1  

به نام خدا

دانشگاه صنعتي اميركبير

دانشكده برق

ICT مباحث ويژهگزارش درس

مورد نياز در طراحي يك شبكه حسگر بي سيم جهت هاي سيستم مانيتورينگ گردباد

:نگارش

87223520 يمكوشا هاش

87223510مجيد محسني

:استاد درس

حميد رضا امين داوردكتر

1389 نيم سال دوم

  أ 

بمطال فهرست 1 ................................................................................................................ مقدمه 3 ............................................................................................................ اول فصل 3 ....................................................................................................... گردباد يمعرف

 4 ............................................................................................................... گردباد 5 ............................................................................................ ها يژگيو -1- 1 6 ................................................................................. يشناس لرزه و صدا -2- 1 6 .................................................................. ينور و يسيمغناط الكترو اثرات -3- 1 7 ............................................................................. ادهاگردب اتيح چرخه -4- 1 8 .......................................................................................... گردباد انواع -5- 1 8 .............................................................................. ييهوا و آب وضعيت -6- 1 9 ..................................................... يرادار شبكه از استفاده با گردباد تشخيص -7- 1 10 .......................................................................................................... دوم فصل

 10 ........................................................................................ ميس يب حسگر يها شبكه

 11 ......................................................................................... ميس يب حسگر يها شبكه

 12 ............................................................. ميس يب حسگر يها شبكه يكابردها -1- 2

 14 ........................................................................................... ها يژگيو -2- 2

 15 ......................................................................... استانداردها و مشخصات -3- 2

 16 ........................................................................ مش يها شبكه يتوپولوژ -4- 2

 20 ......................................... ميس يب حسگر يها شبكه در يابيريمس يها تميالگور -5- 2

 24 .......................................................................................................... سوم فصل

 OFDM( .................................................................. 24( متعامد يفركانس ميتقس ونيمدوالس

  ب 

 OFDM .................................................................................. 25 خچهيتار -1- 3

 29 ........................................................................... كانال در ياديبن ميمفاه -2- 3

 35 .................................... يتصادف زمان با ريمتغ يها كانال يبرا OFDM كردن مدل -3- 3

 38 ........................................... تاليجيد ميس يب مخابرات در ازين مورد يها ستميس -4- 3

 OFDM .............................................................................. 43 ياساس ميمفاه 5- 3

 53 ....................................................................................................... چهارم فصل

IEEE802.11a و IEEE802.16a ................................................................................... 53 

 IEEE 802.11a ................................................................... 54 در يكيزيف هيال -1- 4

4 -2- IEEE 802.16a و WiMAX ......................................................................... 55 

 58 ......................................................................................................... پنجم فصل

 58 ........................................................................................ گردباد نگيتوريمان ستميس

 59 ...................................................................................... ها تيمحدود -1- 5

 60 .................................................................................. يشنهاديپ ستميس -2- 5

 62 ............................................................................................ يريگ جهينت و خالصه

 63 ........................................................................................... مراجع و منابع فهرست

1  

مقدمهگردباد پديده ترموديناميكي است كه در شرايط خاص آب و هوايي بصورت توده ابري متراكم به شكل

. شود نوردد و موجب وارد آوردن خسارت مي قيف قابل مشاهده است كه با سرعت باال منطقه وسيعي را در ميدما هوا، برخورد توده هواي سرد هاي متقاوتي در شرايط خاصي از سطح رطوبت، ها و ويژگي گردبادها با شكلتوان با استخراج اطالعات آب و هوايي مناطق مختلف و در كنار هم به همين دليل مي. آيند و گرم بوجود مي

چنين با استفاده از همين اطالعات در هنگام مه. قرار دادن آنها نسبت به وقوع گردباد اطالعاتب بدست آوردهنگامي كه دماي مثالً . وه گسترش و پيشروي گردباد اطالعاتي بدست آوردتوان نسبت به نح وقوع گردباد مي

. رود رود، تبخير سطحي افزايش يافته و به طبع آن مقدار رطوبت باال مي سطحي دريا در فصول سرد سال باال مي . دهد در تقابل با هواي گرم با مقدار رطوبت باال و هواي سرد، پديده گردباد رخ مي

خانمان شدن بسياري از مردم و ايجاد ثرات مخرب گردبادها در سطح وسيع كه موجب بيبا توجه به اين سبب به هم. باشد گردد، اهمين مانيتورنگ نحوه رفتار گردباد به روشني قابل درك مي خسارات فراوان مي

كند ه عمل ميكه با استفاده از يك بستر انتقال نسبت به ارسال اطالعات هر نقطاستفاده از يك شبكه حسگر با توجه به نياز به پوشش وسيع و گسترده جهت اخذ اطالعات محيطي و لزوم مقرون به . باشد مورد نياز مي

سيم با توجه به اين شبه بي. رسد سيم ضروري به نظر مي صرفه بودن زيرساخت شبكه، استفاده از يك شبكه بي .اي خاصي برخوردار باشده بايست از ويژگي شرايط فيزيكي در حين وقوع گردباد مي

سيم حسگر شامل سنسورهايي توزيع مكاني براي مانيتورينگ شرايط محيطي يا فيزيكي، يك شبكه بيعالوه بر يك يا چند . باشد كنند، مي نظير دما، صدا، لرزش، فشار، حركت و يا آلودگي كه با همكاري هم كار مي

هاي محدوديت ابعاد و هزينه براي گره. تجهيز شده است سيم گيرنده بي-حسگر موجود، هر گره با يك فرستنده. گردد حسگر منجر به محدويت متناظر در منابع ديگر نظير انرژي، حافظه، سرعت محاسبات و پهناي باند مي

بدليل شرايط محيطي نظير .دهد را تشكيل مي ad‐hocسيم سيم حسگر معموالً يك شبكه بي يك شبكه بيبايست شبكه حسگر در آن نسبت به اخذ و الي باال، رطوبت باال و وزش باد، كه ميوجود ذارت معلق با چگ

ارسال مسيم استفاده كنيم، سيست خواهيم از يك بستر ارتباطي بي مي ارسال اطالعات اقدام نمايد، و نظر به اينكه

2  

ضعيف و چندمسيرگي ي از قبيل محوشدگي، تهاي ت اطالعات بايستي از پايداري خوبي در مقابل پديدهفو دريا .برخوردار باشد

هاي مخرب مقابله نمايد، تكنيك تواند با بسياري از اين پديده هاي مخابراتي كه مي يكي از تكنيكبا استفاده از مكانيزم چند حاملي اطالعات اين تكنيك. باشد مي) OFDM(پلكس تقسيم فركانسي متعامد مالتي

يكي . نمايد از پهناي باند يك سيستم چند حاملي سنتي، ارسال مي را به صورت موازي در پهناي باندي كمترهاي بارز اين سيستم حذف تعداد زيادي از اسيالتورها و فيلترهاي فركانسي بوده و به جاي ديگر از ويژگي

. كند پردازش گسسته سيگنال استفاده مي هاي ها از روش آن

سيم كه با استفاده از از يك شبكه حسگر بيدر اين نوشتار برآنيم كه با توصيف سيستمي متشكل .كند، بپردازيم نسبت به ارسال و دريافت اطالعات مورد نياز اقدام مي OFDMتكنيك

3  

فصل اول

گردباد معرفي

4  

گردباد گردباد يك ستون از هواي درحال چرخش شديد است كه در تماس با سطح زمين و ابرهاي باران زاي

گوناگوني ايجاد هاي گردبادها در اشكال و اندازه. باشد مي در پاره اي موارد ابرهاي پشته اي سفيدتيره و يا باشد كه قسمت باريك انتهايي آن با سطح زمين مي شوند، اما معموالً به شكل يك قيف متراكم قابل مشاهده مي

