تحلیل و شبیه سازی عملکرد کاربران ثانویه در شبکه رادیو شناختگر مبتنی بر شبکه رله مشارکتی دو طرفه

امروزه بعلت ازدیاد سرویس های مخابرات بی سیم و تقاضا برای نرخ ارسال بیشتر، همچنین به علت کمبودهای طیف فرکانسی طبیعی، واضح است که پارادایم های سنتی تخصیص طیف نمی تواند ملزومات رویه افزایش ادوات بی سیم و گسترش فراوان کاربردهای اینترنت سیار را فراهم کند. در نتیجه یک ایده نو یعنی رادیو شناختگر مطرح شد تا اینکه مشکلات کاهش منابع طیفی را کاهش دهد. بر خلاف استفاده انحصاری از طیف، در تسهیم طیف شبکه های رادیو شناختگر به کاربرانی که مجوز ندارند یعنی کاربران ثانویه اجازه بهره برداری از طیف داده می شود مادامی که قابلیت اطمینان ارتباط و ارسال شبکه اولیه حفظ شود (underlay model). همچنین در این بین برای افزایش بازدهی طیفی، شبکه دوطرفه برای استفاده در شبکه رادیوی شناختگر مشارکتی پیشنهاد می شود. به دلیل پیچیدگی پیاده سازی این شبکه ها مدل underlay برای این شبکه ها مطرح گردید که به دلیل نیاز نداشتن به حس طیف و امکان استفاده همزمان کاربران اولیه و ثانویه از طیف مدل مناسبی می باشد. در مدل underlay توان نودها در شبکه ثانویه به قید های مشخصی محدود می شود. در این پایان نامه به تجزیه و تحلیل همزیستی شبکه اولیه و شبکه ثانویه از نقطه نظر عملکرد سیستم می پردازیم. با توجه به تسهیم فرکانسی که در مدل underlay وجود دارد، تاثیر ارسال های هر یک از شبکه ها که برای شبکه دیگر به شکل تداخل ظاهر می شود با در نظر گرفتن الگوریتمی که توان کاربران ثانویه را محدود می کند برای کانال های متفاوت رایلی و ناکاگامی و برای پروتکل های رایج مخابرات مشارکتی یعنی تقویت و ارسال و کد برداری و ارسال را از نگاه عملکرد و کارایی دو شبکه مورد بررسی قرار می دهیم. در ابتدا در شبکه های چند پرشی برای استفاده از طیف شبکه اولیه بر اساس روش underlay کیفیت سرویس کاربران اولیه را از منظر احتمال قطع تامین می کنیم و متریک های کارایی شبکه ثانویه یعنی احتمال خطای سمبل، احتمال قطع را مورد ارزیابی قرار خواهیم داد. در این سناریو نشان خواهیم داد که کاهش تعداد پرشها موجب بهتر شدن عملکرد شبکه می شود. در ادامه با عنایت به اینکه بازدهی طیفی شبکه های دوطرفه بهتر از شبکه های سنتی یک طرفه می باشد، یک سناریوی رادیو شناختگر مبتنی بر رله دو طرفه تقویت و ارسال را درحضور کانال رایلی، معرفی خواهیم کرد. در این سناریو هم زیستی کاربران اولیه و ثانویه را از نگاه عملکرد دو شبکه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ادامه به بررسی عملکرد شبکه ثانویه خواهیم پرداخت و کران پایینی برای احتمال خطای سمبل و احتمال قطع و همچنین کران بالایی برای نرخ قابل حصول این شبکه ارائه خواهیم داد. در این سناریو نشان خواهیم داد که هر قدر الزامات کیفیت سرویس کاربران اولیه را تخفیف دهیم، کارایی کاربران ثانویه بهبود می یابد. یکی از روش های ساده بهبود عملکرد شبکه مشارکتی، افزودن تعداد کاربران به عنوان رله است، اما افزایش کاربران با این هدف مشکلاتی نیز به همراه دارد. افزایش توان مصرفی شبکه و نیاز به منابع زمانی و فرکانسی بیشتر (در صورت ارسال متعامد) نمونه هایی از این مشکلات هستند بنابراین در ادامه در پی مرتفع کردن این مشکلات بر خواهیم آمد و ایده ی انتخاب بهترین رله، برای حل این مشکلات را مطرح خواهیم کرد. در سناریوی مطرح شده، کاربران ثانویه اطلاعات خود را از بین چندین رله موجود توسط بهترین رله، یعنی رله ای که حداکثر sinr را در گیرنده ها ایجاد می کنند، انتقال می دهند. در این شبکه احتمال قطع را برای کاربران اولیه و ثانویه بررسی کردیم و نشان دادیم که با افزایش آستانه احتمال قطع شبکه اولیه، کارایی شبکه ثانویه بهبود می یابد. همچنین ثابت کردیم که سناریوی پیشنهادی به دایورسیتی کامل می رسد. ضمنا اثبات میکنیم که با افزایش تعداد رله های موجود کارایی شبکه ثانویه بهتر می شود. در ادامه با توجه به اینکه مدل فیدینگ ناکاگامی برای توصیف نوسانات آماری سیگنال های دریافتی از کانال های فیدینگ چند مسیری بطور وسیع در مخابرات بی سیم بهکار می رود، سناریو های قبلی را به مدل فیدینگ ناکاگامی گسترش داده و عملکرد سیستم رادیو شناختگر را در حضور این نوع فیدینگ مورد مطالعه قرار خواهیم داد و متریک های عملکرد را در مورد این سیستم به دست خواهیم آورد. در ادامه به بررسی تاثیر تداخل و نویز بر عملکرد شبکه رله دوطرفه با پروتکل کدبرداری و ارسال می پردازیم و یک سناریوی جامع و عملی را معرفی خواهیم کرد و در ادامه مقدار دقیقی برای احتمال خطای سمبل و احتمال قطع و همچنین کران بالایی برای نرخ قابل حصول به فرم بسته بهدست خواهیم آورد. نشان خواهیم داد با افزایش توان یا تعداد تداخل بر سیستم، کارایی سیستم به طور محسوسی کاهش مییابد. همچنین اثبات می کنیم که با افزایش توان ارسالی بعد از یک snr خاص سیستم به اشباع میرود که به این دلیل است که در snr های بالا اثر نویز در قیاس با تداخل ضعیف شده و قابل چشم پوشی می شود و لذا نسبت توان سیگنال به توان تداخل که مقدار ثابتی می شود، در رفتار سیستم تعیین کننده خواهد بود. بنابراین عملکرد به سمت یک مقدار ثابت میل می کند.