يدانشکده مهندس

گروه برق

ينامه کارشناسپايان مخابرات: گرايش

:عنوان یشناخت ویراد يها شبکه در یخال يفرکانسها صیتشخ و جستجو

مصطفوي دکتر :استاد راهنما

میالد ذوالنوریان :نگارش

92 تابستان

Page | 2

فھرست مطالب:

3 ..................................................................................................... مقدمه:

6 .............................................................. طيف سنجی در شبکه ھای راديو شناختی

7 ................................................................................................... معرفی:

8 ................................................................. طيف سنجی و مديريت تداخل:1.1.1-

9 ........................................................... مديريت تداخل گيرنده محور: -1.1.1.1

10 ........................................................ مديريت تداخل فرستنده محور: -1.1.1.2

10 .................................................................. مشخصه ھای طيف سنجی: -1.1.2

12 ............................................................................. فرمو+سيون مساله: -1.2

12 ........................................................... مساله ی عمومی طيف سنجی: -1.2.1

18 .................................................. ديدگاه شبکه ی راديوشناختی:طيف سنجی از

18 .................................... :نداشتن اط�عات قبلی در مورد ساختار سيگنال -1.2.2.1

19 .................................................................. زمان طيف سنجی:1.2.2.2-

19 .................................................................... کانالھای فيدينگ:1.2.2.3-

20 .................................................... تکنيکھای طيف سنجی غيرمشارکتی: -1.3

ED:( ................................................................. 20آشکارساز انرژی(1.3.1-

AWGN: ........................ 23تشريح مشخصه ھای آشکارساز انرژی در کانالھای

26 .......................... تشريح مشخصه ھای آشکارساز انرژی در کانالھای فيدينگ:

28 ........................................................................ آشکارساز فيلتر منطبق:1.3.2 -

30 ...................................................................... آشکارسازی بر اساس شکل موج:

33 ................................ بررسی خصوصيات اشکارسازی بر اساس شکل موج: -1.3.2.1

35 ............................................................... آشکارسازی ايستان چرخشی: -1.3.3

41 .................................................................. تکنيکھای تشخيص مشارکتی: -1.4

45 .............................................................. تشخيص بر اساس رای گيری: -1.4.1

52 ............................................................... تشخيص بر اساس ھمبستگی: -1.4.2

55 ............................................................ بر اساس مقادير ويژه: تشخيص1.4.3-

58 ......................................................................................... منابع و مراجع:

Page | 3

مقدمه:

طيف فركانسي يك منبع نادر و گرانبها در سيستمهاي مخابراتي بيسيم و شبكه

هاست.در حال حاضر شبكه هاي بي سيم توسط يك سياست تخصيص طيف ثابت

تنظيم مي شوند.اين رويكرد طيف فركانسي را به تعداد زيادي از محدوده هاي

ن امر د.ايياب هر قسمت به سيستم خاصي اختصاص مي.كندفركانسي تقسيم مي

ن ممكن است برخي سيستمها از محدوده آمنجر به وضعيت نامطلوبي مي شود كه در

اي كه به انها اختصاص داده شده استفاده ي محدود و غير بهينه داشته باشند در

ناكافي بودن طيف فركانسي رنج ببرند.عالوه بر مشكل حالي كه سيستمهاي ديگر از

م پهن باند وعده ي برقراري سرويس هاي چند ينده ي شبكه هاي بيسيآاين نسل

شبكه هاي ناهمگن را داده است.اين چالش ها و الزامات رسانه اي تحت همزيستي

مشكل محدود بودن طيف را تشديد ميكند و نيازمند تكنولوژيهاي جديد براي

ط توساستفاده ي موثر از طيف و مقابله با اسيب پذيري كانالهاي بيسيم است.

تي ميتوان طيف فركانسي را بهتر و موثرتر مورد استفاده قرار داد.تعريف راديوشناخ

رسمي راديوشناختي بدين شكل مطرح شده است:

راديوشناختي يك فرايند راديويي براي ارتباطات بيسيم است كه در آن يك شبكه "

) بيسيم پارامترهاي ارسال خود را براساس تعامل با محيط تغيير nodeگره(يا يك

"ميدهد تا ارتباط موثري را بدون تداخل با كاربران داراي مجوز فراهم نمايد

مشاهده 2و1را با دقت در شكل MHz 1000-400اگر محدوده ي فركانسي بين

كنيم آنگاه اين محدوده ميتواند به سه ناحيه ي عمده تقسيم شود:

Ø 1- باندي كه اكثر اوقات خالي است.

