لایهی، فراپهنباند، سیگنالهای، پالس، شبکههای، تاخیر

ر انتخاب مناسب مدولاسیون برای سیگنالهای فراپهن باند نقش دارند، که میتوان به نرخ اطلاعات، پیچیدگی گیرنده و فرستنده، خواص طیفی سیگنال، مقاومت در برابر تداخل سیگنالهای باریکباند، تداخل بین سمبلی، وضعیت خطا و غیره اشاره کرد. در سیستمهای فراپهنباند پالسی مدولاسیونهای PAM، OOK و PPM معمولا استفاده میشوند. در PPM باینری بیت ‘1’ با یک پالس بدون تاخیر و بیت ‘0’ توسط یک پالس با تاخیر نسبت به مرجع زمانی تعیین میگردند. در این مدولاسیون میتوان از جابجاییهای مختلف پالس برای مشخص کردن سمبلهای مختلف استفاده کرد. رایجترین روش PPM، استفاده از روش سیگنالینگ متعامد میباشد، که در آن هر سیگنال بر سیگنال شیفت یافتهاش عمود میباشد. در PAM بیتهای ‘1’ و ‘0’ با یک سیگنال و تغییر فاز داده شدهی آن به اندازه 180 درجه نشان داده میشوند. در OOK با ارسال و عدم ارسال پالس، بیتهای ‘1’ و ‘0’ را مشخص میشود [4] .

شکل2-2: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند [3] 5.2 دسترسی چندگانه در سیستمهای فراپهنباندروشهای جهش زمانی(TH) و دنبالهی مستقیم(DS) دو روش رایج برای دسترسی چندگانه در سیستمهای فراپهنباند میباشند.
در TH-PPM سیگنال ارسالی () برای کاربر ام بصورت زیر نشان داده میشود:

که در آن دورهی سمبل، دادهی ارسال شدهی ام (برای دادههای باینری ) برای امین کاربر، اندیس مدولاسیون میباشند و گسترده شده پالس اولیه میباشد که به صورت زیر تعریف میشود:

کد گستردهای است که برای هر کاربر یکتا میباشد و دسترسی چندگانه را برای کاربران میسر میسازد (این کد همانند کدهای استفاده شده در CDMA میباشد، ولی طول آن بسیار کمتر است)، شیفت زمانی برای و تعداد پالسها () در یک دورهی سمبل میباشد. هر پالس (در CDMA به آن چیپ گفته میشود) بازهی زمانی را اشغال میکند، بنابراین:

از آنجاییکه ساخت پالس گوسی و مشتقات آن بسیار آسان است، شکل پالس استفاده شده برای PPM معمولا مشتق مرتبهی اول و یا مشتقات بالاتر تابع گوسی میباشد. از آنجاییکه آنتنها مقادیر DC سیگنال را انتقال نمیدهند، معمولا از مشتقات پالس گوسی که دارای مولفهی DC صفر میباشند، استفاده میشود. مشتق مرتبهی اول تابع گوسی را میتوان به صورت زیر نشان داد:

که در آن و به ترتیب دامنه و گستردگی (پهنای) پالس و پارامتر شیفت زمانی میباشند. مشتق مرتبهی اول پالس گوسی در حوزهی زمان و فرکانس در شکل 2-1 نشان داده شده که در آن و است. همانطور که در شکل 2-1 نشات داده شده، این پالس در حوزه فرکانس، دارای پهنای بسیار بالایی میباشد و دارای مولفهی DC صفر و فرکانس پایین کمی است که آن را برای استفاده در مخابرات فراپهنباند مناسب میسازد [5] .

شکل2-3: روشهای مدولاسیون در سیستمهای فراپهنباند [1]
شکل پالسهای دیگری همانند پالسهای هرمیتی، لژاندری و غیره نیز در مخابرات فراپهنباند استفاده میشوند، که هریک مزایای مخصوص به خود را دارند [3] .
6.2 ساختار لایهها در شبکههای اقتضاییهمانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است، همانند هر شبکهی دیگری، شبکههای اقتضایی نیز از لایههایی تشکیل شدهاند. هر شبکه اقتضایی به 5 لایهی فیزیکی، پیوند داده، شبکه، انتقال و کاربرد تقسیمبندی میشود. لایهی فیزیکی انتقال بیتها از طریق کانال مخابراتی را به عهده دارد. لایهی پیوند داده که زیر لایهی MAC نیز جزیی از آن میباشد، وظایف زیر را بهعهده دارد:
رفع خطاهای فیزیکی
کنترل دسترسی به کانال مشترک (MAC)
فریمبندی دادهها
انتقال مطمئن داده از طریق محیط انتقال
هماهنگی بین سرعت گیرنده و فرستنده (سنکرون کردن گیرنده و فرستنده)
بعد از آن لایه شبکه میباشد که از جمله وظایف آن میتوان به کنترل عملکرد زیر شبکهها، مسیریابی، کنترل گلوگاهها، کیفیت سرویسدهی اشاره کرد. در لایهی انتقال، دادهها برای استفاده در لایههای پایینتر شکسته شده و همچنین یک کنترل خطا در این لایه بر روی دادهها اعمال میشود. در بالاترین لایه که لایهی کاربرد است، مجموعهی از پروتکلها و برنامهها، طرح ریزی و پیادهسازی میشوند [6] .

