بخشی از مقاله
چکیده
رادیو شناختگر به عنوان یک راه حل مفید برای مقابله با مسئله محدودیت طیف فرکانسی در شبکههای بیسیم ارائه شده است. در این فناوری، دستیابی پویا به طیف میسر میشود. حسگری طیف، به عنوان اساسیترین بخش رادیو شناختگر، ابزاری است که علاوه بر جلوگیری از ایجاد تداخل برای کاربران دارای مجوز، با تشخیص حفرههای طیفی، استفاده بهینه از پهنای باند را نیز افزایش میدهد . با این حال، عملکرد آشکارسازی به دلیل مسائلی همچون اثر سایه، محوشدگی چند مسیره و عدم اطمینان گیرنده، با مشکل مواجه میشود. لذا برای غلبه بر این مشکلات، میتوان از حسگری طیف همکارانه به همراه چندگانگی فضایی بهره برد. در این مقاله، حسگری طیف به روش آشکارساز انرژی در دو حالت همکارانه و غیر همکارانه در سیستمهای چند آنتنه بررسی میگردد. در این حالت با استفاده از شبیهسازی کامپیوتری، اثر تکنیکهای چند آنتنه در بهبود احتمال آشکارسازی مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: رادیو شناختگر، حسگری طیف همکارانه، چند آنتنه، آشکارساز انرژی.
-1 مقدمه
افزایش چشمگیر تکنولوژیهای بیسیم در سالهای اخیر و نیاز به ارسال اطلاعات با نرخ بالاتر، تقاضا برای دسترسی به طیف را، به شدت افزایش داده است. با توجه به محدود بودن منابع طیفی، در نگاه اول قادر به پاسخگویی این نیاز رو به رشد نخواهیم بود، ولی نتایج تحقیقات انجام گرفته در این زمینه نشان داده است که این کمبود منابع طیفی ناشی از نحوه تخصیص فعلی طیف و نیز نحوه استفاده از آن است. سیستمهای رادیو شناختگر به عنوان راهحلی برای رفع این مشکل و افزایش بهرهوری طیفی پیشنهاد شده است - یوک و همکاران،:2009 ص - 130-116 و - هایکین،:2005 ص. - 220 -201 سیستم رادیو شناختگر قادر است بخشهایی از طیف را که در زمان و مکان خاص، بدون استفاده هستند، مشخص کرده و سپس بهترین باند فرکانسی را همراه با مقدار پارامترها برای عملکرد مناسب تعیین نماید.
دو نوع کاربر در سیستمهای رادیوشناختگر وجود دارند که کاربر اولیه یا مجاز و کاربر ثانویه یا غیرمجاز نامیده میشوند. کاربرهای اولیه برای استفاده از بخش مشخصی از طیف الویت بیشتری دارند و کاربرهای ثانویه در صورت عدم ایجاد تداخل و مزاحمت برای کاربر اولیه، اجازه استفاده از طیف را خواهند داشت. در میان وظایف زیاد یک سیستم رادیو شناختگر، توانایی پیدا کردن کاربرهای اولیه موجود و آشکارسازی حفرههای طیفی برای استفاده کاربران ثانویه وظیفهی اصلی و ضروری است که حسگری طیف نامیده میشود - هریهاران و همکاران،:2013ص -133 - 136، - ریسی و همکاران،:2011 ص . - 265-259 بخش حسگری طیفی در سیستمهای رادیو شناختگر از اهمیت ویژهای برخوردار است، زیرا تمامی تصمیمگیریهای آتی در این سیستم بر اساس اطلاعات بهدستآمده در این بخش، صورت میگیرد
و یا به عبارت دیگر تنها مسیر ارتباطی سیستم با محیط اطراف، بخش حسگری طیفی است. این سیستمها باید بین باندهای فرکانسی خالی و اشغالشده تمایز قائل شوند و بتوانند آنها را به درستی و با سرعت تشخیص دهند. مرحله آشکارسازی باید دارای دقت کافی باشد چرا که در غیر این صورت ممکن است که کاربران ثانویه با این فرض که کاربر اولیه در باند فرکانسی مورد بررسی حضور ندارد، شروع به ارسال سیگنال خود نمایند و لذا سیگنال این کاربران با سیگنال کاربران اولیه تداخل کرده و موجب اختلال در عملکرد مخابرات کاربران اولیه گردد. همچنین از سوی دیگر تصمیمگیری در مورد وجود یا عدم وجود کاربر اولیه باید در حداقل زمان ممکن صورت گیرد تا از یک طرف، زمانی که کاربر اولیه در طیف فرکانسی مورد بررسی حضور ندارد از منابع طیفی به سرعت استفاده شود و از طرف دیگر، با شروع فعالیت کاربر اولیه، کاربر ثانویه به سرعت باند فرکانسی را خالی نموده و در اختیار کاربر اولیه قرار دهد.
