فنی هايدانشکده پردیس کامپیوتربرق و مهندسی دانشکده

نگارش امین آذري

الهوتیفرشاد دکتر : استاد راهنما جلیل هرسینی دکتر: استاد مشاور

قدردانی

و این مبر گیرخداي را سپاسگزارم که به من توفیق داد تا بتوانم از دریاي علم توشه اي هرچند اندك .پایان نامه را ارائه دهم

صبر به علت، انددر این پژوهش بوده اینجانبماي راهن استاد در اینجا الزم است از آقاي دکتر الهوتی کهي استفاده از فضاي اجازهبدون شک، . تشکر کنم ،انداعتمادي که به من کرده ایشان، راهنمایی ها و

، خود از اصلی توانمندمخابرات چند رسانه اي بیسیم، و فرصت حضور در کنار یک تیم پژوهشی آزمایشگاه .این پژوهش بود نرساند ترین انگیزه هاي من براي به ثمر

اي به این سنگینی در مقطع لیسانس براي هر دانشجو، که با الفباي تحقیق پروژهپر واضح است که انجام بود، اما این امر براي بنده با کاري بس سنگین و انجام نشدنی ،تنا آشناسي مخابرات علمی در حیطه

و من از تالشهاي ایشان جهت آشناکردن پذیر شددکتر هرسینی امکان کمک، راهنمایی و نظارت آقايشک بدون حضور بدون .من با پژوهش صحیح علمی، تعریف صحیح و انجام پروژه صادقانه تشکر میکنم

.قابل مقایسه با آنچه هست، نبود، این پژوهش ایشان در کنار بندهآقاي مهندس خداکرمی و اي بیسیم، بخصوص هچند رساندر پایان از دوستانم در آزمایشگاه مخابرات

آقاي دکتر بهناد، جهت بحثهایی که با هم داشتیم و ایده هایی که براي انجام کار به من دادند و کمکی که .در کامل شدن پروژه داشتند، تشکر کنم

چکیده

بسیاري از سیستم هاي مخابراتی برايتقسیم فرکانسی متعامد چند تایی امروزه استفاده از تکنیک

برآوردناین سیستم هاي مخابراتی نیاز به نرخ داده ي بسیار باالیی براي .پیشنهاد و به کار گرفته شده است

از جمله روشهاي . دارند بالدرنگ سرویسهاي چند رسانه ايانتقال مانندشبکه سرویس مورد انتظار کیفیت

ها و همیاري گره هاي شبکه پیشنهاد شده براي رسیدن به نرخ داده ي باال، ایجاد دایورسیتی فضایی از طریق رله

، از آنحاصل اي ابرات و بهرههمیاري در مختکنیک هاي بررسی مطالعه و در این گزارش به. باشد می دیگرهم با

است شدهبحث شبکه،به محدودیت توان هبا توج انود هرد تخصیص توان در مودر همچنین .پرداخته شده است

.شده است ارائهاین سیستم ها در در زمینه ي تخصیص توانتکنیک جدید چندین و

فهرست مطالب

2 ......................................................................................................................................... خچهیتار 1-1

2 ........................................................................................... رله بر یمبتن يها ستمیس تیاهم 1-2

3 ....................................................................................................................... شده انجام کارهاي 1-3

3 ......................................................................................................................... نامه پایان ساختار 1-4

5 ..................................................................................................... اریهم مخابرات بر يا مقدمه 2-1

7 .......................... کیبار باند نگیدیف يکانالها يبرا یپرش چند اریهم مخابرات ستمیس 2-2

8 ....................................................... :یپرش چند اریهم مخابرات ستمیس در توان صیتخص 2-3

OFDM

15 .................................................................................................................... ستمیس مشخصات 3-1

OFDM .................................... 16 بر یمبتن یپرش چند اریهم ستمیس در توان صیتخص 3-2

24 ....................................................................... یمصرف توان کیپ در دیق با توان صیتخص 3-3

OFDM

27 .................................................................................................................... ستمیس مشخصات 4-1

