سیستم همدوس دسترسی چند گانه CSK
در این سیستم همان­گونه که در [۲۰] و [۴۵-۴۶] نشان داده شده است در مورد پیام دو سمبلی، هر فرستنده دو سیگنال آشوبی یکی برای بیان سمبل ۱+ و دیگری برای بیان سمبل ۱- تولید می­ کند. سیگنال همه کاربران قبل از ارسال با هم ترکیب می­ شود. با فرض این که در هر گیرنده نسخه­ همزمان متناظر با حامل­های آشوبی مربوط به آن­ها در دسترس است، حامل­های آشوبی تولید شده در هر گیرنده با سیگنال دریافتی همبسته می­شوند. سمبل دی­کد شده، متناظر با خروجی بزرگترین همبسته­ساز است.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

در همه سیستم­های دسترسی چندگانه ذکرشده از پهنای باند یکسان برای ارسال حامل آشوبی استفاده می­ شود. اگر چه همبستگی متقابل حامل­های آشوبی در یک دوره­ نامحدود صفر است ولی در بازه زمانی محدود به یک دوره­ بیت، غیر صفر می­باشد. غیر صفربودن مقادیر همبستگی متقابل، تداخل میان کاربران را موجب می­ شود که این خود باعث کاهش بازده BER می­ شود. علاوه بر این روش­های مقاوم همزمانسازی آشوب هنوز در دسترس نیست. بازدهی سیستم­های همدوس فقط به عنوان معیار مقایسه استفاده می­ شود. سیستم­های غیرهمدوس که به بازتولید حامل­های آشوبی در سمت گیرنده نیازی ندارند عملی­تر هستند.
سیستم­های ناهمدوس دسترسی چندگانه DCSK مبتنی بر تأخیر زمانی
در روش مدولاسیون DCSK سیگنال حاوی اطلاعات در پی سیگنال مرجع ارسال می­ شود عملکرد یک سیستم دسترسی چندگانه DCSK مبتنی بر تأخیر زمانی^[۶۹] (TLMA-DCSK) بر این مبنا استوار است [۴۲]. برای مثال در یک محیط دو کاربره هر دوره­ بیت به چهار قسمت^[۷۰]زمانی تقسیم می­ شود. برای کاربر اول سیگنال مرجع به دو تکه^[۷۱]تقسیم می­ شود و در قسمت اول وسوم ارسال می­ شود و سیگنال حاوی اطلاعات در قسمت دوم وچهارم ارسال می­ شود. برای کاربر دوم به منظور کاهش تداخل بین سیگنال­های ارسال­شده، ترتیب ارسال تغییر می­ کند. سیگنال مرجع در دو قسمت اول و سیگنال حاوی پیام در قسمت­ های بعدی ارسال می­ شود. با محاسبه همبستگی در قسمت­ های زمانی مختلف با سیگنال ورودی، کاربران مختلف می­توانند اطّلاعات خود را با کمترین تداخل با دیگر کاربران استخراج کنند. روش ارسال چنین سیستمی در شکل (۳-۱۰) شرح داده­ شده­است.
