این پایان نامه یک راه حل امنیتی برای مدیریت کلید در شبکه های حسگر بی سیم پیشنهاد می کند. این پایان نامه چالش های طراحی برای الزامات امنیت و انرژی را مورد توجه قرار می دهد. شبکه های حسگر منابع محدودی دارند، بنابراین مدیریت کلید باید مجدداً توسعه داده شود. از آن جایی که ارتباط بی سیم بیشترین انرژی را در شبکه ی حسگر مصرف می کند، ارسال ها باید به طور موثری استفاده شوند. ما روش توزیع کلید نشانه ای را برای مدیریت کلید پیشنهاد می کنیم، در نتیجه از داده های حساس محافظت خواهد شد. در توسعه توزیع کلید نشانه ای، هدف ما امن کردن ارتباط و شبکه است. پروتکل توزیع کلید نشانه ای برروی چالش-های انرژی، محاسباتی و امنیتی تمرکز دارد و از یک پیام نشانه و زنجیره ی کلید برای کم کردن مصرف انرژی استفاده می کند که در عین حال تولید کلید درون خود گره، کلید مخفی را امن تر می کند. توزیع کلید نشانه ای دارای مزایای منحصر به فردی است که می توان به این موارد اشاره کرد:?تعداد پیام هایی که برای بر پایی کلید لازم است کاهش یافته است، زیرا پروتکل توزیع کلید نشانه ای از پیش توزیع کلید و روش پیام نشانه برای ساختن کلید استفاده می کند، بنابراین تنها یک پیام نیاز است.?کلید ها در هر گره تولید می شوند. در توزیع کلید نشانه-ای، ایستگاه پایه به هر گره یک نشانه می دهد، در نتیجه کلید می تواند از این نشانه ساخته شود.?این پروتکل از گره-های ترک کننده، گره های ملحق شونده و خرابی گره ها پشتیبانی می کند.

در این گزارش با معرفی مخابرات فراپهن باند بعنوان یک تکنولوژی نوظهور در سیستم های مخابراتی بی سیم، موضوع شکل دهی طیفی مورد توجه قرار گرفته و با بررسی علت و اهمیت شکل دهی طیف سیگنال فراپهن باند و روشهای مختلف شکل دهی طیفی، یک نمونه سیگنال فراپهن باند که با استفاده از ترکیب مشتقات گوسی بدست می آید طراحی گردیده و پارامترهای طراحی سیگنال را نیز با استفاده از الگوریتم pso بدست آورده ایم. در واقع از آنجا که یک پالس مشتق گوسی به تنهایی نمیتواند قیدهای طیفی fcc را برای طیف سیگنال فراپهن باند برآورده نماید، به روش ترکیبی مشتقات گوسی روی آورده ایم و با وزن دهی مناسب مشتقات مراتب مختلف گوسی، طیفی را ایجاد نموده ایم که در مقایسه با یک پالس منفرد گوسی (از جمله دوبلت گوسی)، پالسهای هرمیتی اصلاح شده متعامد و یا دیگر پالسها، شباهت و نزدیکی بیشتری با پوشش طیفی استاندارد شده fcc برای سیستمهای مخابراتی فراپهن باند دارد. در این گزارش سه روش: ترکیب تصادفی، ترکیب بر مبنای مینیمم سازی خطای مربعات با استفاده از الگوریتم pso و ترکیب بر مبنای مینیمم سازی مساحت ناحیه محصور بین پوشش طیفی fcc و چگالی طیف توان سیگنال طراحی شده با استفاده از الگوریتم pso، مورد بررسی و مقایسه قرارگرفته اند و در نهایت نیز توانسته ایم یک شکل پالس مرکب گوسی که تنها با استفاده از مشتق مرتبه اول، چهارم تابع گوسی بدست می آید را طراحی نماییم که در مقایسه با سیگنالهای طراحی شده در گذشته، پوشش طیفی بهتری حتی برای فرکانسهای کمتر از یک گیگا هرتز دارد. در گام بعدی با معرفی سیستم uwb-thma و بررسی مشکلات ناشی از تداخل چند کاربره، آنالیز عملکردی سیگنال طراحی شده را با استفاده از این سیستم انجام داده ایم و با محاسبه پارامترهای لازم برای استفاده از الگوریتم sga، احتمال خطای بیت را در دو حالت تئوری و شبیه سازی برای سیستم ppm-thma2 تخمین زده و به بررسی عملکرد شکل پالسهای طراحی شده پرداخته ایم.

