SUPERVISOR
محمدجواد امیدی (استاد راهنما) حمید سعیدی سورک (استاد مشاور)
STUDENT
Marzieh Ajirak
مرضیه آژیراک
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Optimal Power Allocation For Relay-Based Cooperative Communication Systems With Energy Harvesting
\he rapid growth in wireless devices and the spread of wireless communication systems has increased the demand for energy sources. Therefore reliable energy sources should be provided to guarantee effective performance of wireless networks. Although energy storages and batteries provide a convenient solution, they can not be used as the sole power source in the long run. Moreover in some cases battery replacements can be challenging and expensive or in some areas impossible. In recent years, energy harvesting (EH) technologies has emerged as a promising method to power the nodes of a wireless communication network. Energy harvesting communicatio are able to harvest ambient energy from their surrounding environment, and are therefore less dependent to non-renewable energy sources and can enjoy a prolonged lifetime. The rechargeable battery in an energy harvesting transmitter or receiver can serve as the primary or a backup power source. The idea of using renewable ambient energy sources rises the possibility of having green communication networks. Using energy harvesting devices in communication systems changes the nature of the challenges faced when designing optimal performance schemes for such networks. The main challenge in the design of energy harvesting communications systems is that the available energy at any time instance is essentially a random variable. In other words, the ambient energy becomes available at the nodes in random quantities and at random times throughout the communication horizon. Hence, optimal transmission policies, that account for the time-varying available energy, must be designed so that the network can exploit this random ambient energy arrivals in the most efficient way. This thesis investigated the problem of designing optimal transmission policies for energy harvesting cooperative communication systems. We considered a decode-and-forward relay network with an energy harvesting source and an energy harvesting relay. We consider the direct link between source and the destination, as well. The throughput maximization problem over a finite horizon of N transmission blocks is investigated. In the first part of this thesis, we examined the problem of total throughput maximization for the energy harvesting network in the offline setting. In this case, we assumed that the information of the energy harvesting and channel fading profiles are available prior to the beginning of the transmission. The results obtained in this part serve as the performance upper-bound for the energy harvesting communication system under consideration. In the second part of this thesis, we considered the more practical online setting, where the energy arrival information and the channel states information is known causally. For this case dynamic programming can be used which is the conventional approach for solving stochastic control problems. Dynamic programming in general has a high computational complexity. we used a method based on Markov decision processes to obtain power-optimal transmission policies. I MDP formulation, we have considered discrete state space for the system. Furthermore, the transmission power was chosen from a set of discrete and finite power levels. This approach makes the problem tractable to be solved. Implementing the MDP formulation needs certain computational and memory requirements, so there has bee some suboptimal solutions. The optimal and also suboptimal methods are simulated to obtain the power levels. The performance of the introduced schemes are evaluated using computer simulations and are compared to existing methods which address the same problem. Keywords: 1- Energy Harvesting, 2- Cooperative Communication, 3- Relay Channel 4- Convex Optimization, 5- Markov Decision Process
در مخابرات بیسیم، تامین انرژی مورد نیاز سیستمها از اهمیت ویژهای برخوردار است. بیشتر سیستمها انرژی خود را از منابع انرژی ثابت که عمدتا از منابع تجدیدناپذیر استفاده میکنند تامین میکنند. این منابع در حال اتمام هستند و از طرفی باعث آلودگی محیط زیست میشوند. گاهی لازم است سیستمهای مخابراتی برای مدت طولانی و بدون وقفه کار کنند در حالی که ذخیرهکنندههای انرژی قابلیت ذخیرهی این حجم از انرژی را در خود ندارند. از طرفی تعویض باتری در بعضی موارد مانند مناطق دوردست و خطرناک و محیطهای صنعتی سخت و هزینهبر است. برداشت انرژی از محیط میتواند به عنوان راهحلی برای تامین انرژی این سیستمها باشد. سیستمهای مخابراتی مجهز به برداشتگرهای انرژی این امکان را دارند که انرژی مورد نیاز خود را از منابع موجود در طبیعت تامین کنند. از ویژگیهای این انرژی، تصادفی بودن آن است. در سیستمهای مجهز به برداشتگرهای انرژی، انرژی همیشه در دسترس نیست بلکه به صورت تصادفی و در زمانهایی نامشخص در دسترس است. بنابراین نحوهی استفاده از این انرژی و مصرف بهینهی آن برای جلوگیری از قطع ارتباط سیستم امری ضروری است. تحلیلها در این زمینه در دو حالت برونخط و برخط انجام میشود. در حالت برونخط از زمان و مقدار انرژی که قرار است در آینده دریافت شود خبر داریم. همچنین تغییرات دقیق ضرایب کانال را میدانیم. به تحلیل برونخط به این علت که از آیندهی سیستم خبر داریم، تحلیل غیرعلّی نیز میگوییم. در تحلیل برونخط سعی میکنیم با استفاده از این اطلاعات غیرعلّی سطوح توانهای فرستنده را به گونهای کنترل کنیم که در نهایت سیستم بیشترین نرخ گذردهی را ارائه دهد. معمولا مسائل در این تحلیل به صورت مسائل بهینهسازی بیان میشود و با استفاده از مباحث بهینهسازی محدب حل میشوند. در تحلیل برخط دیگر از آیندهی سیستم خبر نداریم. نمیدانیم چه مقدار انرژی قرار است دریافت شود و از تغییرات احتمالی کانال مطلع نیستیم. در این تحلیل باید با توجه به احتمالات تغییر سیستم، در هر لحظه تصمیمی را برای سطح توان بگیریم. تحلیل برخط به طور کلی با استفاده از برنامهریزی پویا انجام میشود. در برنامهریزی پویا مقادیر مسئله به طور کلی میتوانند پیوسته باشند. در این حالت حل مسئله به علت پیچیدگی محاسبات بالا مشکل است. بنابراین مسئله را می توان با استفاده از برنامهریزی پویای گسسته و با مدل کردن سیستم به یک فرآیند تصمیمگیری مارکوف حل کرد. در این پایاننامه یک سیستم مخابراتی متشکل از یک فرستنده، یک گیرنده و یک رله بررسی شده است. فرستنده و رله مجهز به برداشتگر انرژی هستند. در این بررسی مسیر مستقیم بین فرستنده و رله نیز در نظر گرفته شده است. مسئله در هر دو حالت برونخط و برخط بررسی شده است. در تحلیل برونخط مسئله به صورت یک مسئلهی بهینهسازی محدب نوشته و حل میشود. سپس با استفاده از فرم جوابهای بهینه ویژگیهایی برای سطوح توانهای بهینه استخراج شده است. در تحلیل برخط نیز سیستم به یک فرآیند تصمیمگیری مارکوف مدل شده است. سطوح توانهای ارسالی و سطوح باتری و ضرایب کانال به تعدادی متناهی چندیسازی میشود. سپس با استفاده از الگوریتم بازگشتی سیاست بهینه استخراج میشود. دو روش شبهبهینه نیز برای شرایط برخط ارائه میشود و سپس در پایان تمام این روشها با روش غیربهینه که درآن هیچ ملاحظاتی در نظر گرفته نمیشود، مقایسه میشود. کلمات کلیدی: 1- برداشت انرژی، 2- مخابرات همکارانه، 3- رله، 4- بهینهسازی محدب، 5- فرآیند تصمیمگیری مارکوف }