی سیستم معرفی شدند. شبیه­سازی­های عددی در این تحقیق نشان داد که با استفاده از الگوریتم­های پیشنهادی، توان عملیاتی مورد انتظار از سیستم بالا می­رود. در این تحقیق، مصرف باتری کم شده و در نتیجه تعداد گره­هایی که در محیط قرار دارند و به شبکه متصل شده­اند افزایش می­یابد، در حالیکه در روش پیشنهادی ما در این مقاله، تمرکز بر افزایش گذردهی و افزایش توان عملیاتی تا حد ممکن و در راستای افزایش گذردهی و عدم حذف گره ضعیف از سیستم قرار گرفته است. 

در این مطالعه ]9[، طرح کنترل توانی پیشنهاد شده است که در آن ابتدا الزامات کاربر اولویت­دار برآورده شده و سپس تا حد امکان تعداد زیادی از کاربران عادی به SINR های هدف خود می­رسند. علاوه بر این، اگر یک کاربر عادی به SINR هدف خود رسیده باشد، نیازی به به­روز رسانی سطح توان ارسال خود ندارد، بلکه فقط کاربران عادی که به SINR هدف خود نرسیده باشند، سطح توان ارسال خود را افزایش می­دهند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد طرح پیشنهادی از نظر مصرف توان و کارایی بهتر از TPC و در شرایط خاصی نیز بهتر از OPC عمل می‌کند.

در پژوهش دیگری ]10[، تخصیص توان در شبکه های سلولی با در نظر گرفتن محو شدن ناکاگامی9 پیشنهاد شده است. محو شدن ناکاگامی برای پراکندگی چند مسیری در خوشه‌های متفاوتی از امواج منعکس شده رخ می‌دهد. در هر خوشه، فازهای تک تک امواج منعکس شده تصادفی هستند، اما زمان تاخیر تقریباً برای همه امواج برابر است. هدف این پژوهش بهینه­سازی مصرف انرژی دستگاه­ها و گذردهی شبکه با توجه به محدودیت­های احتمال  رد درخواست است و در آن الگوریتم­های تخصیص توان برای به حداکثر رساندن توان و بهره­وری انرژی و با روش دیفرانسیل و تفریقی و تکرار شوندگی ارائه شده است.

در مقاله­ دیگری ]11[ احتمال رد درخواست و نسبت SINR بعنوان مشکلات تخصیص توان در نظر گرفته شده و با استفاده از نظریه Perron-Frobenius و برنامه نویسی هندسی (GP10) به ارائه راه حل پرداخته است. نتایج ارائه شده نشان می‌دهد طرح‌های تخصیص توان پیشنهادی عملکرد بهتری نسبت به کنترل توان ردیابی SINR هدف نسبت به الگوریتم­های TPC، OPC و DFC دارد. اما الگوریتم DTPC که شکل کامل­تر و بهینه­تر این الگوریتم­ها می­باشد، در این مقاله مورد بررسی و مقایسه قرار نگرفته است. در حالیکه ما در این پژوهش با تمرکز بر بهینه­ساختن DTPC، روش پیشنهادی خود را ارائه می­دهیم.

3.       مدل سیستم

3-1. تداخل11 

تداخل به این معنی است که توان یک گره در گره دیگر، اثر منفی داشته باشد. در CDMA12 هم در مدل تک سلولی و هم در مدل چند سلولی تداخل وجود دارد. زیرا حامل­ها در فضای کد از هم جدا هستند و در فضای زمان و فرکانس، باهم یکی می­باشند. بنابراین گره­های داخل یک سلول هم بر روی هم تداخل دارند.

3-2. کنترل توان 

در شبکه­های ارتباطی بی­سیم، مساله کنترل توان از دو جنبه اهمیت دارد، اول اینکه گره­ها متحرک هستند و برای تامین انرژی به برق شهر متصل نمی­باشند، دوم اینکه تغییرات در توان ارسال، از نظر تداخل بر روی گره­ها دیگر حایز اهمیت است. زیرا بر روی کیفیت سرویس آنها تاثیر می­گذارد. در این مقاله برای بررسی اثر توان ارسالی یک گره بر روی سایر گره­ها، یک مدل تک سلولی را در نظر گرفته شده که در آن از روش CDMA استفاده می­شود.

