انتخاب رله برای سیستمهای مخابرات مشارکتی و ارزیابی آن بر مبنای موقعیت

مهندسی برق
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مخابرات انتخاب رله برای سیستمهای مخابرات مشارکتی و ارزیابی آن بر مبنای موقعیت مقدمه یکی از مشکلات عمده که در شبکه های بی سیم مطرح می شود محوشدگی[1] می باشد. این امر باعث به وجود آمدن نوسانات تصادفی در دامنه‌ی سیگنال دریافتی در محل گیرنده می گردد. با ارسال و پردازش نسخه های مجزا از یک سیگنال، می توان اثر محوشدگی را تا حد زیادی کاهش داد ]1و2[. این نسخه های مجزا می توانند در زمان های متفاوت، فرکانس های متفاوت و یا مکان های متفاوت تولید و ارسال شوند. از طرفی محیط بی سیم می تواند کانال های مستقل از یکدیگر در فضا ایجاد نماید. در صورتی که آنتن های فرستنده و گیرنده در فاصله‌ی مناسب از یکدیگر قرار بگیرند می توان نشان داد کانال های بین آنها وابستگی بسیار کمی خواهند داشت. به عبارت دیگر می توان فرض کرد تغییرات ضرایب محوشدگی دو کانال مستقل از یکدیگر می باشند ]3[. این خاصیت شبکه‌ی بی سیم، گونه‌ی جدیدی از چندگانگی به نام چندگانگی فضایی[2] را ایجاد می‌کند. در این روش، آنتن های فرستنده و گیرنده، در فواصل مناسب از یکدیگر به گونه ای قرار می گیرند که بتوان کانال های آنها را مستقل از یکدیگر دانست. در گیرنده با استفاده از استقلال ضرایب محوشدگی سیگنال های دریافتی، با ترکیب آنها، می توان به حداکثر نسبت سیگنال به نویز[3] دست یافت. اما در بسیاری از موارد به دلیل محدودیت های موجود در اندازه، هزینه و یا سخت افزار دستگاه های بی سیم، نمی توان از مزیت استفاده از چند آنتن در فرستنده‌یا گیرنده بهره جست ]6-4[. از این رو سیستم های جدیدی برای ارسال داده پیشنهاد شده است که به جای استفاده از چند آنتن در یک دستگاه، می تواند از آنتن های گره های دیگر استفاده کند. ایده‌ی اساسی در مخابرات مشارکتی این است که همه کاربرها می توانند برای ارسال سیگنال به مقصد به طور مشارکتی به‌یکدیگر کمک کنند. اطلاعات هر کاربر نه تنها به وسیله خود کاربر بلکه توسط کاربرهای دیگر نیز ارسال می شود، لذا اطلاعات دریافتی در مقصد قابل اعتمادتر است، چون با ایجاد چندگانگی، محوشدگی نیز کاهش می یابد ]7[. اساس کار این روش بر ارسال توسط رله[4] و روش چندپرشی[5] استوار است. روش چند پرشی یکی از قدیمی ترین روش های ارسال اطلاعات در مسافت های طولانی بوده است. این روش به خوبی بر تضعیف سیگنال مقابله می کند. در شبکه های بی سیم جدید، ایده‌ی چند خیزشی به دو علت افزایش نرخ ارسال و حداقل کردن مصرف انرژی، بسیار مهم است. به طور مثال در یک شبکه‌ی حسگری که حسگرها با انرژی محدود هستند استفاده از چند خیزش برای ارسال داده ها به مقصد امری حیاتی می باشد ]8[. بنابراین چگونگی استفاده کارآمد از منابع شبکه و چگونگی افزایش طول عمر شبکه از بحث های مهم می باشد. با پدیدار شدن تکنولوژی مخابرات مشارکتی، منابع (کانال و انرژی) گره های مشارکت کننده تسهیم شده و این تکنولوژی روش مؤثری برای ذخیره انرژی گره و افزایش طول عمر شبکه فراهم می کند. همچنین انتخاب رله مناسب باعث کاهش انرژی مصرفی و افزایش نرخ انتقال می شود. برای رله کردن نیاز است که از گره های کمکی که بطور مناسب بین منبع و مقصد قرار