فریدون حسین پناهی

در این پایاننامه، یک مدل شبکه مخابراتی تغذیه شونده بی سیم در نظر گرفته می شود که در آن یک نقطه اتصال چند آنتن انرژی محدود مبتنی بر منبع تغذیه اختصاصی بی سیم، با یک کاربر متحرک ارتباط برقرار می‌کند. پویایی کاربر متحرک تجهیز شده با یک آنتن به وسیله یک مدل شناخته شده تصادفی مشخص شده است. برای بهره بردن از فواید استفاده از اتصال چند آنتن، دو طرح مشهور برای انتقال مبتنی بر چند آنتن را به‌کار می‌گیریم به نام‌های بیشترین نرخ انتقال و انتخاب آنتن انتقال. برخلاف کارهای قبلی که در آن فقط سناریوهای استاتیک در نظرگرفته می‌شد، هدف این پایاننامه این است که درباره‌ی توان بی‌سیم وانتقال اطلاعات در سناریویی با کاربر متحرک تصادفی تحت طرح ناکاگامی تحقیق شود. نکته قابل توجه این است که یک حالت خاص از تحلیل انجام شده، یعنی طرح رایلی ازنظر تجربی خیلی خوب مورد آزمایش قرار نگرفته است که همین نکته ارزش تحلیلها را افزایش ‌می‌دهد. با درنظر گرفتن دو طرح بیشترین نرخ انتقال و انتخاب آنتن انتقال، عبارات فرم بسته ای برای احتمال قطع، متوسط بهره با محدودیت تاخیر ، متوسط بهره بدون محدودیت تاخیر، متوسط نرخ خطای بیت و میزان بهره با محدودیت نرخ خطای بیت بدست می‌آید. به این ترتیب، تاثیر محیط‌های انتشاری پویا با فاکتور افت مسیر و پارامتر چند مسیرگی مشخص بر لینک‌های منبع تغذیه به نقطه اتصال و نقطه اتصال به کاربر متحرک در شبکه مخابراتی تغذیه شونده بی سیم قابل ارزیابی خواهدبود. در نهایت، با ارائه یک نوآوری مبتنی بر سیستم‌های آنتن سیال و همچنین نتایج تحلیل و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، ضمن اعتبار سنجی تحلیل های انجام گرفته، به بررسی میزان تاثیر پارامترهای متفاوت بر عملکرد سیستم پرداخته می شود..

باتوجه ‌به افزایش علاقه به ارتباطات هوایی، پروژه مشارکتی نسل سوم (3GPP) که یک سازمان استاندارد‌سازی است، پهپاد‌های (UAVs) پشتیبانی شده توسط LTE را به ‌عنوان یک اولویت تحقیقاتی در نظر گرفته است. تحقیقات اخیر نشان داده است که برخی از فایل‌های داده‌ای محبوب به طور مکرر توسط تجهیزات کاربران (UEs) در شبکه مخابراتی بی‌سیم درخواست می‌شوند که بخش بزرگی از ترافیک داده را به خود اختصاص می‌دهند. برای کاهش انتقال‌ها و ارسال تکراری فایل‌ها در شبکه‌، ذخیره‌سازی بی‌سیم برای پیش دانلود فایل‌های محبوب در دستگاه‌ها و تجهیزات حافظه کش پیشنهاد شده است. در این پایان‌نامه، ذخیره‌سازی احتمالی برای شبکه‌های سلولی کوچک فوق‌العاده متراکم، با کاربران زمینی و هوایی موردمطالعه قرار گرفته است که در آن یک معماری روشن - خاموش پویا تحت یک مدل تلفات مسیر پیچیده اتخاذ شده است که هر دو انتقال خط دید مستقیم (line – of - sight) و خط دید غیر مستقیم (non – line – of - sight) را در برمی‌گیرد. به‌طورکلی ما در این پایان‌نامه بر احتمال دانلود موفقیت‌آمیز (SDP)، تجهیزات کاربران (UEs) از ایستگاه‌های پایه سلول کوچک (SBS) تمرکز داریم که فایل‌های درخواستی را تحت راهبُردهای مختلف ذخیره می‌کند. اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوییم، ما