شکل24: معماری لایهها در شبکههای اقتضایی[6]
لایهی شبکه در این نوع تقریبا عملکرد مشابهی با شبکههای دیگر دارد، بنابراین سعی میشود به بررسی لایهی پیوند پرداخته شود.
تبادل اطلاعات در مورد همسایهها و توپولوژی اطراف هر گره در لایهی پیوند داده و مسیریابی در لایهی شبکه انجام میپذیرد. کنترل دسترسی به کانال مشترک در زیر لایهی MAC از لایه پیوند داده انجام میشود. با توجه به اهمیت زیر لایهی MAC (در برخی موارد آن را لایهی MAC نیز مینامند)، به صورت مجزا به بررسی آن در شبکههای اقتضایی فراپهنباند پرداخته میشود.
زیر لایهی M A C در شبکههای بیسیم اقتضایی فراپهنباندگروه IEEE TG802.15.3a دو طرح برای لایهی MAC شبکههای اقتضایی بیسیم فراپهنباند پیشنهاد میدهد، که عبارتند از DS-UWB (که پیشگامان آن شرکتهای موتورولا و فریاسکیل میباشند) و MBOA (با پیشگامی شرکت اینتل). تفاوت این دو طرح در پشتیبانی از بعضی سرعتها میباشد.
DS-UWB برای مخابراهی دادهها در سرعتهای 28، 55، 110، 220، 500، 660 و 1320 مگابیت در ثانیه و MBOA برای مخابرهی دادهها در سرعتهای 55، 110، 200، 400 و 480 مگابیت در ثانیه طراحی شدهاند[1] .
طرح پیشنهادی توسط MBOA برپایهی MB-OFDM میباشد. در MB-OFDM پهنایباند مورد استفاده در سیگنالهای فراپهنباند (3.1-10.6 GHz) به 13 باند 528 مگاهرتزی تقسیم میشود. این باندها نیز در چهار گروه مختلف تقسیم میشوند که عبارتند از: گروه A (باند 3-1) ، گروه B (باند 5-4) ، گروه C(باند 9-6) و گروه D (باند 13-10)[3] .
برای استفاده از منابع، باید طراحی لایهی MAC به گونهای باشد که از خواص منحصربفرد سیگنالهای فراپهنباند استفاده کند و بتواند محدودیتهای زیر را در طراحی خود لحاظ کند:
توان ارسال پایین برای رعایت کردن توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز تعیین شده توسط FCC و افزایش طول عمر باتری دستگاهها.
بنابراین باید مکانیزمی برای کارا کردن توان مصرفی در لایهی MAC وجود داشته باشد.
مدت زمانی که تاثیر سیگنال فراپهنباند در کانال باقی میماند و آن را میتوان از کانال استخراج کرد (زمان اکتساب) بسیار بیشتر از سیگنالهای باریکباند باشد.
پس هنگامیکه نرخ ارسال اطلاعات زیاد باشد، ممکن است بخش عمدهای از زمانیکه گیرنده صرف دریافت اطلاعات میکند به زمان اکتساب اختصاص داده شود که باعث کاهش بازده سیستم فراپهنباند میشود. در شکل 3-2 پاسخ ضربهی کانال به یک پالس فراپهنباند نشان داده شدهاست. همانطور که در شکل مشخص است، اثر پالس تقریبا به اندازهی 150 ns باقی ماندهاست در حالیکه عرض پالس در حدود چند نانوثانیه بیشتر نمیباشد.
به دلیل قابلیت مکانیابی دقیق سیستمهای فراپهنباند با استفاده از اطلاعات بدست آمده از مکانیابی، لایهی MAC باید بتواند مسیریابی و کنترل توان را بهبود بخشد.