Page | 4

Ø 2- باندهاي نيمه اشغال.

Ø 3- .باندهاي پرازدحام

دسته ي اصلي مناسب براي كاربران راديو شناختي همان دسته ي اول است كه باند

فركانسي به ندرت استفاده ميشود يا كال ازاد است.

FCCتقسيم بندي طيف فركانسي توسط -1شكل

Page | 5

تراكم طيف فركانسي -2شكل

اعتقاد براين است كه راديو شناختي يك فناوري با پتانسيل باال به منظور رسيدگي

رد صورت بالقوه از چارچوب عملك بهبه اين مسائل ميباشد.در اين تكنولوژي سيستمها

و با توجه خود اگاه هستند و قادرند بر اساس محيط اطراف و ويژگي هاي خودشان

ي شبكه و......خود را مجدداژتوپولو-تراكموضعيت ،بار ترافيكي،به طيف فركانسي

تنظيم كنند.با اين حال شبكه هاي راديو شناختي همچنان در مراحل اوليه از تحقيق

و توسعه قرار دارد.چالشها و مسائل فني اقتصادي و نظارتي اي وجود دارد كه نيازمند

ه هايرسيدگي به انهاست.عالوه بر اين پيچيدگي هاي منحصر به فردي در زمين

اشتراك گذاري طيف و تحرك طيف -مديريت طيف-تشخيص طيف(طيف سنجي)

اين مقاله به بررسي تكنيكهاي گوناگون طيف سنجي و بررسي نحوه ي وجود دارد.

عملكردشان ميپردازد.

Page | 6

طيف سنجي در شبكه هاي راديو شناختي

راديويي به دليل كمبود طيف فركانسي در امروزه پياده سازي فناوري هاي نوين

دسترس محدود شده است.همچنين اين تكنولوژي هاي جديد با توجه به پر سرعت

بودن نيازمند پهناي باند باالتري هستند.شبكه هاي راديوشناختي و تكنيكهاي طيف

راي گسترش اين فناوريهاي نوپاست.سنجي كه روش موثر ب

د طيف سنجي در شبكه هاي راديو شناختي در اين فصل ما به بحث در مور

معرفي ميكنيم و با بررسي مشخصه 1.1ميپردازيم.ابتدا اين موضوع را در بخش

1.2هاي طيف سنجي يك پيش زمينه ي مختصر را ايجاد ميكنيم.سپس در بخش

تي تكنيكهاي طيف سنجي غير مشاركبه تشريح مسايل اصلي طيف سنجي ميپردازيم.

روشهاي طيف سنجي 1.4بررسي مينماييم.در بخش 1.3خش را به تفضيل در ب

مشاركتي نشان داده ميشود و سرانجام اين فصل را با برخي نتيجه گيري ها به اتمام

ميرسانيم.

Page | 7

معرفي:

يكي از برجسته ترين ويژگيهاي شبكه هاي راديو شناختي توانايي تعويض و انتخاب

است.اين دسترسي پويا يكي از الزامات اساسي بين تكنولوژي هاي دسترسي راديويي

تداخل -تراكم شبكه-براي فرستنده هاست تا بتوانند خود را با تنوع ويژگيهاي كانال

و خدمات مورد نياز تطبيق دهند.شبكه هاي راديوشناختي(كه از اكنون شبكه هاي

صلي) ا ثانويه ناميده ميشوند) بايد توانايي انطباق با شبكه هاي قديمي(شبكه هاي

كه داراي حق بهرمندي از محدوده ي طيف خود ميباشند و تداخل نميپذيرند را دارا

.استفاده ي غير بهينه از طيف فعلي و نياز به افزايش باشند.بر اساس همين حقايق

ظرفيت شبكه پژوهش در زمينه ي بهره برداري از رسانه هاي بيسيم را به سوي

ارتباطات فدرال اساس كميسيون معناي جديدي سوق داده است.بر همين

)FCC ( گزارشي را منتشر نموده كه در ان به بررسي كامل استفاده 2004در سال

مسئول FCCي غير بهينه از طيف هاي راديويي پرداخته شده است.در حالي كه

white spaceبه طيف و سياستهاي ان است ائتالفتعيين محدوده هاي دسترسي

در حال بررسي و مطالعه ي راهكارهايي به منظور بهره گيري از محدوده هاي خالي

شبكه هاي تصور ميشود كه طيف(حفره هاي طيف) در باند تلويزيوني است.

