پایان نامه با موضوع کاربردهای پزشکی، امنیت اطلاعات، آرایش فضایی

دانلود پایان نامه

ن به همراه سیگنال غیر مدوله شده 17
شكل (2-2) مثالی از سیگنال ارسالی با تکنیک DSSS 19
شكل (2-3) مقایسه طیف دنباله پالس UWB با و بدون تکنیک تصادفی 21
شكل (2-4) پریودهای زمانی مختلف در سیستمهای TH-UWB 23
شكل (2-5) مستطیلهای قرمز، سبز و آبی نشاندهنده پالسهای ارسالی برای 3 کاربر1، 2 و 3 برای حمل 3 بیت ارسالی 24
شكل (3-1) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 37
شكل (3-2) متوسط 100 پاسخ ضربه کانال (CM1) 38
شكل (3-3) Exsees delay برای 100 کانال مختلف CM1 38
شكل (3-4) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM1 39
شكل (3-5) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 39
شكل (3-6) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 40
شكل (3-7) پروفایل نزولی توان (CM1) 40
شكل (3-8) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن (CM1) 41
شكل (3-9) 100 پاسخ ضربه کانال (CM2) 42
شكل (3-10) متوسط 100 پاسخ ضربه کانال (CM2) 42
شكل (3-11) Exsess delay برای 100 کانال مختلف CM2 43
شكل (3-12) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM2 43
شكل (3-13) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM2) 44
شكل (3-14) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM2) 44
شكل (3-15) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM2) 45
شكل (3-16) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن(CM2) 45
شكل (3-17) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 46
شكل (3-18) متوسط 100پاسخ ضربه کانال (CM1) 47
شكل (3-19) Exess delay برای 100 کانال مختلف CM1 47
شكل (3-20) RMS delay spared برای 100 کانال مختلف CM1 48
شكل (3-21) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 48
شكل (3-22) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 49
شكل (3-23) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM1) 49
شكل (3-24) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن(CM1) 50
شكل (3-25) پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 51
شكل (3-26) متوسط100 پاسخ ضربه کانال (CM1) 51
شكل (3-27) Exess delay برای 100 کانال مختلف CM1 52
شكل (3-28) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM1 52
شكل (3-29) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 53
شكل (3-30) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM1) 53
شكل (3-31) پروفایل تاخیر نزولی کانال (CM1) 54
شكل (3-32) انرژی کانال به همراه متوسط و انحراف استاندارد آن (CM1) 54
شكل (3-33) قدر مطلق پاسخ ضربه 100کانال مدل (CM1) 56
شكل (3-34) متوسط پاسخ ضربه 100 کانال (CM1) 56
شكل (3-35) Exsess delay برای 100 کانال مختلف CM1 57
شكل (3-36) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM1 57
شكل (3-37) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM1) 58
شكل (3-38) تعداد مسیرهای بیش از % 85 انرژی کل (CM1) 58
شكل (3-39) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM1) 59
شكل (3-40) قدر مطلق پاسخ ضربه 100 کانال (CM2) 60
شكل (3-41) متوسط پاسخ ضربه حقیقی 100 کانال (CM2) 60
شكل (3-42) Exsess delay برای 100 کانال مختلف CM2 61
شكل (3-43) RMS delay spread برای 100 کانال مختلف CM2 61
شكل (3-44) تعداد مسیرهای با dB 10 تضعیف نسبت به پیک (CM2) 62
شكل (3-45) تعداد مسیرهای % 85 انرژی کل (CM2) 62
شكل (3-46) پروفایل تاخیر نزولی توان (CM2) 63
شكل (4-1) ساختار گیرنده فیلتر منطبق 66
شكل (4-2) پالس ارسالی با فرض بیت 0 در مدولاسیون PPM و یک نمونه سیگنال دریافتی پس از عبور از کانال UWB 69
شكل (4-3) پالس ارسالی با فرض بیت 1 در مدولاسیون PPM و یک نمونه سیگنال دریافتی پس از عبور از کانال UWB 70
شكل (4-4) مقایسه آشکارساز کورتسیس با آشکارساز انرژی براساس کانال CM1 88
شكل (4-5) مقایسه آشکارساز کورتسیس با آشکارساز انرژی براساس کانال AWGN 89
شكل (4-6) مقایسه آشکارساز انرژی وزن بهینه، زیر بهینه و آشکار انرژی معمولی براساس کانال CM1 90
شكل (4-7) مقایسه آشکارساز انرژی با چندین اندازهگیری بهینه و زیر بهینه و آشکارساز انرژی معمولی براساس کانال CM1 91
شكل (4-8) مقایسه آشکارساز TR کلاسیک و TR متوسط گیری شده براساس کانال CM1 92
شكل (4-9) کارایی گیرنده eigen برای تعداد مختلف 93
شكل (4-10) عملکرد BER برای مدل کانالIEEE 802.15.3a CM1 94
شكل (4-11) عملکرد BER برای مدل کانال IEEE 802.15.3a CM8 95
شكل (4-12) بهترین فیلتر گیرنده معین برای کانال CM1 مطابق بهینه سازی تکراری معیار J-div rank-1 96
شكل (5-1) عملکرد BER آشکارساز GLR و GLR-SDR با تعداد مراحل تصادفی مختلف در حالت 111
شكل (5-2) مقایسه عملکرد آشکارساز GLR-SDR و ED و گیرنده ideal Rake با اندازه بلوک های مختلف در حالت کانال CM1 112
شكل (5-3) مقایسه عملکرد آشکارساز GLR-SDR و ED و گیرنده ideal Rake با اندازه بلوک های مختلف در حالت کانال CM2 113
شكل (5-4) عملکرد BER آشکارساز IGLR-SDR با مختلف برای و 114
شكل (5-5) عملکرد BER آشکارساز IGLR-SDR با مختلف برای و 115
شكل (5-6) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR، ED و KD برای ، و در حالت کانال CM1 116
شكل (5-7) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR، ED و KD برای ، و در حالت کانال CM2 117
شكل (5-8) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR و ED برای ، و در حالت کانال CM1 118
شكل (5-9) مقایسه عملکرد آشکارساز IGLR-SDR، GLR-SDR و ED برای ، و در حالت کانال CM2 119