چکیده در دهه ی اخیر، روش های کرنلی به تکنیک های تثبیت شده ای، برای اجرای پردازش سیگنال های غیر خطی تبدیل شده است. با ریشه ای که در چهارچوب محکم ریاضیاتیِ فضا های هیلبرت کرنل باز تولید دارند، روش های کرنلی به مسائل با بهینه سازی محدب منجر می گردند. علاوه بر این، آنها تقریب زننده هایِ غیر خطی جهانی هستند و تنها پیچیدگی محاسباتی نسبی را دارند. این ویژگی ها آنها را به عنوان جایگزین های جذابی برای تکنیک های مرسوم غیر خطی مانند سری های ولترا، فیلتر های چند جمله ای و شبکه های عصبی تبدیل کرده است. روش های کرنلی همچنین کاستی هایی را از خود بروز می دهند که در هر کاربرد نیاز به بررسی صحیح دارد. از جمله ی این موارد، مسائل پیچیدگی برای مجموعه های بزرگ داده و مسأله ی آموزش بیش از اندازه می باشد. در این پایان نامه، مجموعه ای از الگوریتم های کرنلی برای حل تعدادی از مسائل مربوط در زمینه ی پردازش سیگنال و مخابرات ارائه می شود. به طور خاص، با طبقه بندی الگو های غیر خطی، متعادل سازی سیستم های غیر خطی، و با پرتوسازی غیر خطی در مخابرات باند باریک و باند وسیع مواجه هستیم. همچنین به بررسی عملکرد نامطمئن و ضعیفِ سیستم های پرتو سازی کلاسیک خطی در شرایط افزایش بار، زوایای نزدیک سیگنال های دریافتی در آنتن ها برای باند ِ باریک، و سیگنال های همبسته برای باند وسیع می پردازیم. در این حیطه، برای جبران روش پرتوسازی خطی، روش چندرگرسوری وفقی کرنلی را با اندکی اصلاح به کار می بریم. این اصلاح منجر به بهود جزئی سرعت همگرایی و مهمتر از آن، کاهش پیچیدگی محاسباتی و ذخیره سازی زیاد ناشی از محاسبه ی ضریب برون یابی در هر لخظه ی به هنگام شدن ضرائب پرتو ساز می گردد. همچنین این روش با ویژگی آزادی در انتخاب هر تابع تلفات برای ارزیابی بر خط داده ها، برای اولین بار در پرتوسازی مورد استفاده قرار گرفته است. دو تابع تلفات مربعی و خطی، به همراه روش مقاوم بودن، وابستگی خطی تقریبی، و پردازش همزمان توان ویژه ای برای تحلیل مسائل مذکور به این روش داده است.