كيلومتر در 177ردبادها كمتر از سرعت اغلب گ. در تماس بوده و توسط ابري از ذرات معلق احاطه شده استتواند ها مي همچنين سرعت شديدترين آن. نوردد مي باشد و قبل از فرو نشستن چندين كيلومتر را در مي ساعت

. كيلومتر در ساعت برسد 480تا

به هر ترتيب اكثرقريب به اتفاق گردبادهاي دنيا در . مشاهده شده استها گردبادها در همه قارهTornado Alley توانند نزديك هرجايي در امريكاي مي واقع در اياالت متحده بوجود آمده ، اگرچه گردبادها

، شرق و جنوب )منطقه فيليپين(همچنين گاهي اوقات گردبادها درجنوب و شرق آسيا . شمالي ايجاد شوند. نيوزيلند ايجاد گردند امريكا، جنوب افريقا، شمال غربي و جنوب شرقي اروپا، غرب و جنوب شرق استراليا و

. پردازند مي به بررسي الگوهاي ايجاد گردباد  Pulse – Dopplerي از رادارهاي هاي امروزه با استفاده از روش

5  

ويژگي ها -1- 1

اندازه و شكل -1-1-1

گردبادها به شكل يك قيف باريك به عرض چندين متر ، احاطه شده با ابري از غبار و ذرات بيشتر گردبادها ممكن است با توجه به وجود باران و يا ذرات معلق كامالً قابل . نزديكي سطح زمين هستند معلق در

.تشخيص نباشند

اين . كيلومتر هستند 8متر عرض و داراي ارتفاعي در حدود 500در اياالت متحده گردبادها در حدود توانند به شدت داراي مي بادهاي ضعيفگرد. درحالي است كه رنج اندازه ي وسيعي از گردبادها وجود دارند

متر 2يك گردباد گزارش شده در اين رنج يك خط خسارت به عرض . عرض كم، در حدود چند متر باشند . كيلومتر را دارا بوده است 1.6در مقابل يك گردباد قوي خط خسارتي به عرض . داشته است

شكل ظاهري -1-1-2شوند داشته مي تشكيلها بسته به شرايطي كه آنها از رنگ توانند داراي طيف وسيعي مي گردبادها

شوند تقريباً غيرقابل روئيت هستند و تنها از روي ابر ذرات معلق مي ي كه در محيط خشك ايجادهاي آن. باشندتوانند به دليل ته مي وسيع هاي گردبادهاي تشكيل شده در محيط. قابل تشخيص هستندها دهانه قيفي شكل آن

هاي توانند از زمين مي مايل به سرخ خاك، قرمز رنگ به نظر آيند و گردبادهاي مناطق كوهستاني كهرنگ . همچنين شرايط نوري در رنگ گردبادها موثر خواهد بود. پوشيده از برف عبور كنند به رنگ سفيد خواهند بود

. رسد مي تاريك به نظر بسيار) خورشيد در پشت گردباد واقع شده باشد(يك گردباد با نور پس زمينه

توانند مي ذرات معلق حمل شده توسط گردباد، باران سنگين، تاريكي شب همگي از عواملي هستند كهوقوع گردباد در چنين شرايطي بسيار خطرناك خواهد بود، چرا كه تنها . قابليت روئيت گردباد را كاهش دهند

. تواند نشان دهنده وقوع يك گردباد باشند مي ك شدنرادارهاي هواشناسي و يا صداي يك طوفان در حال نزدي

6  

چرخش -1-1-3

پادساعت گرد در نيم كره (كنند مي چرخشي در جهات مختلف حركت گردبادها طبيعتاً به صورتحاصل از گردش زمين به  1يك گردباد عظيم معموالً به سبب اثرات مغناطيسي ). شمالي و ساعتگرد در جنوب

. كنند مي صورت چرخشي حركت

صدا و لرزه شناسي -2- 1

هاي اين صداها به سبب مكانيزم. كنند مي از خود ساتع 2گردبادها به صورت وسيعي طيف صوتي مختلف گزارش شده كه بيشتر آنها مربوط هاي صداهاي متفاوت گردبادها در طول زمان. آيند مي متعددي بوجود

صداهاي معمول گزارش شده شامل صداي عبور . هوا بوده اندبه صدايي شبيه غرش حاصل از تماس اجسام با بسياري از گردبادها از . بوده استها يك قطار باري، ريزش سريع آبشارگونه، موتور جت و يا تركيبي از آن

طبيعت و فاصله انتشار از يك صداي قابل شنيدن بستگي به شرايط . زياد صداي قابل شنيدن ندارند هاي مسافت . محيط نيز خواهد داشت 3گرافيجوي و توپو

بادهاي گردبادي بسيار متالطم بوده و به سبب تقابل جريان هوا با سطح زمين و خرده آوارهاي ايجاد ابرهاي قيفي و گردبادهاي . كنند مي نيز توليد صوت  4ابرهاي قيفي شكل. شده سبب ايجاد صدا خواهند شد

. كنند مي زوز الكتريسيته به صورت كم و بيش هارمونيك توليدكوچك صداهايي مانند سوت، ناله، همهمه و يا و

اثرات الكترو مغناطيسي و نوري -3- 1

همبستگي و رابطه اي ميان گردبادها و . كنند مي گردبادها يك طيف الكترومغناطيس از خود ساتعبيشتري هاي آذرخشگردبادي دربرگيرنده هاي طوفان. وجود دارد) نور ناشي از رعد و برق(الگوهاي آذرخش

در مجموع فعاليت . شود نمي گردبادي هرگز آذرخش توليد هاي نيستند و در برخي سلولها از ديگر طوفان . يابد مي رسد كاهش مي هنگامي كه يك گردباد به سطح زمين CG(5(نوري ابر به زمين

                                                            1 Coriolis effects 2 Acoustic 3 Topography 4 Funnel clouds 5 Cloud to ground 

7  

. شوند مي CGمثبت در بسياري موارد گردبادهاي شديد موجب افزايش تخليه الكتريكي پالريزاسيوناگرچه كه ارتباطاتي ميان گردباد و اثرات محيطي آذرخش و امواج الكترومغناطيسي ناشي از تخليه الكتريكي

. وجو دارد اما گردبادها به صورت اساسي يك پديده ترموديناميكي هستند

چرخه حيات گردبادها -4- 1

1-4-1- SuperCell . شوند مي شناخته  supercellتندري به عنوان هاي اي از طوفان گردبادها اغلب به عنوان زيرشاخه

Supercell شامل يك سري هاmesocyclone و يك محيط گردان تشكيل شده در باالي اتمسفر به فاصله ها)  Fujitsuدر مقياس طوفان  EF5تا  EF3(بيشتر گردبادهاي شديد . هستند) كيلومتري 10تا 2(مايلي 6تا 1

هاي بعالوه هنگام ايجاد يك گردباد، باران بسيار سنگين، آذرخش. گردند مي ايجادها supercellتوسط . دهد مي سنگين و تگرگ به صورت مشترك رخ هاي متناوب، تند باد

هنگامي كه ريزش باران ها آن. كنند مي از يك چرخه حيات قابل فهم پيرويها supercellبيشتر . شوند مي شوند، تشكيل مي شناخته RFD1ط با كاهش شديد فشار هوا كه به عنوان يابد در يك محي مي افزايش

ساختار -1-4-2شود كه مي شود يك قيف چگال قابل روئيت ظاهر مي به زمين نزديك mesocycloneهمانطور كه ك تندباد به سطح زمين رسيده و تشكيل ي  RFDشود مي همينطور كه قيف كوچك. آيد مي از مركز طوفان فرود

به صورت مشابه، ابر قيفي شكل. تواند موجب تخريب منطقه اي وسيع گردد مي دهد كه مي در جلوي آن . رسد تبديل به يك طوفان گردد مي به سطح زمين RFDتواند هنگامي كه مي