برای این کار دو سناریو درنظر گرفته ایم در سناریوی اول ابتدا احتمال دانلود موفقیت‌آمیز (SDP) با استفاده از نظریه هندسه تصادفی با درنظرگرفتن توزیع تجهیزات کاربران دولایه و ایستگاه‌های پایه سلول کوچک (SBS) به‌عنوان فرایندهای نقطه پواسون همگن تجزیه‌وتحلیل می‌شود. سپس، محدودیت‌های عملکرد میانگین احتمال دانلود موفقیت‌آمیز برای راهبُردهای ذخیره‌سازی محبوب (PCS) و ذخیره‌سازی یکنواخت (UCS) توسعه‌یافته‌اند. در نهایت تاثیر عامل‌های کلیدی مانند چگالی SBS، اندازه حافظه پنهان، توان توزیع Zipf و ارتفاع کاربر هوایی بر میانگین احتمال دانلود موفقیت‌آمیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. در سناریوی دوم هم احتمال دانلود موفق برای یک مدل واقعی تر با یک توصیف ریاضی دقیق از احتمال پوشش بررسی شده است.

در سال‌های اخیر، با رشد گسترده استفاده از دستگاه‌های هوشمند، شبکه‌های بی‌سیم در حال توسعه و گسترش بیشتری هستند. این رشد منجر به افزایش چشمگیر ترافیک داده‌های سلولی شده است و در نتیجه، مصرف انرژی و نیازمندی‌های زیرساخت‌های شبکه نیز افزایش یافته‌اند. به ‌منظور پاسخگویی به ‌این نیاز‌ها و مشکلات مربوطه، استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین (پهپاد) به عنوان ایستگاه پایه هوایی (ABS) برای کمک به شبکه‌های سلولی به‌ عنوان یک جهش مهم مطرح شده است. دراین پایان‌نامه، استقرار یک پهپاد به‌ عنوان یک ایستگاه پایه هوایی برای ارائه خدمات به یک منطقه جغرافیایی خاص مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. در این منطقه، کاربران به طور یکنواخت در سراسر منطقه پراکنده شده‌اند. به طور دقیق تر، این پایان نامه به بررسی استقرار یک پهپاد به عنوان یک ABS برای پشتیبانی از یک ایستگاه پایه زمینی (TBS) می‌پردازد، که در آن ABS با سرویس‌ دهی به چندین کاربر در یک منطقه کانونی به کاهش بار ترافیکی (آفلودینگ) TBS کمک می‌کند. با توجه به فقدان اطلاعات در مورد مکان‌های کاربر، فرض می‌شود ABS در مرکز سلول (مرکز هندسی) بالای TBS شناور می‌شود و به عنوان بهترین مکان برای همه کاربران عمل می کند. با در نظر گرفتن تداخل ذاتی بین پیوندهای ارتباطی هوایی و زمینی به دلیل استفاده مجدد از طیف، ما تاثیر ارتفاع ABS، توان انتقال و نسبت تخلیه بار ترافیکی بر روی نرخ مجموع کاربران را در سناریوی کانال خط دید مستقیم (LOS) بررسی می‌کنیم. از طریق نتایج شبیه‌‌سازی، مشاهده خواهیم کرد که استقرار پهپاد به عنوان ایستگاه پایه هوایی می تواند به خوبی در جهت تخلیه و کاهش بار ترافیکی TBS در نقاط پر ترافیک عمل کند. با این حال، به دلیل ظرفیت باتری محدود آنها، پهپادها معمولاً مدت زمان عملیاتی محدودی دارند. پس از آن، پهپاد باید به یک ایستگاه شارژ تعیین شده برای تکمیل یا تعویض باتری بازگردد. این پایان نامه همچنین به صورت عمیق‌تر به ارزیابی عملکرد سیستم تخلیه و کاهش بار ترافیکی مجهز به پهپاد با در نظر گرفتن عواملی مانند در دسترس بودن پهپاد، تراکم ایستگاه شارژ و زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد یا تعویض باتری می‌پردازد.