ارزیابی طیف، به عنوان اساسی ترین بخش رادیو شناختمند، ابزاریست که علاوه بر جلوگیری از ایجاد تداخل برای کاربران دارای مجوز، با تشخیص شکاف های فرکانسی، بهره استفاده از منبع گرانقدر پهنای باند را نیز افزایش می دهد. با این حال، عملکرد آشکارسازی به دلیل مسایلی همچون سایه افکنی، محوشدگی چند مسیره و مسایل مربوط به عدم اطمینان گیرنده، با مشکل مواجه می شود. لذا برای غلبه بر این مشکلات، می توان از ارزیابی طیف همکارانه که با استفاده از چندگانگی فضایی، به عنوان یک راه حل موثر شناخته می شود، بهره برد که در صورتیکه کاربران اولیه و ثانویه به سیستم های چند آنتنی نیز مجهز باشند، افزون بر افزایش قابلیت اطمینان سیستم، گین همکاری را بهبود و مشکل چند مسیرگی را نیز به یک مزیت تبدیل می کند. بنابراین در این پروژه ارزیابی طیف همکارانه با استفاده از کدهای بلوکی فضا زمان متعامد جهت دستیابی به چندگانگی همکاری، در یک ساختار مبتنی بر رله معرفی شده است. سیگنال های دریافتی از کاربر اولیه توسط هرکدام از رله ها تقویت و سپس به کنترلر شناختمندی که مجهز به آشکارساز انرژی می باشد و از روش های طبقه بندی برای حذف کاربر بدخواه استفاده می کند، ارسال می شود تا نسبت به حضور یا عدم حضور کاربر اولیه تصمیم گیری نماید. کانال های موجود در این ساختار دارای محوشدگی سایه در نظر گرفته شده اند. عملکرد سیستم پیشنهادی با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری مورد ارزیابی قرار گرفته است.

موضوع رساله حاضر، بررسی راه هایی برای بهبود عملکرد تکنیک های چندحاملی در شبکه های رادیوشناختمند است. تاکید اصلی بر ارائه تکنیک هایی برای کاهش لوب های جانبی در تکنیک های mc-cdma و uw-ofdm برای دسترسی فرصت طلبانه طیفی در قالب overlay است. پژوهش های انجام شده در این رساله را می توان در سه حوزه طبقه بندی نمود. حوزه اول ارائه رابطه محاسباتی برای مدل سازی چگالی طیف توان دو تکنیک مورد بررسی است تا بتوان از این مدل برای طراحی الگوریتم های کاهش لوب های جانبی استفاده کرد. این موضوع، در فصل سوم مورد بررسی قرار گرفته است. در این فصل، هم چنین، بررسی جامعی بر روی تابش طیف فرکانسی تکنیک نوین uw-ofdm ارائه شده است و تاثیر پارامترهای مختلف این سیستم بر چگالی طیف توان آن بررسی شده است. این بررسی از این جهت مهم است که تکنیک uw-ofdm تابش خارج -از-باند بسیار کم تری را نسبت به تکنیک چندحاملی مرسوم cp-ofdm دارد. حوزه دوم به طراحی کدگسترش در شبکه رادیوشناختمند مبتنی بر mc-cdma اختصاص دارد که در فصل چهارم ارائه شده است. در این فصل به منظور کاهش لوب های جانبی از این ویژگی درونی تکنیک mc-cdma استفاده کرده ایم و نشان داده ایم که با کمی کاهش در تعداد کاربران فعال سیستم می توان به سطح لوب های جانبی صفر رسید که در مقایسه با عموم روش های کاهنده لوب های جانبی ارائه شده برای cp-ofdm عملکرد بسیار خوبی است. در حوزه سوم از پژوهش های انجام شده در این رساله در فصل پنجم، به بررسی استفاده از تکنیک uw-ofdm در شبکه رادیوشناختمند پرداخته ایم. انگیزه ما برای این طرح، سطح بسیار پایین تر لوب های جانبی uw-ofdm در مقایسه با تکنیک مرسوم cp-ofdm است. در این فصل نشان داده ایم تنها با صفر کردن زیرحامل های قرار گرفته در باند غیرمجاز، توان نشتی این سیستم به بخش غیرمجاز طیف بسیار کم است و این عملکرد بدون استفاده از هیچ روش کاهنده لوب های جانبی به دست می آید. از طرف دیگر، ماتریس تولیدکننده کد سیستم uw-ofdm را به نحوی طراحی کرده ایم که علاوه بر حفظ کارکردهای اصلی خود، بتواند لوب های جانبی را بیشتر نیز کاهش دهد. به این ترتیب، سیستم با استفاده از این ویژگی درونی خود و فقط با کمی کاهش در ظرفیت، می تواند لوب های جانبی خود را تا هر سطح دلخواه تضعیف نماید.

