Ứng dụng giải thuật thông minh vào giám sát và điều khiển nguồn cho trạm BTS

Bài viết tiếp cận phương pháp gián tiếp, theo đó, nhóm tác giả đề xuất giải thuật thông minh để giám sát và điều khiển nguồn cho các trạm BTS trên cơ sở phân tích số liệu thu được về công suất tiêu thụ và lưu lượng sử dụng của mạng 2G, 3G và 4G tại các trạm này.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 204(11): 23 - 30 ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT THÔNG MINH VÀO GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NGUỒN CHO TRẠM BTS Nguyễn Quang Duy1*, Nguyễn Đình Luyện1, Nguyễn Văn Tuấn2 Trường Đại học Quy Nhơn, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng TÓM TẮT Quản lý nguồn cho trạm BTS nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng bảo đảm tính liên tục nguồn cung cấp tốn mang tính cấp thiết phức tạp; thực theo phương pháp trực tiếp gián tiếp Tuy nhiên phương pháp trực tiếp u cầu cần có cơng nghệ lõi nên khó sử dụng khai thác công nghệ Do vậy, với điều kiện thực tế nước ta nay, báo tiếp cận phương pháp gián tiếp, theo đó, nhóm tác giả đề xuất giải thuật thông minh để giám sát điều khiển nguồn cho trạm BTS sở phân tích số liệu thu cơng suất tiêu thụ lưu lượng sử dụng mạng 2G, 3G 4G trạm Từ khóa: quản lý nguồn; BTS; 2G; 3G; 4G; giải thuật thông Ngày nhận bài: 15/5/2019; Ngày hoàn thiện: 28/6/2019; Ngày đăng: 26/7/2019 APPLICATION OF SMART ALGORITHM TO MONITOR AND CONTROL THE SOURCE OF BASE TRANSCEIVER STATION Nguyen Quang Duy1*, Nguyen Dinh Luyen1, Nguyen Van Tuan2 Quy Nhon University, Danang University of Science and Technology ABSTRACT Power management for Base Transceiver Station (BTS) to improve energy efficiency and ensure source supplying continuity is an urgent and complex problem It can be done by directly or indirectly methods Direct method requires core technologies, making it difficult to use and exploit them in Vietnam Therefore, with the current conditions in our country, indirect method is the better one to approach power management in which a smart algorithm was proposed to monitor and control the source based on collected data about power consumption and used information flow of 2G, 3G and 4G networks at these BTS Keywords: source management; BTS; 2G, 3G; 4G; smart algorithm Received: 15/5/2019; Revised: 28/6/2019; Published: 26/7/2019 * Corresponding author Email: nqduy@ftt.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 23 Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Đặt vấn đề Hiện nghiên cứu việc tối ưu lượng sử dụng trạm thu phát gốc BTS thơng tin di động theo hướng Hướng thứ nghiên cứu nước phát triển, thường tập trung vào công nghệ lõi sử dụng công nghệ vật liệu bán dẫn mới, nhằm chế tạo linh kiện có hiệu suất cao tiết kiệm lượng khuếch đại công suất vô tuyến, cải thiện hiệu suất xạ Anten, Anten thơng minh, giảm suy hao cáp dẫn sóng… [1] Trong báo thực nghiên cứu theo hướng thứ hai để tối ưu lượng sử dụng cho trạm BTS Cơ sở toán học đưa phương pháp lưu lượng thơng tin có mối quan hệ tuyến tính với tiêu thụ nguồn trạm phát sóng Bài báo chứng minh mối quan hệ tuyến tính này, qua đề xuất giải thuật quản lý nguồn thông minh cho trạm BTS Phân tích liệu chứng minh 204(11): 23 - 30 Số liệu thực báo thu thập từ trạm BTS Công ty Viễn thông Viettel [2] Mục tiêu báo chứng minh phụ thuộc tuyến tính lưu lượng (gọi tắt Erl) với cơng suất tiêu thụ (gọi tắt PW) trạm BTS, đồng thời tìm