فعالیت متغیر با مکان و فرکانسPU[3]‌ها بهره می‌برد. در این روش با آگاهی از تغییرات توپولوژی شبکه، اطلاعات محلی مرتبط با حفره‌های فرکانسی و مشخصه‌ های آماری الگوی عملکرد  ‌‌‌‌‌PU‌ها به انتخاب بهترین بخش از پهنای باند می‌پردازیم. همچنین متریک بهبود‌دهنده برون‌دهی را به منظور افزایش هر چه بیشتر راندمان با استراتژی انتخاب کانال مناسب ترکیب می کنیم. در ادامه شبیه‌سازی واقع‌گرایانه‌ای برای شبکه‌های رادیو‌شناختی اقتضایی ارائه شده‌است و مدلی واقعی و انعطاف‌پذیر از فعالیت کاربران اولیه و نیز چرخه رادیو‌شناختی (تشخیص، تحرک و به‌اشتراک‌گذاری طیفی) که توسط هر SU[4] انجام می‌پذیرد، پیاده‌سازی گردیده‌است. همچنین این ضمیمه امکان تبادل داده‌های میان‌لایه‌ای میان پروتکل‌های لایه‌های مختلف شبکه را فراهم می‌آورد. ایده‌های مربوط به روش پیشنهادی از طریق نرم‌افزار [5]NS2 بررسی شده است .شبیه‌سازی‌ها بهبود قابل ملاحظه‌ای را در جهت افزایش راندمان انتها به انتها نسبت به روش‌ پیشین نشان می‌دهد.

کلمات کلیدی:تکنولوژی رادیوشناختی، CRAHN، الگوریتم مسیریابی، تکنیک ارسال های چندگانه

لیست اختصارات
 
ad hoc on demand distance vector
AODV
automatic repeat request
ARQ
bandwidth footprint product
BFP
base transceiver station
BTS
common control channel
CCC
cognitive radio 
CR
cognitive radio ad hoc network
CRAHN
cognitive radio network
CRN
carrier sense multiple access with collision avoidance
CSMA/CA
Channel selection scheme based on minimum collision rate algorithm
CSS-MCRA 
Channel selection scheme based on minimum handoff rate algorithm
CSS-MHRA 
Dual diversity cognitive ad hoc routing protocol
D2CARP
Differentiation factor
DF
dynamic source routing
DSR
expected transmission time
EET
exclusive expected transmission time
EETT
expected transmission time
ETT
expected transmission count
ETX
farthest neighbor routing
FNR   
hop count
HOP
Identically independent distribution
i.i.d
medium access control
MAC
nearest neighbor routing
NNR
network simulator 2
NS2
path spectrum availability
PSA
primary user 
PU
radio frequency
RF
route discovery message
RREQ
round trip time
RTT
software defined radio
SDR
Signal to noise ratio
SNR
secondary user
SU
فهرست مطالب