یکی از مشکلات اساسی در مهندسی و تحقیق در عملیات، تخصیص و یا زمان¬بندی منابع در بین میزبان¬های مختلف است که برای دسترسی خود به رسانه با یکدیگر به رقابت می¬پردازند. به منظور طراحی و پیاده¬سازی مقیاس¬پذیر سیستم¬های تحت شبکه، الگوریتم¬های زمان¬بندی ملزم به داشتن محاسبات بسیار ساده و توزیع شده می¬باشند. در این پایان¬نامه، یک روش کاربردی برای طراحی الگوریتم¬های ساده و توزیع شده مبتنی بر پروتکل arq همیار ارائه می¬شود. معتقدیم این روش در شبکه¬های بی¬سیم با ویژگی تارکنندگی سریع و با نرخ ترافیک بالا، دارای عملکردی بهینه می¬باشد. الگوریتم را با جزئیات در حوزه دسترسی به رسانه بی¬سیم بیان می¬کنیم و رفتار مجانبی آن بررسی می¬شود، که به طور طبیعی ما را به سوی شبکه پردازش تصادفی سوق می¬دهد. در شبکه¬های بی¬سیم و به منظور برقراری ارتباط، فرستنده¬های متعددی در حال تلاش برای استفاده از رسانه مشترک بی¬سیم می¬باشند. با توجه به ماهیت ارتباطات بی¬سیم، دو ارسال همزمان و در مجاورت هم ممکن است با یکدیگر تداخل داشته و بسته ارسالی گم شود. برای جلوگیری از چنین تداخل مخربی، یک الگوریتم زمان-بندی، که به عنوان کنترل دسترسی به رسانه (mac) شناخته می¬شود، مورد نیاز است. پرسش طراحی mac کارآمد به طور گسترده از زمان شبکه¬های aloha مورد مطالعه قرار گرفته است. اگر چه انواع خاصی از الگوریتم¬های mac در عمل مورد استفاده قرار گرفته¬اند، به عنوان مثال گواهی ieee 802.11، اما بیش از چهار دهه است که ارائه یک الگوریتم کارآمد قابل اثبات همانند رمز و راز باقی مانده است. به عنوان سهم خود در این چالش، یک کنترل دسترسی رسانه (mac) تصادفی، بدیع و در چارچوب تقاضاهای امروز ارائه می-دهیم و بهینگی آن را در اجرا ثابت می¬کنیم. مانند راه حل¬های مورد استفاده در عمل، الگوریتم ما هم "تصادفی" و هم "عقبگرد – مانند" است و از اطلاعات "سنجش و رزو حامل" استفاده می¬کند. این اولین نمونه از mac است که ثابت می¬شود برای توپولوژی تداخلی عمومی، در اجرا بهینه است. راه حل ما نمونه برداری کلاسیگ هستینگز و معیار پایداری لیاپانوف را با بینش به دست آمده از تجزیه و تحلیل پویایی صف¬های متغیر با زمان در هم می¬آمیزد. چارچوب نظری ما برای طراحی الگوریتم¬های زمان¬بندی توزیع شده در طیف وسیعی از مسائل تخصیص منابع ترکیبی در شبکه¬های پردازش تصادفی، از جمله زمان¬بندی در سوئیچ¬های ورودی صف کاربرد دارد. الگوریتم¬های مسیریابی و زمان¬بندی بهینه برای دهه¬هاست که مورد مطالعه قرار گرفته است، با این حال وجود چندین مشکل عملی در پیاده¬سازی، از بکارگیری این سیاست¬های کنترل شبکه جلوگیری می¬کند. در این پایان-نامه دو موضوع مجزا در کنترل توزیع¬شده شبکه در نظر گرفته می¬شود: به حداکثر رساندن گذردهی در شبکه-های بی¬سیم با استفاده از دسترسی فرصت¬طلبانه، و تفکیک رقابت همراه با کنترل خطا.