OFDM ................... 28 بر یمبتن يا شاخه چند- پرش چند ستمیس در توان صیتخص 4-2

فهرست مطالب

31 ................................................................................................................... یپرش چند ستمیس 5-1

OFDM .................................................................................................. 33 یپرش چند ستمیس 5-2

33 ............................................................................................. یپرش چند شاخه چند ستمیس 5-3

فهرست شکلها

5 ................................................................................................................... گره 3 با اریهم مخابرات ستمیس: 1 شکل

7 ...................................................................................................................... رله N-1 با یپرش چند ستمیس: 2 شکل

9 ......................................................... .است شده لیتشک کوچک سلول نیچند از که بزرگ سلول کی: 3 شکل

OFDM ............................................................. 15 کیبرتکن یمبتن یپرش چند اریهم مخابرات ستمیس:4 شکل

20 ..................................................................................................... گره سه يدارا اریهم OFDM ستمیس: 5 شکل

OFDM................................. 27 کیبرتکن یمبتن يا شاخه چند-یپرش چند اریهم مخابرات ستمیس:6 شکل

31 ......................................................................................................................................... یپرش چند ستمیس:7 شکل

32 .................................................................... سوم بخش يها توان صیتخص با ستمیس تیظرف یبررس:8 شکل

OFDM ...................................................................................................................... 33 یپرش چند ستمیس: 9 شکل

OFDM ................................................................................................. 34 اریهم ستمیس تیظرف یبررس: 10 شکل

35 .............................................................................................. یپرش چند -شاخه چند ستمیس تیظرف: 11 شکل

فهرست اختصارات و عالئم

Additive white Gaussian noise AWGN

Clear To Send Subject to

CTS s.t

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM

T گره a ضریب کانال

انحراف معیار ضرایب کانال واریانس نویز

توان سیگنال به توان نویز

ضریب تخصیص توان الگرانژمتغیر

تعداد پرش در سیستم

تابع امید ریاضی تابع الگرانژ

ضریب تخصیص توان

تعداد زیر حامل ها

ظرفیت سیستم

سیگنال به نویز ترشولد

واژه نامه

Cooperation همیاري

Multi-hop چند پرشی

Multi-branch چند شاخه اي

Fading محو کنندگی

Circularly Symmetric متقارن دایروي

Convex محدب

Concave مقعر

Broadcast انتشار

Power Allocation تخصیص توان

Suboptimal بهینه زیر

1

معرفی

2

تاریخچه

. تلف آسیب پذیرند و کانال هاي با 1سیستم هاي بیسیم به صورت ذاتی در برابر انتشار چند مسیري

در سیستم هاي مخابراتی به کار براي غلبه بر این مشکل،دایورسیتی زمانی، فضایی، فرکانسی و ترکیبی از اینها

در سالهاي اخیر رله هاي قرار گرفته در بین فرستنده و گیرنده به عنوان تکنیکی براي افزایش نرخ انتقال . میروند

به صورت شبکه بین فرستنده، در واقع فرستنده، گیرنده هایی هستند که رله ها . داده، مورد بحث قرار گرفته است

منتشر شده، به تدر مقاالاین عملکرد .گیرنده را تسهیل میکنندو ارتباط بین فرستنده و میگیرندگیرنده قرار

. دنزیرا رله ها با همیاري خود سبب بهبود عملکرد شبکه میشو، شناخته میشود 2عنوان مخابرات همیار

اهمیت سیستم هاي مبتنی بر رله تلفن هاي بیسیم، لپ . اي همیار وجود داردي بسیاري براي کار بر روي توسعه ي شبکه هامروزه عالقه

این دستگاه ها به . ، سه نمونه از وسایل بیسیم هستند که بسیار متداول شده اندPDAتاب ها، دستگاه هاي

ي صورت مستقل از هم، ارتباطات خود را با شبکه برقرار میکنند و این، به معناي هدر دادن قابلیتی است که شبکه