phương trình biểu diễn mối quan hệ Trước hết, cần phải kiểm tra xem công suất tiêu thụ lưu lượng có quan hệ với khơng? Để thực điều này, cần xác định hệ số tương quan Pearson 2.1 Xác định hệ số tương quan Pearson Để tính hệ số tương quan liệu cần phải thỏa điều kiện hai nhóm liệu tuân theo phân phối chuẩn Hệ số tương quan tính theo cơng thức:    n  xi  x yi  y i 1 r n n  xi  x  yi  y i 1 i 1     (1) kết thu tính tốn hệ số tương quan R [3] nhóm liệu sau: > cor.test(mydata.CS2,mydata.ERLVT2) Pearson's product-moment correlation data: mydata.CS2 and mydata.ERLVT2 t = 15.613, df = 22, p-value = 2.189e-13 alternative hypothesis: true correlation is not equal to 95 percent confidence interval: 0.9032983 0.9818031 sample estimates: cor 0.9577154 Từ kết thu được, đến kết luận sau: - Mối liên hệ PW Erl có ý nghĩa thống kê - Hệ số cor  0, 9577154   cor   chứng tỏ PW Erl có quan hệ tuyến tính tỉ lệ thuận cao Hệ số tương quan Pearson cho biết mức độ tương quan hai biến số PW Erl, khơng đưa phương trình để nối hai biến số lại với Do vấn đề đặt phải tìm phương trình tuyến tính để mơ tả mối quan hệ đó, để làm điều mơ hình 24 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 204(11): 23 - 30 minF ( ,  ) tích hồi quy tuyến tính sử dụng 2.2 Phân tích hồi quy tuyến tính Phân tích hồi quy tuyến tính phương pháp phân tích liệu thơng dụng thống kê học Mục đích phương pháp ước lượng hệ số hồi quy tuyến tính với giả thuyết X, Y biến ngẫu nhiên độc lập, chúng có tương quan tuyến tính: (5) Để tìm cực tiểu F  ,   cần phải giải hệ sau: n  F ( ,  ) ( y   xi   ) xi     2i 1 i  n  F ( ,  )  2  ( y   x   )  i i 1 i         (6)  ,  gọi hệ số hồi quy lý thuyết      Từ mẫu liệu (x1, y1), …, (x24, y24) với 24 mẫu (X, Y) ta có: Đây phương trình tuyến tính bậc  ,  Giải phương trình kết sau: E (Y | X )   X   , (  0) (2) E( yi | xi )   xi + hay (3) viết lại: (3) yi   xi    i (4) với  i sai số ngẫu nhiên để đơn giản bước xác định hệ số phương trình (4), sai số  i tạm bỏ qua Sau hệ số xác định, bước quay trở lại kiểm định  i để nhằm làm rõ tăng độ tin cậy kết luận Trong báo, ký hiệu Y công suất tiêu thụ (ký hiệu PW) X lưu lượng sử dụng (ký hiệu Erl) trạm BTS Vấn đề đặt từ mẫu liệu (x1, y1), …, (x24, y24) cần ước lượng hệ số  ,  cho sai lệch giá trị quan sát yiY yˆi   xi   nhỏ Để làm điều này, phương pháp bình phương tối thiểu sử dụng: n Đặt F ( ,  )   ( yi   xi   ) , hai số  ,  i 1ước lượng tìm ra: chọn để n n n  xi    xi    xi yi i 1 i 1 i 1 n n  x   n   yi i 1 i i 1      n n n  n x y  x y     i 1 i i i 1 i i 1 i    n n  n  xi   xi  i 1 i 1  n n  yi    xi  i 1   i 1  n (7)  ,  gọi hệ số hồi quy Y theo X, đường thẳng có phương trình y   x   gọi đường thẳng hồi quy Trong báo này, sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính chúng tơi tính được:   10,8534   1167, 3609 từ công thức (7) với n = 24 y  10,8534 x  1167, 3609 (8) Ngoài phân tích ngơn ngữ R cho kết sau: Call: lm(formula = CS2 ~ ERLVT2) Residuals: Min 1Q Median 3Q Max 0.535 7.417 29.223 Estimate Std Error t value -40.537 -8.482 Coefficients: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Pr(>|t|) 25 Nguyễn Quang Duy Đtg (Intercept) 1167.3609 ERLVT2 10.8534 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 5.7793 0.6952 201.99 204(11): 23 - 30 < 2e-16 15.61 2.19e-13 Signif codes: ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ Residual standard error: 15.95 on 22 degrees of freedom Multiple R-squared: 