بخشی از مقاله
چکیده - استفاده از سیستم های چند ورودی – چند خروجی - MIMO - برای حل مشکلات شبکه های بی سیم مورد توجه قرار گرفته شده است. در سیستم های فوق هر چقدر تعداد آنتن های موجود در آرایه آنتنی بیشتر باشد کیفیت عملکرد سیستم بهبود می یابد. در برخی از کاربردها ابعاد کوچک فرستنده یا گیرنده اجازه استفاده از تعداد زیاد آنتن را نمی دهد. برای حل مشکل فوق سیستم MIMO رله ای مطرح شده است که در آن از آنتن های موجود در نقاط دیگر - رله ها - برای دریافت و ارسال دوباره سیگنال استفاده شده است.
به دلیل محدودیت انرژی باتری گره های رله، استفاده از تکنیک برداشت انرژی در این گره ها یکی از موضوعات تحقیقاتی است. در این مقاله روی تکنیک MIMO رله ای با برداشت انرژی مبتنی بر تقسیم توان متمرکز می شویم که در آن درصدی از انرژی سیگنال های ارسالی از منبع به رله - نسبت تقسیم توان - ، برای برداشت انرژی استفاده می گردد. بدین منظور روشی سریع برای یافتن مقدار نسبت تقسیم توان پیشنهاد می گردد که نسبت به روش مرجع سرعت یافتن ضریب فوق را بیش از دو برابر افزایش میدهد.
-1 مقدمه
شبکه های بی سیم در سال های اخیر کاربرد خیلی متنوعی در زمینه های مختلف زندگی بشری برای خو.د فراهم آورده است. از مهمترین دلایل استفاده از این شبکه ها، قابلیت تحرک، سهولت کاربرد و نصب سریع نسبت به شبکه های با سیم می باشد. از مشکلات مهم این شبکه ها کاهش کیفیت سیستم نسبت به شبکه های باسیم می باشد که یکی از مهمترین علل آن اثرات چند مسیری می باشد که بصورت کانال های با محو شدگی مقیاس کوچک ظاهر می گردد.[1] یکی از راه های مقابله با پدیده محوشدگی، استفاده از دایورسیتی در ارسال یا دریافت می باشد که در این شیوه سیگنال ها از مسیر های مختلف با محو شدگی مستقل از هم ارسال می گردند. این امر منجر به کاهش شدید احتمال دچار محو شدگی شدن همزمان تمام مسیرها می باشد.
سیستم های چند ورودی- چند خروجی - MIMO1 - معروف ترین تکنیکی است که از روش فوق برای مقابله با محو شدگی استفاده میکند. در تکنیک فوق به جای یک آنتن، از آرایه آنتنی - چندین آنتن با چیدمان مشخص - برای ارسال و دریافت استفاده میگردد. هر چقدر تعداد انتن های موجود در آرایه انتنی بیشتر باشد ظرفیت و در نتیجه کیفیت عملکرد سیستم بهبود می یابد. از طرف دیگر ابعاد بسیار کوچک فرستنده و گیرنده های متحرک در حدی نیستند که بتوان به تعداد کافی آنتن با فاصله مناسب در آن گنجاند.
برای حل این مشکل از دهه 70، سیستم جدیدی ارائه شده است که به جای استفاده از چند انتن در یک دستگاه، از آنتنهای موجود در گره - محل - های دیگر استفاده نمود. این روش را دایورسیتی با ارسال مشارکتی می نامند که اساس کار آن بر پایه نظریه کانال رله بنا شده است. یک کانال رله با سه پایانه منبع، مقصد و رله در شکل - 1 - نشان داده شده است. منبع سیگنال را به طرف گیرنده و رله ارسال می نماید و رله، سیگنال دریافتی از منبع را به گیرنده می فرستند و از خود سیگنالی ندارد.[11]
از طرف دیگر مخابرات سبز یک استراتژی مهم در سیستم های مخابرات بی سیم نسل پنجم می باشد و برداشت انرژی بخش تفکیک ناپذیر از فعالیت های مربوط به مخابرات سبز می باشد. اخیرا محققان تلاش کرده اند تا تکنیک برداشت انرژی 2 و مخابرات مشارکتی را باهم ترکیب کنند. دلیل این تلاش محدودیت انرژی باتری گره های رله در سیستم های مخابرات مشارکتی می باشد.[4-2] از جمله تحقیقات انجام شده در زمینه ترکیب سیستم های رله ای با سیستم های برداشت انرژی می توان به [5] اشاره نمود که در آن احتمال خاموشی و ظرفیت ارگودیکی برای سیستم رله یک مسیری با برداشت انرژی تحلیل شده است. همچنین در [6] برداشت انرژی در شبکه مشارکتی با رله های با مکان تصادفی معرفی شد و عملکرد خاموشی و دایورسیتی آن بررسی شد.