عملکرد روشهای حسگری طیفمعمولاً با دو احتمال سنجیده میشوند - آکیلدیزوهمکاران،:2011 ص - 62-40، - جنسن و همکاران، - 1 - 2005 احتمال هشدار خطا، ،که بیانگر احتمال این پیشامد است که یک باند فرکانسی خالی که به عنوان حفره طیفی میتواند مورد استفاده قرار گیرد، به طور اشتباه بهصورت یک باند فرکانسی اشغالشده در نظر گرفته شود .در حقیقت بیانگر درصدی از حفرههای طیفی هستند که به صورت بهینه مورد استفاده واقع نمیشوند. با توجه به این موضوع و ماهیت استفاده از سیستمهای رادیو شناختگر، واضح است که احتمال هشدار غلط ، باید در خلال آشکارسازی تا حد ممکن کوچک نگه داشته شود. - 2 احتمال عدم آشکارسازی =1− احتمال این پیشامد را که یک باند فرکانسی اشغالشده بهصورت یک حفره طیفی در نظر گرفته شود، نشان میدهد.
درواقع نشاندهنده میزان تداخلی است که کاربر ثانویه، بر اساس تصمیمگیری اشتباه خود، میتواند برای کاربر اولیه ایجاد نماید. هر کاربر اولیه با توجه به پارامترهای مورد انتظار خود، حداکثر میتواند میزان خاصی از تداخل را تحمل نماید. بنابراین با توجه به این میزان قابلقبول تداخل، احتمال باید از یک مقدار مشخص کوچکتر باشد - یا به صورت معادل احتمال آشکارسازی صحیح از مقدار خاصی بزرگتر باشد - تا میزان تداخل حاصل از کاربر ثانویه بر روی کاربر اولیه از این طریق محدود گردد یعنی: ≤ کهپارامتر تعیینکننده میزان تداخل مجاز بوده و با توجه به نوع کاربرد، توسط استانداردهای موجود تعیین میگردد. روشهای حسگری طیف در سیستمهای رادیو شناختگر در دو گروه کلی به صورت زیر طبقهبندی میشوند:
الف - حسگری طیف غیر همکارانه - آشکارسازی فرستنده -
در روش حسگری طیف غیر همکارانه که به عنوان آشکارسازی فرستنده نیز شناخته شده است یک کاربر رادیو شناختگر، باندهای طیفی بلااستفاده و استفادهشده را از هم متمایز میسازد. یک کاربر ثانویه باید قادر به تصمیمگیری درباره حضور سیگنال فرستنده اولیه در یک زمان و باند فرکانسی معین باشد. اساس این روش، آشکارسازی سیگنالنسبتاً ضعیفی از فرستنده اولیه از طریق مشاهدات محلی و فردی کاربران ثانویه است. مدل فرضیه عمومی برای حسگری طیف غیر همکارانه به صورت رابطه - 1 - تعریف میشود. - - سیگنال دریافت شده به وسیله کاربر رادیو شناختگر، - - سیگنال ارسالشده از کاربر اولیه، - - ، نویز سفید گوسی و h بهره کانال است 0. ، 1 به ترتیب فرضیه عدم حضور یا حضورکاربر اولیه میباشد.