لپ ،زنگ بخورد نموبایل تامثال اگر شما در حال استفاده از لپ تاب باشید و . بیسیم به صورت ذاتی دارا می باشد

تاب نیز میتواند با در یافت اطالعات از ایستگاه پایه ي سلولی و ارسال آن به تلفن، یک دایورسیتی ایجاد کند و

در بین کاربران متداولند، هم اکنون کهبیسیمی هاي مستسیمتاسفانه . عملکرد شبکه ي سلولی را بهبود بخشد

. و نمیتوانند از قابلیت همیاري در مخابرات بهره ببرند بدین منظور طراحی نشده اند

1 Multi-path Effect 2 Cooperative Communication

معرفی

3

کارهاي انجام شده

نویسندگان همیاري ] 3[ در. بحث شده است ]2[و ]1[ و پیاده سازي آن به صورت جامع مخابرات همیار

را بررسی کرده و نشان داده اند که همیاري توان مورد استفاده را CDMAبین کاربران یک سیستم سلولی

رو تاثیکرده ظرفیت سیستم را بررسی ]4[نویسندگان در .کاهش داده است و نرخ داده را افزایش داده است

بنا به اطالعاتی که از وضعیت کانالها ،تخصیص توان در سیستم ]5[ در .همیاري بر افزایش آنرا نشان میدهند

نویسندگان نشان داده اند که با یک تخصیص توان بهینه میتوان عملکرد سیستم را . داریم، توسعه داده شده است

ه نویسندگان انتخاب بهترین رله را براي بهبود عملکرد سیستم پیشنهاد داد ]6[ در .زیادي بهبود بخشید دتا ح

را براي آن هزیر بهینتوان را بررسی کرده و دو توزیع OFDMنویسندگان شبکه ي همیار مبتنی بر ]7[ در .اند

بررسی مولفان به ، ]8[ در. سپس به وضعیت خطا در شبکه با این تخصیص توان پرداخته اندتوسعه داده اند،

.اندپرداخته کردن،همیار با انجام تکنیک جفت ظرفیت و تخصیص توان در سیستم هاي

نامه ساختار پایان

.می شودپرداخته پیاده سازي تکنیک هاي نوین در آندر این گزارش به بررسی همیاري در مخابرات و

.ي مخابرات همیار پرداخته شده استبه معرفی چند سناریوي شناخته شده، چهارم سوم دوم، هايدر فصل

الگوریتم هاي جدیدي براي تخصیص و مورد بحث قرار گرفته معرفی شده،سناریوهاي تخصیص توان در همچنین

را با آنالیز عددي مورد هاي قبل، الگوریتم هاي بیان شده در فصلمپنجدر فصل . داده شده استتوان، توسعه

.نتیجه گیري و پیشنهادات براي تحقیق بیشتر ارائه میشود پایان،در .بررسی قرار میدهیم

معرفی

4

نتایج عددي

31

براي بررسی صحت روابط بدست آمده در بخشهاي قبل، الگوریتمهاي توسعه داده شده در فصل سوم و

.پیاده سازي کرده ایم MATLABچهارم که در سناریوهاي این گزارش به کار رفته است، را در نرم افزار

سیستم چند پرشی ، را با ده پرش 7، نمایش داده شده در شکل 2-2در این قسمت سیستم مطرح شده در بخش

)N=10(گرفته رله ها در روي خط واصل بین مبدا و مقصد، به فاصله ي برابر، قرار . .پیاده سازي کرده ایم . اند

یپرش چند ستمیس:7شکل

براي این سیستم ضرایب کانال را به صورت گوسی مختلط تولید کرده ایم تا اندازه ي ضرایب توزیع رایلی حال با تغییر در سطح توان سیستم، . توزیع نمایی داشته باشد اپرش هداشته باشد و سیگنال به نویز

. حاصل شده است 8ل ظرفیت را با اجراي شبیه سازي با تکرار بسیار زیاد، اندازه گرفته ایم که شک. شهاي پیشنهادي مشاهده میشودودر این شکل، تفاوت ظرفیت سیستم با تخصیص توان یکنواخت و ر