3-3. توان ارسال13 و توان بیشینه

اندازه توان ارسال، تداخل و سایر معیارهای موثر در موضوع مورد نظر با روابط ریاضی نشان داده می­شوند. توان ارسال با   و توان بیشینه، با  نشان داده می­شود. توان ارسالی هر گره، باید عددی مثبتی بوده و از صفر بزرگتر باشد و مقدار آن نمی­تواند از مقدار  بزرگتر باشد (). توان ارسالی بیشینه، مقداری است که سیستم به­علت مقرراتی که رگولاتور تعیین کرده و یا محدودیت­های سخت­افزاری، قادر به افزایش توان بیشتر از آن نمی­باشد. توان دریافتی و یا اثر توان در گیرنده، با   نشان داده­می­شود و طبق رابطه (1)، از ضرب بهره­مسیر14 در توان ارسالی محاسبه می­شود:

در رابطه (1)، بهره­مسیر با  و توان ارسال با  نشان­داده می­شود. تداخلی که بر­روی هر گره و یا هر کاربر وجود دارد، مجموع توان دریافتی سایر گره­هاست که با نشان داده می­شود. بنابراین، اگر مجموع توان دریافتی همه گره­ها، به جز گره گیرنده محاسبه شود، و مقدار آن با نویز موجود در محیط که با  نمایش داده می­شود جمع گردد، تداخل ایجاد شده روی گره یا کاربر مورد نظر با رابطه (2) محاسبه می­شود ]1[:

 

(1)

3-4. محدودیت در توان ارسالی

برخی از محدودیت­ها در افزایش توان ارسال، وابسته به فناوری یا رگولاتوری و یا بر اثر سایر معیارها مانند عدالت15 در ارائه سرویس به همه گره­ها می­باشد. گاهی محدودیت­ها، وابسته به فناوری یا رگولاتوری نیستند، ولی به ذات خود سیستم برمی­گردد و نامحدود بودن توان ارسال امکان­پذیر نیست.

بنابراین از قید  در مسایل و الگوریتم­ها استفاده می­شود. بهره­مسیر در هیچ شرایطی منفی نمی­شود. از این محدودیت در تعریف شبکه بی­سیم با تداخل محدود16 استفاده می­شود. اگر حد بالا در نظرگرفته نشود و  افزایش زیادی پیدا کند، برای سایر گره­ها تداخل ایجاد می­شود. اگر توان بی­نهایت بشود، بازهم محدودیت پایین وجود دارد و ممکن است دسترسی به SINR قابل قبول برای تمام گره­ها امکان­پذیر نباشد.

3-5. سطح سیگنال دریافتی

معیار SINR، سطح سیگنال دریافتی گره i است که از توان دریافتی گره تقسیم بر تداخلی که سایر گره­ها ایجاد می­کنند بعلاوه نویز محیط که با  نشان داده می­شود، بدست می­آید. نسبت سیگنال به تداخل یا SINR در گره i با معیار   در رابطه (3) نشان داده شده است ]1[:

 

(2)

در رابطه (3)، توان ارسال در بهره­مسیر کاربر i، در صورت کسر و مجموع تداخل محیط شامل نویز موجود در محیط و اثر توان دریافتی سایر گره­ها به جز خود گره مورد نظر در مخرج کسر قرار می­گیرد. با جایگذاری رابطه تداخل  در رابطه (3)، رابطه (4) که شکل ساده شده رابطه (3) است، بدست می­آید ]1[:

 

(3)

اگر بهره­مسیر ثابت باشد، برای افزایش SINR گره باید تداخل کم شده و توان آن افزایش یابد و در نتیجه کیفیت سرویس بالاتر می­رود. کیفیت سرویس، تابعی از SINR است. هرچه SINR بالاتر باشد، خطا کمتر و کیفیت سرویس بالاتر است. پس کنترل توان نقش کلیدی در تضمین کیفیت سرویس برای یک گره است که می­تواند اثر مثبت برای خود و نتیجه منفی برای سایر گره­ها داشته باشد. اگر گره i توان خود را افزایش دهد، برای کاربر j تداخل ایجاد می­کند.