فصل اول

مقدمه

ظهور سیستمهای مخابراتی با عرض پالس بسیار باریک و پهنای باند بسیار وسیع و پیداش کاربردهای متنوع برای آنها، در سالیان اخیر زمینه ساز تحقیقات گستردهای در جنبههای گوناگون نظری و پیادهسازی عملی چنین سیستمهایی گشته است. سیستمهای فراپهن باند (UWB) از حدود 20 سال قبل در مخابرات نظامی، موقعیت یابی و رادار مورد استفاده قرار گرفته است و اخیرا بر روی الکترونیکهای مصرفی و مخابراتی توجه شده است. لیکن با افزایش تقاضا برای کاربرد تجاری این تکنیک و با تلاشهایی که از اواخر دهه 1990 آ
غاز شد، در نهایت مجوز استفاده از گستره فرکانسی حدود GHz 10-3، به شرط رعایت محدودیتهای شدید بر سقف توان ارسالی، صادر شد.. در واقع، بسیاری از سیستمهای مخابراتی بی سیم از فرکانسهای باند باریک مجزا به منظور جلوگیری از تداخل با یکدیگر استفاده میکنند. به هر حال، برای سیستمهای UWB به منظور جلوگیری از تداخل با دیگر سیستمها، به شرط رعایت محدودیتهای شدید بر سقف توان ارسالی و طیف تعریف بر طبق FCC میتوانند به کار روند.
سیستمهای UWB ویژگیهای منحصر به فردی نسبت به سیستمهای مخابراتی دیگر دارند. دو ویژگی منحصر به فرد سیستمهای UWB، پهنای باند بسیار وسیع و Duty Cycle پایین آن میباشد. پهنای باند بسیار وسیع منجر به انتقال پالسهای بسیار باریک که بیتهای اطلاعاتی را حمل میکنند، میشود. در واقع سیستمهای UWB، به جای استفاده از توان بسیار بالا در رنج فرکانسهای مجزا، از سیگنالهای با توان پایین و در رنج فرکانسی بسیار زیاد استفاده میکنند. بنابراین ارسال سیگنالهای UWBبه عنوان یک سیگنال نویزی برای سیستمهای مخابراتی دیگر ظاهر شد. سیستمهای UWB برای کاربردهای داخلی که نیاز به نرخ دیتای بالا دارند و در رنج فاصله کوتاه 1 تا 10 متر، میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. Duty Cycle به عنوان نسبتی از زمانی که یک پالس در یک دوره تناوب قرار میگیرد، تعریف میشود که در سیستمهای UWB مقدار آن بسیار کم و در حدود 0.005 میباشد.
تعریف
لفظ UWB علیرغم معنای نسبتا عامی که تا پیش از دهه 1990 داشت به سیگنالهایی اطلاق شد که دارای پهنای باند حداقل MHz 500 باشند، یا پهنای باند نسبی آنها (نسبت پهنای باند به فرکانس مرکزی) بیش از %20 باشد[3]. پهنای باند نسبی به صورت زیر بیان میشود:

فرکانسهای قطع بالا و پایین میباشد. در گزارش FCC [3]، کاربرد UWB در سه گروه طبقهبندی میشود: 1. سیستمهای اندازهگیری و مخابراتی 2. سیستمهای راداری انتقالی 3. سیستمهای تصویری. در اینجا باند طیفی مربوط به گروه اول در ‏شكل (1-1) آمده است. همانطوری که میبینید طیف فرکانسی اختصاص یافته برای ارسال UWB 1/3 تا GHz 6/10 است و ماکزیمم سطح توان مجاز برای ارسال UWB، dBm/MHz 3/41- میباشد، این سطح توان کمتر از سطح توان نویز برای سیستمهای مخابراتی UWB میباشد.
مزایای سیستم هایUWB
سیستمهای UWB به دلیل استفاده از پهنای باند بسیار زیاد دارای ویژگیهای منحصر به فردی میباشند که سیستمهای UWB را از دیگر سیستمهای باند باریک کلاسیک متمایز میسازد[1،2،5،6،14]. این ویژگیها عبارتند از:

1- توانایی به کارگیری سیستمهای UWB به همراه وجود سیستمهای بیسیم دیگر میباشند. محدودیت توان FCC، نیاز به سیستمهای UWB ی دارد که قادر به ارسال سیگنالهای شبه نویزی باشند که منجر به احتمال کم برای آشکارسازی و تداخل برای سیستمهای دیگر خواهد شد‏شكل (1-2) .
2- قادر به مصالحه بین فاصله و نرخ دیتا هستند. فرض کنید برای حمل یک بیت دیتا پالس ارسال شود، برای فاصلههای زیاد، به منظور ارسال قابل قبول، میتواند زیاد باشد و زیاد منجر به نرخ دیتای پایین خواهد شد، به عبارت دیگر، میتواند برای فاصله کم کاهش پیدا کند و منجر به نرخ دیتای بالا شود. بنابراین تعداد پالسهای بیشتر بر بیت برای ارسال در فاصلههای زیاد به کار میرود.
3- توانایی داشتن ظرفیت زیاد را دارند. معادله معروف شانون برای ظرفیت، بینش مربوط به مزیت سیستمهای بیسیم UWB را به ما میدهد. مطابق قانون شانون، توانایی ظرفیت یک کانال به صورت زیر بیان میشود:

و به ترتیب توان کل سیگنال و توان نویز را بیان میکنند و پهنای باند کانال میباشد. سطح توان ارسالی کم سیستمهای UWB برای ظرفیت کانال بیفایده است، به هر حال، سیستمهای UWB به دلیل پهنای باند زیاد، اثر سیگنال به نویز پایین (SNR) را جبران میکنند. بنابراین سیستمهای UWB برای ظرفیت بالای مخابرات بیسیم پیشنهاد میشوند[5].

باند طیفی اختصاص یافته FCC

4- دارای عملکرد مقاوم در محیطهای Jamming و چندمسیرگی 4شدید میباشند که این مزیت، به علت ارسال پالسهای بسیار باریک میباشد. چون گیرندهها قادر هستند انرژی قابل قبولی از ارسال پالسها بگیرند، که دلیل آن جزء چندمسیره های مجزای زیاد که از ارسال پالسها ایجاد میشوند، میباشد.
5- ساختار گیرنده و فرستنده ساده دارند. سیستمهای UWB گیرنده و فرستندههای دیجیتال بدون نیاز به بلوکهای فرکانسی رادیویی (RF) مانند اسیلاتورها، ماژولهای تبدیل بالا و پایین دارند که به دلیل طیف باند پایه سیگنالهای UWB میباشد.

