بخشی از مقاله
چکیده -
در سالهای اخیر شبکههای رادیو شناختگر با هدف استفاده بهینه از باند فرکانسی در زمان و مکان بطور گستردهای مورد توجه قرار گرفتهاند. مدیریت منابع از چالشهای مهم در سیستمهای مخابراتی است و در شبکههای رادیو شناختگر از اهمیت بیشتری برخوردار است. توان و مدولاسیون دو پارامتر مهم در مخابرات میباشند. در این مقاله از پیوند یک الگوریتم تخصیص توان و مدولاسیون وفقی با هدف کم کردن مجموع توان مصرفی کاربرهای ثانویه استفاده میکنیم. در این روش بر اساس اطلاعات دریافتی از کانال، محدودیت تداخل و حداقل SINR مطلوب، نوع مدولاسیون و توان اختصاص یافته به هر کدام از کاربرهای ثانویه به صورت تطبیق پذیر مشخص میشود.
-1 مقدمه:
باند فرکانسی یکی از مهمترین منابع در مخابرات میباشد که به دلیل استفاده فراوان از آن در سالهای اخیر بسیار نایاب شده است. مطالعات نشان میدهد از باند فرکانسی که به کاربرها در شبکههای مختلف اختصاص داده میشود به صورت بهینه استفاده نمیشود. به طور مثال، شکل - 1 - طیف استفاده شده در بعدازظهر یک روز هفته در کانزاس آمریکا را در فرکانس 9 کیلو هرتز تا 1 مگا هرتز نشان میدهد. همانگونه که در شکل مشخص میباشد بخش زیادی از باند فرکانسی بدون استفاده مانده است. از اینرو تحقیقات فراوانی برای مدیریت و استفاده بهتر از طیف صورت گرفته است. طیف فرکانسی که توسط کاربر مجاز - 1 اولیه - استفاده نمیشود را حفره فرکانسی2 مینامند. می توان این طیفهای استفاده نشده را به کاربرهای دیگر - 3 کاربر ثانویه - اختصاص داد
رادیو شناختگر4، یک سیستم ارتباط بیسیم هوشمند می-باشدکه از محیط اطراف خود آگاه است و با استفاده از روشهای یادگیری و تطبیق پارامترهای ارسال - توان، مدولاسیون، فرکانس.... - با محیط اطراف خود دو هدف را دنبال می کند: ارتباط قابل اطمینان در زمان و مکان و استفاده بهینه از باند فرکانسی
شکل :1 طیف فرکانسی در کانزاس آمریکا
توان یکی از پارامترهای مهم در ارسال اطلاعات میباشد. تخصیص توان5 باید به گونهای انجام شود که با حداقل توان مصرفی، QOS6 مطلوب را برای کاربرها فراهم کند. در تخصیص توان به کاربرهای ثانویه باید دو محدودیت مهم مورد توجه قرار گیرد. اولا محدود بودن کل توان سیستم؛ به عبارت دیگر مجموع توان تخصیص یافته به کاربرهای ثانویه نباید از مقدار مشخصی بیشتر شود. ثانیاً مقدار تداخلی که توسط کاربر ثانویه بر روی طیف کاربر اولیه وارد میشود نباید از یک مقدار آستانه بیشتر گردد.[3] در [4] نویسنده تخصیص توان و مدولاسیون وفقی1 را تنها برای یک کاربر ثانویه درنظر گرفته است. در [6] نویسنده تخصیص توان را فقط با فرض حضور یک کاربر اولیه محاسبه کرده است و حداکثر توان ارسالی برای کاربرهای ثانویه را ثابت و یکسان در نظر گرفته است.
در این مقاله ابتدا با در نظر گرفتن شرایط کانال و تعداد کاربرهای ثانویه، حداکثر توان قابل ارسال برای هر کاربر ثانویه مشخص خواهد شد و سپس با پیوند مدولاسیون وفقی و تخصیص توان، مجموع توان تخصیص یافته به کاربرهای ثانویه و در نتیجه توان تخصیصی به هر کاربر با در نظر گرفتن و محدودیتهای هر کاربر کاهش مییابد. در الگوریتم پیشنهادی، عمل تخصیص توان در دو مرحله انجام می شود. در مرحله اول، تخصیص توان با داشتن یک مدولاسیون ثابت و بر اساس SINR مطلوب برای کاربرهای ثانویه و محدودیت تداخل برای کاربرهای اولیه صورت میپذیرد. در مرحله دوم، هرکاربر نوع مدولاسیون خود را با هدف کاهش توان مصرفی بر اساس توان تخصیص یافته مرحله قبل مشخص مینماید.
