بخشی از مقاله
خلاصه:
در این مقاله یک شبکه رادیوشناختی را درنظرمیگیریم که درآن مجموعه ای از ایستگاه های مرکزی ازطیف استفاده ی فرصت طلبانه می کنندتا به گیرنده های رادیوشناختی که درسلول آن هاقراردارد،داده ارسال کنند . که در اینجابا استفاده ازروش های مختلف آشکارسازی وترکیب داده به روش های مختلف ازجملهANDوORو...می توان تخصیص کانال راانجام داد.
کلمات کلیدی: رادیوشناختی، آشکارسازی،کاربران اولیه،کاربران ثانویه،طیف سنجی
-1 مقدمه
افزایش چشمگیرwireless technologyوwireless devicesدردهه گذشته، نیاز به داشتن طیف الکترومغناطیسی را به نحو چشمگیری افزایش داده است .به دلیل نحوه اختصاص و استفاده فعلی ازطیف، منابع موجود طیفی پاسخگوی این نیاز رو به رشد نیست .به هر حال در نتیجه تحقیقات بسیاری که توسط نهادهای مختلفی نظیرFCCانجام گرفت، نشان داد که مشکل اصلی کمبود منابع طیفی نیست، بلکه نحوه نادرست تخصیص و چگونگی استفاده از طیف است.[1]در همین راستا محققانی دردانشگاه Kansasبه این نکته رسیدند که U.S. Spectrum Occupancyحدود%5.2است که حداکثراستفاده در نیویورک با%13.2می باشد .اندازه گیری ها در6محل متفاوت زیر انجام شد.[2]در واقع با توجه به مشاهدات و اندازه گیری های انجام گرفته، می توان گفت که به طور میانگین تنها حدود%20 از طیف فرکانسی تخصیص یافته به کاربردهای مختلف، به طور کامل در تمامی زمانها مورد استفاده قرار می گیرد و در سایر زمانها از این منابع به طور صحیح استفاده نمی شود.
در نظر گرفتن موارد فوق، ما را متوجه این واقعیت مهم می سازد که کمبود منابع طیفی که سیستم های مخابراتی کنونی با آن مواجه اند، صرفا به صورت ظاهری است .در راستای استفاده هر چه بهتر از منابع فرکانسی به نظر می رسد لازم است تا سیاست گذاری های پیشین تخصیص فرکانس مورد تجدید نظر قرار گیرند.دراین مقاله سعی بر این شده است که روش های مختلف آشکارسازی طیفی گفته شود.که عبارتنداز: آشکارسازی محل گیرنده های سیستم های کاربران اولیه ،آشکارسازی فرستنده کاربران اولیه وآشکارسازمشارکتی،همچنین در این مقاله به بررسی عملکرد آشکارساز انرژی در کانال AWGNبدون فیدینگ واحتمال داشتن فیدینگ پرداخته شده است.درآخرنیز نمونه های ازروش های ترکیب داده نیز ذکرشده است.
-2طیف سنجی
با توجه به توضیحات بیان شده تا به حال و با توجه به نیاز فراوان به پهنای باندهای بزرگتر، به عنوان راه حل اولیه به نظر می رسد می توان با تخصیص مجدد منابع فرکانسی برای کاربردهای مختلف مشکل کمبود این منابع را حل نمود.
-1-2 بخش حسگری طیفی
وظیفه ی این بخش حس کردن تغییرات محیطی و آشکارسازی حفره های طیفی برای استفاده کاربران ثانویه است .در این مرحله نیاز است که حفره های طیفی در حداقل زمان و با حداکثر دقت مشخص شوند .عملکرد بخش حسگری طیفی، بر تمام تصمیم گیری های بعدی سیستم رادیوی هوشمند تاثیر دارد و تنها از این طریق سیستم قادر است با محیط اطراف در ارتباط باشد .از این رو این بخش از اهمیت ویژه ای برخوردار است تا از یک طرف زمانی که کاربر اولیه حضور ندارد از منابع طیفی به صورت بهینه استفاده شود و از طرفی دیگر، میزان تداخل به وجود آمده با کاربران اولیه در اثر سنجش اشتباه در حد قابل قبولی باشد .