3-6. تداخل موثر17

معیار مهم دیگری به نام تداخل موثر وجود دارد که با R نشان­داده می­شود که در رابطه (5) با تقسیم تداخل بر بهره­مسیر بدست می­آید ]3[:

 

(4)

از معیار تداخل موثر برای سنجش کیفیت محیط انتقال یا کانال استفاده می­شود. هرچه تداخل موثر کمتر باشد، به­معنی تداخل کمتر یا بهره­مسیر بیشتر است و در نتیجه نشان دهنده کانالی با وضعیت بهتر است.

3-7. معیارهای کارآیی18  

در این بخش، برخی از معیارهای مهم در سنجش میزان کارآیی الگوریتم­های شبکه­های سلولی به منظور راستی آزمایی الگوریتم پیشنهادی بررسی می­شوند.

3-8. گذردهی19

یکی از معیارهای کارآیی، تعریف گذردهی گره است و به­صورت تابعی از  نشان داده­می­شود که با افزایش، مقدار آن افزایش یافته و در نتیجه باعث افزایش کیفیت سرویس می­شود. گذردهی سیستم که به­صورت مجموع گذردهی همه گره­هاست، معیار مهمی در سنجش کارآیی الگوریتم­ها می­باشد.

3-9. مجموع توان ارسالی

مجموع توان ارسالی نیز معیار مهمی بشمار می­رود. در برخی موارد، معیار مجموع توان مصرفی، بر معیارهای دیگر مانند مجموع گذردهی سیستم ترجیح پیدا می­کند. بنابراین الگوریتم­ها براساس معیارهای مورد نظر، سنجیده شده و هر کدام در شرایط خاصی اولویت پیدا می­کند.

3-10. احتمال رد­ درخواست20

احتمال رد­ درخواست که به آن نرخ قطع­شدن نیز گفته می­شود، به این معنی است که گره شماره یک، دو و سه، به ترتیب کیفیت سرویس  ،  و  را درخواست می­کنند و برخی از گره­ها، به  های خود نمی­رسند. یعنی برخی از گره­ها از مجموع m گره، که  آنها بزرگتر از  بود، گره­های حمایت­شده21 نامیده می­شوند، و گره­های حمایت نشده22  نیز با علامت پریم نشان­داده می­شوند که تعداد آنها برابر با مجموع کل گره­ها منهای گره­های حمایت شده­است. تعداد گره­های حمایت نشده تقسیم بر تعداد کل گره­ها، نرخ رد­درخواست است که هرچه کمتر باشد، نشان می­دهد که الگوریتم کارآیی بیشتری دارد. گذردهی گره i با رابطه (6) محاسبه می­شود ]1[ که در آن W پهنای باند کانال می­باشد:

Ri(p)=

(5)

گذردهی کل سیستم رابطه (7) بدست می­آید ]1[:

 

(6)

مجموع توان ارسالی در سیستم برابر با  است. احتمال رد درخواست در رابطه (8) نشان داده شده است ]3[:

 

(7)

Where 

در این شرایط ممکن است با اخراج چند گره از شبکه، سیستم قابل امکان­پذیر بودن23 گردد و مقدار رد­درخواست به صفر برسد. در برخی موارد، مجموع توان ارسالی گره­ها نیز می­تواند هدف باشد.