پهپادها ( unmanned aerial vehicles: UAVs) می‌توانند به عنوان ایستگاه‌های پایه پروازی (base station:BSs) برای تخلیه Macro-BSs در نقاط اتصال hotspots استفاده شوند. با این حال، به دلیل محدودیت باتری موجود در داخل پهپاد، پهپادها معمولاً می‌توانند کمتر از 1.5 ساعت کار کنند. پس از آن، پهپاد باید به یک ایستگاه شارژ اختصاصی که باتری پهپاد را شارژ/تعویض می‌کند پرواز کند. در این پایان نامه، ما عملکرد یک شبکه سلولی مجهز به پهپاد را در حالی که تاثیر توزیع مکانی ایستگاه‌های شارژ را در نظر می‌گیریم مطالعه می‌کنیم. به طور خاص، ما از ابزارهایی از هندسه تصادفی برای استخراج احتمال پوشش شبکه سلولی مجهز به پهپاد به عنوان تابعی از اندازه باتری، تراکم ایستگاه‌های شارژ و زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد/تعویض باتری استفاده می‌کنیم. نتایج نشان می‌دهند که با کاهش زمان شارژ/تعویض باتری پهپاد ما در شبیه سازی احتمال پوشش و احتمال در دسترس بودن و احتمال پوشش شرطی کل افزایش قابل توجهی می‌یابند، زیرا پهپاد مدت زمان کمتری می‌تواند غیر عملیاتی بماند و زودتر می‌تواند به ارائه سرویس به شبکه بازگردد. همچنین با افزایش ظرفیت باتری پهپاد ها ما شاهد افزایش احتمال پوشش و احتمال در دسترس بودن پهپاد خواهیم بود، زیرا پهپاد با ظرفیت باتری بیشتر مدت زمان بیشتری می‌تواند عملیاتی بماند و دیرتر برای شارژ مجدد به ایستگاه‌های شارژ باز میگردد. همچنین با افزایش تراکم ایستگاه‌های شارژ مشابه حالات قبل باز هم شاهد افزایش احتمال پوشش و احتمال در دسترس بودن هستیم، زیرا با افزایش تراکم ایستگاه‌های شارژ در شبکه پهپاد لازم نیست مسافت زیادی را طی کند و خود را به ایستگاه شارژ برساند، در این حالت پهپاد فورا خود را شارژ نموده و به ارائه خدمات به کاربران برمی‌گردد. با انتخاب سرعت بهینه پهپاد می‌توان مصرف انرژی پهپاد را تا حد زیادی کاهش داد وهمچنین با انتخاب محدوده سرعت مناسب می‌توانیم به تعادلی بین پوشش کارآمد و صرفه جویی در انرژی مصرفی برای ارائه پرواز طولانی تر دست یافت. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهند که انتخاب ارتفاع مناسب پهپاد، زمان نشست و برخاست پهپاد و زمان انتظار پهپاد در صف شارژ تاثیر زیادی خواهند گذاشت.

