Chagua Lugha

Sera ya Ugawaji wa Nishati ya Uzalishaji Upya Kulingana na Faida kwa Mtandao wa Simu ya Kijani

Uchambuzi wa sera mpya ya ugawaji wa nishati kwa mitandao ya simu inayotumia nishati ya uzalishaji upya, ikilenga Ubora wa Huduma (QoS), ubora wa kituo, na upeo wa faida kwa mtumiaji.
solarledlight.org | PDF Size: 0.3 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Sera ya Ugawaji wa Nishati ya Uzalishaji Upya Kulingana na Faida kwa Mtandao wa Simu ya Kijani
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Sera ya Ugawaji wa Nishati ya Uzalishaji Upya Kulingana na Faida kwa Mtandao wa Simu ya Kijani

Orodha ya Yaliyomo

1. Utangulizi

Ukuaji mkubwa wa mahitaji ya data isiyo na waya umesababisha ongezeko kubwa la matumizi ya nishati na uzalishaji wa kaboni kutoka kwa mitandao ya simu. Karatasi hii inashughulikia changamoto ya kuwapa nguvu mitandao hii kwa vyanzo vya nishati ya uzalishaji upya (k.m., jua, upepo), ambavyo kwa asili vina ukosefu wa utulivu na usawa. Tatizo kuu ni kugawa kwa ufanisi kiasi kilichochimbwa cha nishati ya uzalishaji upya miongoni mwa watumiaji katika mtandao wa simu wa OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Sera iliyopendekezwa inaunganisha kipekee mambo matatu muhimu: jumla ya nishati ya uzalishaji upya inayopatikana, mahitaji ya Ubora wa Huduma (QoS) ya kila mtumiaji, na ubora wa kituo cha wakati halisi. Lengo ni kuongeza kazi ya faida ya mtandao mzima, ambayo hupima kuridhika kwa mtumiaji, kwa kuzingatia vikwazo vya nishati. Kazi hii inajielezea ndani ya mfano wa "mawasiliano ya kijani", ikipita zaidi ya ufanisi wa nishati tu hadi usimamizi mwerevu wa rasilimali kwa uendelevu.

2. Muundo wa Mfumo na Uundaji wa Tatizo

2.1 Mtandao na Muundo wa Nishati

Tunazingatia mtandao wa OFDMA wenye seli moja na kituo kimoja cha msingi (BS) kinachotumia chanzo cha nishati mseto: mtandao wa kawaida na kifaa cha kukusanya nishati ya uzalishaji upya kwenye tovuti (k.m., paneli za jua). BS inahudumia watumiaji K. Nishati ya uzalishaji upya inafika kwa ukosefu wa utulivu na huhifadhiwa kwenye betri yenye uwezo mdogo. Nishati ya uzalishaji upya inayopatikana kwa ajili ya ugawaji katika muda fulani inaonyeshwa kama $E_{total}$. Faida ya kituo kwa mtumiaji $k$ ni $h_k$, ambayo hubadilika kwa wakati.

2.2 Kazi ya Faida na QoS

Msingi wa sera ni kazi ya faida $U_k(e_k)$, ambayo inaweka kiasi cha nishati ya uzalishaji upya $e_k$ kilichogawiwa kwa mtumiaji $k$ kwa kipimo cha kuridhika kwa mtumiaji huyo. Kazi hii imeundwa kuakisi hitaji la QoS la mtumiaji. Kwa mfano, mtumiaji anayehitaji usahihi wa wakati (k.m., kutiririsha video) anaweza kuwa na faida inayoongezeka kwa kasi na kutosheleza haraka, huku mtumiaji wa juhudi bora (k.m., kupakua faili) anaweza kuwa na faida ya mstari zaidi. Faida ya jumla ya mtandao ni $U_{sum} = \sum_{k=1}^{K} U_k(e_k)$.

2.3 Tatizo la Uboreshaji

Tatizo la ugawaji wa nishati limeundwa kama tatizo la uboreshaji lenye vikwazo: $$\max_{\{e_k\}} \sum_{k=1}^{K} U_k(e_k)$$ Chini ya: $$\sum_{k=1}^{K} e_k \leq E_{total}$$ $$e_k \geq 0, \quad \forall k \in \{1,...,K\}$$ $$R_k(e_k, h_k) \geq R_{k}^{min}, \quad \forall k$$ ambapo $R_k$ ni kiwango cha data kinachoweza kufikiwa kwa mtumiaji $k$ (kazi ya nishati iliyogawiwa $e_k$ na faida ya kituo $h_k$), na $R_{k}^{min}$ ni kiwango cha chini kinachohitajika kukidhi QoS yake.