 

4.       الگوریتم­های کنترل توان

بهترین الگوریتم­های کنترل توان، الگوریتم­هایی هستند که در هر بازه زمانی، هر گره توان خود را بر اساس تابعی بنام تابع روزآمد­کردن توان مصرفی24 تنظیم می­کند. این تابع در روابط ریاضی با علامت fi(p)  نشان داده می­شود. الگوریتم کنترل توان در رابطه (9) محاسبه شده است ]3[:

 

(8)

که در این رابطه،  نشان­دهنده توان ارسال در زمان فعلی و  نشان­دهنده توان ارسال در زمان بعد است. الگوریتم کنترل توان به­صورت محدود دررابطه (10) نشان داده شده است ]3[:

 

(9)

که در این رابطه،  نشان­دهنده توان ارسال در زمان فعلی،  نشان­دهنده توان ارسال در زمان بعد و  نشان­دهنده حداکثر توانی است که گره می­تواند با آن ارسال نماید. در این رابطه، نشان­داده ­شده­است که گرهi، توان ارسال لحظه قبل را دارد. به این معنی که گره، مقدار توان خود در لحظه t را می­داند و لذا توان خود در لحظه t+1 را به­وسیله تابع fi  محاسبه می­کند. در این حالت، با داشتن fi، مساله حل می­شود. در دو رابطه بالا، هم توان نامحدود و هم توان محدود برای ارسال در­نظر گرفته شده­است. اگر توان بیشینه محدود در­نظر گرفته­شود، یک توان ارسال کمینه بین  و در­نظر گرفته­شده و در واقع یک محدودیت به آن اعمال گردیده­است.

4-1. الگوریتم کنترل توان ردگیر SINR هدف (TPC)

این الگوریتم به­صورت توزیعی کار می­کند و حداقلِ توان، باید مساوی یا بزرگتر از صفر در­نظر گرفته­شود. اما قیدی برای این الگوریتم وجود دارد. این قید باعث می­شود تا SINR برای تمام گره­ها، مساوی یا بزرگتر از SINR هدف آن گره باشد. در این حالت، گره باید توان ارسال را به شکلی تنظیم کند تا آن قید تامین شود. بنابراین توان مصرفی تا زمان رسیدن به SINR هدف، افزایش­یافته و بعداز رسیدن به آن، ثابت باقی می­ماند. مجموع توان ارسالی هر گره بصورت  نشان­داده می­شود. قید بزرگتر بودن  هر گره از مقدار  برای اینکه گره به SINR هدف برسد، بصورت  نشان­داده می­شود. 

مقادیر  به ازای هر گره از 1 تا  باید این قید را برآورده سازند.

 

(10)

از روابط (11)، (12) و (13)  برای محاسبه توان ارسالی هر گره در لحظه مورد نظر براساس میزان تداخل، بهره­مسیر و مقدار  آن استفاده می­شود ]1[. این رابطه به­صورت یک حلقه برای هر گره به­صورت جداگانه اجرا می­شود تا هر گره بتواند توان ارسالی خود را تنظیم نماید.

TPC در حالت ارسال با توان نامحدود از رابطه (14) بدست می­آید ]1[:

 

 

(11)

 

(12)

 

(13)

TPC در حالت ارسال با توان محدود نیز از رابطه (15) محاسبه می­شود ]1[:

 

(14)

هنگامی­که SINR هدف قابل حصول نباشد، الگوریتم TPC باعث می­شود گره­های حمایت نشده در توان بیشینه قرار گیرند و باعث کاهش عمر باتری می­شود. همین عمل باعث می­شود تعداد گره­های حمایت نشده بیشتر شود. اگر یکی از این گره­ها توان خود را صفر کند و کنار برود، ممکن است کاربر حمایت­نشده دیگری به SINR هدف خود برسد.

