Thiết kế tối ƣu năng lượng mạng Manets dùng mô hình MDP

Nội dung text: Thiết kế tối ƣu năng lượng mạng Manets dùng mô hình MDP

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT THIẾT KẾ TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG MẠNG MANETs DÙNG MÔ HÌNH MDP OPTIMAL DESIGN OF ENERGY IN MANETs USING MDP Phạm Ngọc Tân Thông Tin Tín Hiệu Đường Sắt Đà Nẵng. TÓM TẮT Trong bài báo này đưa ra một ứng dụng để tối đa hóa hiệu quả của một đơn vị năng lượng. Đặc biệt, chúng ta xem xét vấn đề tối đa hóa thông lượng trung bình trên tổng năng lượng tiêu thụ trong MANET. Kết quả nghiên cứu của chúng ta trong một chiến lược truyền tối ưu mà ta lựa chọn mức độ điều chế và năng lượng truyền tải tối ưu trong khi thích nghi với lưu lượng thông tin đến, điều kiện bộ đệm, và điều kiện kênh. Chúng ta khảo sát hai tình huống, điểm – điểm và đa điểm. Chúng ta so sánh chính sách học với một chính sách đơn giản, ở đó chúng ta chọn mức công suất phát tối đa và mức điều chế xác định trước để đạt được một tín hiệu được xác định trước tỷ lệ nhiễu (SIR) đưa ra một loại điều chế đặc biệt. Các thuật toán học đề xuất đạt được nhiều hơn gấp đôi trên mỗi năng lượng so với thuật toán đơn giản. Đặc biệt hệ thống tự thích nghi ưu tiên để giải quyết gói tin đến quá nhanh gây tràn bộ đệm. Từ khóa: MANETs, MDP, Energy. ABSTRACT This articles gives an application of maximizing the efficiency of one unit energy. In particular, we consider the problem of average throughput maximization per total consumed energy in packetized MANETs. Our study results in a optimal transmission strategy that chooses the optimal modulation level and transmit power while adapting to the incoming traffic rate, buffer condition, and the channel condition. We investigate two scenario, the point – to – point and multi - node communication. We compare the
2. learned policy to a simple policy, where the agent chooses the highest possible transmit power and selects the modulation that achieves a predefined signal to interference ratio (SIR) . The proposed learning algorithm achieves more than twice the throughput per energy compared to the simple policy, particularly in high packet arrival regime, the system will adapt priority to address buffer overflows. I GIỚI THIỆU Nhiều nỗ lực để thiết kế các giao thức phân bổ tài nguyên cho MANET được dựa trên các phương pháp phân bổ tài nguyên không dây hiện có. Trước tiên chúng ta phác thảo một cách ngắn gọn các phương pháp quản lý tài nguyên không dây hiện có. Trong [3], một đề án điều khiển công suất cho các mạng gói không dây được xây dựng gói sử dụng lập trình động . Phần mở rộng của công việc này dùng để điều khiển công suất đa phương thức được nghiên cứu trong [4]. Trong hai bài báo này trình này, điều khiển công suất theo sau một số chính sách ngưỡng cân bằng giữa nội dung bộ nhớ đệm và nhiễu xuyên kênh. Công thức lập trình động để điều khiển công suất với ước lượng kênh không hoàn hảo được đề cập trong [6]. Chúng cho thấy các giải pháp lập trình động là tốt hơn so với phương pháp tiếp cận tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SIR). Tối ưu hóa tốc độ bit và kiểm soát trễ cho mạng không dây gói cũng đã được nghiên cứu trong [7]. Chúng ta tập trung vào việc tối đa hóa thông lượng trung bình trên tổng năng lượng tiêu thụ trong MANET từ quan điểm điều khiển tối ưu. Chúng ta xem xét