3. Algorithm Iliyopendekezwa ya Ugawaji wa Nishati

3.1 Ubunifu wa Algorithm ya Heuristiki

Kutokana na hali ya tatizo lisilo laini na la mchanganyiko (hasa kwa ugawaji wa subcarrier tofauti katika OFDMA), waandishi wanapendekeza algorithm ya heuristiki yenye ugumu mdogo. Algorithm hufanya kazi kwa namna ya tamaa:

  1. Kuweka Kipaumbele kwa Mtumiaji: Watumiaji hupangwa kulingana na kipimo cha mchanganyiko kinachounganisha ubora wa kituo chao ($h_k$) na faida ya ziada kwa kila kitengo cha nishati ($\Delta U_k / \Delta e_k$).
  2. Ugawaji wa Kurudia: Kuanzia na mtumiaji aliye na kipaumbele cha juu, nishati hugawiwa katika hatua tofauti hadi faida yao ya faida ipungue au QoS yao itoshelezwe.
  3. Ukaguzi wa Kikwazo: Baada ya kila ugawaji, kikwazo cha jumla cha nishati $E_{total}$ kinakaguliwa. Ikiwa nishati bado ipo, mchakato unaendelea na mtumiaji mwingine.
  4. Kusitishwa: Algorithm inasimama wakati $E_{total}$ imekwisha au watumiaji wote wameshahudumiwa.
Njia hii inahakikisha kuwa chini ya hali ngumu za nishati, watumiaji walio na hali nzuri ya kituo (ufanisi wa juu wa nishati) wanahudumiwa kwanza ili kuongeza faida ya jumla.

3.2 Ugumu wa Algorithm

Ugumu wa algorithm ni $O(K \log K)$ kutokana na upangaji wa awali wa watumiaji K, ikifuatiwa na mpito wa mstari wa ugawaji. Hii inafanya iwe na uwezo wa kuongezeka na inafaa kwa utekelezaji wa wakati halisi katika vidhibiti vya mtandao, kinyume na ufumbuzi tata wa programu ya nguvu au uboreshaji laini uliopendekezwa katika kazi zinazohusiana kama vile [8].

4. Matokeo ya Nambari na Tathmini ya Utendaji

4.1 Usanidi wa Uigaji

Utendaji hupimwa kupitia uigaji. Vigezo muhimu ni pamoja na: radius ya seli ya 500m, watumiaji 20-50 waliotawanywa kwa nasibu, vituo vya kupungua kwa Rayleigh, na viwango tofauti vya jumla ya nishati ya uzalishaji upya $E_{total}$. Kazi za faida zinafafanuliwa kama sigmoidal kwa trafiki ya wakati halisi na logarithmic kwa trafiki ya juhudi bora, zikiendana na miundo inayotumika katika uchumi wa mitandao.

4.2 Uchambuzi wa Matokeo

Matokeo yanaonyesha tabia mbili muhimu:

  1. Hali ya Uhaba wa Nishati: Wakati $E_{total}$ iko chini sana, algorithm hugawa nishati karibu pekee kwa watumiaji walio na faida bora za kituo. Hii inaachia haki lakini inaongeza faida ya jumla na ufanisi wa mtandao, kwani kuhudumia watumiaji walio na vituo vibaya kungepoteza nishati ya thamani.
  2. Hali ya Nishati ya Kutosha: Kadiri $E_{total}$ inavyoongezeka, algorithm huanza kukidhi mahitaji ya QoS ya watumiaji wengi zaidi, ikiwemo wale walio na ubora wa kati wa kituo. Faida ya jumla huongezeka na kutosheleza mara tu mahitaji ya msingi ya QoS ya watumiaji wote yamekutana.
Sera iliyopendekezwa imeonyeshwa kuzidi mpango wa msingi wa ugawaji sawa wa nishati kwa kiasi kikubwa katika suala la faida ya jumla, hasa katika hali ngumu za nishati. Chati muhimu ingeonyesha Faida ya Jumla ya Mtandao dhidi ya Jumla ya Nishati ya Uzalishaji Upya Inayopatikana, ikilinganisha heuristiki iliyopendekezwa dhidi ya msingi wa ugawaji sawa na kikomo cha juu cha kinadharia.

5. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Mchango wa msingi wa karatasi hii ni kuunda upya ugawaji wa nishati ya uzalishaji upya kutoka kwa tatizo la kuongeza ufanisi wa upelelezi tu hadi tatizo la uchumi wa rasilimali linaloongozwa na faida na linalolenga QoS. Inakubali kuwa katika mtandao wa kijani, nishati sio gharama tu bali ni bidhaa kuu adimu. Uvumbuzi halisi ni kuunganisha ugawaji moja kwa moja na kuridhika kwa mtumiaji (faida) kwa kurekebishwa na ukweli wa kimwili (hali ya kituo), na kuunda kiwango cha udhibiti cha kina na cha vitendo kwa waendeshaji wa mtandao.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni sahihi: 1) Nishati ya uzalishaji upya ni ndogo na isiyo na utulivu. 2) Mahitaji ya watumiaji ni tofauti. 3) Kwa hivyo, ugawaji mwerevu unaozingatia usambazaji (nishati, kituo) na mahitaji (QoS) ni muhimu. 4) Kazi ya faida hupima kwa ustadi usawa. 5) Heuristiki yenye ugumu mdogo inafanya iwe ya vitendo. Mtiririko kutoka kwa ufafanuzi wa tatizo hadi suluhisho ni thabiti na inashughulikia pengo wazi katika kazi ya awali ambayo mara nyingi ilipuuza mahitaji tofauti ya QoS, kama waandishi wanavyosema kwa usahihi.

Nguvu & Kasoro: Nguvu: Uunganishaji wa nadharia ya faida ni wenye nguvu na unakopa vizuri kutoka kwa uchumi wa mitandao. Heuristiki ni ya vitendo—inakubali kuwa katika udhibiti wa mtandao wa wakati halisi, suluhisho zuri, la harasa ni bora kuliko suluhisho kamili, la polepole. Mwelekeo wa kutofautisha QoS ni muhimu kwa mitandao ya kisasa iliyojazwa na trafiki ya IoT, video, na muhimu ya misheni. Kasoro: Muundo huu ni rahisi kidogo. Unadhania seli moja, ukipuuza uwezekano wa ushirikiano wa nishati kati ya seli kupitia mitandao mwerevu—eneo linalotarajiwa lililochunguzwa na wengine kama Zhou et al. katika "Energy Cooperation in Cellular Networks with Renewable Powered Base Stations" (IEEE Transactions on Wireless Communications). Kazi za faida zinadhaniwa kujulikana; kwa kweli, kufafanua na kujifunza kazi hizi kwa kila aina ya huduma ni changamoto isiyo ya kawaida. Karatasi pia inakosa uchambuzi thabiti wa haki; mkakati wa "kukosesha watumiaji wenye vituo dhaifu" chini ya uhaba unaweza kuwa na shida kwa makubaliano ya kiwango cha huduma.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa waendeshaji wa simu, utafiti huu hutoa mfano wa kudhibiti nishati iliyofafanuliwa na programu ambayo itakuwa muhimu katika mitandao ya 5G-Advanced na 6G. Hatua ya haraka ni kuunda mfano wa algorithm hii katika kituo cha majaribio na data halisi ya jua/upepo. Zaidi ya hayo, waendeshaji wanapaswa kuanza kuainisha trafiki yao katika madarasa ya faida. Kwa watafiti, hatua zinazofuata ni wazi: 1) Jumuisha uratibu wa seli nyingi na kushiriki nishati. 2) Unganisha ujifunzaji wa mashine ili kujifunza kwa nguvu kazi za faida kutoka kwa data ya uzoefu wa mtumiaji. 3) Panua muundo ili kujumuisha gharama za uharibifu wa uhifadhi wa nishati. Kazi hii, sawa na mabadiliko ya msingi yaliyoletwa na "cycleGAN" katika tafsiri ya picha-hadi-picha kwa kuanzisha uthabiti wa mzunguko, inaanzisha mfumo thabiti (faida + vikwazo) kwa aina mpya ya matatizo ya ugawaji wa rasilimali za kijani.

6. Maelezo ya Kiufundi na Uundaji wa Kihisabati

Uboreshaji wa msingi umefafanuliwa katika sehemu ya 2.3. Kiwango kinachoweza kufikiwa $R_k$ kwa mtumiaji kwenye subcarrier ya OFDMA kwa kawaida hutolewa na: $$R_k = B \log_2 \left(1 + \frac{e_k \cdot h_k}{N_0 B}\right)$$ ambapo $B$ ni upana wa ukanda wa rasilimali, na $N_0$ ni msongamano wa spectral ya kelele. Kazi ya faida kwa huduma iliyozuiwa na ucheleweshaji inaweza kuigwa kama kazi ya sigmoidal: $$U_k(e_k) = \frac{1}{1 + \exp(-a(R_k(e_k) - b))}$$ ambapo vigezo $a$ na $b$ hudhibiti mwinuko na katikati ya kazi, ikionyesha kizingiti cha QoS. Kwa trafiki ya elastic, kazi ya concave logarithmic $U_k(e_k) = \ln(1 + R_k(e_k))$ hutumiwa mara nyingi.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Kituo cha msingi kina watumiaji 5 na $E_{total} = 10$ vitengo vya nishati ya uzalishaji upya.