4-2. الگوریتم کنترل توان فرصت­طلبانه (OPC)

الگوریتم OPC یا کنترل توان به­صورت فرصت­طلبانه، برعکس TPC عمل می­کند. یعنی هر گاه Ri که تداخل بر روی بهره­مسیر است، افزایش پیدا کند، یعنی وقتی وضعیت کانال انتقال بد ­شود، گره هم توان خود را کم می­کند و به سمت خروج از شبکه می­رود. به همین دلیل باعث کاهش تداخل روی سایر گره­ها شده و گذردهی سیستم افزایش می­یابد. در مدل محدود­ بودن توان مصرفی، توان خود را افزایش می­دهد. در توان بیشینه هم به ­علت وجود نویز، بازهم از نظر عددی محدودیت وجود دارد..  ، مقدار ثابتی است که بسته به نوع شبکه و شرایط مساله، تعیین می­شود. تابع توان در رابطه (16) نشان داده شده است:

 

(15)

OPC در حالت ارسال با توان نامحدود از رابطه (17) بدست می­آید:

 

(16)

OPC در حالت ارسال باتوان محدود از رابطه (18) بدست می­آید:

 

(17)

در این الگوریتم، گره­ای که توان خود را کم­کرده و از سیستم خارج شده­است، نمی­تواند به سیستم برگردد. زیرا سایر گره­ها در شبکه که بهره­مسیر مناسبی دارند، توان خود را افزایش داده و تداخل را برای بقیه افزایش می­دهند. تنها در صورتی گره حذف شده به سیستم برمی­گردد که یا به­وسیله حرکت یا حذف موانع، بهره­مسیر آن افزایش یابد و یا اینکه گره­ای که در قله قرار دارد، از شبکه خارج شود. به همین دلیل به این الگوریتم، الگوریتم کنترل توان با روش فرصت­طلبانه گفته می­شود. در OPC، گره­ها با وضعیت کانالی خوب و بد تشخیص داده­شده و گره­ها با وضعیت کانالی بد، توان خود را کاهش داده و به سمت خروج از شبکه می­روند. بروز­رسانی تابع کنترل توان در الگوریتم OPC از رابطه (19) بدست می­آید ]1[:

 

(18)

که برابر است با رابطه (20) ]1[:

 

(19)

4-3. الگوریتم ردگیر پویای SINR هدف (DTPC)

با ترکیب TPC و OPC یک الگوریتم جدید بنام DTPC  ارائه گردید ]1[. بعداز اینکه از رسیدن همه گره­ها به حداقل SINR اطمینان حاصل شد، برای افزایش گذردهی سیستم، گره­هایی که کانال بهتری دارند، توان خود را بصورت رابطه (21) افزایش می­دهند تا SINR آنها بیشتر شود و گذردهی سیستم بالاتر برود]1[.

 

(20)

در رابطه (21)،  توان ارسالی گره و  تداخل موثر آن است. معیار  نشان­دهنده تداخل موثر در یک حدآستانه25 مورد نظر است که می­تواند باعث تصمیم­گیری الگوریتم DTPC برای استفاده از رابطه TPC یا OPC برای محاسبه توان ارسالی گره گردد. در این الگوریتم، یک حدآستانه در  در نظر گرفته می­شود. اگر  گره از  حدآستانه کمتر باشد، یا به­عبارت دیگر تداخل روی بهره­مسیر از این حد کمتر باشد، این به معنی این است که گره وضعیت کانالی بهتری دارد و بنابراین از رابطه  استفاده می­شود که همان الگوریتم OPC است. ولی اگر از حدآستانه دوم که وابسته به  یا وضعیت کانال است عبور کرد، و یا از یک  بیشتر شد، دیگر ادامه OPC انجام نشده و طبق الگوریتم TPC عمل می­شود. پس در DTPC،  SINRهدف در بخش OPC به­صورت پویا است و به همین دلیل به آن SINR هدف بصورت پویا26 یا DTPC گفته می­شود. هدف DTPC  افزایش گذردهی سیستم است. بنابراین درنهایت منجر به افزایش توان می­شود. DTPC با رابطه (22) محاسبه می­شود ]1[.