0.9172, Adjusted R-squared: 0.9135 F-statistic: 243.8 on and 22 DF, p-value: 2.189e-13 Giải thích kết trên: Số trung vị thu 0,535 không xa (trường hợp lý tưởng phân phối chuẩn chuẩn tắc) Các số quantiles 25% (1Q) 75% (3Q) cân đối xung quanh số trung vị, cho thấy phần dư phương trình tương đối cân đối Trị số R2 (hệ số xác định bội) = 0,9172, cho thấy có mối liên hệ chặt chẽ PW Erl trạm BTS với: i  yi  yˆi yi  Y theo liệu thu thập yˆ i giá trị lý thuyết tính từ phương trình (8) cho xi  X Theo lý thuyết hồi quy tuyến tính, hệ số  i phải thỏa mãn điều kiện giả thuyết Gauss-Markov, cụ thể  i phải thỏa điều kiện sau: i)  i phân phối theo luật phân phối chuẩn ii)  i có giá trị trung bình (mean) iii)  i có phương sai cố định iv) giá trị liên tục  i khơng có liên hệ tương quan với Để kiểm định  i thỏa điều kiện ngôn ngữ R sử dụng thu đồ thị hình Hình Đồ thị phương trình (8) Với kết này, hồn tồn có đủ điều kiện để khẳng định PW Erl có quan hệ phụ thuộc tuyến tính với [4][5] Tuy nhiên, sử dụng phương pháp để dễ tìm hệ số  ,  , nhóm tác giả giả sử bỏ qua hệ số  i phương trình (4) Các hệ số  ,  hệ số hồi quy lý thuyết, nghĩa điểm (xi, yi) thực tế biểu diễn đồ thị, với đường thẳng y   x   lý thuyết có sai lệch, lý xuất hệ số  i 26 Các đồ thị hình phân tích sau: Đồ thị 2(a) vẽ phần dư  i giá trị tiên đốn cơng suất tiêu thụ Đồ thị cho thấy giá trị phần dư tập trung quanh đường y = 0, giả định (ii), hay  i có giá trị trung bình 0, chấp nhận Đồ thị 2(b) vẽ giá trị phần dư giá trị kỳ vọng dựa vào phân phối chuẩn Có thể thấy số phần dư tập trung gần giá trị đường chuẩn, giả định (i), tức  i phân phối theo luật phân phối chuẩn, đáp ứng Đồ thị 2(c) vẽ số phần dư chuẩn giá trị Đồ thị cho thấy khơng có khác số phần dư chuẩn cho http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN giá trị đó, giả định (iii), tức  i có phương sai σ2 cố định cho tất , đáp ứng Hình Kết phân tích phần dư Qua phân tích phần dư, kết luận mơ hình hồi quy tuyến tính mô tả liên hệ công suất tiêu thụ lưu lượng sử dụng cách đầy đủ hợp lý Từ phương trình (8) đến kết luận rằng, công suất tiêu thụ trạm BTS không 0, hay nói cách khác ln tồn mức công suất ngưỡng cho trạm BTS trường hợp Pmin  1167, 3609(W) , sở để 204(11): 23 - 30 + Tần số dòng điện phát máy phát phải + Góc lệch pha tương đối roto không vượt giới hạn cho phép + Điện áp đầu cực máy phát phải gần Hiện nay, kỹ thuật hòa điện có cách: Hòa điện xác tự hòa điện Trong thực tế vận hành nguồn phát điện nhỏ, thường sử dụng phương pháp hòa điện xác Trong báo sử dụng phương pháp để thực hòa điện đồng nguồn cung cấp với Để thực hòa điện, cần phải thỏa mãn điều kiện về: tần số, điện áp góc lệch pha Có nhiều phương pháp để xác định đại lượng này, kỹ thuật vi xử lý thực phép đo sau: Đo tần số: phương pháp thực cách đếm số chu kỳ tín hiệu cần đo thời gian xác định (đếm tần số) Hoặc đếm số chu kỳ tín hiệu chuẩn biết chu kỳ tín hiệu cần đo (đo chu kỳ) [6] xây dựng nên lưu đồ thuật tốn điều khiển hòa điện Khi tìm giá trị cơng suất nhỏ trạm, việc cần làm đưa giải thuật sử dụng nguồn hợp lý với mục tiêu cuối hạn chế tối đa việc sử dụng nguồn điện lưới quốc gia, mà thay vào nguồn lượng tái tạo dự phòng, sử dụng chung nguồn hòa với nhau.Vậy để làm điều này, bước phải giải tốn hòa đồng Cơ sở lý thuyết hòa đồng Trong hệ thống điện, máy phát điện đồng làm việc song song để nâng cao công suất lưới điện, điều đòi hỏi máy phát phải hội đủ số yêu cầu