گرفته اند استفاده شود. این عمل باعث بهبود ارتباط و گسترش ناحیه تحت پوشش می شود ]9[. از طرفی کنترل توان جهت کاهش انرژی مصرفی برای انتقال هر بسته‌ی اطلاعات در گره های شبکه، از اهمیت خاصی برخوردار است. هدف اصلی سیستم مشارکتی افزایش ظرفیت شبکه، کاهش مصرف توان وگسترش ناحیه تحت پوشش شبکه است. کلمات کلیدی: انتخاب رله سیستمهای مخابرات مشارکتی محوشدگی در شبکه های بی سیم روشهای مشارکت در شبکه های مخابرات مشارکتی فهرست مطالب فصل اول – پیشگفتار1 1-1-مقدمه. 3 1-2-تاریخچه. 6 فصل دوم – مخابرات مشارکتی .. 7 2-1- مقدمه. 8 2-2- شبکه های مخابراتی اقتضایی بی سیم.. 9 2-2-1 شبکه های اقتضایی متحرک… 9 2-2-2- شبکه های حسگر بی سیم.. 10 2-3- سیستم های MIMO… 11 2-4- مدل های کانال بی سیم.. 13 2-4-1- محوشدگی رایلی.. 13 2-4-2- محوشدگی رایسین.. 14 2-4-3- محوشدگی ناکاگامی.. 15 2-5- مدولاسیون.. 15 2-5-1- مدولاسیون MPSK.. 18 2-5-2- مدولاسیون MQAM… 19 2-5-3- عملکرد مدولاسیون دیجیتال در کانال‌های محو شده مسطح.. 22 فصل سوم – معیارهای انتخاب رله و روش های مشارکت… 26 3-1- مقدمه. 27 3-2- معیارهای انتخاب رله. 29 3-2-1- انتخاب رله به صورت تصادفی.. 31 3-2-2- انتخاب رله بر مبنای ماکزیمم نسبت سیگنال به نویز. 31 3-2-3- انتخاب رله بر مبنای ضرایب کانال.. 32 3-2-4- انتخاب رله بر مبنای افت مسیر. 33 3-2-5- انتخاب رله بر مبنای SINR.. 34 3-2-6- انتخاب رله بر مبنای فاصله. 34 3-2-7- انتخاب رله بر مبنای انرژی.. 36 3-3- روش های مختلف مشارکت بعد از انتخاب رله. 39 3-3-1- روش رله کردن ثابت… 40 3-3-2- روش رله کردن وفقی.. 43 3-4- ظرفیت شبکه های مخابرات مشارکتی.. 45 فصل چهارم – بررسی انتخاب رله و کنترل توان برای روش های مختلف مشارکت… 47 4-1- مقدمه. 48 4-2- مدل سیستم.. 49 4-3- روش مشارکتی DF.. 50 4-3-1- احتمال خطای سمبل در روش مشارکتی DF.. 51 4-3-2- انتخاب رله مناسب و کنترل توان برای سیستم مشارکتی DF. 55 4-4- روش مشارکتی AF.. 57 4-4-1- احتمال خطای سمبل در روش مشارکتی AF.. 58 4-4-2- انتخاب رله مناسب و کنترل توان برای سیستم مشارکتی AF. 61 4-5- روش مشارکتی ISDF.. 62 4-5-1- احتمال خطای سمبل در روش مشارکتی ISDF.. 63 4-5-2- انتخاب رله مناسب و کنترل توان برای سیستم مشارکتی ISDF. 65 4-6- تحلیل و ارزیابی روابط… 67 4-6-1- ارزیابی روابط در روش مشارکتی DF. 68 4-6-2- ارزیابی روابط در روش مشارکتی AF. 75 4-6-3- ارزیابی روابط در روش مشارکتی ISDF. 78 4-6-4 مقایسه‌ی سه روش مشارکتیDF ، AF و ISDF. 79 4-7- بررسی پارامترهای تأثیرگذار در موقعیت رله‌ی بهینه و توان مصرفی.. 80 4-8- مقایسه‌ی اختصاص توان بهینه و اختصاص توان مساوی.. 82 فصل پنجم – نتیجه گیری و پیشنهادها85 5-1 جمع بندی و نتیجه گیری.. 86 5-2 پیشنهادات… 87 فهرست مراجع.. 89 فهرست شکل ها شکل 2-1- جانمایی شبکه اقتضایی غیریکنواخت… 9 شکل 2-2- ساختار شبکه‌ی اقتضایی سیار10 شکل 2-3- ساختار شبکه‌ی حسگر. 11 شکل 2-4- یک سیستم MIMO چهار در چهار12 شکل 2-5- بلوک مدولاسیون، کانال و دمدولاسیون در یک فرستنده و گیرنده‌ی مخابراتی.. 17 شکل 2-6- منظومه فضایی سیگنال 8PSK.. 18 شکل 2-7- منظومه فضایی سیگنال 16QAM…. 