رطوبت -1-4-3هنگامي كه به در ابتدا، طوفان داراي يك منبع مناسب از گرما و جرياني دروني از رطوبت است و تا

اين موضوع در هر جايي ممكن است از . يابد مي برسد افزايش ”mature stage“سطح رطوبت مشخص

                                                            1 Rear Flank Downdraft 

8  

تواند موجب وارد آوردن بيشترين مي چند دقيقه تا چند ساعت به طول بينجامد و در اين مدت يك گردبادبا يك سطح RFDدر اين ميان . بدگسترش يا) كيلومتر 1.6(تواند تا يك مايل مي خسارات گردد و در مواردي

كنند را شروع به مي پيچد و جريان بادهاي گرم كه گردباد را تغذيه مي از بادهاي سطحي خنك به دور گردباد . كنند مي قطع كردن

از ميان رفتن گردباد -1-4-4 هاي اين حلقه كند، مي اطراف گردباد را در بر گرفته و تامين هواي گرم بادها را قطع  RFDهمينطور كه

اين مرحله از ميان رفتن گردباد . آيند مي گردبادي ضعيف و ضعيف تر شده و به صورت يك طناب باريك در“Dissipating Stage” حتي زماني كه گردباد در حال از ميان . آورد نمي باشد كه بيش از چند دقيقه دوام مي

. رفتن است قادر به ايجاد خسارت خواهد بود

ع گردبادانوا -5- 1

چند گانه هاي حلقه -1-5-1چرخان هوا به دور هاي چندگانه گردبادي است كه دو يا چند رديف از حلقه هاي يك گردباد با حلقه

تواند در هر نوعي از گردبادها رخ دهد مي چندگانه هاي ساختار حلقه. يك مركز مشترك در حال گردش هستند . ده اندشديد مشاهده ش هاي اما اغلب در گردباد

طوفان گردابي -1-5-2به عنوان گردبادي بر سطح آب تعريف National weather serviceيك طوفان گردابي توسط

. شوند مي گردبادي داراي قدرت كمتري هستند اما معموالً بيشتر ايجاد هاي به هر ترتيب طوفان. شده است

وضعيت آب و هوايي -6- 1برابر بيشتر از همه 4به صورت تقريبي (پيوندد مي به وقوعها اد گردباددر اياالت متحده بيشترين تعد

امريكاي شمالي يك قاره بزرگ است كه از . اين مسئله بدليل وضعيت جغرافيايي خاص اين قاره است). اروپا

9  

ي در امتداد شرق به غرب هاي قطب شمال تا مناطق گرمسيري نزديك خط استوا كشيده شده و داراي كوهستان . نيستند كه مانع جريان هوا ميان اين دو منطقه گردد

راكي هاي پيوندد، كوه مي جغرافيايي مياني، جايي كه بيشتر گردبادهاي دنيا به وقوع هاي در عرض . گردد مي موجب سد شدن جريان رطوبت و جريان اتمسفريك شده و موجب ايجاد يك منطقه كم فشار

يد در منطقه مركزي اياالت متحده كه به عنوان گذرگاه گردباد تعداد بسياري از اين گردبادهاي شددر بهار و تابستان . وقوع گردبادها در پائيز معمول و در زمستان بسيار نادر هستند. گردد مي شود ايجاد مي ناميده

. باشد مي گردبادها به دليل شرايط اتمسفريك هاي اوج فعاليت

در سطح دنيا بيشتر . خورشيدي دارد هاي انه روز بدليل تابشوقوع گردبادها رابطه زيادي با زمان شب به وقت محلي رخ 5بعدازطهر با ماكزيمم نزديك به ساعت 7تا 3 هاي گردبادها در بعدازظهر ميان ساعت

. دهند مي

مثالً افزايش . ارتباط با وضعيت آب و هوايي مختلف وقوع گردبادها وضعيت متفاوتي را دار هستندتواند به عنوان مي افزايش رطوبت. ب در يك منطقه موجب افزايش رطوبت اتمسفريك خواهد شددماي سطح آ

. منبع، موجب افزايش فعاليت گرد باد مخصوصاً در فصول سرد سال گردد

تشخيص گردباد با استفاده از شبكه راداري -7- 1در . آب و هوا هستندامروزه بسياري از كشورهاي توسعه يافته داراي يك شبكه راداري تشخيص

Doppler weather radarرادار آب و هوائي دوپلري هاي اياالت متحده و برخي ديگر كشورها ايستگاهبه صورت نزديك شونده و يا دور (اين تجهيزات با اندازه گيري شعاعي بادها در يك طوفان . گردد مي استفاده

تشخيص ) كيلومتري 160(ا از چند صد مايل دورتر توانند نقطه چرخش در يك گردباد ر مي شونده از رادار . دهند

10 

 

فصل دوم

حسگر بي سيمهاي شبكه

11 

 

سيم حسگر بي هاي شبكه سيم حسگر شامل سنسورهاي خود مختار با يك توزيع مكاني براي مانيتورينگ شرايط يك شبكه بي

هاي شبكه. باشد ودگي با همكاري هم، ميمحيطي يا فيزيكي، نظير دما، صدا، لرزش، فشار، حركت و يا آلها براي اما اكنون از آن. سيم حسگر ابتدا جهت كاربردهاي نظامي نظير نظارت بر ميدان جنگ، بوجود آمدند بي

هاي هاي صنعتي و شهري شامل كنترل و مانيتورينگ فرايندهاي صنعتي، مانيتورينگ صحت عملكرد ماشين كابردهاي مسكوني، كابردهاي مراقبت پزشكي، اتوماسيون خانگي، كنترل آب و هوا، كنترل صنعتي، مانيتورينگ محلگيرنده راديويي و يا - عالوه بر يك يا چند حسگر موجود، هر گره با يك فرستنده. رود ترافيك و غيره بكار ميجعبه كفش تا تواند از ابعاد يك ابعاد يك گره حسگر مي. سيم ديگر تجهيز شده است يك قطعه مخابراتي بي

هاي بطور مشابه هزينه يك گره حسگر نيز بسته به ابعاد شبكه حسگر و پيچيدگي. ابعاد يك ذره غبار تغيير كندمحدوديت ابعاد و هزينه براي . باشد مورد نياز هر گره حسگر به تنهايي، از چند صد دالر تا چند سنت متغير مي

عي نظير انرژي، حافظه، سرعت محاسبات و پهناي باند هاي حسگر منجر به محدويت متناظر در مناب گره . گردد مي

12 

 

به اين معني كه هر . دهد را تشكيل مي ad‐hocسيم سيم حسگر معموالً يك شبكه بي يك شبكه بي . كند حسگر از يك الگوريتم مسيريابي چندگامي پشتيباني مي

.باشد مي باز تحقيقاتي هاي مينهيكي از ز سيم بيحسگر هاي و مخابرات، شبكه در علوم كامپيوتر

شبكه حسگر بي) 1.2شكل سيم نمونه يك

سيم بيحسگر هاي كابردهاي شبكه -2-1اين كابردها عموماً شامل برخي از انواع . كابردهاي گوناگوني دارند سيم بيحسگر هاي شبكه

مسكوني، رديابي اشياء، هاي حلكابردهاي خاص شامل مانيتورينگ م. باشد مي مانيتورينگ، رديابي و يا كنترل . باشد مي اي، تشخيص بروز آتش سوزي و مانيتورينگ ترافيك كنترل رآكتورهاي هسته

اي مانيتورينگ ناحيه -2-1-1، اي در مانيتورينگ ناحيه. باشد سيم مي بيحسگر هاي اي يك كاربرد متداول شبكه مانيتورينگ ناحيه

پخش دهد مي در آن روي قرار است مانيتور شوداي كه پديدهه بر روي يك ناحيه ك سيم بيشبكه حسگر تواند در يك ميدان جنگ پخش شود تا بتوان به جاي استفاده از مي براي مثال تعداد زيادي سنسور. گردد مي

