تاریخ دفاع: 1405/7/28
دانشجو

مهدیه قبادی پور

دانشکده / گروه آموزشی فنی مهندسی | مهندسی برق

تحلیل و بهینه سازی سامانه های حسگری-مخابراتی یکپارچه مبتنی بر پرنده های بدون سرنشین

استاد راهنما محمد کریمی

چکیده

در این پژوهش، عملکرد یک شبکه حسگری و ارتباطات یکپارچه مبتنی بر پهپاد (UAV-ISAC) مورد بررسی قرار گرفته است. هدف کلی، تحلیل تاثیر تخصیص نقش میان پهپادهای ارتباطی و حسگری بر عملکرد شبکه و ارائه مدل‌های آماری برای ارزیابی هم‌زمان قابلیت‌های ارتباطی و حسگری است. در این راستا، پژوهش حاضر در دو بخش اصلی سازمان‌دهی شده و هر بخش به‌صورت جداگانه تحلیل شده است. در هر دو بخش، یک معماری دو مرحله‌ای برای شبکه چندپهپادی در نظر گرفته شده است: در مرحله نخست، تمامی پهپادها به حسگری اختصاص دارند و در مرحله دوم، بخشی از پهپادها بر اساس کیفیت کانال ارتباطی برای انتقال اطلاعات انتخاب می‌شوند و سایر پهپادها به حسگری ادامه می‌دهند. کانال ارتباطی با مدل ترکیبی Nakagami-m و Inverse-Gamma و RCS هدف در فاز حسگری با مدل Swerling-I مدل‌سازی شده است. تفاوت بخش دوم با بخش اول در مدل کانال ارتباطی است؛ در پژوهش اول تنها اثرات محوشدگی مقیاس کوچک و اثر سایه در نظر گرفته شده، در حالی که در پژوهش دوم، اثر فاصله UAVهای ارتباطی با گیرنده زمینی نیز در مدل کانال لحاظ شده است. همچنین در پژوهش اول، تعداد UAVهای انتخاب‌شده برای برقراری ارتباط از توزیع دوجمله‌ای پیروی می‌کند، در حالی که در پژوهش دوم، احتمال انتخاب UAVهای مختلف یکسان نبوده و لذا تعداد UAVهای انتخاب‌شده دارای توزیع دوجمله‌ای–پواسون است. با استفاده از نتایج به‌دست‌آمده، معیارهای مهم ارزیابی شبکه، شامل احتمال‌های آشکارسازی و هشدار اشتباه در فاز حسگری، و متوسط تعداد UAVهای ارتباطی و احتمال عدم برقراری لینک ارتباطی در فاز ارتباطی، به‌صورت فرم بسته (Closed-Form) استخراج شده است. صحت روابط تحلیلی با استفاده از شبیه‌سازی عددی مونت‌کارلو تایید شده و سپس رفتار شبکه بر اساس معیارهای ذکر شده تحلیل شده است. در نهایت، مصالحه ذاتی بین فازهای حسگری و ارتباطی با شبیه‌سازی منحنی احتمال آشکارسازی برحسب احتمال عدم برقراری لینک بررسی شده است. انتخاب نقطه کار مناسب در شبکه، کیفیت سرویس در فازهای حسگری و ارتباطی را تعیین می‌کند که با توجه به نمودار احتمال آشکارسازی فاز حسگری برحسب احتمال عدم برقراری لینک ارتباطی قابل تحقق است. به بیان دیگر، با توجه به نیازمندی‌های شبکه در مورد احتمال آشکارسازی مطلوب یا احتمال برقرار ارتباط مطلوب، می‌توان نقطه کار بهینه را تعیین نمود. از طرفی، با توجه به رفتار یکنوای احتمال آشکارسازی فاز حسگری برحسب احتمال عدم برقراری لینک ارتباطی، مسئله انتخاب نقطه کار مناسب همواره یک جواب خواهد داشت و با استفاده از الگوریتم‌های مرسوم مانند نیوتن یا گرادیان نزولی به‌راحتی می‌توان نقطه کار مناسب را به دست آورد. پژوهش حاضر یک چارچوب آماری برای شبکه تطبیقی چندپهپادی ارائه کرده که در آن نقش پهپادها در دو مرحله زمانی تعیین می‌شود. یکی از نتایج مهم این پژوهش، مدل‌سازی آماری بهره کانال ارتباطی با استفاده از ترکیب محوشدگی Nakagami-m و اثر سایه با توزیع Inverse-Gamma است که امکان بررسی هم‌زمان نوسانات مقیاس کوچک و مقیاس بزرگ کانال را فراهم می‌کند. نتایج شبیه‌سازی مونت‌کارلو و تحلیل نظری توزیع بهره کانال، تطابق مناسبی را نشان داده و اعتبار چارچوب آماری پیشنهادی را تایید می‌کنند. همچنین، با اعمال آستانه انتخاب روی بهره کانال ارتباطی، احتمال انتخاب هر پهپاد برای ارتباط تعیین شده است. بر این اساس، تعداد پهپادهای ارتباطی یک متغیر تصادفی بوده و از توزیع دوجمله‌ای (در بخش اول) یا دوجمله‌ای–پواسون (در بخش دوم) تبعیت می‌کند. بنابراین، تعداد پهپادهای باقی‌مانده برای حسگری نیز ثابت نبوده و به شرایط کانال ارتباطی وابسته است. یکی دیگر از نتایج مهم، بررسی احتمال بدون ارتباط است؛ احتمال اینکه هیچ‌یک از پهپادها برای ارتباط انتخاب نشوند، با افزایش تعداد پهپادها کاهش می‌یابد. این نتیجه نشان می‌دهد که افزایش تعداد پهپادهای موجود در شبکه، احتمال شکل‌گیری یک مجموعه ارتباطی را افزایش می‌دهد. همچنین تغییر آستانه انتخاب، مستقیماً بر احتمال انتخاب پهپادها و در نتیجه بر احتمال بدون ارتباط اثرگذار است.