ارتباطات D2D که بر اساس تبادل توان و داده میان دو کاربر، به شکل بلاواسطه و بدون کمک BS پایه ریزی شده است، از جمله فناوریهای ارتباطی هایتک به شمار می آید که در جهت مدیریت بهره برداری از طیف محدود فرکانسی همراه با ارتقاء شاخص احتمال پوشش شبکه، طراحی شده است. اما استفاده از این فناوری ملازم با چالشهائی چون؛ کنترل و اعمال محدودیت بر توان تخصیصی به فرستنده D2D با این قید که با وجود تداخل حاصل از این توان بتوان کیفیت ارتباط در شبکه سلولی را حفظ کرد، درگیر است. اگر در این وضعیت شرایطی را لحاظ کرد که در آن دستیابی لحظه ای به اطلاعات و شرایط کانال در تداخل بین فرستنده D2D و گیرنده سلولی، موجود نباشد، این امر بغرنجتر نیز خواهد شد. راهکارهائی که این پژوهش برای مواجهه با این معضل و در جهت جبران توان فرستنده D2D و با هدف بهبود استفاده از طیف محدود در پیش می گیرد عبارتند از: تغذیه فرستنده D2D کم توان با بهره گیری از تکنولوژیهای جذب انرژی محیطی همراه با حسگری طیفی. در واقع قابلیت رادیوشناختی به کاربران D2D کمک میکند تا طیف فرکانسی شبکه سلولی را با راهبردی فرصت شناسانه با هدف انجام ارتباطات D2D بدست آورند و یک شبکه نیمه مستقل در زیربنای شبکه سلولی ایجاد کنند. همگام با پیاده سازی این دو راهبرد؛ پتانسیل گیرنده D2D در تداوام تلاش برای اتصال به کاربران نزدیک دیگر در صورت عدم فراهمی امکان برقراری ارتباط با نزدیکترین کاربر بررسی و اهمیت استراتژیک آن در بهبود شاخص احتمال پوشش شبکه نشان داده میشود. در ادامه اثرکارمد فناوری امواج باند میلیمیتری در بهبود احتمال پوشش SINR مطرح میگردد.

هنگامی که زیرساخت های ارتباطی به دلیل بلایای طبیعی آسیب می بیند، استفاده از هواپیمای بدون سرنشین (UAV) به عنوان ایستگاه پایه هوایی (BS) و ارتباطات دستگاه به دستگاه از جمله استراتژی های ضروری برای خدمات یکپارچه و قابل اعتماد است. در این پایان نامه، استقرار یک وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد) به عنوان یک ایستگاه پایه هوایی برای ارائه ارتباطات بی سیم به یک منطقه معین مورد تجزیه وتحلیل قرار می گیرد. به طور خاص، همزیستی بین پهپاد، در حالت فروسو و فراسو و یک شبکه ارتباطی دستگاه به دستگاه (D2D)در نظر گرفته شده است. برای این مدل، یک چارچوب تحلیلی برای تحلیل پوشش و نرخ و انرژی موثر به دست آمده است. در این سناریو که مکان پهباد ثابت است، میانگین احتمال پوشش و مجموع نرخ سیستم برای کاربران در منطقه به عنوان تابعی از ارتفاع پهپاد و تعداد کاربران D2D ، احتمال انتقال موفقیت آمیز (در حالت فراسو) و میانگین مجموع نرخ و EE شبکه بر اساس اصول هندسه تصادفی به دست آمده است. نتایج شبیه سازی و تحلیلی نشان می دهد که بسته به تراکم کاربران D2D ، مقادیر بهینه برای ارتفاع پهپاد وجود دارد که منجر به حداکثر مجموع نرخ سیستم و احتمال پوشش می شود. بااین حال، قابلیت اطمینان ارتباطی BS هوایی و بازده انرژی ارتباطات D2D ممکن است به دلیل همزیستی طیف مشترک جفت های D2D و پهبادکاهش یابد. ما همچنین به اثرات تراکم کاربران متصل به UAV و کاربران D2D ، بر روی EE و مجموع نرخ به عنوان معیارهای عملکرد در سناریوی فراسو می پردازیم. در انتها یک راه حل پیشنهادی برای سناریو ایمنی عمومی که در آن برای ارسال یک داده ثابت به تمام کاربران، اعم از کاربران سلولی و کاربران D2D ،پیشنهاد داده ایم که در آن کاربران سلولی قابلیت ارسال داده به D2Dها رادارند.