دادي را كه بايد مانيتور هنگامي كه حسگر رخ. مين جهت جلوگيري از ورود دشمن، ورود آن را تشخيص دادهاي پايه گزارش شود، تا آن ايستگاه اقدام مقتضي را داد به يكي از ايستگاه داد، بايستي اين روي كند تشخيصبسته به كاربرد، توابع هدف گوناگون . براي مثال يك پيام توسط اينترنت و يا ماهواره ارسال كند. صورت دهد

13 

 

به مواردي نظير نياز به پاسخ بالدرنگ، ها اين استراتژي. ، مورد نياز استها هاي انتشار داده براي استراتژي .افزونگي داده ها، نياز به امنيت و غيره وابسته است

مانيتورينگ محيطي-2-1-2ها بسياري از اين شبكه. اند جهت مانيتورينگ محيطي توسعه يافته سيم بيحسگر هاي تعدادي از شبكه

با طول عمر ها به عنوان مثالي از اين شبكه. به سبب طبيعت نمونه اوليه بودنشان، طول عمر كوتاهي دارند .هاي كوه آلپ در سوئيس اشاره كرد توان به شبكه حسگرهاي اندازه گيري قطر يخ مي طوالني تر

صنعتي هاي مانيتورينگ صحت عملكرد ماشين -2-1-3صنعتي به علت به صرفه بودن هاي ي جهت نگهداري و كنترل صحت ماشينسيم بيحسگر هاي شبكه

دار، نصب تعداد كافي سنسورها اغلب سيم هاي در سيستم. اند بيشترشان نيز طراحي شده هاي قتصادي و كارآيياپر هاي هاي دوار، محيط هاي غير قابل دسترس، ماشين محيط. شود به سبب باالبودن هزينه سيم كشي، محدود مي

.ندتحت كنترل باش سيم بيتوانند توسط حسگرهاي مي خطر و لوازم سيار

سالمت و بهداشتي هاي مراقبت -2-1-4

بيماران اين است نياز كه زماني براي آنها، حياتي عالئم كنترل جهت بيماران بدن بر سنسورها نصب در شده جاسازي حسگرهاي( دارو مصرف براي بيماران راهنمايي. باشند كنترل تحت زيادي زمان مدت يك يا و) شود مي توليد هشدار پيام يك كرد، مصرف اشتباه صورت به را ودار بيمار يك كه زماني تا دارو هاي بسته

بخش به اعالم و سالخورده افراد خوردن زمين شناسايي مثال ،بطور افراد حركات و رفتار شناسايي و نظارت .هستند كاربردها اين نمونه از مراقبت

نظامي كاربردهاي -2-1-5

و ناوبري نظارتي، ارتباطي، هاي سيستم از مهمي بخش انعنو به توانند مي سيم بي سنسور هاي شبكه اي ماهواره هاي گيرنده و فرستنده با نودها ها شبكه اين در اوقات گاهي. گيرند قرار استفاده مورد نظامي پردازش .شود مي واقع استفاده مورد جنگي مناطق دقيق يابي موقعيت در كه شوند مي همراه GPS جهاني

14 

 

دامداري و كشاورزي -2-1-6

و شود انجام دقيق طور به آبياري تا دهد مي اجازه كشاورزي در حسگر سيم بي هاي شبكه از استفاده كمي نسبتا سنسور تعداد كار اين براي. شود مي انجام خاك داخل در سنسورها دادن قرار با خاك كردن بارور توان مي كشاورزي زمين در آفت كنترل براي ،نحو همين به. ) مربع متر صد هر در سنسور يك تقريبا( است نياز .كرد استفاده شبكه اين از

خانگي كاربرد -2-1-7

همراه زندگي آرامش و راحتي سطح افزايش خانگي كاربردهاي در سنسوري هاي شبكه از اصلي هدف مصرف ميزان رلكنت مطبوع، تهويه شرايط و دما كنترل ها، نمونه ترين مهم از. است انرژي مصرف ميزان كاهش با

و محققين از بسياري عالقه مورد موضوع كه هوشمند، خانه ايجاد كل در و سرقت ضد هاي سيستم برق، خطرناك هاي قسمت به كودك ورود از جلوگيري و كودك حركات و رفتار كنترل .است تجاري هاي شركت .شود مي يساز پياده RFID سيم بي فناوري كمك با امروزه كه آشپزخانه مثل منزل

ها ويژگي - 2-2 .سيم نام برد حسگر بي هاي هاي منحر به فرد شبكه توان از ويژگي موارد زير را مي

 شود تخليه يا ذخيره توان مي كه محدود قدرت -

 مناسب نا محيطي شرايط -

 گره هاي نقص -

 توپولوژي ديناميك شبكه -

 قطع ارتباطات -

 ها گره يكنواختي غير -

 باال مقياس در گسترش -

 خودكار عملكرد -

-  

15 

 

مشخصات و استانداردها -2-3. وجود دارد سيم بيحسگر هاي هم اكنون چندين استاندارد تأييد شده و يا در دست توسعه براي شبكه

.هاي اختصاصي غير استاندارد نيز وجود دارند عالوه بر اين استانداردها، مشخصات و مكانيزم

6lowpan ،ISA100 ،WirelessHART وZigBee اساس استاندارد همگي برIEEE 802.15.4 

.كنند مي كار 2006

6loWPAN 6loWPAN هاي يكي از كارگروه IETF داده هاي بوده كه استانداردي جهت انتقال بستهIPv6 بر رويIEEE 802.15.4 را تدوين كرده است .

EnOcean EnOcean اين مكانيزم را . باشد جهاني براي اتوماسيون ساختمان مي سيم بييك سيستم مخابرات

.هنوز هيچ استانداردي تأييد نكرده است

EnViroNet EnViroNet هاي بوده كه عموماً براي كاربردهاي كنترل و اتوماسيون محيط سيم بييك شبكه حسگر

.از اين شبكه وجود دارد ISA100دو ويرايش غير استاندارد و منطبق با استاندار . رود صنعتي بكار مي

IEC 62591 به نام 2010را در آوريل WirelessHARTهاي ويژگي) IEC(يون بين المللي الكتروتكنيكال كميسIEC 62591 بهبود بخشيد.

ISA100 ISA100 6جديد و در دست توسعه بوده كه براي استفاده از استانداردlowpan هاي بوده و سازش

.آورد اضافي را براي كاربردهاي كنترل صنايع فراهم مي

WirelessHART بوده و مخصوص كابردهاي صنعتي نظير HARTتعميمي از پروتكل WirlessHARTاستانداري

.مانيتورينگ و كنترل فرايند، طراحي شده است

16 

 

ZigBee موجب شده است تا IEEE 802.15.4هاي بر روي براي ارسال بسته ZigBeeهاي هاي شبكه ويژگي ZigBee. في، اتوماسيون خانگي و نظاير آن استفاده شودآوري اطالعات پزشكي، لوازم مصر از آن در جمع

تري نظير هاي ارتباطي اضافه قابليت ZigBee. هاي صنعتي ترويج داده شده است توسط كنسرسيومي از شركت .هاي باالتر خود گنجانده است رمزنگاري، احراز هويت را در اليه

هاي مش توپولوژي شبكه -2-4هاي حسگر را حالتي از توپولوژي مش در نظر گرفت، در اين لوژي شبكهتوان توپو از آنجاييكه مي

.پردازيم رفي توپولوژي مش ميقسمت به مع

:نوع توپولوژي وجود دارد 3سيم بطور كلي هاي بي در بحث شبكه

)PTP( 1نقطه به نقطه يتوپولوژ -1 و رندهيگ يها آنتن معموالً حالت نيا در و شود يم ليتشك ثابت نكيل چند اي كي از نقطه به نقطه شبكه