-2 مدل سیستم :
در این سیستم L کاربر اولیه و N کاربر ثانویه به صورت دو به دو با هم در ارتباط هستند. کاربرهای اولیه از تکنیک 2CDMA برای ارتباط با هم استفاده میکنند و کاربرهای ثانویه نیز از همان باند فرکانسی برای ارتباط با یکدیگر استفاده خواهند کرد. فرض می کنیم سیستم دارای یک نقطه دستیابی - AP - 3 برای ارتباط بین کاربرهای ثانویه با هم است که اطلاعات کلی شبکه را از طریق یک کانال کنترلی در اختیار کاربرهای ثانویه قرار میدهد. اطلاعات محلی مربوط به گین کانال و SINR، برای تمام کاربرهای ثانویه در گیرنده محاسبه و با استفاده از یک کانال فیدبک به فرستنده مورد نظر ارسال میشود. فرستنده براساس اطلاعات دریافتی از گیرنده و AP، پارامترهای ارسال را مشخص میکند. تمام کاربرهای ثانویه با کاربرهای اولیه سنکرون و در طول زمان تخصیص توان، ساکن یا دارای حرکت آهسته هستند.
برای جلوگیری از خودتداخلی4 ناشی از ارسال و دریافت همزمان در یک گره از ارسال نیمه دو طرفه5 استفاده .[6,5] مدل انتشار کانال، مدل فضای آزاد6 به فرم زیر است:
که در آن توان تضعیف مسیر و d0 و d به ترتیب نشان دهنده فاصله مرجع و فاصله بین گیرنده و فرستنده میباشند.وکاربرهای ثانویه، L تعداد کاربرهای اولیه، P توان امین کاربر اولیه، Pi توان i امین کاربر ثانویه و N0 توان نویز دریافتی است.
g ii بیان کننده گین کانال برای i امین کاربر ثانویه g i 0 نشان دهنده گین کانال بین امین کاربر اولیه فرستنده و i امین کاربر ثانویه گیرنده است. همچنین I مجموع تداخل ایجاد شده توسط کاربرهای اولیه بر روی کاربر ثانویه i ام است. در این مقاله فرض بر آن است که کاربرهای اولیه همواره با یک توان ثابت سیگنال خود را ارسال میکنند.
حداقل SINR مورد نیاز برای رسیدن به یک BER مشخص میباشد. مقدار به نوع کدینگ، نوع مدولاسیون و روش آشکارسازی در گیرنده بستگی دارد.
همچنین برای محدودیت تداخل وارد بر کاربر اولیه داریم:
که در آن th نشان دهنده حداکثر تداخل قابل تحمل برای کاربر اولیه ام است.
-1-2 محاسبه حداکثر توان ارسال برای هر کاربر:
حداکثر توانی که یک کاربر میتواند ارسال کند به دو پارامتر مهم بستگی دارد: اول محدودیت سخت افزاری گیرنده و فرستنده و دوم، حداکثر تداخل ایجاد شده بر روی کاربر های اولیه. توان ارسالی هیچگاه نباید از این دو مقدار آستانه بیشتر گردد.
برای تضمین برقراری رابطه - 4 - باید داشته باشیم:
رابطه - 5 - به این معنی است که تداخل وارد بر هر کدام از کاربرهای اولیه به صورت مساوی بین کاربرهای ثانویه تقسیم می-شود. با توجه به این رابطه مقدار حداکثر توان ارسالی برای هر کدام از کاربرهای ثانویه با در نظر گرفتن محدودیت تداخل برای کاربرهای اولیه به صورت زیر خواهد شد:
بنابراین حداکثر توان قابل ارسال برای هر کدام از کاربرهای ثانویه برابراست با:
برای تعیین حداکثر توان ارسالی کاربر ثانویه بر اساس رابطه - 6 - و - 7 - باید تعداد کاربرهای ثانویه - N - از ابتدا مشخص باشد.
-2-2 پیوند مدولاسیون وفقی و تخصیص توان :
هدف ما در الگوریتم پیشنهادی کم کردن مجموع توان مصرف شده توسط کاربرهای ثانویه با در نظر گرفتن محدودیت تداخل وارد بر کاربرهای اولیه و تضمین حداقل نرخ ارسال برای کاربرهای ثانویه است به عبارت دیگر داریم:
نرخ ارسال برای هر کدام از کاربرهای ثانویه به فرم زیر نوشته می-شود:
در روابط اخیر BER req برابر با BER مطلوب است.
با توجه به محدودیتهای بالا، AP توان تخصیص یافته برای تمام کاربرهای ثانویه را با فرض داشتن مدولاسیون ثابت محاسبه میکند. سپس نوع مدولاسیون بر اساس SINR اولیه برای کاربرها محاسبه میشود. میتوان نشان داد که با تغییر SINR برای کاربرهای ثانویه مقدار توان تخصیصی در هر دوره تکرار الگوریتم کاهش مییابد
-3-2 تخصیص توان اولیه:
با توجه به رابطه - 2 - می توانیم محدودیت - 11 - را به صورت زیر بازنویسی کنیم :
حال اگر رابطه - 10 - را با توجه به رابطه - 4 - به فرم ماتریسی زیر بازنویسی کنیم خواهیم داشت: F2P U 2 - 17 - که در آن 1 یک ضریب ثابت برای تبدیل نامساوی - 4 - به یک عبارت مساوی است و با استفاده از آن میتوان سطح تداخل وارد بر کاربرهای اولیه را تغییر داد