و روش 2-3-2در بخش 1روش پیشنهادي . مطرح شده است 1-3-2در بخش ]16[فرهاديروش هادي در میشود که روشهایی پیشن مشاهده. مورد بررسی قرار گرفته است3-3- 2در بخش 2پیشنهادي

براي این گزارش که براساس شکل دقیق معادله ي ظرفیت حاصل شده بود، باعث افزایش ظرفیت سیستم .در صد افزایش در ظرفیت هستم 10داراي SNR =10dB مثال در

نتایج عددي

32

سوم بخش يها توان صیتخص با ستمیس تیظرف یبررس:8شکل

نتایج عددي

33

OFDMسیستم چند پرشی پیاده سازي لزیر حام 120و ) N=7(را با هفت پرش 9در این قسمت سیستم نمایش داده شده در شکل

. رله ها در روي خط واصل بین مبدا و مقصد، به فاصله ي برابر، قرار گرفته اند. کرده ایم

OFDMسیستم چند پرشی : 9شکل

براي این سیستم ضرایب کانال را به صورت گوسی مختلط تولید کرده ایم تا اندازه ي ضرایب توزیع رایلی حال با تغییر در سطح توان سیستم، . توزیع نمایی داشته باشد اپرش هداشته باشد و سیگنال به نویز

. حاصل شده است 10ل ظرفیت را با اجراي شبیه سازي با تکرار بسیار زیاد، اندازه گرفته ایم که شک. روشهاي پیشنهادي مشاهده میشود در این شکل، تفاوت ظرفیت سیستم با تخصیص توان یکنواخت و

ه مورد بررسی قرار گرفت2-1-2- 3در بخش 2و روش پیشنهادي 1-1-2-3در بخش 1روش پیشنهادي عادله ي ظرفیت مشاهده میشود که روشهایی پیشنهادي در این گزارش که براساس شکل دقیق م. است

.شده استحاصل شده بود، باعث افزایش ظرفیت سیستم به نحو چشمگیري

پرشی سیستم چند شاخه چند ساختار این سیستم . را در این قسمت پیاده سازي کرده ایم)6شکل ( 1- 4بخش سیستم ارائه شده در

11تکرار زیاد آن، شکل شبیه سازي و اجرايبا . پرش شبیه سازي شده است 4که با میباشد 2-4مانند .بدست آمده است

نتایج عددي

34

OFDMسیستم همیار ظرفیترسی رب: 10شکل

نتایج عددي

35

چند پرشی - ظرفیت سیستم چند شاخه: 11شکل

همانطور که در . مورد بررسی قرار گرفت 2-2-4 گوریتم پیاده سازي شده در این شبیه سازي در بخشلامیتوان ظرفیت سیستم را تا حد زیادي بهبود ،شکلهاي فوق دیدیم، با تخصیص توان به نحو مناسب

نزدیک قابل حصول، سیستم را به حداکثر ظرفیتظرفیت ،بخشید و روشهاي ارائه شده در این گزارش .میکنند

نتیجه گیري و پیشنهادات

37

در مخابرات همیار مورد بررسی قرار گرفت و براي هر سناریو، بنا دپر کاربرسناریوي چنددر این نوشتار، که میتوانست در آنها وجود داشته باشد، روشهایی براي تخصیص توان ،ختلف توانمبه محدودیت هاي

روشهاي ارایه شده در این نوشتار از جهتی که براي اولین بار در بدست آوردن آنها از رابطه ي . ارایه شددقیق سیگنال به نویز در گیرنده ي مقصد استفاده شده بود، و همچنین تعمیم آن به سیستمهاي داراي

، و سیستمهاي چند شاخه، چند پرشی، داراي نوآوري OFDM قسیم فرکانسی متعامد همچونتکنیک ت .قابل مالحظه اي میباشد