تفاده با اسرا پسماندهاي طيفراديوشناختي امكان استفاده ي فرصت طلبانه از اين

نمايند.طيف سنجي تكنيكي موثر اطالعات محيط اطراف و توانايي شناخت فراهم از

شبكه هاي راديوشناختي را به اين هدف ميرساند. است كه

Page | 8

نواحي اشغال شده و حفره هاي طيفي مورد استفاده در راديو شناختي -3شكل

:طيف سنجي و مديريت تداخل1.1.1-

ه بشبكه هاي راديوشناختي براي به اشتراك گذاري طيف با سيستمهاي ديگر بايد

مجموعه اي از سياستهاي تعريف شده توسط سازمانهاي نظارتي توجه داشته

ق اره حباشند.اين سياستها بر اين ايده ي مهم استوارند كه سيستمهاي اصلي همو

مجاز به استفاده از طيف ياستفاده از طيف را دارند و سيستمهاي ثانويه تا زمان

ايجاد ننمايند.اين سياستها با هستند كه اختاللي در ارتباطات سيستمهاي اصلي

Page | 9

كنترل كردن ميزان تداخلي كه ممكن است سيستمهاي ثانويه در ارتباطات

سيستمهاي اصلي ايجاد كنند سر و كار دارد.بنابراين يكي از مسايل مهم مديريت

:نقطه ي متفاوت بنگريم 2كردن تداخل است.ما ميتوانيم اين مسئله را از

حور.فرستنده محور و گيرنده م

مديريت تداخل گيرنده محور: -1.1.1.1

در رويكرد گيرنده محور يك حد تداخل در گيرنده محاسبه ميشود و براي تعيين

محدوده ي توان در فرستنده هاي اطرافش مورد استفاده قرار ميگيرد.اين حد تداخل

بدونكه دماي تداخل ناميده ميشود به عنوان بدترين درجه ي تداخل قابل قبول

با وجود در نقطه ي كاري خود انتخاب ميشود. ايجاد مزاحمت در عمليات گيرنده

جذابيت بسيار اين روش نيازمند اطالعاتي در مورد حد تداخل تمام گيرنده ها در

يك سيستم اصلي است.اين اطالعات به متغيرهاي زيادي وابسته است.مانند

تكنيكهايونها و سرويسها.موقعيتها،پديده ي فدينگ،طرحهاي كدينگ،مدوالسي

مديريت تداخل گيرنده محور كه در اين بخش به انها اشاره نميشود اخيرا از استاندارد

IEEE SCC41 .شبكه هاي راديو شناختي كنار گذاشته شده اند

:دانشجویان محترم

آزمایشگاه پروژه گروه برقو یا کتابخانه دانشکده مهندسیبه ها ایان نامهپمتن کامل جهت دسترسی به .مراجعه فرمایید

Page | 58

مراجع:منابع و

1. J. Mitola. Cognitive radio an integrated agent architecture for software defined radio, PhD

thesis. Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden, May 2000.

2. S. Haykin. Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications. IEEE ]ournal on

Selected Areas in Communications, 23(2):201-220, 2005.

3. I.F. Akyildiz, W.Y. Lee, M.C. Vuran, and S. Mohanty. Next generation/dynamic spec- trum

access/cognitive radio wireless networks: A survey. Computer Networks, 50(13):

2127-2159, 2006.

4. Spectrum Efficiency Working Group. Report of the spectrum efficiency working group.

Technical report, FCC, Washington, DC, November 2002.

5. J. Palicot and C. Roland. A new concept for wireless reconfigurable receivers. IEEE

Communications Magazine, 41(7):124-132, 2003.

6. A. Fehske, J. Gaeddert, and J.H. Reed. A new approach to signal classification using spectral

correlation and neural networks. In Proceedings of the IEEE International Symposium on New

Frontiers Dynamic Spectrum Access Networks, Vol. 1, Baltimore, MD, 2005, pp. 144-150.