در این رساله، در ابتدا تداخل های بین کانالی و بین سمبلی در کانال های چند ورودی-چند خروجی انتخابگر فرکانسی معرفی می شوند و مورد بررسی قرار می گیرند. سپس روش هایی جدید برای غلبه بر این تداخل ها معرفی می شوند. از آنجایی که نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد از بین روش های موجود، روش های مبتنی بر تجزیه ی مقادیر تکین کارآیی بهتری دارند، برای حذف تداخل بین کانالی در کانال های غیر انتخابگر فرکانسی و تخت، دو روش وفقی برای تخمین تجزیه ی مقادیر تکین ماتریس کانال پیشنهاد می شود. با استفاده از این دو روش می توان همسانساز و پیش کدگذار مناسبی جهت حذف تداخل بین کانالی طراحی کرد. سپس، برای کانال های انتخابگر فرکانسی که علاوه بر تداخل بین کانالی از تداخل بین سمبلی نیز متأثرند، مفهوم تجزیه ی مقادیر تکین تعمیم داده می شود و با استفاده از آن، ساختاری جهت حذف تداخل های بین کانالی و بین سمبلی در کانال های انتخابگر فرکانسی معرفی می شود. برای محاسبه ی تجزیه ی مقادیر تکین تعمیم یافته، جهت ماتریس چند جمله ای مربوط به کانال های انتخابگر فرکانسی، دو روش مختلف پیشنهاد می شود. در روش پیشنهادی اول از الگوریتم ژنتیک برای این منظور استفاده می شود که علاوه بر حذف تداخل بین کانالی می تواند به طور همزمان تداخل بین سمبلی را نیز حذف کند. این روش علیرغم داشتن کارآیی مناسب، از سرعت خوبی برخوردار نیست. در روش دوم، یک الگوریتم تحلیلی و ریاضی جهت محاسبه ی تجزیه ی مقادیر تکین ماتریس کانال معرفی می شود. در این روش، تجزیه ی مقادیر تکین ماتریس چند جمله ای مربوط به کانال انتخابگر فرکانسی به صورت تحلیلی و پارامتری محاسبه می شود و سپس با به کار بردن بسط تیلور، ماتریس های متناظر با فیلتر های همسانساز و پیش کدگذار با پاسخ ضربه ی محدود تولید می شوند. لازم به ذکر است فیلتر های طراحی شده با این روش به صورت عملی قابل پیاده سازی هستند. نحوه ی عملکرد این روش که به دلیل تحلیلی بودن سرعت بسیار بالایی دارد و قابل استفاده در سیستم های بلادرنگ می باشد، در یک مثال به طور کامل توضیح داده شده است. در انتها نیز یک نوع کدینگ فضایی-زمانی جدید برای حذف تداخل بین سمبلی با استفاده از چندگانگی فضایی معرفی می شود. در این روش، بر روی بعضی از آنتن های فرستنده سیگنال هایی ارسال می شوند که باعث می شوند در گیرنده جمله ی مربوط به تداخل بین سمبلی حذف گردد. با به کار بردن این کدینگ پیشنهادی می توان یک کانال چند ورودی-چند خروجی انتخابگر فرکانسی را به یک کانال تخت تبدیل کرد. مزیت این روش علاوه بر سرعت بسیار بالا و پیچیدگی پایین آن در مقایسه با سایر روش ها، این است که برخلاف روش های دیگر، افزایش طول حافظه کانال باعث پیچیدگی همسانسازی آن نمی شود. نتایج شبیه سازی ها نیز نشان از کارآیی بسیار بالای این روش دارند. در نهایت با توجه به مطالب فوق می توان روش های پیشنهادی در این پروژه را به عنوان جایگزین های مناسبی برای سیستم های متداول چند ورودی-چند خروجی انتخابگر فرکانسی در نظر گرفت.