 

(21)

پارامترهای الگوریتم عبارتند از ،  و . تابع باید پیوسته باشد. یعنی در  برابر با ، حد راست و حد چپ باید باهم برابر باشد. برای اینکه حدها باهم برابر باشند، باید ، مساوی با  باشد. بنابراین  با رابطه (23) قابل محاسبه است ]1[:

 

(22)

نیازمندی­های بروز­رسانی این الگوریتم بصورت رابطه (24) بیان می­شود ]1[:

 

(23)

رد­درخواست این الگوریتم در سیستم امکان پذیر، صفر است و با TPC تفاوتی ندارد. تفاوت اصلی TPC و DTPC در افزایش گذردهی سیستم است. گذردهی الگوریتم DTPC از الگوریتم OPC  کمتر است، ولی از نظر رد­درخواست نسبت به الگوریتم OPC  بهتر شده­است. الگوریتم DTPC با درنظر گرفتن توان نامحدود برای گره­ها طراحی گردیده­است. زیرا اگر توان به­صورت محدود در­نظر گرفته­شود، ممکن است برخی از گره­ها در ناحیه TPC باشند و برای اینکه به ناحیه OPC وارد شوند، مجبور باشند تا به­صورت جهشی توان خود را افزایش بدهند. اگر محدودیت برای توان ارسال در­نظر گرفته­شود، این گره­ها هیچ­وقت نمی­توانند از ناحیه TPC خارج شوند. ولی در عمل، باید محدودیت ارسال توان را به­علت محدودیت­های سخت­افزاری و رگولاتوری و اثر تداخلی آنها با یکدیگر در­نظر گرفت. بنابراین در این مقاله الگوریتمی با توجه به سه الگوریتم TPC، OPC و DTPC پیشنهاد می­گردد که در آن، ضعف­هایی که در حالت ارسال با توان محدود در الگوریتم DTPC وجود دارد برطرف گردیده­است.

 

5.       روش کاربردی برای حل مساله

اگر الگوریتم DTPC با توان ارسال محدود پیاده­سازی شود، بعضی از گره­ها به ناحیه OPC می­روند و برخی دیگر در ناحیه TPC ارسال می­کنند و ممکن است به علت محدودیت توان، نتوانند به  SINR هدف خود برسند. برای اینکه این گره­ها به SINR هدف خود برسند، یا باید توان خود را افزایش دهند که اگر در حال ارسال در توان بیشینه باشند، دیگر امکان افزایش توان ندارند، و یا اینکه باید وضعیت کانال برای آنها بهبود یابد و اینکار فقط با کاهش تداخل گره­های با کانال قوی بر­روی گره­های با کانال ضعیف امکان­پذیر است. بنابراین راه­حل پیشنهادی این است که گره­هایی که کانالِ بهتری دارند و می­توانند به ناحیه OPC بروند، توان خود را افزایش بدهند، اما نه با فرمول OPC. یعنی توان خود را به اندازه­ای افزایش دهند که بقیه گره­ها SINR هدف خود را از دست ندهند.

5-1. روش پیشنهادی

در روش­های فعلی که در بخش 4 گفته شد و با فرض محدود بودن توان ارسال، گره­ای که به ناحیه OPC می­رود، فقط در صورتی­که همه گره­ها به SINR خود رسیده باشند، می­تواند توان خود را به اندازه­ای که باعث حذف بقیه گره­ها از دسترسی به SINR نشود، افزایش دهد. اما اگر گره­ای هنوز به  SINRهدف خود نرسیده باشد، حتی گره با کانالِ مناسب، همچنان باید با فرمول TPC توان خود را تغییر دهد تا تداخل بیشتری برای سایر گره­ها ایجاد نکند. در روش پیشنهادی ما و با فرض همین محدودیت در توان ارسال گره­ها، در صورتی­که گره­ای به ناحیه OPC وارد شود و بقیه گره­ها هم به SINR رسیده باشند، می­تواند به اندازه­ای توان خود را بالا ببرد که بقیه، SINR خود را از دست ندهند و اگر این افزایش توان باعث شود تا گره­ای SINR خود را از دست بدهد، گره i با فرمول پیشنهادی مقدار افزایش توان خود را به شکلی محاسبه می­کند که گره ضعیف­تر مجدداً به شبکه برگردد. این کار باعث می­شود تا گذردهی سیستم به اندازه قابل توجهی بهبود یابد و رد درخواست نیز کاهش یابد.