)).2.2( شكل( رديگيم قرار استفاده مورد باال ييگرا سمت با فرستنده

نده تكرار دو از استفاده با شهر دو نيب PTP شبكه )2.2شكل كن

                                                            1 - Point-To-Point

17 

 

)PMP( 1نقطه چند به نقطه يتوپولوژ -2 نقش) BS( مبنا اهستگيا د،يكنيم مالحظه) 3.2( شكل در كه طورهمان نقطه چند به نقطه حالت در

يهاSS با كه نيا از قبل ديبا )SS( مشترك يهاستگاهيا و دارد ارتباطات يبرقرار و كردن هماهنگ در يمهم داده تبادلSS گريد با BS قيطر از و كنند برقرار ارتباط BS با ابتدا BS تيريمد تحت باشند داشته داده تبادل گريد

.است يسلول يهاشبكه يمعمار هيشب يتوپولوژ نيا. كنند

PMP يتوپولوژ) 3.2 شكل

مش يتوپولوژ -3 يسازادهيپ يا شاخه يساختارها صورت به هم و حلقه صورت به هم يطوركل به يتوپولولوژ نيا

فراهم را يانيمشتر اتصال يبرا ميرمستقيغ يرهايمس مش، شبكه كه است نيا مدل نيا عمده تيمز. شود يم به متصل انيمشتر تعداد قيطر نيا از و باشند BS به نسبت 2ميمستق ديد نفقدا دچار است ممكن كه كند يم

 .شود يردهيمس گره نيچند قيطر از مواقع يبعض در ديبا يمشتر هر كيتراف لذا. دهد يم شيافزا را شبكه

شبكه در رايز م،يابي دست PMP يهاشبكه به نسبت يكمتر يگذرده به است ممكن يتوپولوژ نيا در مش يهاشبكه در يشتريب پوشش عوض در يول دارد، وجود BS به SS اتصال يبرا 3گام كي قطف PMP يها

 .داشت ميخواه

                                                            1 - Point-to-MultiPoint 2 - Line-of-sight 3 - Hop

18 

 

يواضح كيتفك ،PMP حالت برخالف يتوپولوژ نيا در د،يكنيم مالحظه) 4.2( شكل در كه طورهمانگره گريد با ميمستق صورت هب توانديم SS هر و ندارد وجود هاSS ارتباط در ،2فراسو نكيل و 1فروسو نكيل انيم و دارند را BS نقش گره چند اي كي عموماً يتوپولوژ نيا در. كند برقرار ارتباط BS كمك بدون اشهيهمسا يها

يم متصل نترنتيا مانند گريد يخارج يهاشبكه به را مش شبكه و داده را ميسيب شبكه ساخت ريز ليتشكيم گام چند مقصد، SS و BS نيب قبل، حالت دو خالف بر يتوپولوژ نيا در د،يكنيم مالحظه كه طورهمان. كنند  ].3[ ميكنيم يمعرف را يگامچند ميسيب يهاشبكه بعد بخش در. رديبگ قرار تواند

مش يتوپولوژ )4.2شكل

3يگام چند ميسيب يهاشبكه 2-4-1 :شونديم ميتقس ريز يهاشبكه به عمدتاً يگامچند ميسيب يهاشبكه

ميسيب يهاشبكه Ad‐hoc 4حسگر ميسيب يهاشبكه مش ميسيب يهاشبكه 5ديبرهاي ميسيب يهاشبكه 

نسبتاً تحرك از آنها شبكه يتوپولوژ كه هستند رساختيز فاقد يهاشبكه اساساً Ad‐hoc يهاشبكه  .است برخوردار ييباال

                                                            1 - Downlink 2 - uplink 3 - Multihop wireless networks 4 - sensor 5 - Hybrid

19 

 

يآور جمع به قادر هاگره نيا كه دانشده ليتشك كوچك حسگر يهاگره يسر كي از حسگر يهاشبكه يهاگره به اطالعات ارسال واقع در هاگره نيا فهيوظ. باشنديم طيمح يكيزيف يپارامترها رينظ ياطالعات

 .رديپذيم انجام يگامچند اي و يگامتك صورت به ارتباطات هاشبكه نوع نيا در. باشديم نگيتوريمون

ذكر انيشا. رنديبگ بهره يگام تك و يگام چند ارتباطات از تواننديم نزما هم طور به ديبرهاي يهاشبكه. شوند يم محسوب يگامتك يهاشبكه جزء يمحل يهاحلقه در ميسيب يهاشبكه و يسلول يهاشبكه كه است  .كننديم استفاده يچندگام ارتباطات از زين مش يهاشبكه

مش ميسيب يهاشبكه يمعمار 2-4-2 ]:2[ شونديم يطراح ريز گونه سه به هاآن يتوپولوژ به توجه با مش ميسيب يهاشبكه

مسطح مش ميسيب يهاشبكه 1يمراتب سلسله مش ميسيب يهاشبكه ديبرهاي مش ميسيب يهاشبكه

مسطح مش سيم بي هايشبكه نقش مه هاگره نيا كه است شده ليتشك 2يمشتر يهاگره يسر كي از شبكه مسطح، يهاشبكه در

اه گره همه يمعمار نوع نيا در نيبنابرا. كننديم فايا شبكه در را ابيريمس يهاگره نقش هم و زبانيم يهاگره و افتيدر و ارسال ماتيتنظ شبكه، يابيريمس گريكدي يهمكار با يمشتر يهاگره. دارند قرار سطح كي در .دهنديم انجام را شبكه به مربوط امور ريسا يكل طور به و مناسب يده سيسرو نيتأم

هاWMNدر يمعمار نوع نيترساده و است Ad‐hoc يهاشبكه يطراح به هيشب يطراح نوع نيا  و منابع از استفاده در تيمحدود آن، ضعف و است آن يسادگ روش، نيا عمده تيمز. شوديم محسوب

يده آدرس بحث شود،يم يريپذ اسيمق در تيمحدود موجب كه يمسائل از يكي( است شبكه يريناپذاسيمق يچگونگ به مربوط شود، گرفته نظر در ديبا هاشبكه نوع نيا يطراح در كه ياعمده موضوعات). است  .شوديم يده آدرس و يابيريمس

                                                            1 - Hierarchical 2 - Client

20 

 

يمراتب سلسله مش ميسيب يهاشبكه ياه گره كه يا گونه به شده، ليتشك مراتب سلسله اي رده چند از شبكه ،يمراتب سلسله يهاشبكه در

استخوان كه ابيريمس يهاگره با تواننديم يمشتر يهاگره نيا. دهنديم ليتشك را مرتبه نيكمتر ،يمشتر .برقراركنند ارتباط كنند،يم بنا را شبكه چارچوب و 1يبند

يم ليتشك را شبكه چارچوب كه شوديم داده صيتخص ييهاگره به شبكه يهاگره ها،حالت شتريب در ينم شروع هاگره نيا از اي و ختم ها گره نيا به شبكه كيتراف ،يمشتر يهاگره برخالف گريد يعبارت به دهند، و شوديم نيتأم WMN يها ابيريمس توسط شبكه چارچوب ينگهدار و يسازمانده خود تيمسئول. شود نيا كه باشند) نتنتريا مثالً( يخارج شبكه و شبكه انيم يخارج واسط است ممكن هاابيريمس نيا از يبعض  .شونديم دهينام 2دروازه يهاگره ها،گره

ديبرهاي مش ميسيب يهاشبكه خواص بر عالوه شوند،يم محسوب يمراتب سلسله يمعمار از يخاص حالت كه د،يبرهاي يهاشبكه در

عبارت به رد،يگيم بهره ارتباطاتش در زين ميسيب يهاشبكه گريد از مش ميسيب شبكه ،يمراتب سلسله يمعمار ،يمحل يهاحلقه در ميسيب يهاشبكه ،يسلول يهاشبكه مانند گريد يهارساختيز از يمعمار نيا در گريد