شکل2 5: (a) پاسخ ضربهی مدل کانال برای IEEE 802.15.3a CH3 محور عمودی دامنهی کانال میباشد، (b) تابع خودهمبستگی پاسخ ضربهی کانال [3] مدل کانال IEEE UWB
در گروه IEEE 802.15.3a مدل کانال چند مسیرهای برای سیگنالهای فراپهنباند ارایه دادهاند. در این مدل المانهای چند مسیره در گروههایی بنام خوشه با توزیع پوآسون وارد گیرنده میشوند. هر مسیر در هر خوشه نیز خود به صورت توزیع پوآسون وارد گیرنده میشود. پاسخ ضربهی کانال به شکل زیر تعریف میگردد [7]و[8]:

شکل 2- 5 :پروفایل تاخیر زمانی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a [9]
که در آن تعداد خوشهها، تعداد مسیرها در یک خوشه و گین چندمسیرهی، مسیر ام و خوشهی ام میباشد. تاخیر خوشهی ام و تاخیر زمانی امین مسیر از خوشهی ام میباشند. دامنهی تضعیفشدگی به صورت زیر تعریف میشود:

که درآن علامت دامنهی تضعیفشدگی میباشد و مقادیر را با احتمال مساوی میپذیرد و برای در نظر گرفتن وارونه شدن سیگنال در اثر انعکاس، بکار گرفته میشود. تضعیفشدگی متناظر با خوشهی ام و تضعیفشدگی متناظر با مسیر ام خوشهی ام میباشند. پوش دامنهی تضعیفشدگی (مثلا ) دارای توزیع لگاریتمی نرمال با میانگین و واریانس میباشد که از مدل زیر برای نشان دادن آن استفاده میشود:

میانگین توان مسیر اول خوشهی اول میباشد. پارامترهای و به ترتیب ثابتهای تضعیف خوشه و مسیر میباشند. با توجه به این مدل، میانگین تضعیفشدگی کانال به صورت زیر بدست میآید:

که درآن میباشد. از آنجاییکه خوشهها و مسیرها با یک توزیع پوآسون به گیرنده میرسند، رسیدن بین خوشهها و مسیرها از توزیع نمایی زیر پیروی میکند [7] :