 عنوان                                               صفحه

 فصل اول: مقدمه

1-1- کلیات.. 2

1-2- تکنولوژی سیستم­های رادیوشناختی. 4

1-2-1-قابلیت هوشمندی. 5

1-2-2-قابلیت دوباره شکل دهی. 5

1-3- معماری فیزیکی شبکه‌های ‌رادیو‌شناختی. 6

1-4 – شبکه‌های ‌رادیو‌شناختی. 7

1-4-1- اجزای شبکه. 7

1-4-2- ناهمگونی طیف.. 10

1-4-3- چارچوب مدیریت طیف.. 11

1-4-4- اشتراک‌گذاری طیف.. 12

1-5-تفاوت CRN با شبکه‌های چند‌رادیویی و چند‌کاناله متداول گذشته. 13

1-6- طبفه بندی الگوریتم‌های ‌مسیر‌یابی. 14

1-6-1- دسته بندی روش های مسیر یابی در شبکه های رادیو شناختی اقتضایی. 16

 فصل دوم: مروری بر فعالیت‌های گذشته در پاسخ به چالش‌های ‌مسیر‌یابی

2-1- راه‌حل‌های ارائه ‌شده در پاسخ به چالش‌های شبکه‌های ‌رادیو‌شناختی. 18

2-1-1- روش‌های مبتنی بر تداخل و توان ارسالی. 20

2-1-2- روش‌های مبتنی بر میزان تأخیر 21

2-1-3- روش‌های مبتنی بر پایداری مسیر 22

2-1-4- روش‌های مبتنی بر ماکزیمم کردن برون‌دهی 23

2-2- معیار‌های کمی متداول ‌مسیر‌یابی در شبکه‌های اقتضایی. 26

2-2-1- دسته‌بندی معیار‌های کمی ‌مسیر‌یابی. 27

2-2-2-منتخب گروه اول، HOP. 28

2-2-3- زمان رفت و برگشت به هاپ(RTT) 30

2-2-4- دفعات ارسال مورد انتظار (ETX) 31

2-2-5-زمان ارسال مورد انتظار (ETT) 33

2-2-6- زمان انحصاری ارسال مورد انتظار(EETT) 34

2-2-7- پیاده‌سازی چهار معیار انتخابی در الگوریتمAODV.. 36

2-2-8- نکات مهم در طراحی معیار کمی بهینه. 39

2-3-استراتژی‌های انتخاب کانال در CRN.. 40

2-3-1- دسته‌بندی استراتژی‌های انتخاب کانال. 41

 فصل سوم: استخراج یک الگوریتم ‌مسیر‌یابی کارا با بهره گرفتن از تکنیک‌های دایورسیتی دو‌گانه در شبیه‌ساز NS2-CRAHN.. 44

3-1- مقدمه‌ای بر چالش‌های پیش رویCRAHN.. 44

3-2- فرضیات و مدل سیستم. 46

3-2-1-الگوی فعالیت PU‌ها 48

3-2-2- اساس عملکرد SU‌‌ها 49

3-3- مدل‌سازیCRAHN به کمک شبیه‌سازNS2. 51

 

3-3-1- فایل مرتبط با فعالیت PU‌ها 53

3-3-2- فایل مرتبط با رویداد‌های کانال. 53

3-3-3-مدیریت منابع طیفی. 54

3-3-4- فعالیتSU‌ها 57

3-4- ارائه یک الگوریتم مسیریابی کارایCRAHN مبتنی بر تکنیک ارسالهای چند مسیره و چند کاناله  58

3-4-1- پروتکل AODV.. 59

3-5- ارائه یک الگوریتم ‌مسیر‌یابی کارا با بهره گرفتن از روش ارسال‌های دوگانه در شبکه‌های رادیوشناختی اقتضایی  67

3-5-1-الگوریتم مرحله RREQ.. 68

3-5-2-الگوریتم مرحله RREP. 70

3-5-3- پروسه  نگهداری از مسیر 71

 فصل چهارم:شبه سازی

4-1- مقایسه کارایی AODV،D2CARP و الگوریتم پیشنهادی. 74

4-2- تأثیر الگوی عملکرد PU‌ها بر راندمان شبکه. 78

4-2-1- تحلیل عملکرد 85

4-3- آنالیز ناهمگونی طیف.. 89

4-4- مقایسه عملکرد دو روش پیشنهادی و D2CARP بر حسب زمان تشخیص طیف.. 91

4-5- مقایسه عملکرد دو روش پیشنهادی و D2CARP بر حسب سرعت حرکت گره‌ها 93

4-6- مقایسه عملکرد دو روش پیشنهادی و D2CARP بر حسب نرخ بسته‌های RREQ.. 94

 فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری. 97

5-2- پیشنهادات.. 100

فهرست منابع و مآخذ: 101

 

– کلیات

به علت افزایش تقاضا برای ظرفیت بیشتر باید شبکه‌های مخابراتی و منابع در دسترس بی‌سیم نظیر طیف (پهنای باند) به صورت کارآمدتر مورد استفاده قرار گیرند. الگوهای طراحی شبکه و تکنولوژی‌های جدید ارتباطی هم چون شبکه‌های ‌رادیو‌شناختی در سال‌های اخیر پدیدار شده‌اند که دارای  قابلیت بهره ­برداری از منابع طیفی  به صورت هوشمندانه  و مؤثر ‌می‌باشند.