 يهاشبكه WiMAX نيا از يمثال عنوان به. شوديم استفاده مش ميسيب شبكه در ياماهواره يهاشبكه و يتكنولوژ از است ممكن يمعمار نوع نيا در. ردك اشاره يگام چند يسلول يهاشبكه به توانيم ،يتوپولوژ

يبستگ هاWMN رشد چون. شود استفاده آن يخارج شبكه و مش ميسيب شبكه رساختيز در يمختلف يها از يمعمار نوع نيا لذا دارد، موجود ميسيب يهاشبكه گريد با آن كردن برقرار ارتباط يچگونگ به ياديز

.است شده آورده ديبرهاي يتوپولوژ از يينما) 5-1( درشكل. است رداربرخو هاWMN توسعه در ياديز تياهم

سيم هاي حسگر بي هاي مسيريابي در شبكه الگوريتم -2-5سيم بايد مورد توجه قرار گيرد، هاي حسگر بي يكي از مهمترين پارامترهايي كه در طراحي شبكه

ها را به نود گيرنده يا نود مركز اصلي چگونه داده بسته به اينگه يك فرستنده. باشند هاي مسيريابي مي الگوريتم . شوند هاي مسيريابي به سه گروه تقسيم مي بفرستد، الگوريتم

                                                            1 - Backbone 2 - Gateway

21 

 

مش سيم بي يهاشبكه در ديبرهاي يتوپولوژ )5.2شكل

ها همه مسيرها قبل از اينكه به آنها نيازي درخواست در اين الگوريتم: Proactiveهاي الگوريتم - 1 . شوند مي هشود، محاسب

ها بر خالف حالت قبل مسيرها به هنگام درخواست و نياز در اين الگوريتم: Reactiveهاي الگوريتم - 2 .آيند بوجود مي

 . برند ها از تركيب دو نوع قبلي بهره مي اين الگوريتم: Hybrid هاي الگوريتم - 3

ها ممكن تند و تعداد گرههاي حسگر از نظر منابع داراي محدوديت هس در عمل با توجه به اينكه گره هاي بنابراين استفاده از الگوريتم. توان از جداول مسيريابي گسترده استفاده كرد است خيلي زياد باشد، نمي

Reactive رسند و تركيبي بهتر به نظر مي.

هاي ، الگوريتم)Direct(مسيريابي به سه گروه ارتباط مستقيم هاي ها، الگوريتم طبق روش جداسازي گرههاي ارتباط مستقيم يك گره در الگوريتم. شوند تقسيم مي) Clustering(اي هاي خوشه و الگوريتم) Flat(مسطح

تحت اين الگوريتم اگر قطر شبكه زياد باشد تغذيه . فرستد مي Sinkحسگر اطالعات را بصورت مستقيم به گره هاي مسطح با همه در الگوريتم. رود اال ميگره به انرژي بيشتري نياز خواهد داشت و احتمال بروز تصادم ب

هايش را به گره ديگر يا گره خواهد داده هنگامي كه يك گره مي. شود هاي موجود به يك شكل رفتار مي گره

22 

 

Sink هايي كه نزديك گره اينكه گرهارسال كند، ممكن است يك مسير چند گامي پيدا كند و احتمالSink هايي بنابراين گره. هايي است كه داراي فاصله بيشتري از آن هستند د، بيشتر از گرهبدهن Sinkاطالعات خود را به

اي بر اساس خوشه بندي هاي خوشه الگوريتم. هستند انرژي خود را سريعاً از دست خواهند داد Sinkكه نزديك مزايايي نسبت به دو ها داراي اين الگوريتم. شود نمايند و يك سرخوشه هم تعريف مي ها در شبكه عمل مي گره

داراي Sinkپذير بوده و در يافتن مسيري به سمت گره ها كامالً مقياس اين الگوريتم. الگوريتم قبلي هستند .و مسيرها آسانتر استها در نهايت مديريت گره. مصرف انرژي كمتري هستند

هاي مسيريابي مدل -2-5-1هاي اين طبقه بندي تحليل الگوريتم. شوند ميمسيريابي در سه مدل طبقه بندي هاي همه الگوريتم .كند مسيريابي را آسان مي

 مدل تك گامي - 1

شود، هر گره در شبكه اطالعات را به مركز در اين مدل ساده كه به عنوان ارتباط مستقيم نيز ياد ميط با ها قابليت ارتبا اين روش نه تنها داراي هزينه بااليي است، بلكه بعضي از گره. دهد اصلي مي

هاي حسگر توان در شبكه از اين مدل نمي). يه دليل محدوديت برد(مركز اصلي را نخواهند داشت  .سيم استفاده كرد بي

 مدل چندگامي - 2

ها را به گره همسايه كه به ها به مركز اصلي آن در حالت چند گامي يك گره براي فرستادن بستهترين گره به مركز اصلي و همسايه هم به نزديكفرستد و اين گره مي باشد تر مي مركز اصلي نزديك

در مسير مبدأ تا مقصد از يك گره به گره ديگر ها بسته. نمايد مي در نهايت به مركز اصلي ارسالگاهي اوقات از روش . هاي حسگر ارزشمند است اين روش براي شبكه. كنند مسافرت مي

آوري اطالعات ها جمع د كه يكي از آنشو سازي براي بهبود كارايي اين روش استفاده مي بهينههاي زياد اين روش تأخير زيادي خواهد داشت و همانگونه كه در يك شبكه با تعداد گره. است

ي كه نزديك مركز اصلي قرار دارند، مصرف انرژي بااليي خواهند داشت و هاي اشاره شد گره Self(مشكلي به نام حفره سياه خود ساخته Induces Black Hole (هاي نزديك بوجود آمده و گره

 .شود مي مركز اصلي سريعاً انرژي خود را از دست داده و ارتباط با مركز اصلي قطع

23 

 

 مدل سلسله مراتبي بر اساس خوشه بندي - 3

ي قرارهاي ي تقسيم شده و در داخل خوشههاي حسگر در شبكه به گروه هاي در اين مدل گرهسرخوشه وظيفه مسيريابي بين . شود مي صاص دادهبراي هر خوشه يك سرخوشه اخت. گيرند مي

را به سرخوشه ها در هر خوشه، بستهها همه گره. ديگر و مركز اصلي را بر عهده دارد هاي خوشهكنند تا به مي باالتر مسافرت هاي به اليهها پايين تر در خوشه هاي از اليهها بسته. كنند مي ارسال

شود كه در اين روش تأخير خيلي كمتر از مدل چندگامي مي از ديد نظري اثبات. سرخوشه برسندپذيري آورد و مقياس باشد و خوشه بندي يك قابليت بهينه سازي ذاتي را براي شبكه بوچود مي مي

.دهد شبكه را بهبود مي

24 

 

سومفصل

)OFDM(مدوالسيون تقسيم فركانسي متعامد

25 

 

OFDMتاريخچه -3-1OFDM باشد كه در آن يك رشته تكي از داده بر روي ميچند حاملي مخابراتنواع خاص يكي از ا

هم به عنوان يك OFDMتوان به درستي گفت كه مي. شود تر ارسال مي نرخ پايين با ها تعدادي از زيرحاملاز يكي از داليل اصلي استفاده . باشد مي مطرح پلكس تكنيك مدوالسيون و هم به عنوان يك تكنيك مالتي

OFDM تخابگر و يا تداخل باند محوشدگي فركانسي انپديده سيستم مخابراتي در مقابل استحكامافزايشتواند به از بين رفتن كل لينك ميگر ساده تداخل يك در يك سيستم تك حاملي، افت يا. باشد باريك مي

در . گيرند تحت تأثير قرار مي ها مخابراتي بيانجامد، اما در يك سيستم چند حاملي، تها درصد كمي از زيرحامل .ها بكار گرفته شود كمي از زيرحامل دتواند براي اصالح تعدا مياين موارد استفاده از كدينگ تصحيح خطا

1960در اواسط دهه ) FDM(پلكس تقسيم فركانسي مفهوم استفاده از ارسال موازي اطالعات و مالتيهاي ابتدايي تري از اين تكنيك ارائه شده طرح 1950ني در دهه هاي قبل از آن يع در سال. يالدي مطرح شدم

.در آمريكا صورت گرفت 1970اما اولين ثبت اختراع در سال . بود

زيركانال بدون Nي موازي، كل باند فركانسي سيگنال به ها هاي كالسيك ارسال داده در سيستمزيركانال مالتي پلكس Nمدوله شده و ي جداگانهها هر زيركانال توسط سمبل. شد ميهمپوشاني تقسيم

26 

 

باشد، زيرا تداخل بين كانالي را سبب در نگاه اول به نظر خوب مي ها عدم همپوشاني كانال. شدند ميفركانسي براي غلبه بر اين . انجامد با اينحال اين ايده به كاهش بازده استفاده از طيف فركانسي قابل دسترس مي. گردد مين

ها ركانالبا همپوشاني زي FDMي موازي و ها توان از داده مياين ايده مطرح شده كه 1960ه ناكارآمدي، در دهدر حوزه bبوده، با زيرحامل بعدي به اندازه bبه نحوي كه هر زيرحامل، كه حامل يك سيگنالينگ با نرخ

مپالسي و اعوجاج چند گر سرعت باال ممانعت شود و با نويز اي فركانس فاصله دارد تا از استفاده از متعال .مسيرگي مقابله و از پهناي باند قابل دسترس كامال استفاده شود

تفاوت ميان تكنيك مدوالسيون چند حاملي سنتي بدون همپوشاني و تكنيك مدوالسيون ) 1.3(شكل درصد 50با استفاده از تكنيك مدوالسيون چند حاملي با همپوشاني، . دهد چندحاملي با همپوشاني را نشان مي

كاهش داده ها بايد تداخل همشنوايي بين زيرحاملبراي دستيابي به اين تكنيك، . شود ميجويي پهناي باند صرفه .ي مدوله شده، تعامد برقرار گرددها شوند كه براي اين منظور بايستي بين حامل

سيگنال )1.3(شكل ب) الف OFDMمفهوم و مدوالسيو) تكنيك چندحاملي معمولي متعامدتكنيك ن چندحاملي

. در اين سيستم وجود دارد ها و حامل ها دهد كه رابطه رياضي دقيق بين فركانس مينشان » متعامد«واژه توان با ميرا ها ي بسياري به طريقي از هم جدا شده اند كه سيگنالها حامل FDMي معمولي ها در سيستم

ي ها يي، گارد باندهاي بين حاملها ي چنين سيستمها هدر گيرند. فيلترها و دمودالتورهاي سنتي بازيابي كرد

27 

 

باعث كاهش بازدهي طيف فركانسي ها شود كه اين گاردباند ميگوناگون در حوزه فركانس در نظر گرفته .گردد مي

ها با هم همپوشاني اي مرتب كرد كه باند كناري حامل را به گونه ها توان حامل مي OFDMدر سيگنال بايد ها بدين منظور حامل. دريافت كردهاي مجاور ها را بتوان بدون تداخل حامل ال سيگنالداشته و در عين حتبديل كرده و از DCكند كه هر حامل را به گيرنده بعنوان يك بانك دمدوالتور عمل مي. بر هم عمود باشند

هاي ديگر اگر حامل. آيندكند تا اطالعات خام بدست ميگيري سيگنال منتج در يك دوره تناوب سمبل، انتگرال، داشته باشند، Tها را در پريود سمبل، هايي تبديل شوند كه در حوزه زمان تمام تعداد سيكل همگي به فركانسها بطور خطي مستقل هستند بنابراين حامل. شود ها منتج به صفر مي گيري از اين حامل آنگاه عمل انتگرال

.باشد T/1ي از ها مضرب ، اگر فاصله بين آن)متعامدند(

ي فركانس متعامد ها بسياري از تحقيقات كه بر مخابره چندحاملي با تمركز دارند، بر پايه حاملي ها براي سيستم مخابره داده) DFT(گروهي از دانشمندان از تبديل فوريه گسسته 1971در سال . باشند مي

زيركانال طيف يك )الف2.3(ل شك. ستندموازي به عنوان بخشي از پروسه مدوالسيون و دمدوالسيون بهره جمعادل نرخ ارسال هر ( bكه در طيف خودش با فاصله فركانسي OFDMسيگنال . دهد ميداده را نشان

دهد كه در مركز نشان مي )2.3(شكل . نشان داده شده است )ب2.3(شود، در شكل ميمالتي پلكس ) زيرحاملدر گيرنده استفاده DFTبنابراين اگر ما از . ي وجود نداردها انالفركانس هر زيرحامل هيچ همشنوايي از ساير ك

توانيم اطالعات ارسال شده را ميكرده و مقادير همبستگي بين با مركز فركانس هر زيرحامل را حساب كنيم، از بدون استفاده DFT ،FDMبعالوه با استفاده از تكنيك چندحاملي برپايه . بدون هيچ همشنوايي بازيابي كنيم

. فيلترهاي ميان گذر و با استفاده از پردازش باند پايه بدست خواهد آمد

نياز FDMها و دمدوالتورهاي همدوس كه در اسيالتورهاي زير حاملبانك حذفعالوه بر اين براي كه يك پياده ) FFT(سازي كامالً ديجيتالي توسط سخت افزارهاي خاص تبديل فوريه سريع باشند، پياده مي

با FFTهاي ساخت چيپ VLSIهاي اخير در تكنولوژي پيشرفت. گردد است، انجام مي DFTكارآمد سازياستفاده از اين روش به جاي . ي باال و ابعاد كوچك را از لحاظ اقتصادي بسيار بصرفه كرده استها سرعتDFT پيچيدگي محاسباتي را از ها و گيرنده ها در فرستنده ،N2 بهN×LogN استكاهش داده.

28 

 

الف) 2.3(شكل ب OFDMزيركانال ) طيف سيگنال ) و OFDMيك

و KINEPLEXهاي نظامي فركانس باال نظير براي استفاده در سيستم OFDM، تكنيك 1960در دهه KATHRYN براي نمونه مودم با نرخ متغير در . بكارگرفته شدKATHRYN در باندHF اين . توان نام برد ميرا

.كرد ميهرتز استفاده 82ال موازي نرخ پايين با مدوالسيون فاز را با يك فاصله فركانسي كان 34مودم تا

HDي سرعت باال، مخابرات سيار ديجيتال و ضبط ها براي استفاده در مودم OFDM، 1980در دهه ي دامنه را براي مالتي پلكس مدوالسيون تربيع OFDMهايي كه تكنيك در اين دهه سيستم. مطالعه و بررسي شد

)QAM( با استفاده ازDFT هاي هاي چند سرعتي براي شبكه همچنين مودم. بكار بردند پا به عرصه گذاشتند . تلفن توسعه يافتند

، خطوط با نرخ FMهاي راديويي برا مخابرات داده باند وسيع بر روي كانال OFDM، 1990در دهه ، خطوط مشترك ديجيتال بسيار سرعت )ADSL(يجيتالي ، خطوط مشترك نا متقارن د)HDSL(بيت باال ديجتالي

.بكار گرفته شد HDهاي ، برادكست ديجيتالي صدا و تلويزيون)VDSL(باال

توان يه ميبراي مثال . شود ميسيم استفاده هاي مخابراتي بي در بسياري از سيستم OFDMهم اكنون از WiMAXسيم ي بيها ، شبكهIEEE 802.11 a/g/nشامل استانداردهاي ) WLAN(سيم محلي ي بيها شبكه