الگوریتم براي مثال، .تخصیص توان در سیستم هاي مخابرات همیار جاي توسعه ي بسیار زیادي را دارد. بسیار مورد عالقه میباشنداي که به تخصیص توان غیر متمرکز در رله ها منجر میشوند، هاي بهینهو انجام همزمان این عمل با تخصیص احامل هجفت کردن زیر ،الگوریتم هاي تقویت انتخابیي حیطه

توان، نیز حیطه اي هست که جا براي پژوهش بسیار دارد

ضمائم

39

fبودن تابع محدباثبات : 1ي ضمیمه

)1(

)2( محدب f تابع میباشد نامنفیهمواره fمشتق دوم تابع میباشد، پس نامنفیهمواره از آنجا که .میباشد

fبودن تابع محدباثبات : 2ي ضمیمه

)3(

)4( نا، همواره fمشتق دوم تابع میباشد، پس 1و 0عددي بین همواره نامنفی میباشد و از آنجا که

.میباشد محدب f عو تاب است منفی

fبودن تابع قعراثبات م: 3ي ضمیمه

)5(

:خواهیم داشت fنویسی با باز )6(

.حضور ندارد ، که در تابع )7(

میباشد و یک ماکزیمم مقعرنسبت به پارامتر بهینه سازي، تابع fبا توجه به منفی شدن مشتق دوم .عمومی دارد

fحداکثر کردن تابع : 4ي ضمیمه

f = )8(

ضمائم

40

)9(

برآوردنناظر بر ها میباشد و بردار شرط مجموع برآوردنضریب الگرانژ بوده و ناظر بر که در آن، .میباشد بودن عناصر بردار نا منفیشرط

)10(

)11(

.میشود برآوردهضریب الگرانژ میباشد که با قید که در آن،

لزوم متقارن دایروي بودن ضرایب کانال: 5ي ضمیمه :]12[ي زیر میباشدرابطهي استفاده شده در متن براي ظرفیت بر اساس رابطه

)12( آنتروپی تفاضلی یک بردار مختلط گوسی با خاصیت متقارن دایروي و داراي همچنین براي بدست آوردن

.]12[استفاده میکنیم ي ، از رابطهKماتریس کوواریانسما این . متقارن دایروي میباشد باید اثبات کنیم براي استفاده از روابط فوق در سیستم مدنظر ما،

به طور مشابه براي هر تعداد پرش قابل ( شاخه و دو پرشه نشان میدهیم mخاصیت را براي یک سیستم ).تعمیم میباشد

)13( )14(

متقارن A ،Y، آنگاه به ازاي هر ماتریس داراي خاصیت متقارن دایروي باشد و Xاگر : 1لم .خواهد بود دایروي

خواهد دایروي نیز متقارن Y ، آنگاه داراي خاصیت متقارن دایروي باشد و Zو Xاگر : 2لم .بود

براساس . ي گوسی با میانگین صفر در نظر گرفته میشودمورد نظر، نویز به صورت جمع شونده در سیستمبا توجه به . متقارن دایروي باشند و متقارن دایروي باشد، باید ، براي آنکه 2و 1لم . اهد بودهم متقارن دایروي خو میباشد، اگر نویز متقارن دایروي باشد، اینکه

ضمائم

41

, , )15(

متقارن دایروي در نظر بگیریم باید که ضرایب کانال در پرش اول و دوم میباشند را و اگر عناصر

.متقارن دایروي خواهد بود اثبات کنیم .]14[میباشد xداراي توزیع مشابه به ازاي هر مقدار متقارن دایروي هست اگر xمیدانیم که

به صورت Y، آنگاه تابع توزیع احتمال Y=aXنشان دهیم و را با Xاگر تابع توزیع احتمال : 3لم )]15[اثبات در( .خواهد بود

نشان دهیم، را با Yنشان دهیم و تابع توزیع احتمال را با Xاگر تابع توزیع احتمال : 4لم وXخواهد بود و اگر به صورت آنگاه تابع توزیع احتمال