  • Mtumiaji 1 (Simu ya Video): QoS: $R_{min}=2$ Mbps, Kituo: Bora ($h_1$ juu), Faida: Sigmoidal.
  • Mtumiaji 2 (Upakuaji wa Faili): QoS: Hakuna, Kituo: Nzuri, Faida: Logarithmic.
  • Mtumiaji 3 (Sensor ya IoT): QoS: $R_{min}=0.1$ Mbps, Kituo: Duni ($h_3$ chini), Faida: Kama hatua.
  • Watumiaji 4 & 5: Wasifu mchanganyiko sawa.
Utekelezaji wa Algorithm:
  1. Hesabu alama ya kipaumbele kwa kila mtumiaji (k.m., $h_k \times (\text{faida ya ziada})$).
  2. Panga watumiaji: Tuseme mpangilio ni Mtumiaji1, Mtumiaji2, Mtumiaji4, Mtumiaji5, Mtumiaji3.
  3. Gawa kwa Mtumiaji1 hadi QoS yake ya video ikutane (gharama: vitengo 3). Faida huongezeka sana.
  4. Gawa kwa Mtumiaji2. Kila kitengo kinatoa faida nzuri ya faida. Gawanya vitengo 4.
  5. Nishati iliyobaki = vitengo 3. Gawanya kwa Mtumiaji4 ili kukidhi kwa sehemu hitaji lake (gharama: vitengo 3).
  6. Nishati imekwisha. Watumiaji 5 na 3 (wenye kituo duni) wanapata ugawaji sifuri.
Matokeo: Faida ya jumla huongezeka kwa kukidhi watumiaji wenye kipaumbele cha juu, wenye ufanisi kwanza. Mtumiaji3 amekosewa—hii ndiyo usawa wa sera chini ya uhaba.

8. Matarajio ya Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Muda mfupi (miaka 1-3): Ujumuishaji katika mifumo ya usimamizi wa nishati ya mtandao (EMS) kwa vituo vya msingi vya macro na micro. Hii inafaa hasa kwa uwekaji wa nje ya mtandao au vijijini unaotumia nguvu hasa kwa nishati ya uzalishaji upya, kama ilivyorekodiwa katika miradi ya programu ya GSM Association "Green Power for Mobile".

Muda wa kati (miaka 3-5): Msingi kwa dhumuni la 6G la kugundua, kuwasiliana, na nishati iliyounganishwa. Mitandao haitatumia nishati tu bali pia itaisimamia na kuisambaza. Algorithm hii inaweza kukua kudhibiti uhamishaji wa nguvu isiyo na waya kwa vifaa vya IoT au kusimamia mtiririko wa nishati ya gari-hadi-mtandao (V2G) kutoka kwa miundombinu ya mtandao wa simu.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

  • Ujumuishaji wa AI/ML: Kutumia ujifunzaji wa kina wa uimarishaji (DRL) ili kujifunza sera bora za ugawaji katika mazingira yenye nguvu kubwa bila miundo ya awali ya faida.
  • Ugawaji wa Pamoja wa Rasilimali Nyingi: Uboreshaji wa pamoja wa wigo, wakati, na rasilimali za nishati katika mfumo mmoja.
  • Mbinu Zinazotegemea Soko: Kutekeleza soko la nishati la wakati halisi ndani ya mtandao ambapo watumiaji/wakala wanatoa zabuni kwa nishati ya uzalishaji upya kulingana na mahitaji yao, ikichochewa na dhana za mitandao midogo inayotegemea blockchain.
  • Uwekaji wa Kawaida: Kusukuma kwa uwekaji wa kawaida wa interfaces za udhibiti zinazolenga nishati katika usanidi wa Open RAN (O-RAN), kuruhusu programu za tatu za usimamizi wa nishati (xApps).
Muunganiko wa mitandao ya mawasiliano na mitandao ya nishati, mara nyingi huitwa "Mtandao wa Nishati," utafanya algorithms kama hizi ziwe muhimu.

9. Marejeo

  1. Shirika la Kimataifa la Nishati (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." Ripoti za IEA, 2022. [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks
  2. Z. Zhou et al., "Energy Cooperation in Cellular Networks with Renewable Powered Base Stations," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 13, no. 12, pp. 6996-7010, Des. 2014.
  3. GSMA. "Green Power for Mobile: The Global M2M Association on Sustainability." GSMA, 2021.
  4. O. Ozel et al., "Transmission with Energy Harvesting Nodes in Fading Wireless Channels: Optimal Policies," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 29, no. 8, pp. 1732-1743, Sept. 2011. (Imetajwa kama [8] katika PDF)
  5. J. Zhu et al., "Toward a 6G AI-Native Air Interface," IEEE Communications Magazine, vol. 61, no. 5, pp. 50-56, Mei 2023.
  6. J.-Y. Zhu, T. Park, P. Isola, A. A. Efros. "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks." IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2017. (Imetajwa kama mfano wa mabadiliko ya mfumo wa msingi).