بهطور معمول چند طرح اصلی برای حسگری طیف غیر همکارانه وجود دارد که عبارتند از :آشکارسازی فیلتر منطبق ، آشکارسازی انرژی و آشکارسازی ویژگیهای ایستای دورهای - آتاپاتو و همکاران،:2011 ص. - 1241-1232آشکارساز انرژی، معمولترین روش حسگری طیفی است که پیچیدگی محاسباتی و پیادهسازی بسیار پایینی دارد. به علاوه آشکارساز انرژی، نیاز به هیچگونه اطلاعاتی از سیگنال کاربر اولیه ندارد و به همین دلیل در حسگری طیفی برای سیستمهای رادیو شناختگر بسیار مورد توجه قرارگرفته است. آشکارسازی از طریق مقایسه توان سیگنال دریافتی با سطح آستانهای که تابعی از توان نویز است انجام میشود - آتاپاتو و همکاران،:2011 ص. - 1241-1232
ب - حسگری طیف همکارانه
در روش حسگری غیر همکارانه، کاربر رادیو شناختگر میتواند مستقل از کاربران رادیوشناختگر دیگر سیگنال کاربر اولیه را به وسیلهی مشاهدات خود آشکارسازی و آنالیز کند. از آنجایی که عملکرد آشکارسازی در عمل اغلب با محوشدگی چند مسیره ، اثر سایه و مسئله گره پنهان به خطر میافتد، حسگری طیف همکارانه با بهرهبرداری از چندگانگی فضایی یک روش مؤثر برای کاستن این عوامل و بهبود عملکرد آشکارسازی است. تصمیم همکارانه ترکیب شده، میتواند بر نقص فردی هر کاربر رادیو شناختگر غلبه کند. در نتیجه حسگری طیف همکارانه، عملکرد آشکارسازی را تا حد زیادی بهبود میبخشد. بر اساس چگونگی به اشتراکگذاری دادههای حاصل از حسگری کاربران رادیو شناختگر همکاری کننده، حسگری طیف همکارانه در سه دسته متمرکز، توزیعیافته و تقویتشده طبقهبندی میشود. در حسگری همکارانه متمرکز، یک هویت مرکزی به نام FC فرایند حسگری طیف را در سهگام کنترل میکند.
در گام اول، FC یک کانال یا یک باند فرکانسی مورد علاقه برای حسگری را انتخاب میکند و به همه کاربران همکاری کننده CR، دستور میدهد بهطور جداگانه حسگری محلی را انجام دهند. در گام دوم همه کاربران CR همکاری کننده، نتایج حسگری خود را از طریق کانال کنترل گزارش میدهند و در گام سوم، FC اطلاعات حسگری محلی دریافتی را ترکیب و حضور کاربر اولیه را تعیین میکند و این تصمیم به سمت همه کاربران CR منتشر میشود - آکیلدیزو همکاران،:2011 ص . - 62-40ترکیب دادهها در FC، با دو روش ترکیب نرم و ترکیب سخت صورت میپذیرد. در ترکیب نرم دادهها، کاربران ثانویه اطلاعات حسگری خود راتماماً به FC ارسال میکنند. متداولترین روشها برای ترکیب نرم دادهها در FC، روش ترکیب بهره برابر - EGC - و روش MRC میباشد. در روش EGC اطلاعات حسگری کاربران ثانویه در ضریب وزن دهی یکسانی ضرب میشوند.
در روش MRC اطلاعاتکاربران ثانویه در مزدوج بهره کانال بین کاربر ثانویه i ام و فرستنده اولیه ضرب میشوند. این روش ترکیب، به پهنای باند بیشتری نیاز دارد - آکیلدیزو همکاران،:2011 ص . - 62-40 در روش ترکیب سخت، هر کاربر ثانویه بهطور فردی حسگری طیف را انجام میدهد و نتیجه حسگری را با یک بیت به FC ارسال میکند. FC از قوانین AND یا OR برای ترکیب دادهها استفاده میکند. در قانون AND اگر تمام کاربران حضور کاربر اولیه را اعلام کنند، FC نیز تصمیم بر حضور کاربر اولیه میگیرد. برخلاف حسگری همکارانه متمرکز، حسگری همکارانه به روش توزیع یافته برای تصمیمگیری همکارانه به یک FC تکیه ندارد. در این حالت کاربران رادیو شناختگر با یکدیگر در ارتباطند و به وسیله تکرار به یک تصمیم واحد در مورد حضور یا عدم حضور کاربر اولیه همگرا میشوند. بر اساس یک الگوریتم توزیعیافته ، هر کاربر رادیو شناختگر، دادههای حسگری خود را با دادهای حسگری دریافتی از کاربران دیگر، ترکیب میکند و بر اساس یک معیار محلی در مورد حضور کاربر اولیه تصمیمگیری