روند اجرای الگوریتم پیشنهادی، در شکل (1) به­صورت فلوچارت نشان داده شده است. همه گره­ها از جمله گره i در ابتدا بعد از چک کردن شرط Ri<Rth به قسمت اجرای الگوریتم TPC می­روند تا بخاطر ویژگی TPC، همه گره­ها به SINR هدف برسند و رد درخواست سیستم، صفر گردد. سپس گره i توان خود را افزایش می­دهد، و اگر از توان بیشینه یا مجاز سیستم بیشتر شد، فلاگ را صفر کرده و توان خود را که حالا مقدار آن غیرمجاز شده، با الگوریتم TPC مجدداً محاسبه کرده و به ابتدای فلوچارت برمی­گردد. TPC حداقل SINR را برای گره حاصل می­کند و فقط تضمین می­کند که درخواست گره رد نشود. ما برای همین در الگوریتم پیشنهادی، ابتدا از TPC برای نگهداشتن همه گره­ها در شبکه استفاده می­کنیم. در قدم دوم، می­خواهیم در صورت امکان افزایش توان گره­های قوی­تر ضمن گارانتی عدم حذف هیچ گره ضعیفی از شبکه به دلیل اثر تداخل افزایش توان گره­های قوی­تر، این توان را افزایش دهیم.گره­های قوی­تر، تداخل موثر یا Ri کمتری نسبت به تداخل موثر حدآستانه یا Rth دارند که این شرط در فلوچارت نشان داده شده است. اگر گره­ای تداخل موثر کمتری از تداخل موثر حد آستانه داشت، به سمت راست فلوچارت می­رود و سپس فلاگ را چک می­کند. اگر فلاگ صفر باشد، یعنی سیستم قبلاً در سمت چپ فلوچارت، الگوریتم TPC را اجرا کرده و به حداقل SINR گره­ها دست یافته است و حالا گره i می­تواند در صورت امکان، SINR خود را افزایش دهد. بنابراین در ادامه مسیر به قسمت اجرای الگوریتم OPC می­رود و با اجرای آن، توان خود را افزایش داده و SINR آن نیز افزایش می­یابد. تا اینجا غیر از استفاده از فلاگ­ها، تقریباً شبیه الگوریتم DTPC با توان محدود عمل شد. در DTPC با توان محدود، اگر این افزایش توان و ایجاد تداخل حاصل از آن باعث رد درخواست یک گره ضعیف بشود، ترمیمی اتفاق نمی­افتد. اما در الگوریتم پیشنهادی، بعداز اینکه گره قوی با الگوریتم OPC توان خود را افزایش داد، همانگونه که در بخش شرطی سمت پایین و چپ فلوچارت مشخص شده، بررسی می­شود که آیا بر اثر این افزایش توان با OPC، آیا گره­ای در همین شبکه رد درخواست شده یا خیر. اگر گره­ای رد درخواست نشده باشد، که فرض می­شود همان الگوریتم TPC روی آن اجرا شده و یعنی تبعاتی برای سیستم از نظر ایجاد رد درخواست برای سایر گره­ها نداشته است. پس فلاگ صفر شده و گره مجدداً برای افزایش توان، به مرحله الگوریتم OPC می­رود. اما بلاخره در یک نقطه، این افزایش توان باعث ایجاد تداخل بیش از حد روی گره­های ضعیف شده و رد درخواست در شبکه ایجاد می­شود. همانطور که در پایین فلوچارت نشان داده شده، در صورتیکه خروجی قسمت شرطی ایجاد رد درخواست، "بله" باشد، به معنی افزایش غیرمجاز توان در گره i بوده است. بنابراین ابتدا فلاگ 1 می­شود تا هیچ گره دیگری وارد الگوریتم OPC نشود و وضعیت تداخل در شبکه بدتر نشود.سپس برای حل مشکل ایجاد شده و کاهش توان گره i، توان این گره با فرمول الگوریتم پیشنهادی که نتیجه اثبات آن با رابطه (27) نشان داده شده است، محاسبه می­شود. یعنی با حذف یک گره به دلیل اجرای الگوریتم OPC توسط گره i ام، سایر گره­ها واکنشی نشان نمی­دهند، بلکه فقط گره i ام به جای استفاده از الگوریتم OPC که توزیع­ شده­تر عمل می­کند، با استفاده از الگوریتم پیشنهادی، توان خود را متناسب با وضعیت سایر گره­ها تنظیم می­کند تا به رد درخواست منجر نشود.