تکنولوژی رادیو شناختی برای اولین بار توسط دکتر Mitola  در سال 1999 بیان شد [1]. و در سال­های اخیر تحولی نوظهور در زمینه ارتباطات رادیویی‌ایجاد کرده که ‌می‌تواند با بکارگیری کارآمد منابع طیفی موجود سرویس‌های بی‌سیم سریعتر و با قابلیت اعتماد بالاتر را فراهم آورد. تفاوت قابل توجه شبکه‌های رادیوشناختی با شبکه‌های بی‌سیم متداول گذشته در این است که کاربران این شبکه‌ها باید از فضای رادیویی اطراف خود آگاهی داشته و پارامترهای داخلی خود مانند توان ارسالی، فرکانس ارسالی و نوع مدولاسیون را با آن منطبق سازند، بطور کلی رویکرد سازوکارهای متداول اشتراک و مدیریت طیف درگذشته بر مبنای این فرض بود که تمام کاربران شبکه بی قید و شرط در یک فضای ثابت با هم همکاری ‌می‌کنند که این در یک شبکه‌رادیو‌شناختی پیاده نمی‌شود. اندازه گیری‌های وسیع نشان ‌می‌دهند که تخصیص ثابت فرکانس منجر به بکارگیری ضعیف طیف‌های دارای مجوز در حدود 6 درصد در بیشتر اوقات ‌می‌شود [2].

شکل1-1  نمودار به کارگیری طیف فرکانسی،  [2]

در شبکه‌های رادیوشناختی باندهای طیفی میان کاربران اولیه ([1]PU‌ها( کاربران ثانویه (SU[2]‌ها) به صورت اولویت­بندی شده به اشتراک گذاشته ‌می‌شوند همچنین کاربران هوشمند هستند و قابلیت زیر نظر داشتن، یادگیری و عملکرد بهینه  به منظور افزایش راندمان خود را دارند. اگر آن‌ها متعلق به حوزه‌های مختلفی باشند و اهداف مختلفی را دنبال کنند همکاری کامل با سایر کاربران ارمغانی برای آن‌ها نخواهد داشت، یک کاربر تنها وقتی با دیگر کاربران همکاری ‌می‌کند که این همکاری سود بیشتری را برای او فراهم آورد، علاوه بر آن فضای رادیویی اطراف کاربر به دلیل ماهیت پویا و انتشاری کانال‌های رادیویی، تحرک کاربر، وضعیت جغرافیایی، تغییرات توپولوژی و تبادل اطلاعات دائما در حال تحول است.

1-2- تکنولوژی سیستم­های رادیوشناختی

 روش‌های پویای دستیابی به طیف از طریق تکنولوژی‌های رادیو شناختی تحقق ‌می‌یابند. این سیستم‌ها دارای قابلیت اشتراک‌گذاری کانال‌های بی‌سیم به صورت فرصت‌طلبانه با کاربر اولیه بوده; در ساختارهای ناهمگون شبکه ‌می‌توانند پهنای باند بیشتری را برای کاربران فراهم کنند، این هدف تنها ‌می‌تواند به واسطه تکنیک‌های مدیریت کارآمد طیفی و روش‌های پویا تحقق یابد. نیز به موجب ماهیت پویای دسترسی به منابع طیفی و همچنین با در نظر گرفتن کیفیت سرویس‌های مختلف بسته به کاربردهای متفاوت، شبکه‌هایCRN با چالش‌هایی، مواجه ‌می‌شود. به منظور رویارویی با این چالش‌ها هر SU در شبکه باید:

حفره‌های فرکانسی را تعیین نماید.
بهترین کانال در دسترس را انتخاب کند.
با دیگر کاربران برای دسترسی به این کانال‌ها رقابت کند.
در صورت حضور ناگهانی PU‌ها، آن کانال را تخلیه نموده بخش دیگری از طیف را برای مخابره انتخاب نماید.
این قابلیت‌ها از طریق ساختارهای مدیریتی طیف تحقق ‌می‌یابند که چهارچالش عمده تشخیص طیف، تصمیم‌گیری در طیف، اشتراک‌گذاری و تحرک‌پذیری طیف را عنوان ‌می‌کنند.

