网络通信系统的voronoi图显示与能耗分析matlab仿真

1.程序功能描述

        两层基站（BS）组成整个通讯网络，第 1 层为 Macro 基站记为 ，第 2 层为 Micro 基站记为 ，均服从泊松分布，相互独立，在坐标为 10×10km 的面积内、按照泊松分布随机生成若干个点（随机抛洒两遍 nodes，两层叠加起来）。然后画成 voronoi 图： 也就是在相邻两个点（同种类的点）之间距离的二分之一处画一条线。同时分析网络系统的能耗。

2.测试软件版本以及运行结果展示

MATLAB2022a版本运行

3.核心程序

            %计算每个用户的信号的强度
            for i = 1:Nu
                %针对Macro
                %选择最近的一个基站，计算对应的距离
                for j1 = 1:N1
                    dist_tmp1(j1) = sqrt((xu(i)-x1(j1))^2 + (yu(i)-y1(j1))^2);
                end
                dist1 = min(dist_tmp1);
                P1(i) = Pt1*h*DeltaB1*dist1^(-alpha1);

                %针对Micro
                %选择最近的一个基站，计算对应的距离
                for j2 = 1:N2
                    dist_tmp2(j2) = sqrt((xu(i)-x2(j2))^2 + (yu(i)-y2(j2))^2);
                end
                dist2 = min(dist_tmp2);
                P2(i) = Pt2*h*DeltaB2*dist2^(-alpha2);
                %选择较大的一个联结
                [V,I] = max([P1(i),P2(i)]);
                J(i)  = I; 
            end
            %计算得到的J为每个用户对应选择的基站标号
            J;

            %根据如下规则计算SINR
            %定义与 Macro层BS连接的用户集合
            U1 = find(J==1);
            %定义与 Micro层BS连接的用户集合
            U2 = find(J==2);


            %计算SINR1和RATE1
            %计算SINR2和RATE2
            SINR1   = zeros(1,Nu);
            SINR2   = zeros(1,Nu);
            RATE1   = zeros(1,Nu);
            RATE2   = zeros(1,Nu);
            DeltaT1 = zeros(1,Nu);
            DeltaT2 = zeros(1,Nu);

            for i = 1:Nu
                %计算SINR1和RATE1
                if J(i) == 1
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 
                   for j1 = 1:N1
                       dist_tmp1(j1) = sqrt((xu(i)-x1(j1))^2 + (yu(i)-y1(j1))^2);
                   end
                   for j2 = 1:N2
                       dist_tmp2(j2) = sqrt((xu(i)-x2(j2))^2 + (yu(i)-y2(j2))^2);
                   end       
                   [V1,I1]= min(dist_tmp1);
                   dist1  = V1;
                   FZ     = Pt1*h*dist1^(-alpha1); 
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
                   ind1   = 0;
                   tmps   = [];
                   for j1 = 1:N1
                       if (j1 < I1) | (j1 >I1)
                          ind1 = ind1 + 1;
                          tmps(ind1) = Pt1*h*dist_tmp1(j1)^(-alpha1); 
                       end
                   end
                   FM1   = sum(tmps); 
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
                   tmps  = [];
                   for j1 = 1:N2
                       tmps(j1) = Pt2*h*dist_tmp2(j1)^(-alpha2); 
                   end
                   FM2   = sum(tmps); 
                   SINR1(i)   = FZ/(FM1+FM2+10^(delta2/20)/1000);
                   RATE1(i)   = B*log2(1+SINR1(i));
                   DeltaT1(i) = epsl/RATE1(i);
                else
                   SINR1(i)   = 0;
                   RATE1(i)   = 0;
                   DeltaT1(i) = 0; 
                end