از طرفی اگر در یک سنجش طیف کانال مشغول، خالی فرض شود و کاربر ثانویه داده های خود را ارسال کند تداخل ایجاد می شود و این تداخل تا زمان سنجش بعدی طیف وجود خواهدداشت .از این رو کاربران ثانویه نیاز به سنجش متناوب طیف و به روز کردن نتایج خود دارند - حداکثرفاصله زمانی بین دو سنجش متوالی در استانداردIEEE802.22برابر 6 ثانیه است - .یکی از روش های آشکارسازی طیفی، آشکارسازی گیرنده های سیستم های کاربران اولیه است .دسته دیگر، آشکارسازی فرستنده های سیستم های کاربران اولیه است .بیشتر فعالیت های تحقیقاتی کنونی برروی این زمینه متمرکز است. دسته سوم آشکارسازهای طیفی، خلاصه مطالب بیان شده آشکارسازهای مشارکتی هستند.
-3 آشکارسازی محل گیرنده های سیستم های کاربران اولیه - - Reciver detection
یکی از روش های آشکارسازی طیفی ،آشکارسازی گیرنده های سیستم های کاربران اولیه ای است که درمحدوده ی ارسال ودریافت کاربران ثانویه قراردارند.پیاده سازی عملی این نوع آشکارسازی درکانال های تخصیص یافته جهت ارتباطات تلویزیونی مطرح شده است،دراین روش به کمک قراردادن حسگرهای کوچک وارزان قیمت درنزدیکی گیرنده های اولیه می توان توان نشتی ناشی ازگیرنده های اولیه را آشکارسازی نموده وبه کمک آن درمورد کانال مورداستفاده کاربران اولیه اظهار نظرنمودوبه این وسیله حفره های طیفی را برای عملکرد کاربران ثانویه مشخص کرد.
-4 آشکارسازی فرستنده کاربران اولیه - Transmitter - detection
با توجه به معایب و محدودیت های بیان شده در آشکارسازی گیرنده های اولیه، فعالیتهای تحقیقاتی کنونی بیشتر بر روی آشکارسازی فرستنده های کاربران اولیه متمرکز شده است .در این روش برای آشکارسازی حفره های طیفی، کاربر ثانویه در مورد وجود یا عدم وجود سیگنال کاربر اولیه در باندفرکانسی خاص تصمیم گیری می کند .به این منظور کاربر ثانویه بر اساس مشاهدات خود، سیگنال های ضعیف کاربران اولیه را آشکارسازی می نماید .برای انجام این عمل راههای زیادی پیشنهاد شده است که روش بیشتر مورد توجه قرار گرفته است:
الف - فیلترینگ منطبق
ب - آشکارسازی بر مبنای خواص ایستان دوری
ج - آشکارسازی انرژی
اگر سیگنال ارسال شده را بدانیم، فیلترینگ منطبق روش بهینه برای آشکارسازی کاربران اولیه است. مزیت اصلی این روش، زمان کوتاه لازم برای رسیدن به احتمال عملکرد قابل قبول آشکارسازی درمقایسه با سایر روش ها میباشد .به هر حال به دلیل نیاز به دمدوله کردن سیگنال دریافتی در روش فیلترینگ منطبق، این روش نیازمند داشتن اطلاعات کامل ویژگی های سیگنالینگ.P.U است کهاستفاده از آن را بسیار محدود می کند.خاصیت ایستان دوری بودن در نتیجهperiodicityبودن خواص آماری آن نظیر متوسط و خودبستگی به وجود می آید و یا اینکه این خاصیت به صورت عمدی و برای کمک به عمل سنجش طیف اعمال می شود. با توجه به اینکه نویزWSSبوده و نمونه های آن نابسته اند؛ درحالی که سیگنال مدوله شده ایستان دوری بوده و دارای وابستگی طیفی میباشد می توان با تبدیل فوریه دو بعدی سیگنال و نویز را در حالت ایده آل کاملا از هم جدا نمود .از این رو در سیگنال به نویزهای پایین این روش عملکرد بسیار مناسبی خواهد داشت.
از طرفی زمانی که سیگنال.P.U ناشناخته باشد و هیچ اطلاعات پیشینی از آن نداشته باشیم، روش آشکارسازی انرژی یک روش بهینه است .در الگوریتم آشکارسازی انرژی، انرژی سیگنال دریافت شده - - RSS در بازه مشاهدهTsاندازه گیری می شود .بعد از متوسط گیری روی مقادیر به دست آمده، نتیجه حاصل با یک سطح آستانه برای تصمیم در مورد حضور و یا عدم حضور کاربر اولیه مقایسه می شودمهم ترین مزیت این روش، عدم نیاز آن به دانستن اطلاعات پیشین از کاربر اولیه و همچنین سادگی پیاده سازی آن است. زمانی که سیگنال.P.U ناشناخته باشد و هیچ اطلاعات پیشینی از آن نداشته باشیم، روش آشکارسازی انرژی برای آشکارسازی یک سیگنال ناشناخته باzero mean constellationیک روش بهینه است و قابل پیاده سازی برایCRنیزمی باشد.