7. R. Hachemani, J. Palicot, and C. Moy. A new standard recognition sensor for cognitive radio

terminal. In uSIPCa 2007, Poznan, Poland, September 3-7, 2007.

8. A. Bouzegzi, P. Jallon, and P. Ciblat. A second order statistics based algorithm for blind

recognition of OFDM based systems. In Proceedings of Globecom 2008, New Orleans, LA,

2008.

9. A. Sahai and D. Cabric. Spectrum sensing: Fundamental limits and practical chal- lenges.

In Tutorial Presented at the 1st IEEE Conference on Dynamic Spectrum Management

(DySPAN'05), Baltimore, MD, 2005.

10. Z. Tian and G.B. Giannakis. A wavelet approach to wideband spectrum sensing for cognitive

radios. In 1st International Conference on Cognitive Radio ariented Wireless Networks and

Communications 2006, Mykonos Island, Greece, 2006, pp. 1-5.

12. Z. Quan, S. Cui, A.H. Sayed, and V. Poor. Wideband spectrum sensing in cognitive radio

networks. arXiv:0802.4130, 2008.

13. M.I. Skolnik. Introduction to Radar Systems. McGraw-Hill, Singapore, 1980.

14. H.L. Vantrees. Detection, Estimation and Modulation Theory, Vol. 1. Wiley, New

York, 1968.

15. V. Poor. An Introduction to Signal Detection and Estimation. Springer, New York,

1994.

16. H. Urkowitz. Energy detection of unknown deterministic signals. Proceedings of the

IEEE, 55:523-531, 1967.

17. R. Tandra and A. Sahai. Fundamental limits on detection in low SNR under noise

uncertainty. In International Conference on Wireless Networks, Maui, HI, 2005.

Page | 59

18. J.G. Proakis and M. Salehi. Digital Communications. McGraw-Hill, New York, 1995.

19. S.S. Haykin. Communication Systems. Wiley, New York, 2001.

20. C.L. Fullmer and J.J. Garcia-Luna-Aceves. Solutions to hidden terminal problems in wireless

networks. In Proceedings of the ACM SIGCOMM'97 Conference on Applications, Technologies,

Architectures, and Protocols for Computer Communication, Cannes, France,

1997, pp. 39-49.

21. V.I. Kostylev. Energy detection of a signal with random amplitude. In Proceedings of the IEEE

International Conference on Communications (ICC'02), Vol. 3, New York, April-May 2002.

22. F.F. Digham, M.S. Alouini, and M.K. Simon. On the energy detection of unknown signals

over fading channels. In Proceedings of the IEEE International Conference on Communications

(ICC'03), Vol. 5, Anchorage, AK, May 11-15, 2003.

23. A. Ghasemi and E.S. Sousa. Collaborative spectrum sensing for opportunistic access in fading

environments. In First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum

Access Networks 2005 (DySPAN'05), Piscataway, NJ, 2005, pp. 131-136.

24. A. Ghasemi and E.S. Sousa. Spectrum sensing in cognitive radio networks: The

cooperation-processing tradeoff. Wireless Communications and Mobile Computing,

7:1049-1060, 2007.

25. D. Cabric, A. Tkachenko, and R.W. Brodersen. Spectrum sensing measurements of pilot,

energy, and collaborative detection. In Proceedings of IEEE Military Communications

Conference, Washington, DC, October 2006.

26. C. Sun, W. Zhang, and K.B. Letaief. Cooperative spectrum sensing for cognitive radios

under bandwidth constraints. In IEEE Wireless Communications and Networking Conference

2007 (WCNC'07 ), Hong Kong, China, 2007, pp. 1-5.

27. C. Sun, W. Zhang, and K.B. Letaief. Cluster-based cooperative spectrum sensing in cognitive

radio systems. In IEEE International Conference on Communications 2007 (ICC'07 ), Glasgow,

U.K., 2007, pp. 2511-2515.

28. L.S. Cardoso, M. Debbah, P. Bianchi, and J. Najim. Cooperative spectrum sens- ing using

random matrix

theory. In International Symposium on Wireless Pervasive Computing (ISWPC'08 ), Santorini,

Greece, 2008