                %计算SINR2和RATE2
                if J(i) == 2
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 
                   for j1 = 1:N1
                       dist_tmp1(j1) = sqrt((xu(i)-x1(j1))^2 + (yu(i)-y1(j1))^2);
                   end
                   for j2 = 1:N2
                       dist_tmp2(j2) = sqrt((xu(i)-x2(j2))^2 + (yu(i)-y2(j2))^2);
                   end       
                   [V2,I2]= min(dist_tmp2);
                   dist2  = V2;
                   FZ     = Pt2*DeltaB2*h*dist2^(-alpha2); 
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
                   tmps   = [];
                   for j1 = 1:N1
                       tmps(j1) = Pt1*h*dist_tmp1(j1)^(-alpha1); 
                   end
                   FM1   = sum(tmps); 
                   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
                   tmps  = [];
                   ind2  = 0;
                   for j1 = 1:N2
                       if (j1 < I2) | (j1 >I2)
                          ind2 = ind2 + 1;
                          tmps(ind2) = Pt2*h*dist_tmp2(j1)^(-alpha2); 
                       end
                   end
                   FM2   = sum(tmps); 
                   SINR2(i)   = FZ/(FM1+FM2+10^(delta2/20)/1000);
                   RATE2(i)   = B*log2(1+SINR2(i));
                   DeltaT2(i) = epsl/RATE2(i); 
                else
                   SINR2(i)   = 0;
                   RATE2(i)   = 0;
                   DeltaT2(i) = 0; 
                end    
            end

            %计算E
            Pbs1 = zeros(1,Nu);
            Pm1  = zeros(1,Nu);
            Pbs2 = zeros(1,Nu);
            Pm2  = zeros(1,Nu); 
12_011m

4.本算法原理

       网络通信系统的Voronoi图显示与能耗分析是一种结合网络通信和图形学的方法，用于研究网络中各个节点之间的连接关系和能量消耗情况。通过Voronoi图，我们可以直观地展示网络中各个节点的可达性和连接关系，同时分析网络的能耗分布和优化方法。

       Voronoi图，也称为泰森多边形，是一种基于点集的分割图形。在这个图中，每个点被表示为一个顶点，每个顶点周围区域内的其他点都距离该点最近。通过Voronoi图，我们可以将一个连续的平面分割为若干个不重叠的区域，使得每个区域都包含一个顶点。

       在网络通信系统中，我们可以将网络中的各个节点作为Voronoi图的顶点，节点之间的连接关系作为边。通过这种方式，我们可以将网络拓扑结构转化为图形结构，从而更直观地展示网络的连接关系。

       Voronoi图的生成主要依赖于计算几何中的一些基本算法。以下是生成Voronoi图的基本步骤：

确定顶点集：在网络通信系统中，顶点集可以由网络中的各个节点构成。

确定距离函数：距离函数用于计算任意两个节点之间的距离。在Voronoi图中，距离函数通常采用欧几里得距离或曼哈顿距离。

计算最小生成树：最小生成树是一种包含所有顶点且边权值最小的树形结构。在网络通信系统中，最小生成树可以用于表示网络中各个节点之间的连接关系。常用的最小生成树算法有Prim算法和Kruskal算法。

生成Voronoi图：根据最小生成树和距离函数，我们可以生成Voronoi图。在生成过程中，对于每个顶点，我们计算其周围区域内的其他顶点距离该点的距离，并将这些顶点连接起来形成边。最终得到的图形就是Voronoi图。

       在网络通信系统中，能耗是一个重要的性能指标。能耗分析旨在研究网络中各个节点的能量消耗情况，以便进行优化和节能。在进行能耗分析时，我们可以考虑以下几个方面：

传输能耗：节点在传输数据时需要消耗能量。传输能耗与传输距离、传输速率以及传输功率等因素有关。一般来说，传输距离越远，传输速率越高，传输功率越大，则传输能耗也越大。

接收能耗：节点在接收数据时也需要消耗能量。接收能耗与接收速率、接收功率等因素有关。一般来说，接收速率越高，接收功率越大，则接收能耗也越大。

处理能耗：节点在处理数据时需要消耗能量。处理能耗与处理器的时钟频率、指令执行能耗等因素有关。一般来说，处理器的时钟频率越高，指令执行能耗越大，则处理能耗也越大。

空闲能耗：节点在空闲状态下也需要消耗能量。空闲能耗与节点的待机功耗等因素有关。一般来说，节点的待机功耗越大，则空闲能耗也越大。