Y ،15[اثبات در( . =مستقل باشند[( :حال اگر توابع را به صورت زیر تعریف کنیم

و ، ، تابع توزیع احتمال ،، تابع توزیع احتمال

خواهد به صورت Zتابع توزیع احتمال ، 4و3ساس لم آنگاه بر ا=به صورت بود و تابع توزیع احتمال .خواهد بود=

= )16(

و : متقارن دایروي میباشد، آنگاه و از آنجایی که .متقارن دایروي میباشد Qو در نتیجه

منابعفهرست

[1]. B. S. Krongold, K. Ramchandran, and D. L. Jones, “Computationally

efficient optimal power allocation algorithm for multicarrier communicationsystems,” IEEE Trans. Commun., vol. 48, no. 1, pp. 23–27, Jan. 2000.

[2]. Sendonaris, E. Erkip and B. Aazhang. User cooperation diversity-Part I: System description. IEEE Transactions on Communications, vol. 51, no. 11, pp. 1927-1938, November 2003.

[3]. Sendonaris, E. Erkip and B. Aazhang. User cooperation diversity-Part II: Implementation aspects and performance analysis. IEEE Transactions on Communications, vol. 51, no. 11, pp. 1939-1948, November 2003.

[4]. J. N. Laneman and G. W. Wornell, “Distributed space-time coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, pp. 2415-2425, Sept. 2003.

[5]. Y. Zhao, R. Adve, and T. J. Lim, “Improving amplify-and-forward relay networks: optimal power allocation versus selection," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, no. 8, pp. 3114-3123, Aug. 2007.

[6]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.

[7]. Wu, V.K.Y.; Ye Li; Green, M.; Reid, T.; Wang, P.,”Error Rate Performance in OFDM-Based CooperativeNetworks,” Global Telecommuni -cations Conference., Page(s): 3447 – 3451, 2007

[8]. Y. Wang et al., “Power allocation and subcarrier pairing algorithm for regenerative OFDM relay system,” in Proc. IEEE VTC 2007-Spring,Dublin, Ireland, Apr. 2007, pp. 2727–2731.

[9]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.

[10]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.

[11]. Lingjia Liu, Parimal Parag, Jia Tang, Wei-Yu Chen, Jean-François Chamberland, “Resource Allocation and Quality of Service Evaluation for Wireless Communication Systems Using Fluid Models”, IEEE Transactions On Information Theory, VOL. 53, NO. 5, MAY 2007

[12]. I. E. Telatar, “Capacity of multi-antenna gaussian channels,” Eur. Trans. Telecom. ETT, vol. 10, pp. 585–596, Nov. 1999.

منابعفهرست

[13]. Hammerstrom, I.; Wittneben, A.; "On the Optimal Power Allocation for Nonregenerative OFDM Relay Links"Communications,. ICC '06. IEEE International Conference on, pp: 4463 – 4468

[14]. David Tse, Pramod Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication”

[15]. Athanasios Papoulis, “Probability, Random Variables and Stochastic Processes”

[16]. Golnaz Farhadi, Norman C. Beaulieu, "A Decentralized Power Allocation Scheme for Amplify-and-Forward Multi-Hop Relaying Systems" IEEE ICC 2010, pp: 1-6

Abstract

Abstract

Relayed transmission has been proposed as a viable option to improve

reliability and to extend wireless network coverage. On the other hand, emerging

wireless applications, e.g. sensor networks, have an increasing demand for small

devices having limited battery lifetimes. Thus, it is important to determine the

appropriate transmit power levels for the source and the relays. In this thesis, we

have analyzed some scenarios of cooperative communication systems, and some

new methods for power allocation of these systems, have been proposed.

University of Tehran

School of Electrical and Computer Engineering

Power Allocation of OFDM-based Cooperative Communication Systems

By

Amin Azari

Supervisor: Dr. Farshad Lahouti Consultor: Dr. Jalil Harsini

A thesis submitted to the Graduate Studies Office in partial fulfillment of the requirements for

the degree of B.Sc. in

Communications Engineering

July 2011