các kết nối điểm-điểm và các trường hợp kết nối nhiều nút. Trong cả hai trường hợp, chúng ta giả định rằng một khối điều khiển thông minh nằm trong máy phát và quyết định hành động . Chúng ta đề xuất sử dụng các thuật toán học tăng cường để giải quyết vấn đề tối ưu hóa trực tuyến. Trong giao tiếp điểm-điểm, thông tin liên lạc diễn ra giữa một máy phát và một máy thu, trước khi truyền dẫn, phát quan sát số lượng các gói trong bộ đệm của nó và đạt được kênh từ trước đó lây truyền. Trước khi truyền dẫn, máy phát quan sát số lượng các gói trong bộ đệm của nó và kênh từ lần truyền trước đó. Dựa trên điều này, mục
3. tiêu của các bộ điều khiển thông minh là để tìm ra mức độ điều chế tốt nhất và truyền tải năng lượng để tối đa hóa thông lượng trung bình dài hạn trên tổng năng lượng tiêu thụ. Thông lượng trung bình dài hạn trên tổng năng lượng tiêu thụ. Năng lượng này được tính bằng trung bình cộng thông lượng trên năng lượng ở mỗi lần truyền. Tổng năng lượng tiêu thụ ở tất cả các lần truyền bao gồm các chi phí năng lượng truyền tải và xử lý bộ đệm. Rõ ràng, bộ đệm trong máy phát bị ảnh hưởng bởi quyết định của bộ điểu khiển thông minh. Chúng ta cũng so sánh chính sách học tối ưu với một chính sách mà ở đó các bộ điều khiển thông minh điều khiển lựa chọn công suất phát cao nhất có thể và sử dụng mức điều chế mà đạt được một tín hiệu được xác định trước về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SIR) và đưa ra một điều chế đặc biệt. Chúng ta xem như chính sách này là chính sách đơn giản. Chúng ta chứng minh rằng chính sách học đề xuất đạt được gấp đôi thông lượng trên mỗi năng lượng so với chính sách đơn giản, đặc biệt là ở khu vực gói tin đến tương đối cao mạng tự động ưu tiên giải quyết tràn bộ đệm. Ngược lại với các liên kết điểm-điểm, chúng ta xem xét N máy phát đồng thời giao tiếp với một máy thu trong trường hợp kết nối đa điểm. Liên kết kênh của một nút phụ thuộc vào năng lượng truyền tải được sử dụng bởi các nút khác trong trường hợp liên kết đa điểm. Do đó, giải pháp tối ưu thường phụ thuộc vào các chính sách sử dụng bởi các nút khác. II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Đọc và tổng hợp tài liệu để đưa ra chính sách tối ưu phù hợp. Sau đó dùng matlab mô phỏng lại hệ thống để chứng minh chính sách đưa ra là tối ưu so với chính sách đơn giản. III KẾT QUẢ 3.1 Đơn node.
4. Trong trường hợp sử dụng chính sách tối ưu Hình 3.1 ta nhận thấy công suất phát giảm dần và mức điều chế tăng dần khi chất lượng kênh truyền tốt lên, đồng thời khi số lượng gói tin trong bộ đệm tăng lên, hệ thống sẽ tăng công suất phát và giảm mức điều chế nhằm ưu tiên giải quyết tràn bộ đệm. Bảng 3.1 Thông số mô phỏng đơn node. Kích thước gói 퐿 = 60, 퐿 = 80 W=10MHz, R=100kbit/s, = 0.8 푠 Thông số hệ thống 훿2 = 5 ∗ 10−15푊 Độ lợi kênh = 50 , 훾휖 −8, −6, . . ,6,8 Giá trị bộ đệm 푛 = 0.05 푛 + 4 푛ế 푛 ≠ ( 푛 = 7, 푛 = 3 Mức điều chế m=1,2,3,4 (BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK) 퐿 푆 Γ(γ, pt), = (1 − 푃 Γ(γ, pt), ) Xác suất thành công gói tin 푃 Γ, = 푒 ( Γ ∗ sin ) 2 Năng lượng truyền 푡 = 0,0.2, ,2 푊 푡푡 Khoảng SNR Γ = [0, .24]Db