Unit CM3 CM1 Model Parameter
– NLOS LOS LOS/NLOS
M 4-10 0-4 TX-RX Separation
1/ns 0.0667 0.0233
1/ns 2.1 2.5
ns 14 7.1
ns 7.9 4.3
dB 3.3941 3.3941
dB 3.3941 3.3941
جدول2-1: پارامترهای مدل کانال IEEE UWBفصل سوم:شبکههای حسگر مکانیاب
مقدمهبه طور ساده و اصولی کلیه روشهای تشخیص و تخمین مکان هدف در فضاهای دو بعدی و سه بعدی مکانیابی نامیده میشوند.
دستهبندی سیستمهای مکانیاب:دستهبندی فناوریهای مکانیابی بر چندین اساس مختلف انجام میگردد. اولین و مهمترین نوع دستهبندی که معمولا از آن استفاده میشود، دستهبندی سیستمهای مکانیابی از نوع فاصلهیابی میباشد.
دستهی اول، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها بر اساس سیگنالهای رادیویی انجام میگیرد که به آنها سیستمهای مکانیاب بر پایهی فاصلهیابی گفته میشود.
دستهی دوم، سیستمهایی هستند که فاصلهیابی آنها با استفاده از نقشههای از پیش ثبت شده انجام میگیرد. این روشها شامل دو مرحله میباشند:
مرحلهی اول: ایجاد یک نقشه از محیط مورد نظر و ثبت مشخصات سیگنال در نقطه به نقطهی محیط تحت نظارت.
مرحلهی دوم: در این مرحله مکانیابی واقعی انجام شده و در هر نقطه از هدف با توجه به دریافت سیگنال براساس نقشه ثبتی موقعیت را تشخیص میدهد.
از جمله مشکلات استفاده از این روش ثبت اطلاعات با حجم بالا و پیچیدگی قدرت پردازش میباشد که عملا استفاده از این نوع سیستمها را در مناطق وسیع با دقت مناسب غیر ممکن میسازد.
از پرکاربردترین روشهایی که از این فناوری استفاده میکنند، روشهایی مبنی بر ثبت قدرت سیگنال و روشهایی مبتنی بر متوسط توان دریافتی سیگنال و متوسط تاخیر ناشی از پروفایل تاخیر میباشد.
به دلیل معایب عنوان شده، برای سیستمهای مبتنی بر ثبت مشخصات سیگنال و همچنین تنوع سیستمهای مکانیاب مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی، اینگونه سیستمها دارای کاربرد بیشتری هستند.
اینگونه سیستمهای مکانیاب مبتنی بر سیگنال، دارای چند نوع دستهبندی بوده و در ادامه فقط به این سیستمها پرداخته میشود که به اختصار منظور از سیستمهای مکانیاب، مکانیابهای مبتنی بر فاصلهیابی از طریق سیگنالهای رادیویی میباشد.
به لحاظ روش اندازهگیری فاصله برای مکانیابی، دستهبندی زیر انجام میگردد:
الف: استفاده از تاخیر زمان بین سیگنال ارسالی و دریافتی.
ب: استفاده از تاخیر زمان بین دو سیگنال ارسالی از یک گره مرجع زمانی وسایر گرههای مرجع.
ج: استفاده از زاویه رسیدن سیگنال.
د: استفاده از سیگنالهای گردشی.
جهت محاسبهی زمان رفت و برگشت سیگنال بین یک فرستنده و گیرنده به لحاظ نوع سیگنال فاصلهیاب دستهبندی زیر انجام میشود:
به دلیل عبور از موانع و نیز گذراندن مسافتهای طولانی بهترین و معمولترین سیگنالها که برای این هدف مناسب هستند، سیگنالهای رادیویی میباشند. سیگنالهای مادون قرمز ارتباطی ارزان و با توان پایین، نمونهای از این سیگنالها هستند. این سیگنالها بر خلاف سیگنالهای رادیویی قابلیت عبور از موانع را ندارند.
سیگنالهای نوری دارای توان مصرفی پایین بوده و نیاز به دید مستقیم دارند و همچنین در مقابل نورهای محیطی محافظت نشدهاند.
در میان انواع سیگنالها اعم از رادیویی و غیره، سیگنالهای فراپهنباند از جمله فناوریهای مناسب برای مکانیابی میباشند که در فصل دوم به آنها اشاره شد.
از دیگر معیارهای دستهبندی، تکنیکهای مکانیابی باز بودن یا بسته بودن فضای محل حضور گره هدف میباشد.
براساس این معیار، فضاهای باز میتوانند از سایر فناوریهای مکانیابی چون GPS نیز استفاده نمایند اما این در صورتی است که در فضاهای بسته این فناوریها کارآمد نبوده و نیاز به مکانیابهای دقیقتر احساس شود.
از دیگر معیارهای دستهبندی تکنیکهای مکانیاب میتوان به مرکزگرا بودن یا فعال و غیرفعال بودن تکنیکها اشاره نمود.
شبکههای حسگرتوزیع شبکههای حسگر نزدیک به 30 سال است که مطرح شده است. اما با پیشرفت ادوات نیمه هادی و ساخت ابزارهایی با مصرف توان کم، قدرت پردازش مناسب و هزینهی نسبتا” پایین تحقیقات در این زمینه رونقی تازه یافته است.
با توجه به پیشرفتهای اخیر اجزا الکترونیک، کاربردهای زیادی برای شبکههای حسگری تعریف شده است. این گونه کاربردها بر مبنای اهدافی چون شناسایی، مراقبت و کنترل بنا نهاده میشوند.
شبکههای حسگری مکانیاب مکان برخی حسگرها را که دارای موقعیت مشخصی نیستند بوسیله برخی حسگرها با مختصات معلوم تخمین می زنند که بر اساس یکی از روشهای اندازهگیری پارامترهای سیگنال دریافتی مانند توان یا زمان رسیدن سیگنال دریافتی صورت میگیرد. حسگرهایی که دارای مختصات معلوم در شبکه هستند، حسگرهای مرجع یا گرههای مرجع نامیده میشوند.
گرههای مرجع مختصات خود را معمولا با استفاده از سیستمهای GPS مییابند. در محیطهای بسته میتوان برای آنها مختصات تعریف نمود یا حسگرها را در مختصات معینی نصب کرد. البته محدودیتهای مصرف توان و سایر حسگرها نیز ممکن است اجازهی استفاده از GPS را در گرههای مرجع ندهد.
حسگرهایی که دارای مختصات مجهول هستند و باید بوسیلهی الگوریتمهای مکانیاب مکان آنها تخمین زده شود، گره های هدف میباشند. البته در بسیاری از کاربردها نیازی به داشتن گرههای مرجع نیست و مهم تعیین موقعیت حسگرها نسبت به یکدیگر است.
اولین مسئله در شبکههای مکانیاب اندازهگیری سیگنال رسیده از گرههای

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *