طیف سنجی همکارانه انرژی-کارآمد در شبکه های حسگر بی سیم هوشمند

مریم نجیمی

چکیده

با توجه به احساس کمبود طیف در ارتباطات بی¬سیم، به¬دلیل حضور سرویس¬ها و تکنولوژی¬های بی¬سیم جدید و نیز افزایش تقاضای استفاده از طیف فرکانسی، روش¬ها و تکنیک¬های جدیدی برای به-کارگیری فضاهای استفاده نشده از طیف ارائه شده است. رادیوی هوشمند به عنوان راه حلی برای استفاده از فضاهای خالی طیف مطرح می¬شود. از طرفی، نقش طیف¬سنجی در یک حسگر بی¬سیم هوشمند، تشخیص بخش¬های طیف اشغال نشده با سرعت و دقت کافی می¬باشد. عدم دقت در نتایج طیف¬سنجی، می¬تواند منجر به تداخل با کاربر اولیه شود و یا فرصت استفاده از حفره¬های طیف را از بین ببرد. همچنین، با توجه به این¬که گره¬های حسگر با باطری تجهیز می¬شوند و امکان تعویض این باطری¬ها در خیلی ازموارد امکان¬پذیر نمی¬باشد، در نتیجه مصرف انرژی از اهمیت خاصی در حسگرها برخوردار است. عواملی مانند افت مسیر، محوشدگی چند مسیره و سایه انداختن، ممکن است باعث آشکارسازی نامطمئن سیگنال اولیه شوند، طیف¬سنجی همکارانه برای غلبه بر این مشکلات مطرح گردید. به عبارت دیگر، این روش احساس¬کردن، به معنی گستراندن چندین آشکارساز و استفاده از اطلاعات احساس¬کردن توزیعی با یک روش همکارانه برای آشکارسازی دقیق¬تر سیگنال¬های اولیه می¬باشد. با توجه به مطالب بیان شده، در این رساله، ابتدا یک روش برای طیف¬سنجی همکارانه در شبکه-های حسگر بی¬سیم هوشمند در محیط¬های دارای محوشدگی سیگنال به نحوی ارائه می¬گردد که با انتخاب حسگرهای مناسب برای طیف¬سنجی، مصرف انرژی بهینه شده و عملکرد سیستم از نظر احتمال آشکارسازی درست و احتمال آشکارسازی غلط در حد قابل قبولی باشد. موضوع قابل توجه دیگر که در این رساله به آن پرداخته می¬شود مسئله طول عمر شبکه می¬باشد به طریقی که با انتخاب حسگرهای مناسب در حین افزایش طول عمر شبکه و نیز بهبود عملکرد سیستم، به کاهش مصرف انرژی در هنگام طیف¬سنجی توجه گردد. هدف دیگر، افزایش قابلیت گذردهی در این شبکه¬ها در هنگام بهینه سازی مصرف انرژی می¬باشدکه در این رساله مدنظر قرار می¬گیرد . برای رسیدن به این اهداف، از روش¬های متفاوتی مانند خاموش و روشن کردن حسگرها ، خوشه¬بندی و تنظیم سطح آستانه آشکارسازی استفاده می¬شود. این روش¬ها باعث بهبود قابل توجهی در مصرف انرژی در هنگام طیف¬سنجی می¬شوند. در این رساله با توجه به روش¬های ریاضی و الگوریتم¬های مطابق با آن، مشخص می¬گردد که کدام گره¬ها در سنجش طیف شرکت می¬کنند و کدام گره به عنوان سرخوشه نتایج همه گره¬های طیف¬سنج را به مرکز مدیریت ارسال (fc) می¬نماید. در انتخاب گره¬ها به کمینه¬سازی انرژی و عملکرد سیستم دقت می¬شود. یعنی همه حسگرها در احساس¬کردن و ارسال نتایج آن شرکت نمی¬کنند بلکه حسگرهایی طیف¬سنجی و ارسال نتایج به مرکز مدیریت (fc) را انجام می¬دهند که به کمینه¬سازی انرژی و بهبود عملکرد سیستم کمک کنند. توجه به این نکته ضروری است که حل ریاضی مسئله، با در نظر گرفتن کانالهای مستقل برای هر گره حسگر و وجود پارامترهای گسسته در آن (مانند اندیس تخصیص که می¬تواند صفر یا یک به-ترتیب برای عدم شرکت درطیف¬سنجی و شرکت در طیف¬سنجی باشد) پیچیده می¬باشد در حالی¬¬که در اکثر تحقیقات، با یکسان در نظر گرفتن شرایط کانال، حل مسئله را بسیار ساده کرده¬اند. در این رساله، در ابتدا فرض می¬شود که سیگنال به نویز لحظه¬ای برای هر حسگر شناخته شده است و براساس آن الگوریتم¬های انتخاب حسگرها و سرخوشه ارائه می¬گردند. اما در واقعیت، اندازه¬گیری سیگنال به نویز لحظه¬ای کار بسیار سختی است لذا در گام بعدی فرض می¬شود که تنها متوسط سیگنال به نویز هر حسگر شناخته شده است. تنها دانستن مکان حسگرها و در بدترین حالت، تصادفی بودن مکان قرارگیری حسگرها مانند مکان کاربر اولیه نیز از جمله فرضیاتی است که برای حل مسائل در نظر گرفته می¬شوند. در این رساله، برای هریک از سناریوها یک مسئله بهینه¬سازی شکل گرفته و به حل آن پرداخته می¬شود. مقایسه نتایج شبیه¬سازی¬ها نشان¬دهنده آن هستند که با الگوریتمهای پیشنهادی ، به¬طور متوسط 57 درصد در مصرف انرژی صرفه¬جویی می¬شود، در حدود 80 درصد طول عمر شبکه بهبود می¬یابد و در صورتی¬که مسئله جواب ممکن داشته باشد در 90 درصد موارد آن¬را پیدا می¬کند.

اساتید راهنما و مشاور

عطالله ابراهیم زاده، افشین فلاحی، مهدی حسینی اندارگلی