sau: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình Nguyên lý thực phương pháp đo chu kỳ Đối với vi xử lý sử dụng cấu trúc Counter/Timer để thực hai phương pháp đếm tần số đo chu kỳ Dải tần số dòng điện cơng nghiệp từ – 50 Hz, lựa chọn phương pháp đo chu kỳ cho kết xác thời gian đo lường ngắn Đo điện áp: Phương pháp đo điện áp sử dụng dựa số hóa giá trị cần đo mạch ADC Số đọc ngõ ADC coi tuyến tính điện áp vào, điều cho phép sử dụng vi xử lý để tính giá trị điện áp [6] 27 Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Đo góc lệch pha: Để so sánh pha tín hiệu, cụ thể pha hai điện áp, thông thường phương pháp tách điểm “0” sử dụng Mạch tách điểm “0” thông thường mạch so sánh với điện áp “0” vơn, mạch có nhiệm vụ thay đổi điện áp ngõ điện áp ngõ vào biến đổi qua giá trị “0” [6] Xây dựng giải thuật phần cứng điều khiển 4.1 Phần cứng dùng để đo đạt thông số cần thiết Với điều kiện để thực hòa đồng phương pháp đo nêu trên, không phù hợp để thực mạch đo riêng lẻ Vì mạch cho độ xác khơng thật tốt độ trễ lớn vi xử lý nhận giá trị mong muốn Hiện nay, với tiến Khoa học Kỹ thuật, hệ thống thiết kế tích hợp chip (SoC) trở nên phổ biến ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực đời sống, ADE7753 chip ADE7753 sản phẩm hãng Analog Devices, sai số phép đo 0,1% [7] Chức đọc tín hiệu xoay chiều đầu vào (điện áp, dòng điện) tính tốn giá trị như: tần số, điện áp nguồn điện cung cấp; dòng tiêu thụ, cơng suất thiết bị tiêu thụ điện [8] ADE7753 lựa chọn hợp lý để tính tốn giá trị nguồn cung cấp, cần thiết cho việc hòa điện Về cấu tạo ADE7753 có kênh dòng áp riêng biệt: 204(11): 23 - 30 chip vi điều khiển hãng Microchip PIC18F4620, để nhận giá trị từ ADE7753, tính tốn gửi cho “Trung tâm điều khiển” Các mạch đo xây dựng theo khuôn mẫu chung từ đầu, phải thực hai nhiệm vụ khác nhau: + Đo công suất tiêu thụ thiết bị có trạm BTS + Đo giá trị cần thiết cho việc thực hòa điện đồng từ nguồn cung cấp khác Hình Sơ đồ khối mạch đo điện áp, dòng điện, tần số, điện 4.2 Giải thuật máy tính xử lý thơng số có Tất thơng tin cần thiết sau đo gửi “Trung tâm điều khiển” phần mềm lập trình chạy computer Phần mềm lập trình có chức ghi nhận giá trị gửi từ mạch đo, sử dụng giải thuật cài đặt sẵn để định có nên hòa/hoặc khơng hòa điện từ nguồn cung cấp khác Mục đích việc định hòa/hoặc khơng hòa điện nhằm giảm tiêu thụ điện từ nguồn điện lưới quốc gia, phải đảm bảo độ ổn định cho thiết bị trạm BTS hoạt động tốt Hình Sơ đồ khối ADE7753 với kênh dòng áp riêng biệt Các mạch đo thông số cần thiết nguồn điện xây dựng dựa chip ADE7753 [9] Trên mạch sử dụng 28 Hình Giao diện phần mềm điều khiển trung tâm http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Các trạm BTS không hoạt động 100% công suất 24/24 giờ, có khoảng thời gian lưu lượng sử dụng người dùng giảm xuống (ví dụ vào khoảng thời gian đêm khuya tới rạng sáng hôm sau) Trong khoảng thời gian không cần thiết phải tiêu thụ nhiều lượng cho thiết bị trạm BTS, “Trung tâm điều khiển” tự động nhận biết lượng công suất tiêu thụ giảm khoảng thời gian qua giá trị nhận từ mạch đo, từ định cắt giảm bớt nguồn điện lưới quốc gia đồng thời hòa nguồn điện chỗ vào (gọi chung nguồn cung cấp khác) Ngược lại nhận thấy công suất tiêu thụ thiết bị trạm BTS tăng lên trở lại (chẳng hạn buổi sáng trở hay thời điểm ngày), “Trung tâm điều khiển” định tăng nguồn cung cấp từ lưới điện quốc gia giảm nguồn điện chỗ nguồn điện lưới quốc gia cung cấp