بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق مدل سیستم انتقال همزمان تک کاربره مبتنی برOFDM برای دو طرح جداسازی توان - PS - وتجزیه زمانی - TS - مطرح شده در مراجع اخیر پژوهشی را مورد بازبینی قرار میدهیم و با تغییرات ساختاری با افزایش گام های تخصیص توان و تجزیه زمان به بازه های بیشتر، یک طرح جدید با عنوان TPS را که با ترکیب مناسب طرح های TSو PS بدست آمده است را تحلیل و شبیه سازی مینماییم.
مساله نهایی تبدیل به یک مسئله بهینه سازی مقید محدب میگردد که با روش ها و الگوریتم های ریاضی ارائه شده و باکمک نرم افزار برای انتقال حداقل انرژی های مورد نیاز حل میشود و نتایج بصورت نرخ انتقال اطلاعات برحسب مقادیر متفاوت مینیمم انرژی های برداشتی مورد نیاز، ارائه میگردد. مقایسه نتایج، نشان از برتری بیش از %11 طرح PTS پیشنهادی در نرخ انتقال اطلاعات در حالتی که مقدار برداشت انرژی یکسان است، نسبت به طرح های PS وTS معمول میدهد و این در بسیاری از کاربردها بسیار حائز اهمیت است.
.1 مقدمه
درسالهای اخیر، انتقال انرژی الکتریکی بهمراه اطلاعات انتقالی، یک هدف مطلوب در تحقیقات شبکه های بیسم بعنوان یک منبع انرژی ابدی، در بین محققیقن شده است. ایده انتقال بی سیم توان نخستین بار توسط آقای تسلا جهت تامین انرژی روستاهای دورافتاده مطرح شد. از این رو می توان این روش ها را آغازی بر معرفی سیستم های انتقال بی سیم توان دانست. در ادامه با پیشرفت تکنولوژی و ساخت آنتن ها با مشخصات بهتر، ایده انتقال توان از طریق امواج مایکروویو مطرح شد. استفاده از لیزر برای انتقال انرژی را نیز می توان در این دسته جای داد.
در تحقیقات اولیه انتقال همزمان توان و اطلاعات ، تصور براین بود که از سیگنال انتقالی در حین دریافت اطلاعات، میتوان انرژی را نیز برداشت نمود.[2] ولیکن درعمل مدارات و سخت افزاری که بتواند درحال برداشت انرژی از سیگنال بیسیم دریافتی، اطلاعات را استخراج کند، وجود ندارد و در گیرنده این دو عمل بایستی جداگانه انجام شوند.
دو طرح عملی از انتقال همزمان توان و داده درمراجع1]و[3 تحت عنوان سوئیچینگ زمانی - - TS و جداسازی توان - - PS، معرفی شده اند. در طرح TS، واحدزمانی دریافت سیگنال به دو بخش تقسیم میشود، در بخش زمانی اول - - 1 سیستم مشغول به دریافت و دیکد کردن داده ها میگردد و در بخش زمانی دوم - 2 - سیستم سرگرم برداشت انرژی از سیگنال دریافتی خواهد شد.
در طرح PS توان دریافتی درگیرنده، با نسبت مجزا میشود و برای برداشت انرژی فرستاده میشود و باقیمانده توان برای دیکد اطلاعات بکار میرود. انتقال همزمان برای سیستمهای چند آنتنه در مراجع [2] و[6-4] مورد بررسی قرارگرفته است. در [1] یک سیستم چند ورودی- چندخروجی - - MIMO همه جهته با یک آنتن فرستنده و دو آنتن گیرنده، یکی برای برداشت اطلاعات و دیگری برای برداشت انرژی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در[4] طرح ارائه شده در [1] دنبال شده است و یک طرح چند ورودی- یک خروجی - - MISO برای انتقال همزمان توان و داده در کانال حالت عدم قطعیت اطلاعات* - CSI - پیشنهاد شده است.