تصمیم‌گیری در یک شبکه CR به صورت شکل 2 انجام‌می‌گیرد:

شکل1-2  بلوک دیاگرام  یک SUکه قابلیت شناخت هماهنگی و یادگیری از محیط را دارد. [4]

در این بخش ساختارها و چالش­های موجود در مدیریت طیف این نوع از شبکه‌ها، به ویژه توسعه شبکه‌های هوشمندی که در آن نیازی به تغییر شکل شبکه‌های اولیه نمی‌باشد عنوان شده‌است. یک سیستم رادیویی هوشمند ‌می‌تواند پارامترهای فرستنده اش را بر اساس تغییرات محیط اطرافش تنظیم کند از این رو دو تعریف در مشخصه و ساختار اصلی  CRN‌می‌توان تعریف کرد:

1-2-1-قابلیت هوشمندی

 قابلیت هوشمند بودن ‌می‌تواند بواسطه تشخیص تغییرات لحظه‌ای در محیط‌های رادیویی مشخص شود که در آن قسمت­هایی از طیف در زمان یا موقعیت خاص مورد استفاده قرار نگرفته­اند، این قابلیت به راحتی و با بازبینی توان برخی از باندهای فرکانسی حاصل نمی‌شود بلکه به روش­های پیچیده­تری برای تعیین تغییرات موقت فضایی فرکانسی، در این محیط‌ها نیازمند است، با این قابلیت ‌می‌توان حفره‌های فرکانسی را در زمان یا موقعیت خاص تعیین کرده و نتیجتاً بهترین بخش از طیف را با پارامترهای عملیاتی مناسب­تر انتخاب نمود.

1-2-2-قابلیت دوباره شکل دهی

 هوشمندی ‌می‌تواند شکل­دهی مجدد اطلاعات طیفی را به صورت پویا و با در نظر گرفتن انطباق با محیط برای مخابره روی فرکانس­های مختلف برنامه ریزی کند، همچنین یکSU‌ می‌تواند از روش­های دستیابی مختلفی که توسط طراحی سخت افزاری اش ساپورت شده ‌استفاده کند. هدف نهایی سیستم­های ‌رادیو‌شناختی انتخاب بهترین طیف از طریق قابلیت­های هوشمندی و دوباره شکل دهی ‌می‌باشد، از آنجایی که بیشتر طیف‌ها قبلا تخصیص داده شده‌اند مهمترین چالش، اشتراک‌گذاری طیف­های مجاز بدون ‌ایجاد تداخل آزاردهنده برای PU‌ها است که در شکل 3 نشان داده شده‌است. رادیوی هوشمند امکان استفاده فرصت‌طلبانه از حفره‌های طیفی را دارد، بنابراین بهترین بخش از پهنای باند آزاد  ‌می‌تواند انتخاب و با سایر SUها به اشتراک گذاشته شود و بدون ‌ایجاد تداخل با کاربران اولیه مورد استفاده قرار گیرد [3].

1-3- معماری فیزیکی شبکه‌های ‌رادیو‌شناختی

 معماری کلی فرستنده گیرنده یک رادیوی هوشمند در شکل 4 نشان داده شده ‌است برای فراهم سازی این قابلیت‌ها ، SUبه یک ساختار فرستنده / گیرنده [3]RF نیاز دارد. مولفه‌های اصلی و اجزای سازنده یک فرستنده گیرنده SU عبارتند از نرم افزار رادیویی و واحد پردازشگر باند پایه که نرم افزار مشخص شد هرادیویی [4] برای آن پیشنهاد شده و در شکل 4 نشان داده شده‌است. در نرم افزار رادیویی سیگنال دریافت شده تقویت، مخلوط و تبدیل به دیجیتال ‌می‌شود، در واحد پردازش باند پایه سیگنال مدوله و