در [7] انتقال توام اطلاعات و توان - SWIPT3 - بر اساس تقسیم توان توزیع شده برای کانال های تداخل رله ای با استفاده از تئوری بازی بررسی شد. این کار تنها برای حالت شبکه رله ای تک آنتنه و تک حاملی اعمال شد. در [8]، SWIPT برای حالت شبکه رله چند آنتنی با یک آنتن منبع و مقصد در نظر گرفته شد. هدف پژوهش فوق حداقل نمودن توان ارسالی رله با لحاظ نمودن ثابت بودن نسبت سیگنال به مجموع نویز و تداخل و برداشت انرژی در حضور اطلاعات ناقص کانال بود که برای اینکار بر اساس برنامه ریزی نیمه معین - SDP4 - ، بهینه سازی همزمان شکل دهی پرتو و تقسیم توان در نظر گرفته شد.[8]
در [9] برداشت انرژی بر اساس تقسیم توان برای شبکه رله ای MIMO در نظر گرفته شده است در روش فوق ابتدا با در نظر گرفتن ماتریس کواریانس ثابت برای منبع، شکلدهی پرتو رله و نسبت تقسیم توان در گره رله بهینه شده است. در ادامه طراحی همزمان ماتریس کواریانس منبع، ماتریس شکل دهی پرتو رله و نسبت تقسیم توان ارائه شده است. روش ارائه شده برای یافت نسبت تقسیم توان در مقاله فوق خیلی کند می باشد. در این مقاله روش جدید و سریع برای یافتن نسبت تقسیم توان در روش مبتنی بر [9] پیشنهاد می گردد. در ادامه در بخش دوم، مدلسازی مساله ارائه شده است. در بخش سوم روش پیشنهادی طراحی مقدار بهینه نسبت تقسیم توان بیان شده است و در بخش چهارم نتایج شبیه سازی های انجام شده ارائه شده است. در نهایت در بخش پنجم نتیجه گیری انجام شده است.
-2 مدلسازی مساله
مدل شبکه رله ای دو پرشی MIMO با در نظر گرفتن برداشت انرژی مبتنی بر تقسیم توان در گره رله در شکل - 2 - نشان داده شده است. در مدل فوق تمام گره ها به آنتن های چندگانه تجهیز شده اند. فرض شده است M تعداد انتن های منبع، L تعداد انتن های رله و N تعداد آنتن های مقصد باشد و تعداد رشته های داده ارسالی D باشد طوریکه برقرار باشد. با فرض رله کردن نیمه دوطرفه و غیر قابل بازیابی، سیگنال ارسالی میتواند به دو فاز تقسیم گردد که فاز اول فاز انتقال منبع و فاز دوم فاز فوروارد رله می باشد. در فاز اول اطلاعات و انرژی بطور همزمان از منبع به رله ارسال می گردد در حالیکه در فاز دوم رله با استفاده از انرژی برداشت کرده از منبع، سیگنال دریافتی را به مقصد می فرستد. فرض میشود منبع منبع انرژی ثابتی دارد و رله انرژی مصرفی خود را از انرژی ارسالی منبع در فاز اول تامین می نماید و نیازی به منبع انرژی ثابت ندارد.
شکل 2 مدل رله مساله
فریم شبکه رله MIMO مبتنی بر تقسیم توان در شکل - 3 - نشان داده شده است. فرض کنید نسبت تقسیم توان و T طول بلوک باشد که بطور مساوی بین دو فاز تقسیم شده است. در فاز اول برابر سیگنال دریافتی برای برداشت انرژی استفاده میگردد و بقیه برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد.[9]