5. Hình 3.1: Mức công suất phát và điều chế tương ứng trong trường hợp tốc độ gói tin đến μ = 2. Hình 3.2: Số gói tin nhận thành công trên năng lượng truyền trong cùng khoảng thời gian với tốc độ gói tin đến trung bình từ 0.5 đến 5. 3.2 Đa node. Hình 3.3 lần lượt thể hiện policy mức công suất phát và mức điều chế trong trường hợp chính sách học được theo thuật toán MDP. Ở trường hợp này, khi mức nhiễu của các máy phát khác tác động lên kênh truyền càng tăng thì hệ thống sẽ tăng dần mức công suất phát tương ứng đồng thời giảm mức điều chế để đảm bảo gói tin có thể truyền thành công đến máy thu nhưng vẫn đáp ứng tiêu chí tiết kiệm năng lượng. Mặc khác khi số gói tin trong bộ đệm tăng thì hệ thống cũng tăng mức
6. công suất phát và tăng mức điều chế lên để giải quyết nguy cơ tràn bộ đệm. Khi đó hệ thống sẽ chú trọng hơn vào việc giải quyết tràn bộ đêm so với giải quyết vấn đề năng lượng. Hình 3.4 thể hiện hiệu xuất sử dụng năng lượng của chính sách tối ưu và chính sách đơn giản. Bảng 3.2 Thông số mô phỏng đa node Kích thước gói 퐿 = 60, 퐿 = 80 W=10MHz, R=100kbit/s, = 0.8 푠 Thông số hệ thống 훿2 = 5 ∗ 10−15푊 Kênh = 50 , 휂 ∈ [−10, −8, ,8,10] 푛 = 0.05 푛 + 4 푛ế 푛 ≠ Giá trị bộ đệm ( 푛 = 7, 푛 = 3 Mức điều chế m=1,2,3,4 (BPSK, QPSK, 8PSK, 16PSK) 퐿 푆 Γ(η, pt), = (1 − 푃 Γ(η, pt), ) Xác suất thành công gói tin 푃 Γ, = 푒 ( Γ ∗ sin ) 2 Năng lượng truyền 푡 = 0,0.2, ,2 푊 푡푡 Khoảng SNR Γ = [0, .24]dB Nhiễu 휂 = [-10:2:10]
7. Hình 3.3: Policy học được về mức điều chế trong trường hợp đa điểm tương ứng với μ = 4. Hình 3.4: Gói tin truyền thành công trên năng lượng truyền tải trung bình trong hai trường hợp: đơn giản và chính sách học được từ thuật toán lặp vòng cho trường hợp đa nút.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wei-Her Chung and Sy-Yen Kuo and Shih-I Chen. Direction-aware routing protocol for mobile ad hoc networks, Communications, Circuits and Systems and West Sino Expositions, IEEE 2002 International Conference on, 2002. [2] Das, M. and Panda, B.K. and Sahu, B. Performance analysis of effect of transmission power in mobile ad hoc network, Wireless and Optical Communications Networks (WOCN), 2012 Ninth International Conference on, 2012. [3] Guama, J. A. and Saad, N.M. Cross-layer optimization for the physical and medium access control layers in Mobile Ad-hoc Network with smart antennas, Intelligent and Advanced Systems, 2007. ICIAS 2007. International Conference on, 2007. [3] Nicholas Bambos and Sunil Kandukuri. Power controlled multiple access (PCMA) in wireless communication networks. Proceedings of the IEEE IN- FOCOM, 2:386–395, 26-30 March 2000. [4] Nicholas Bambos and Sunil Kandukuri. Multimodal dynamic multiple access (MDMA) in wireless packet networks. Proceedings of the IEEE INFOCOM, 1:199–208, 22-25 April 2001. [5] A. Benveniste, M. Metivier, and P. Priouret. Adaptive Algorithms and Sto- chastic Approximations. Springer-Verlag, Berlin, 1990. [6] Tim Holliday, Andrea Goldsmith, and Peter Glynn. Wireless link adapta- tion policies: Qos for deadline constrained traffic with imperfect channel estimates. Proceedings of the IEEE International Conference on Communi- cations, 5:3366–3371, 28 April - 2 May 2002. [7] Javad Razavilar, K. J. Ray Liu, and Steven I. Marcus. Jointly optimized bit- rate/delay control policy for wireless packet networks with fading channels. IEEE Transactions on Communications, 50(3):484–494, March 2002. Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Phạm Ngọc Tân Đơn vị: Thông Tin Tín Hiệu Đƣờng Sắt Đà Nẵng. Điện Thoại: 0934882733 Email: pngoctan180486@gmail.com.
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.