شکل(۳-۱۰): روش ارسال در سیستم­های ناهمدوس دسترسی چندگانه DCSK مبتنی بر تأخیر زمانی.
۳-۲-۴- استفاده از کدهای آشوبی در سیستم­های مخابراتی طیف گسترده رایج
در سال­های اخیر، تلاش­ها برای مطالعه امکان استفاده از دینامیک آشوبی برای ارتقاء سیستم­های مخابراتی افزایش یافته است [۴] و [۴۸]. همان­گونه که پیش از این اشاره شد یکی از روش­های مخابرات طیف گسترده روش دنباله مستقیم است که در آن کاربران با دنباله­های متعامد یا تقریباً متعامد تسهیم می­شوند. کیفیت سیستم­های مخابراتی طیف گسترده­ی دنباله مستقیم به خواص کد گستراننده بستگی دارد بنابراین بیشترین توجهات به تولید دنباله­هایی با خود همبستگی و همبستگی متقابل معطوف است [۴۹-۵۰]. در این قسمت به شرح تولید کدهای گستراننده باینری از نگاشت­های آشوبی پرداخته می­ شود.
یکی از روش­های تولید کدهای گستراننده، استفاده از یک سیستم آشوبی به جای شیفت رجیسترهای فیدبک­دار خطی است. دنباله باینری آشوبی به صورت زیر تولید می­ شود:
(۳-۷)
که در آن به ازای ، و به ازای ، است. بیان­کننده عملگر متوسط­گیری ریاضی است. از میان تعداد زیادی دنباله تولید شده با این روش، دنباله­هایی انتخاب وبرگزیده می­شوند که از نظر معیار همبستگی مناسب باشند تا کیفیت سیستم مخابراتی تضمین شود. به بیان دیگر دنباله­هایی که خواص همبستگی ضعیف از خود نشان می­ دهند از میان بقیه دنباله­ها کنار گذاشته می­شوند. معیار انتخاب شامل انتخاب دنباله­هایی با خود همبستگی شبیه به تابع ضربه و همبستگی متقابل صفر به ازای همه تأخیرها است.
۳-۲-۵- مخابرات محرمانه^[۷۲]
نیاز به مخابرات محرمانه انگیزه مهمی را برای مخابرات با آشوب ایجاد می­ کند. بیشتر تحقیقات در این زمینه به چگونگی استفاده از سیگنال آشوبی برای ارسال محرمانه پیام می ­پردازد. خواص اصلی سیگنال آشوبی که از قبل هم به­آن اشاره شد به این منظور ایده­آل به نظر می­رسد. سیگنال آشوبی ذاتاً غیر متناوب و دینامیک آن نامنظم است. رمزگشایی یک پیام با دامنه کوچک که در یک شکل موج نامنظم و نامتناوب و غیرقابل پیش ­بینی جمع یا مدوله می­ شود، بدون داشتن یک سیستم آشوبی ثانویه برابر با سیستم آشوبی اولیه که با فرستنده همزمان باشد بسیار مشکل است. در مقاله پیشتاز شانون تئوری سیستم­های مخابرات محرمانه [۵۱] از سه جهت روی سیستم­های مخابراتی محرمانه بحث شده­است.

1. 1. اختفاء^[۷۳]؛

1. 1. اختصاصی بودن؛

1. 1. رمزنگاری^[۷۴]

این جهات در متون مخابرات آشوبی توضیح داده شده­است. از نظر شانون اختفاء اشاره به روش­هایی دارد که وجود پیام را از استراق سمع کننده مخفی می­ کند. اختفاء پیام با بهره گرفتن از س
یگنال­های حامل آشوبی به دلیل نامنظم و نامتناوب بودن حامل انجام می­ شود و حضور پیام در تغییرات سیگنال آشوبی واضح و آشکار نیست.
مطابق مقاله شانون، منظر دوم به سیستم­هایی که به تجهیزات مخصوص برای بازیابی پیام نیاز باشد اشاره دارد. این حالت در سیستم­های مخابرات آشوبی، به دلیل آن که استراق­سمع کننده باید گیرنده­ی مخصوصی داشته­باشد به­ طوری­که پارامترهای آن برای دی­کد کردن پیام دقیقاً تنظیم باشد، وجود دارد.
سرانجام رمزگذاری به صورت طبیعی در سیستم­های مخابرات آشوبی اتفاق می­افتد. در روش­های معمول رمزگذاری اغلب از یک کلید برای رمزگذاری پیام استفاده می­ شود. در صورتی که فرستنده و گیرنده کلید رمزنگاری یکسانی به اشتراک بگذارند پیام به هم ریخته در گیرنده می ­تواند بازیابی شود. در سیستم­های آشوبی فرستنده خود به عنوان یک کلید دینامیکی عمل می­ کند. گیرنده برای بازیابی پیام باید بتواند با دینامیک فرستنده همزمان شود که این خود مستلزم آن است که سیستم وپارامترها در گیرنده با فرستنده منطبق باشد.
۳-۳- جمع­بندی
در این فصل به تشریح یک سیستم مخابراتی و اجزای آن به طور عام پردخته شد و مباحث به مربوط جزئیات این سیستم بیان شد. در ادامه ویژگی­های مفید آشوب برای استفاده در مخابرات بیان شد. سپس کاربردهای آشوب در مخابرات از قبیل مدولاسون­های آشوبی شامل دو قسمت دیجیتال و آنالوگ و مخابرات طیف­گسترده و مخابرات امن شرح داده شد.
فصل چهارم
تخمین و همسانسازی کانال در سیستم­های مخابراتی آشوبی
۴-۱- مقدمه
یکی ازاجزای سیستم­های مخابراتی، کانال است. سیگنال ارسالی در کانال تحت تأثیر عوامل مخربی مانند نویز، تضعیف، اعوجاج، محوشدگی وتداخل قرار می­گیرد. تأثیر کانال یا به شکل نویز یا به شکل تداخل بین سمبلی به اضافه نویز می­باشد. اعوجاج باید از سیگنال دریافتی برطرف شده وسپس دی مدولاسیون که همان استخراج اطلاعات از سیگنال است انجام شود. مشخصات یک کانال مخابراتی تعیین کننده عوامل مخرب مؤثر است. کانال مخابراتی می ­تواند تغییرپذیر با زمان یا تغییرناپذیر با زمان باشد. این تغییر پذیری با زمان می ­تواند به علت حرکت گیرنده یا فرستنده و در نتیجه پراکنده­کننده­ها ویا منعکس­کننده­ها، در مسیر ارسال باشد. دراین فصل به اثرات کانال و نحوه­ جبران این اثرات که اصطلاحاً همسانسازی نامیده می­شوند می­پردازیم. به­ طور خاص روش­هایی که در مخابرات آشوبی مورد استفاده قرار می­گیرند مورد بحث قرار خواهد گرفت.
۴-۲- معرفی اثرات کانال­های مخابراتی
عنوان کانال مخابراتی به واسط میان فرستنده و گیرنده اشاره دارد و جزء جدایی­ناپذیر سیستم­های مخابراتی است. کانال­های فیزیکی می ­تواند به کانال­های سیمی و بی­سیم، بر اساس نوع واسط ارسال، دسته­بندی گردد. هرچند کانال­های سیمی قطعی هستند ولی کانال­های بی­سیم تصادفی و تحلیل آن مشکل است [۱۶] و [۵۲]. یک کانال بی­سیم بر اساس قابلیت تشعشع امواج الکترومغناطیس در فضا تحقق می­یابد. از طرفی محیط جغرافیایی سمت دریافت­کننده می ­تواند بسیار پیچیده و متنوع باشد و ممکن است کاربران حرکت تصادفی داشته­باشند. در شرایط عملی مخابرات، انتشار مستقیم امواج فوق کوتاه و مایکروویو و انکسارهای مختلف از پراکنده­کننده­ های امواج وجود دارد. این موارد موجب تخریب و تلفات سیگنال­های دریافتی می­ شود.

• • تخریب­ها:

اثر سایه­ای^[۷۵]: نیمه­کور بودن میدان دید در ناحیه گیرنده عموماً باعث سدشدن سیگنال ارسالی با موانع بزرگ مانند ساختمان­های بزرگ می­ شود.
اثر دور- نزدیک^[۷۶]: به دلیل حرکت گیرنده و تغییر فاصله بین گیرنده و فرستنده به صورت تصادفی تغییر می­ کند. سیگنال ارسالی با توان ثابت ارسال می­ شود ولی گیرنده با شدت مختلف آن را دریافت می­ کند. این موضوع به عنوان یک اثر غیرخطی در سیستم­های مخابراتی مطرح می­ شود.
اثر داپلر^[۷۷]: این اثر وقتی کاربر با سرعت بالا حرکت می­ کند باعث تخریب سیگنال می­ شود و به سرعت کاربر و فرکانس حامل بستگی دارد.

• • اتلاف­ها:

تلفات انتشار: تضعیف سیگنال در مسیر ارسال بر روی کانال اجتناب­ناپذیر است. این تلفات معمولاً وقتی فاصله­ی ارسال در حد کیلومترها طولانی باشد قابل توجه است.
تلفات محوشدگی آرام^[۷۸]: این تلفات ناشی از اثر سایه­ای وبه دلیل مسدود شدن مسیر ارسال با کوه­ها و ساختمان­های بلند است. چنین تلفاتی تصادفی است و با توزیع گوسی مدل می­شوند.
تلفات محوشدگی سریع: در یک محیط انتشار چندمسیره که با توزیع رایلی یا رایسی مدل­می­ شود، تضعیف محوشدگی سریع بر اثر نرخ تغییر محیط چندمسیره که می ­تواند نسبتاً بالا باشد رخ­دهد.
۴-۳- همسانسازی در سیستم­های مخابراتی آشوبی
دنباله اطلاعات ابتدا در سیستم آشوبی کدگذاری شده تا سیگنال مدوله شده ایجادشود سپس بر روی کانال مخابراتی ارسال می­ شود. قبل از دی­مدولاسیون باید این اعوجاج­ها برطرف گردد. در چنین مواقعی همسانسازی کانال برای جبران اعوجاجات کانال نیاز است. مقابله با اثرات کانال غیر ایده­آل و بهبود کیفیت دی­مدولاسیون سیستم­های مخ
ابراتی هدف اصلی همسانسازی کانال است. در این­صورت همسانسازی باید به­گونه ­ای انجام شود که در تصمیم برای بیت ارسالی خطایی به ­وجود نیاید. برای کانال­های متغیربا زمان ودارای تداخل بین سمبلی^[۷۹](ISI)، همسانسازی کانال را می­توان با فیلتر وفقی انجام داد. یک سیستم ساده مخابرات آشوبی در شکل زیر نشان داده­ شده­است. با توجه به شکل زیر به بحث در مورد مسأله همسانسازی در مخابرات آشوبی می­پردازیم.
شکل(۴-۱): یک سیستم ساده مخابراتی آشوبی.
به دلیل تفاوت اساسی بین روش­های مدولاسیون رایج ومدولاسیون آشوبی، الگوریتم­های رایج همسانسازی برای مدولاسیون آشوبی قابل استفاده نیست بنابراین طراحی روش­های مخصوص برای مخابرات آشوبی مورد نیاز است. اگر مشخصات کانال مشخص باشد با یک روش تخمین می­توان سیگنال آشوبی ارسالی را تخمین زد. در بسیاری از موارد عملی پارامترهای کانال ناشناخته هستند. در چنین شرایطی همسانسازی کانال فقط با بهره گرفتن از سیگنال دریافتی خراب­شده انجام می­ شود که این نوع همسانسازی، همسانسازی کور کانال نامیده می­ شود.
۴-۴- تاریخچه همسانسازی در مخابرات آشوبی
در سال­های گذشته چندین روش برای همسانسازی کور آشوبی بر مبنای خواص مختلف سیگنال آشوبی ایجاد شده است. برای مثال در روش مبتنی بر همزمانسازی [۵۳-۵۴] از همزمانسازی آشوبی بین فرستنده و گیرنده برای تخمین و ردیابی اعوجاجات کانال­هایی مانند محوشونده متغیر با زمان و چند مسیره استفاده شده است. در [۵۵] روش کنترل­ کننده وفقی برای کانال فیدینگ استفاده شده است. این روش دارای نقایصی مانند ردیابی آهسته است. در [۵۶] از یک کمیت پیچیده به نام حجم فضای فاز ^[۸۰](PSV) که با بهره گرفتن از خاصیت بعد محدود سیگنال آشوبی، به­دست آمده استفاده شده­است. مسأله تخمین کانال به­ صورت یک مسأله بهینه­سازی در آمده که در آن حجم فضای فاز، تابع هزینه مینیمم شونده است. این روش، مینیمم حجم فضای فاز (MPSV) نامیده می­ شود. در [۵۷] یک روش شناسایی^[۸۱] با بهره گرفتن از خاصیت پیش ­بینی­پذیری کوتاه مدت سیگنال آشوبی پیشنهاد شده است که مینیمم خطای پیش ­بینی غیر خطی^[۸۲](MNPE) نامیده می­ شود. این روش نتایج خوبی برای کانال­هایی که با مدل AR مدل شده ­اند ارائه می­دهد. در [۵۸] یک روش همسانسازی کور بر مبنای شبکه عصبی توابع پایه شعاعی^[۸۳] پیشنهاد شده­است. با فرض تبعیت ضرایب کانال از مدل مشخصی (مثل AR) می­توان همسانسازی کور کانال را به عنوان یک مسأله تخمین توأم پارامتر و حالت فرمول­بندی کرد. فیلترهای غیرخطی مانند فیلترکالمن گسترش­یافته^[۸۴](EKF) می ­تواند برای تخمین توأم پارامتر و حالت سیستم بیان شود. از EKF برای تخمین حالت سیستم آشوبی اولین بار در [۵۹] استفاده شده­است. در [۶۰] استفاده از EKF برای همزمانسازی سیستم مخابراتی آشوبی پیشنهاد شده و در [۶۱] پایداری EKF در همزمانسازی آشوبی بررسی شده­است. در [۶۲] فیلتر کالمن گسترش­یافته برای همسانسازی وفقی کور ارائه شده است. اگرچه در [۶۳] مشاهده شده است که پایداری روش اخیر همیشه تضمین نمی­ شود. روش­های جدیدی بر مبنای فیلتر گوسی، که در آن با بهره گرفتن از معادلات فیلترینگ غیر خطی، بدون هیچ هزینه اضافی، EKF ارتقاء و بهبودیافته است در [۶۴] معرفی­شده­است. سرانجام در [۶۵] یک روش همسانسازی کور بر مبنای فیلترینگ ذره­ای^[۸۵]پیشنهاد شده است.
۴-۵- استفاده از روش­های شناسایی سیستم^[۸۶] در تخمین و همسانسازی کانال در مخابرات آشوبی
مسأله شناسایی کور یک سیستم AR با سیگنال محرک آشوبی را می­توان وارد مسأله همسانسازی در سیستم­های مخابرات آشوبی نمود. در این جا به دو روش معرفی تخمین مبتنی بر دینامیک، که از خواص ذاتی سیگنال آشوبی برای شناسایی سیستم استفاده می­ کند، می­پردازیم.
۴-۵-۱- روش شناسایی مینیمم حجم فضای فاز (MPSV)
به­ طور کلی این روش از یک تخمین مبتنی بر دینامیک به نام MPSV برای تخمین ضرایب AR با بهره گرفتن از روش فیلترینگ معکوس استفاده می­ کند. این روش علاوه­براین که می ­تواند یک سیستم AR را به دقت شناسایی کند از روش­های شناسایی بهینه آماری که در آن یک تخمین­گر کمترین مربعات^[۸۷](LS) با سیگنال محرک گوسی به­کار گرفته می­ شود، مؤثرتر عمل می­ کند.
در مواجهه با یک سیگنال آشوبی، چگالی احتمال اصلی­ترین بیان از دیدگاه اطّلاعاتی نیست اگرچه روش­های آماری مانند ماکزیمم درستنمایی^[۸۸]، مینیمم واریانس^[۸۹]و آمارگان مرتبه بالا برای شناسایی در سیستم آشوبی استفاده می­ شود ولی روشن است که این روش­ها نمی ­توانند خواص ویژه، ذاتی و قطعی دنباله ورودی آشوبی را وارد محاسبات کنند [۶۶-۶۷]. بنابراین
نتایج شناسایی برای حالت آشوبی بهینه نیست. پردازش به روش دینامیکی در مقایسه با روش­های آماری کلاسیک نیازمند استخراج اطّلاعات سیگنال آشوبی به صورت کامل است. روش MPSV بر این پایه استوار است که یک سیگنال آشوبی یک حجم محدود در فضای فاز با بعد بی­نهایت را اشغال می­ کند. یک سیگنال تصادفی هیچ الگوی منظمی در چنین فضای فازی از خود نشان نمی­دهد و بنابراین حجم زیادی را اشغال می­ کند. این کمیت پیچیده یعنی PSV به­عنوان یک تابع هدف یا هزینه برای شناسایی یک سیستم که با یک سیگنال آشوبی تحریک شده است استفاده می­ شود. پاسخ سیستمی که در ادامه بررسی می­ شود با مدل AR با درجه­ مناسب با تقریب خوبی مدل می­ شود که این خود به دلیل آن است که هر سیستم خطی از جمله کانال مخابراتی را می­توان به صورت AR بیان کرد [۶۸]. در [۵۶] نشان داده شده است که این روش، تخمین دقیقی از پارامترهای سیستم ارائه می­دهد.
شناسایی سیستم با دنباله ورودی آشوبی