همچنین یک طرح انتقال همزمان چند ورودی- یک خروجی بدون کانال حالت عدم قطعیت اطلاعات - CSI - در [5]پیشنهاد شده است. در [6]یک سیستم انتقال همه پخشی چند ورودی- یک خروجی مورد بررسی قرار گرفته است که از شرایط کانال دور- نزدیک استفاده میکند و گیرنده های دور اطلاعات را دیکد کرده و گیرنده های نزدیک به برداشت انرژی میپردازند. یک سیستم انتقال همزمان بهینه در کانالهای تداخلی چند آنتنی با استفاده از طرح های PS,TS در 9]و[10 مورد تحقیق قرار گرفته است.
.2 سیستم انتقال OFDM
یک سیستم ارتباطی OFDM، با یک فرستنده مجهز به آنتن همه جهته و k کاربر با آنتن های مجزا در نظر بگیرید. پهنای باند کلی سیستم به صورت مساوی به N زیر کانال - SC - تقسیم میکنیم. مجموعه SC به صورت Ɲ 1'…'1 تعریف می شود. توان تخصیص یافته به زیرکانال n با pn که Q 1'…'1 است، نشان داده می شود، فرض می کنیم که توان ارسالی کل حداکثر P باشد. یعنی زیر کانال k ام به اندازه pk از توان کل p را از فرستنده به گیرنده ها انتقال می دهد.
رابطه 1 بیانگر این مطلب است که در هر زیرکانال ماکزیمم توان بایستی بزرگتر از ماکسیمم توان کل انتقالی تقسیم بر تعداد گیرنده ها باشد، یا به عبارت دیگر ماکزیمم توان هر زیرکانال میتواند بزرگ باشد ولی یک حد پایین دارد که نباید از آن پایینتر بیاید. گین توان کانال مربوط به زیرکانال n ام که کاربر k ام میبیند با h - k,n - نشان می دهیم که Q 1'…'1 و N 1'…'. است، محیط را با فیدینگ آهسته در نظر می گیریم که در این صورت در طول بازه ارسال دلخواه تغییرات کانال ثابت است. برای سادگی مجموع زمان ارسال را یک در نظر می گیریم و فرض می کنیم که گین کانال برای همه زیرکانال ها در فرستنده معلوم باشد. شماتیک انتقال همزمان توان وداده از یک زیرکانال با فرض اینکه هرزیرکانال مستقل از زیرکانال های دیگر باشد، بصورت شکل 3 است که K پاسخ ضربه کانال است.
در سمت گیرنده، هر یک از کاربرها عملیات برداشت از انرژی - EH - را علاوه بر آشکارسازی اطلاعات - ID - انجام می دهند. فرض می شود که حداقل انرژی برداشت شده در واحد زمان ارسال، ̅ > 0 برای کاربر kام است، بدین صورت که هر گیرنده برداشت انرژی های متفاوتی دارد، زیرا بسته به فاصله از گیرنده، پاسخ کانال، نویز و... این برداشت انرژی ها در هر گیرنده میتواند متفاوت باشد.[12]
TDMA .3 با سوئیچینگ زمانی - - TS
در یک انتقال همزمان تک کاربره، با طرح TS اعمال شده در شکل 1، زمان انتقال به دوشکاف زمانی تقسیم میشود، که یکی برای انتقال اطلاعات و دیگری برای برداشت انرژی بکار گرفته میشود. بنابر آنچه گفته شد، برای K کاربر بایستی K+1 مقطع زمانی در نظر بگیریم که یک مقطع زمانی برای برداشت انرژی میباشد. برای درک بهتر فرض کنید که در مقطع زمانی اول، اطلاعات برای کاربر اول و در بازه زمانی دوم، اطلاعات برای کاربر دوم و... در نظرگرفته شده است و در زمان K+1 ام که به زمان توان مشهور است، تمامی K کاربر مشغول برداشت انرژی می شوند.