20 شکل 3-1- رفتار انواع گره ها در شبکه. 27 شکل 3-2- نمای کلی یک شبکه‌ی مشارکتی با استرتژی متمرکز شده29 شکل 3-3- انتخاب رله بر مبنای نزدیکترین همسایه. 34 شکل 3-4- مقایسه احتمال خاموشی در ارسال مستقیم با ارسال مشارکتی.. 34 شکل 3-5- یکدسته با 4 گره،2 رله و یک مقصد. 36 شکل 3-6- روش تقویت و ارسال مجدد. 40 شکل 3-7- روش کدبرداری و ارسال.. 41 شکل 3-8- روش های مشارکتی کد شده42 شکل 4-1- مدل سیستم.. 50 شکل 4-2- سناریوی مفروض در ارزیابی روابط… 68 شکل4 -3 توان مصرفی منبع، رله و توان کل در روش DFو مدولاسیون BPSK به ازای تغییرات n.. 72 شکل 4-4- توان کل مصرفی برحسب موقعیت رله برای مدولاسیون های مختلف برای روش DF. 74 شکل 4-5- توان کل مصرفی برحسب موقعیت رله برای مدولاسیون های مختلف برای روش AF. 77 شکل 4-6- توان کل مصرفی برحسب موقعیت رله برای مدولاسیون های مختلف برای روش ISDF. 78 شکل 4-7- مقایسه سه روش مشارکتی DF، AF و ISDF در مدولاسیون PSK.. 79 شکل 4-8- مقایسه سه روش مشارکتی DF، AF و ISDF در مدولاسیون مختلف… 80 شکل 4-9- بررسی تغیر فاصله‌ی منبع تا مقصد برای روش مشارکتی DF، AF و ISDF و مدولاسیون BPSK.. 82 شکل 4-10- تفاوت اختصاص توان بهینه و مساوی در روشAF. 83 شکل 4-12- تفاوت اختصاص توان بهینه و مساوی در روشISDF. 83 شکل 4-12- تفاوت اختصاص توان بهینه و مساوی در روشDF. 84 فهرست جداول جدول 2-1- مقادیر مختلف بازده پهنای باند و توان به ازای M های مختلف برای مدولاسیون PSK.. 19 جدول 2-2- مقادیر مختلف بازده پهنای باند و توان به ازای M های مختلف برای مدولاسیونQAM… 21 جدول 4-1- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش DF و مدولاسیون BPSK.. 70 جدول 4-2- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش DF و مدولاسیون 4PSK.. 71 جدول 4-3- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش DF و مدولاسیون 16PSK.. 72 جدول 4-4- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش DF و مدولاسیون 16-QAM… 73 جدول 4-5- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش AF و مدولاسیون BPSK.. 75 جدول 4-6- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش AF و مدولاسیون 4PSK.. 76 جدول 4-7- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش AF و مدولاسیون 16PSK.. 76 جدول 4-8- توان و موقعیت رله‌ی بهینه برای روش AF و مدولاسیون 16-QAM… 76 جدول اختصارات عنوان کامل علامت اختصاری Wireless Sensor Network WSN Multi Input Multi Output MIMO Mobile ad hoc Network MANET Line Of Sight LOS Radio Frequency RF Phase Shift Keying PSK Quadrature Amplitude Modulation QAM Gaussian Minimum Shift Keying GMSK Frequency Shift Keying FSK Additive White Gaussian Noise AWGN Amplitude Shift Keying ASK Amplify And Forward AF Linear Process and Forward LF Non Linear Process And Forward NLF Estimate And Forward EF Compress And Forward CF Decode And Forward DF Purge And Forward PF Gather And Forward GF Signal to Interference and Noise Ratio SINR Code Division Multiple Access CDMA Incremental Selective Decode And Forward ISDF Multiple Access Interference MAI Muximum Ratio Combining MRC Symbol Error Rate SER