điện ổn định cho trạm BTS công suất tiêu thụ trạm lớn Hình Giải thuật quản lý nguồn trạm BTS http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 204(11): 23 - 30 Kết luận Bài báo chứng minh mối quan hệ tuyến tính công suất nguồn tiêu thụ lưu lượng sử dụng trạm BTS (bao gồm kiểm định giá trị  i ), đưa giải thuật điều khiển phân phối nguồn hợp lý cho trạm BTS thời gian lưu lượng cao thấp khác Với việc áp dụng phần cứng phần mềm cách phù hợp, báo đưa hướng xử lý cho việc giám sát, điều khiển nguồn tự động cho trạm BTS Ngồi tính tự động thay đổi nguồn cung cấp, phần mềm có chức chạy mơ với mức ngưỡng công suất khác trước định có hòa điện hay khơng Việc ứng dụng phương pháp quản lý nguồn vào thực tế giúp giảm chi phí tiền điện chi phí quản lý nhân cơng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lorincz J et al, “Measurements and modeling of base station power consumption under real traffic loads, Sensors” 12(4), pp 4281-4310, 2012 [2] Nguyễn Đình Luyện, Nguyễn Thị Lan Hương, Nguyễn Việt Tùng, “Khảo sát phụ tải điện trạm BTS nhằm tối ưu hóa sử dụng điện năng”, Chuyên san Điều khiển Tự động hóa, số 14, 12/2015, pp 47-52, 2015 [3] Nguyễn Văn Tuấn, Phân tích liệu với R, Nxb Tổng hợp TP Hồ Chí Minh, 2017 [4] James D Gadze, Sylvester B Aboagye, Kwame A P Agyekum, “Real Time Traffic Base Station Power Consumption Model for Telcos in Ghana”, International Journal of Computer Science and Telecommunications, Vol 7, Issue 5, July 2016, pp 6-13, 2016 [5] Madhu Sudan Dahal, Shree Krishna Khadka, Jagan Nath Shrestha, Shree Raj Shakya, “A Regression Analysis for Base Station Power Consumption under Real Traffic Loads – A Case of Nepal”, American Journal of Engineering Research, Vol 4, Issue 12, pp 85-90, 2015 [6] Nguyễn Đình Luyện, Nguyễn Quang Duy, Ngô Văn Tâm, Nguyễn Đức Kiên, “Thiết kế hệ thống tự động hòa đồng điều khiển nguồn dự phòng thơng minh cho trạm thu phát gốc BTS/NODEB viễn thơng di động”, Tạp chí khoa học Trường Đại học Quy Nhơn, Số 2, Tập IX, 2015 29 Nguyễn Quang Duy Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN [7] Datasheet ADE7753, http://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ADE7753.pdf, truy cập lần cuối lúc 09:41 27/08/2018 [8] Nguyễn Đình Luyện, Nguyễn Quang Duy, Ngô Văn Tâm, “Nghiên cứu tính ADE7753 để thiết kế mạch đo dòng điện, điện áp, tần số, điện áp dụng vào hệ thống giám sát điều khiển nguồn thông minh cho trạm BTS”, 30 204(11): 23 - 30 Tạp chí khoa học Trường Đại học Quy Nhơn, S 4, T VIII, 2014 [9] Nguyễn Đình Luyện, Nguyễn Thị Lan Hương, Nguyễn Việt Tùng, Nguyễn Quang Duy, “Hệ thống hạ tầng giám sát phụ tải ứng dụng khảo sát tiêu thụ điện hộ gia đình”, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật toàn quốc lần thứ VI, Tuyển tập báo cáo khoa học, 2015 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... tuyến tính với tiêu thụ nguồn trạm phát sóng Bài báo chứng minh mối quan hệ tuyến tính này, qua đề xuất giải thuật quản lý nguồn thông minh cho trạm BTS Phân tích liệu chứng minh 204(11): 23 - 30... Bài báo chứng minh mối quan hệ tuyến tính cơng suất nguồn tiêu thụ lưu lượng sử dụng trạm BTS (bao gồm kiểm định giá trị  i ), đưa giải thuật điều khiển phân phối nguồn hợp lý cho trạm BTS thời... ADE7753 để thiết kế mạch đo dòng điện, điện áp, tần số, điện áp dụng vào hệ thống giám sát điều khiển nguồn thông minh cho trạm BTS , 30 204(11): 23 - 30 Tạp chí khoa học Trường Đại học Quy Nhơn,