در الگوریتم آشکارسازی انرژی، انرژی سیگنال دریافت شده - - RSS در بازه مشاهدهTsاندازه گیری می شود .بعد از متوسط گیری روی مقادیر به دست آمده، نتیجه حاصل با یک سطح آستانه برای تصمیم درمورد حضور و یا عدم حضور.P.U مقایسه میشود .آشکارساز انرژی، معمولا در حوزه زمان پیاده سازی می شود هر چند گاهی در حوزه فرکانس نیز پیاده سازی می شود.در اینجاما بر روی پیاده سازی در حوزه زمان تمرکز می کنیم . برای پیاده سازی گزینه های متفاوتی وجود دارد .پیاده سازی آنالوگ نیازمند یکpre-filterآنالوگ با پهنای باند ثابت است که برای سنجش همزمان narrow bandوwide bandانعطاف پذیر نیست .پیاده سازی دیجیتال توسط تخمین طیف براساسFFT،قابلیت انعطاف بیشتری را برای ما فراهم میآورد .ساختار این آشکارساز در شکل3امده است.
اگرچه روش آشکارساز انرژی نیازمند دانستن اطلاعات پیشین از سیگنالPUنیست ولی خود دارای مشکلاتی است .انتخاب ترشولد در این روش خود یک مسئله مهم است، چون یک ترشولد مناسب باتغییر توان نویز ناشی از کانال و همچنین سطح تداخل به شدت تغییر می کند..[8] ولی شاید مهمترین عیب این آشکارساز عدم توانایی آن درجداسازی سیگنال و نویز از هم - و همچنین عدم توانایی درجداسازی سیگنال فرستنده مربوط به کاربر اولیه و سایر سیگنال های ارسالی کاربران ثانویه - می باشد واین به این دلیل است که در آشکارساز انرژی مستقل از نوع و ویژگی های سیگنال دریافت شده و تنها ازانرژی این سیگنال، برای انجام عملیات تصمیم گیری استفاده می شود.
-5 بررسی عملکرد آشکارساز انرژی در کانالAWGNو بدون فیدینگ
ساده ترین و در عین حال یکی از پرکاربردترین مدل هایی که برای کانال می توان در نظر گرفت، مدل ساده کانالAWGNو بدونfadingوshadowingاست این مسئله در کار آقایUrkowitz در سال1976 بررسی شده است.[8] برای بررسی بیشتر آشکارساز انرژی، در ابتدا باید چگونگی رفتارPdوPfaرا بر حسب انرژی سیگنال دریافت شده بررسی کنیم. فرض کنید - Y - N - a 1 - 0' 29 نویز سفید گوسی جمع شوندهAWGNباشد .از این رو توزیع آماری سیگنال خروجی آشکارساز طبق[8] به صورت معادله 1 خواهد بود:
که در آنX2TWتوزیعchi-squareبا متوسط صفر - مربع کای مرکزی - و - X2TW - توزیع مربع کای متغیر مرکزی با2TWدرجه آزادی است که در آن پارامتر غیر مرکزیت1است که در آنPبرابر توان دریافتی ناشی از حضور کاربر اولیه در محل گیرنده بوده و چگالی توان دو طرفه نویز می باشد.همچنینm= TW ،حاصلضرب زمان سنجش طیف در پهنای باند کلی است.با توجه به روابط بالا توابع چگالی احتمال مشاهدات کاربر ثانویه تحت دو فرضیهh0وh1به صورت معادلات 2و3 قابل بیان است:
که در رابطه فوق - T - 0 و - Im - 0 به ترتیب بیانگر تابع گاما و تابع بسل اصلاح شده نوع اول از درجهm می باشند .در این حالت با توجه به روابط به دست آمده اگر از آشکارساز انرژی در کانالAWGNو در شرایط بدون فیدینگ وshadowingاستفاده کنیم احتمال هایPfaوPdاز روابط4و5 به دست خواهند آمد:
