پایه شعاعی، از فیلترمنطبق که نسبت سیگنال به نویز را افزایش داده در عین حال ابعاد فضا را کاهش می¬دهد، استفاده نموده و عملکرد آشکارساز پایه شعاعی را بهبود داده است. از آن جایی که در این طرح، ورودی فیلتر منطبق سیگنال دارای تداخل چندکاربره و نویز می¬باشد و عملکرد سیستم تحت تاثیر قرار می¬گیرد؛ جهت بهبود عملکرد آشکارساز جای فیلترمنطبق و پایه شعاعی را عوض نموده تا عملکرد بهبود یابد (شکل 2-14) (Shaerbaf and Seyedin, 2011).

همان¬طور که می¬دانید سیستم MC/CDMA براساس ترکیب CDMA و OFDM است که در برابر کانال مخابراتی انتخاب¬گر فرکانسی قوی می¬باشند. این سیستم، جهت بالا بردن بازدهی طیفی با قابلیت دسترسی چندگانه از تبدیل فوریه سریع استفاده نموده¬اند.
در سیستم مخابراتی داده¬ها توسط کانال¬های انتقال ارسال می¬شوند. اصولاً کانال¬ها ایده¬آل نیستند در نتیجه داده¬ها تخریب می¬گردند. جهت کاهش نرخ خطای بیت لازم است که در گیرنده کانال، اکولایزر شود. سیستم MC/CDMA مشکل شناسایی و اکولایزر کردن کانال را دارد. الگوریتم¬های اکولایزر موجود اصولاً براساس خصوصیات آماری سیگنال صورت می¬گیرند؛ مانند دریافت نسخه¬های متعدد از یک سیگنال در زمان، فرکانس یا آنتن گوناگون است. در مقاله (Frikel, Safi, Targui, M’Saad, 2010 ) علاوه بر کد¬های والش جهت گسترانیدن داده¬ها، با توجه به ویژگی¬های سیگنال آشوبی، جهت ارزیابی و اکولایزر کانال در سیستم MC/CDMA از دنباله آشوبی استفاده نموده است. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی در شکل 2-15 آورده شده است.

b)
a)
شکل 2-15: بلوک دیاگرام سیستم MC/CDMA مبتنی بر آشوب a) فرستنده b) گیرنده (Frikel et al., 2010)

در گیرنده قبل از اینکه داده¬ها آشکار شوند، عمل ارزیابی و اکولایزر کانال انجام می¬شود. با فرض اینکه گیرنده از نگاشت آشوبی و اطلاعات آن آگاه است، جهت ارزیابی کانال از یک روش ساده ضرب سیگنال آشوبی در نسخه کوپی سیگنال دریافتی استفاده می¬کند؛ بعد از ارزیابی پارامتر¬های کانال از روش اکولایزر EGC استفاده نموده است. نتایج شبیه¬سازی نشان می¬دهد که عملکرد سیستم MC/CDMA با استفاده از کد متعامد والش و کد آشوبی جهت شناسایی کانال نسبت به حالتی که از کد والش به تنهایی استفاده می¬شد، بهبود یافته است.
جهت بهبود سیستم طیف گسترده کار¬های دیگری هم انجام شده است (Shaerbaf and Seyedin, 2012).
2-2-3-2 طراحی سیستم ارتباطی آشوبناک
همان¬طور که قبلاً بیان شده است مخابرات آشوبی روز به روز در حال گسترش و توسعه است. خیلی از محققان در تلاش هستند که مدولاسیون آشوبی مختلفی در جهت بهبود عملکرد سیستم¬های آشوبی طراحی نمایند.
در مقاله (Abdullah and Valenzuela, 2011) مدولاسیون COOK را با مدولاسیون FM ترکیب نموده است. مدولاسیون COOK حالت خاصی از CSK می¬باشد، سیگنال آشوب در مدولاتور بسته به سمبل ارسالی “1+” و “1-” به ترتیب روشن و خاموش می‌شود. در طرح پیشنهادی به علت استفاده از مدولاسیون فرکانسی در COOK سبب می¬شود که انرژی برای هر بیت یکسان گردد و باعث کاهش BER نسبت به مدولاسیون COOK شود.
اگر چه سیستم FM-DCSK عملکرد نویزی بهتری در کانال¬های چندمسیره دارد، اما توان مصرفی در مدولاسیون FM-COOK کم می¬باشد و برای برخی از کاربردها ارائه می¬شود. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی در شکل 2-16 آورده شده است.

شکل 2-16: بلوک دیاگرام سیستم FM-COOK (Abdullah and Valenzuela, 2011)

یکی دیگر از کار¬های انجام شده در طراحی سیستم آشوبی مقاله (Abdullah, 2012) است. یکی از مشکلات سیستم FM-QCSK این است که در نیمی از مدت زمان بیت ارسالی، سیگنال مرجع آشوبی می¬باشد، که این خود منجر به افزایش تلفات انرژی و کاهش سرعت می¬گردد. در مقاله (Abdullah, 2012) یک روش برای سیستم FM-QCSK پیشنهاد داده است که باعث کاهش نرخ خطای بیت و افزایش نرخ بیت می¬گردد. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی را در شکل 2- 17 و 2-18 نشان داده است.

شکل 2-17: بلوک دیاگرام فرستنده FM-QCSK بهینه (Abdullah, 2012)

شکل 2-18: بلوک دیاگرام گیرنده FM-QCSK بهینه (Abdullah, 2012)

در این روش پیشنهادی به ازای یک سیگنال مرجع، چند سیگنال حامل اطلاعات ارسال می¬گردد. این امر موجب بازدهی بالای پهنای¬باند می¬شود و نرخ خطای بیت افزایش ¬یابد.
کار¬های دیگری هم جهت بهبود عملکرد سیستم¬های آشوبی صورت گرفته است (Thilagam and Jayanthi, 2012; Kennedy, Kolumbán, Kis, Jákó, 2000 ).
2-2-3-3 استفاده از طیف گسترده آشوبناک در سیستم OFDM
سیستم OFDM به صورت ذاتی در برابر محوشدگی انعطاف پذیر می¬باشد؛ اما سیگنال OFDM از نظر امنیت پایین می¬باشد. جهت افزایش امنیت و نرخ خطای بیت کمتر در سیستم OFDM می¬توان از سیگنال¬های آشوبی استفاده کرد.
در مقاله (Bernardo and Lopes, 2012) جهت بهبود عملکرد سیستم OFDM از سیگنال¬های آشوبی استفاده شده است. در این مقاله تاثیر سیگنال آشوبی را در سیستم¬های FFT-OFDM و DWT-OFDM مطرح نموده و نتایج آن¬ها را با هم مورد مقایسه قرار داده است. نتایج شبیه¬سازی نشان می¬دهد که OFDM آشوبی با موجک در کانال¬های چندمسیره و AWGN عملکرد بهتری دارد.
همان¬طور که قبلاً هم اشاره شده سیستم آشوبی نسبت به سیستم¬های معمولی هزینه سخت افزاری کمتری دارند؛ زیرا تولید آن با کمک مدار¬های ساده است، همچنین به علت غیرپریودیک بودن سیگنال¬ها آشوبی امنیت را بالا می¬برند. در مقاله (Varade and Kulat, 2012) جهت امنیت و حفظ صحت اطلاعات در سیستم MIMO-OFDM از سیگنال آشوبی استفاده کرده است. همچنین در سیستم MIMO-OFDM از یک روش شکل دهی وفقی پرتو که تکنیکی برای دریافت یک سیگنال مطلوب از راستایی معلوم و حذف تداخل¬ها با کنترل پرتو تشعشعی آنتن آرایه استفاده نموده¬اند. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی در شکل 2-19 و 2-20 قابل مشاهده می¬باشند.
عملکرد سیستم پیشنهادی را برای دو حالت شکل دهی وفقی پرتو و بدون آن، مورد ارزیابی و مقایسه قرار داده است. نتایج نشان می¬دهند که استفاده از سیستم آشوبی امنیت بیشتر دارد و عملکرد نرخ خطای بیت با استفاده از شکل دهی وفقی پرتو بهبود یافته است.

شکل 2-19 : بلوک دیاگرام فرستنده MIMO-OFDM با شکل¬دهی وفقی پرتو و دنباله آشوبی (Varade and Kulat, 2012)

شکل 2-20: بلوک دیاگرام گیرنده MIMO-OFDM با شکل¬دهی وفقی پرتو و دنباله آشوبی (Varade and Kulat, 2012)

فصل سوم
طراحی بهینه سیستم¬های آشوبی چندحاملی

3-1 مقدمه
پس از مروری بر مطالعات انجام شده در سال¬های اخیر، در این فصل به مرور سیستم OFDM که یکی از سیستم¬های چندحاملی است خواهیم پرداخت، و سپس به بررسی کانال دانشگاه استنفورد اینتریم که یک کانال مخابراتی انتخاب¬گر فرکانسی است، می¬پردازیم و در ادامه به شرح ایده¬های مطرح شده¬ی مختلف در این پایان نامه، جهت بهبود عملکرد سیستم¬های مخابرات آشوبی خواهیم پرداخت. مطالب فصل، قابل تقسیم به سه بخش کلی است، بخش اول به سیستم فرستنده و گیرنده OFDM و کانال مخابراتی انتخاب¬گر فرکانسی اشاره دارد، در بخش دوم جهت بهبود عملکرد سیستم¬های مخابرات آشوبی، سیستم OFDM را با سیستم¬های آشوبی ترکیب نموده¬ایم و در نهایت در بخش سوم نتایج شبیه¬سازی سیستم¬های چندحاملی آشوبی در کانال¬های مخابراتی انتخاب¬گر فرکانسی و تاثیر سایز FFT و CP ذکر خواهد شد.

3-2 سیستم فرستنده و گیرنده OFDM
با گسترش روز افزون نرخ انتقال اطلاعات در شبکه‌های مخابراتی مخصوصاً در تلفن به صورت مالتی مدیا، تمایل کاربران به استفاده از این امکانات به صورت بی‌سیم، پیچیده‌تر شدن روز افزون کانال‌های مخابراتی مربوطه و استفاده از تکنیک¬های جدید به منظور مقابله با مشکلات و کمبودهای روش‌های متداول قدیمی اجتناب‌ناپذیر می‌نماید.
یکی از روش‌هایی که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته ‌است روش تقسیم فرکانسی متعامد می‌باشد. ارسال موازی اطلاعات و تقسیم فرکانس یا FDM که ایده¬ی اولیه¬ی‌ آن مربوط به دهه¬ی1950 می¬باشد، اما به¬طور مشخص در دهه¬ی 1960 مطرح شد و مورد توجه قرار گرفت.
در سیستم OFDM، اطلاعات با نرخ بیت بالا به چند دسته¬ی موازی با نرخ بیت¬های پایین¬تر تفکیک می¬شوند و هرکدام به وسیله زیرحامل¬های مختلف مدولـه می¬گردد. گیرنده این سیستم بسیار ساده می¬باشد. شکل موج چندحاملی OFDM در حوزه زمان، متعامد و طیف سیگنال در حوزه فرکانس با یکدیگر هم¬پوشانی دارند. بدین صورت از پهنای¬باند به صورت بهینه مورد استفاده قرار می¬گیرد. به علت کاهش نرخ بیت مربوط به هر زیرحامل نسبت به نرخ بیت اصلی، دوره¬ی زمانی سمبل افزایش می¬یابد در حالی که دوره¬ی زمانی سیگنال تداخل ثابت است (Wu, 2006). بنابراین تداخل بین سمبل¬ها¬ کاهش یافته و در نتیجه کارایی سیستم در کانال¬های چندمسیره بهبود می¬یابد. سیستم OFDM قابلیت استفاده¬ی چندین کاربر، از یک محدوده عرض باند را نیز فراهم می‌کند.
در سال1971 وینستون و ابرت ایده¬ی استفاده از تبدیل فوریه گسسته را برای پیاده¬سازی OFDM مطرح کردند که تحولی اساسی در کاهش پیچیدگی سیستم ایجاد کرند. قدم مهم دیگر توسط پلد و رویز در سال 1980 برداشته¬ شد که استفاده از پیشوند چرخشی را جهت حل مشکل تعامد حامل¬ها ارائه نمودند (Wu, 2006).
در تعیین تعداد نقاط IFFT دو نکته مهم را باید در نظر داشت، اول اینکه به دلیل استفاده از بازه محافظ بهره طیفی سیگنال OFDM تا حدودی کاهش می¬یابد و به علت ارسال CP انرژی سیستم به هدر می¬رود. با افزایش تعداد نقاط IFFT اثرات طول بازه محافظ کاهش یافته و از این نظر سیستم ایده آل¬تر می¬شود؛ اما حساسیت سیستم به تغییرات زمانی کانال ( اثرات داپلر) و نویز فاز اسیلاتورها به علت کاهش مقادیر سیگنال در هر زیر کانال بیشتر خواهد شد. با توجه به این مسائل در هر استانداردی با توجه به شرایط کانال و نوع دیتاهای ارسالی، تعداد نقاط FFT تعیین می¬شود.
مدولاسیون OFDM در استاندارهای مختلف مانند استاندارد IEEE802.11a شبکه محلی (LAN) و استاندارد IEEE802.16a شبکه شهری (MAN) مورد استفاده قرار گرفته است.
3-2-1 ساختار فرستنده و گیرنده OFDM

بلوک دیاگرام سیستم OFDM در شکل 3-1 قابل مشاهده است. توضیح هر بلوک به طور مفصل در ادامه بحث شده است. از استاندارد IEEE802.16a در طرح زیر استفاده نموده¬ایم.
با توجه به شکل 3-1 سری دنباله اطلاعات به صورت بیت¬های صفر و یک تولید می¬شود. بسته به شرایط کانال، حالت¬های مختلف از مدولاسیون¬های پایه مانند Bpsk , Qpsk و QAM که سازگار با محیط باشد، اطلاعات مدوله می¬گردند. با عمل مدولاسیون نوع فریم داده نیز تغییر می¬کند، که این امر موجب افزایش نرخ داده می-گردد.
یکی از معایب اساسی سیستم¬های ارسال موازی مانند OFDM پیچیدگی تحقق و پیاده¬سازی سیستم می¬باشد