img0 

 

شکل 1. فلوچارت DTPC پیشنهادی

 

مقدار افزایش توان در الگوریتم پیشنهادی به این صورت قابل محاسبه است:

گره­ای که بعداز چک شدن شرط Ri<Rth و مناسب بودن تداخل موثرش نسبت به تداخل موثر آستانه و همچنین عدم رد درخواست هیچ گره دیگری، به ناحیه OPC رسیده است، حداقل توانی که می­تواند داشته باشد بدون آنکه گره دیگری SINR خود را از دست بدهد را به ازای هر گره محاسبه می­کند و از بین توان­های بدست آمده، مقدار کمینه آن را برای خود انتخاب کرده و چون محدودیت توان نیز دارد و از روش DTPC با محدودیت توان استفاده می­شود، بازهم توانِ کمینه بدست آمده از محاسبه را با توان بیشینه مجاز که در ابتدا مشخص شده، مقایسه کرده و مقدار کمتر را برای خود

}

(24)

فرمول محاسبه حداقل توانِ گره i یا  که در ناحیه OPC قرار دارد به ازای بقیه گره­ها که در ناحیه TPC قرار دارند و می­خواهند  خود را از دست ندهند بصورت زیر است : (اندیس i برای گره­ای که وارد ناحیه OPC شده است می­باشد و اندیس j مربوط به تک تک گره­ها برای بدست آمدن  به ازای آنها در نظر گرفته شده است)، بنابراین برای اثبات فرمولی از رابطه (3) شروع می کنیم و روابط (25)، (26) و (27) را بدست می­آوریم.

در رابطه (3)، SINR برای گره j  با نماد  محاسبه می­شود. هدف ما محاسبه توان گره i به ازای تمام SINR تمام گره­های دیگر است که با اندیس j نشان داده می­شوند. بنابراین باید   را از این معادله خارج کنیم.

در رابطه (25)، توانستیم  را از  جدا کنیم. سپس در رابطه (26)،  را به یک­طرف معادله می­بریم:

 

(25)

در رابطه (27) می­توانیم  را براساس سایر پارامترهای سیستم به ازای تمام گره­ها با اندیس j، برای گره i محاسبه نماییم:

63

 

[1]  Node

[2]  Signal-to-Interference and Noise Ratio

[3]  Tracking Power Control

[4]  Opportunistic Power Control

[5]  Dynamic Target-SIR Tracking Power Control

[6]  Distributed power control algorithm with

temporary removal and Feasibility Check 

[7]  Base station

[8]  Successive convex optimization

[9]   Nakagami fading

[10]  Geometric Programming

[11]  Interference

[12]  Code-Division Multiple Access

[13]  Transmit power

[14]  Path gain

[15]  Fairness

[16]  Interference limited wireless networks

[17]  Effective interference

[18]  Performance measures

[19]  Throughput

[20]  Outage probability

[21]  Supported

[22]  Non supported  

[23]  Feasible

[24]  Power updating function

[25]  Threshold

[26]  Dynamic target-SIR

 

(26)


مقالات مرتبط

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات رایمگ است.
حق نشر © 1403-1396

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره رایمگ| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]