همزیستی سیستمهای UWB با سیستم های باند باریک موجود

چالش ها
با ظهور سیستمهای UWB برای مخابرات بیسیم، چالشهای زیادی نیز به همراه خود به وجود آوردند. بعضی از این آیتمها در زیر لیست شده است[2، 4-7].
1- طراحی آنتنهای با چندین پهنای باند زیاد
2- جلوگیری از تداخل با دیگر سیستمهای باند باریک موجود
3- آشکارسازی و حذف تداخلهای باند باریک قوی
4-دشوار بودن مسأله همزمانسازی به علت وجود پالسهای بسیار باریک
5- تخمین پارامترهای کانال مانند ضرایب و تاخیر کانال چندمسیرگی
6- امکان دستیابی چند کاربره، طراحی کد چند کاربره و حذف تداخل چند کاربره
7- طراحی وفقی، ساده، کم هزینه و کم توان فرستنده و گیرنده
8- محدودیتهای عملی تبدیل کنندههای آنالوگ به دیجیتال

کاربردها
کاربردهای مختلف از وسایل راداری تا مخابرات بیسیم در تکنولوژی UWB پیشنهاد شده است. توانایی نفوذ مواد UWB، آنها را برای حضور در حوز
ه پزشکی و رادارهای زمین نفوذ، سیستمهای جستجویابی و صنعت معدن هموار میسازد. پیدا کردن موقعیت، کاربرد مهم دیگر تکنولوژی UWB میباشد، همچنین در کاربردهای مخابرات بیسیم نیز به طور گسترده میتوانند به کار روند.
اخیرا دو نوع استاندارد IEEE برای سیستمهای UWB وجود دارد. در کنار کاربردهای با برد کم و نرخ داده بسیار زیاد (HDR5) که برای مخابرات UWB پیشنهاد شده است (IEEE 802.15.3a)[8]، کاربردهایی نیز با برد بیشتر و نرخ ارسال کمتر (LDR6) در نظر گرفته شده است (IEEE 802.15.4a) [9]. یک نوع مثال برای دسته نوع اول می تواند ارسال دیتا بین کامپیوتر شخصی و وسایل آن همانند موس، پرینتر و مانیتور باشد. به طور خلاصه کاربردهای IEEE 802.15.3a میتواند برای شبکههای شخصی بیسیم (WPAN7) با نرخ دیتای بیش از Gbps 2 به کار روند. کاربرد دیگر UWB برای شبکههای سنسور نیازمند به نرخ دیتای ارسال Kbps 5 به Mbps 1 در حدود رنجهای m 100 با دقت حدود سانتیمتر در موقعیتیابی شامل میشود. کاربردهای IEEE 802.15.4a می توانند محدوده جدیدی از کاربردها مانند صنایع نفت و پترولیوم، صنایع پزشکی، مخابرات خانوار و استفادههای نظامی را شامل شود.
کاربردهای UWB در مخابرات را میتوان به دستههای عمده زیر تقسیم بندی کرد: 1. شبکههایAd hoc 2 . شبکههای سنسور بی سیم 3. شناسایی فرکانس رادیویی8 4. کامپیوترهای شخصی و لوازم الکتریکی 5 .کاربردهای موقعیت یابی 6 . کاربردهای پزشکی[15]. حال به طور خلاصه این کاربردها را توضیح می دهیم. شبکههای Ad hoc، شبکهای از گرههای سیار هستند که به صورت دایمی نمیباشند. در شبکههای Ad hoc از چندین گره برای مسیریابی استفاده می شود و به دلیل موقعیت متحرک، محدودیت مصرف توان و تداخل چند مسیرگی از تکنولوژی UWB می تواند استفاده شود.
شبکههای سنسور بی سیم شامل گرههای سنسور منحصر بفردی هستند که بر روی یک ناحیه توزیع شدهاند که این سنسورها برای نظارت کردن پدیده فیزیکی در محیط (مثل دما، رطوبت، موقعیت، سرعت و…) به کار میروند. تکنولوژی UWB به دلیل دستگاههای کم توان و کوچک میتواند با دستگاههای مخابرات بیسیم ترکیب شوند، فرستنده، گیرنده و آنتنهای آنها کوچک، کم توان و کم هزینه هستند. کاربرد دیگر آن در آرایش فضایی بزرگراههای هوشمند است.
RFID یک تکنولوژی شناسایی خودکار است که از امواج رادیویی برای مخابره کردن با علامت اهداف استفاده می شود. در تکنولوژیRFID نیاز به ارتباط بین علامتها، تعیین موقعیت دقیق و مطمئن از مخابره کردن وضعیتهای سنسور در صورت نیاز است. تکنولوژی UWB این ویژگیها رو دارد و میتواند به کار رود. چالش مهم RFID امنیت اطلاعات آن است، که سیستمهای UWB به

دیدگاهتان را بنویسید