.نام برد IEEE 802.16 a/d/eهاي دشامل استاندار

:توان به شرح زير نام برد را مي OFDMمزاياي عمده استفاده از

.استفاده كارآمد از پهناي باند -

29 

 

- OFDM براي يك تاخير انتشار ثابت، . باشد مييك روش كارآمد براي غلبه بر پديده چند مسيرگي .پيچيدگي بسيار كمتري نسبت به سيستم تك حاملي با يك متعادل كننده دارد OFDMپياده سازي

توان ظرفيت را با تطبيق نرخ داده در هر زير حامل هاي متغير با زمان كند، مي در مقايسه با كانال - .كافي افزايش دادآن زيرحامل، به اندازه SNRمتناسب با

هاي بسيار زياد كه سبب تصادفي شدن خطاهاي انفجاري سمبل پخش كردن محوشدگي فركانس بين - .رود در نتيجه به جاي از دست رفتن مقادير زياد سمبل، فقط مقادير كمي سمبل از بين مي. شود مي

ها افزايش يافته و بنابراين حساسيت سيستم نسبت به گسترش خطاي تأخير كم دوره تناوب سمبل - .گردد مي

:باشد ميداراي معايب زير OFDMه شده، برغم تمام مزاياي گفت

- OFDM باشد نسبت به آفست فركانسي و نويز فاز حساس مي. - OFDM هنسبت توان قله به ميانگين نسبتاً بااليي داشته كه سبب كاهش بازده توان تقويت كنند

 .شود ميفركانس راديويي

در كانالمفاهيم بنيادي -3-2انتشار امواج راديويي در هوا . شود ميبه عنوان رسانه انتقال استفاده در مخابرات بيسيم از هوا يا فضا

اين سيگنال . به رواني انتقال در محيط سيم نيست زيرا سيگنال دريافتي تنها شامل سيگنال مستقيم رسيده نيستي ها اين شرايط در محيط. تركيبي از نسخه بازتابش شده، منكسر شده و پراكنش شده سيگنال اصلي است

.سيم بيانجامد مختلف ممكن است به بهتر يا بدتر شدن ارسال بي

هد كه مقداري از انرژي سيگنال بعد از برخور به يك سطحي بازتابيده شده و د مي رخبازتابش هنگامي افتد كه انكسار زماني اتفاق مي. هاي ماده بستگي دارد ظريب بازتابش به ويژگي. بقيه به داخل سطح نفوذ كند

دهد پراكنش زماني رخ مي. شود در اين حالت يك موج دومي توليد مي. در مسير يك مانع تيز قرار گيردسيگنال از آنجاييكه انرژي سيگنال پراكنش شده در كليه جهات پخش .كند ميكه سيگنال به سطوح ناهموار برخورد

30 

 

. منكسر شده، پرقدرت تر است هاي بازتابش شده، پراكنش شده و يگنال دريافتي معموالً از سيگنالس شود، مي .نماييد ميهاي مختلف انتشار امواج را مشاهده مكانيزم )3.3(در شكل

نتشار بي )3.3(شكل سيم ا

چند پارامتر كليدي براي . كند ميسيم ايفا هاي مخابرات بي مدل سازي نقش مهمي در طراحي سيستم، شيفت داپلر و زمان همبستگيانتشار، پهناي باند افت مسير، تأخير: سازي كانال مخابراتي وجود دارد مدل

:پردازيم ميدر زير به بررسي اين پارامترها . وابستگي

افت مسير -3-2-1در فضاي آزاد وقتي كه يك مسير مستقيم . يابد توان متوسط دريافتي با افزايش طول مسير كاهش ميسيدن سيگنال وجود ندارد، توان دريافتي با مربع بين فرستنده و گيرنده وجود دارد و هيچ مسير ديگري براي ر

ي دريافتي و ارسالي ها به ترتيب توان سيگنال PTو PRاگر . فركانس حامل و مربع فاصله نسبت عكس دارد :كند باشد، رابطه زير انتشار در فضاي آزاد را تشريح مي

)١.٣رابطه

αي گيرنده و فرستنده، و ها گين آنتن Gفاصله بين فرستنده و گيرنده، dفركانس حامل، fكه در آن در . را دارد 4و براي فضاهاي با افت باال مقدار 2اين مؤلفه براي فضاي آزاد مقدار . باشد ميمؤلفه افت مسير

31 

 

. افزايش يابد 6اين عدد ممكن است تا ها ي داخل ساختمانها ا محيطي شلوغ و پر از ساختمان و يها محيطتوان به راحتي سيگنال هاي شلوغ و پر از سيگنال، نمي محيط در. شود ميتعريف PT/PRافت مسير با رابطه .هاي نظري و انجام آزمايشات محيط را مدل كرد در اين شرايط بايد از يافته. دريافتي را تخمين زد

پديده ايجاد سايه -3-2-2در . ير خواهد كرداگر محيط انتشار داراي موانعي باشد، توان سيگنال بصورت تصادفي با فاصله تغي

افت مسير را براي دو نقطه )1._(رابطه . به تنهايي محيط واقعي را توصيف كند تواند مين) 1.3(رابطه اينحالت درصورتيكه اگر محيط اطراف دو نقطه با هم تفاوت . هدد ميبا فاصله يكسان از فرستنده مقداري برابر بدست

. گويند اين رفتار را اثر سايه مي. داشته باشد، تغيير توان سيگنال براي اين دو نقطه متفاوت خواهد بود‐logنشان داده است كه در اين شرايط افت مسير فرايندي تصادفي بوده و با استفاده از توزيع ها گيري اندازه

normal هاي سربسته بود و اثر سايه تغيير يافته رابطه قبل براي محيط )2.3( رابطه. شود مي مدلlog‐normal .شود ميناميده

10 )2.3(رابطه /

σميانگين صفر و انحراف از معيار يك متغير تصادفي گوسي با Xσفاصله مرجع و d0در اين رابطه .آيند گيري شده بدست مي از مقادير اندازه αو σ. باشد مي

پارامترهاي محوشدگي -3-2-3ندمسيرگي هاي چ سيم، محوشدگي بوده كه در حضور مؤلفه هاي نامطلوب در مخابرات بي يكي از جنبه

اگر سيستم در حال . رسند هاي نسبتاً متفاوت به گيرنده مي هاي چندمسيرگي در زمان مؤلفه. آيد بوجود مياين . شود ي دريافتي بوجود خواهد آمد كه باعث شيفت فركانسي ميها حركت باشد، اختالف فاز بين مؤلفه

. هاي سازنده شود ب يا تداخلهاي مخر ي چندگانه دريافتي ممكن است باعث توليد تداخلها نسخه

طبيعت . گذارند يي هستند كه بر محوشدگي تأثير ميها انتشار چندمسيره، تحرك و پهناي باند فاكتورطبيعت متغير با زمان بودن كانال . شود ، كمي ميهمبستگيچند مسيرگي كانال توسط تأخير انتشار و پهناي باند

.گردد كمي مي و گسترش داپلر تگيهمبسباشد، توسط زمان ميكه به سبب تحرك

32 

 

تأخير انتشار -

تأخير انتشار RMSمقدار . رسند هاي بازتابش شده سيگنال ديرتر از سيگنال اصلي به گيرنده مي قسمت)στ ( مقادير متداول اين كميت در رنج ميكروثانيه در . باشد ميمعياري براي نشان دادن اين تأخير بر حسب ثانيه

نقش στمتانسب با زمان هر سمبل، . باشد ميان و در رنج نانوثانيه براي فضاهاي داخلي فضاي خارج از ساختم . كند مهمي در نحوه يافتن چگونگي رفتار كانال ايفا مي

يهمبستگپهناي باند -

تأخير انتشار RMSبراي كمي كردن پاسخ فركانسي كانال بكار رفته و با ) Bc(ي همبستگباند يپهنابراي اندازه گيري ميزان تخت بودن كانال در پهناي باند مورد نظر بكار همبستگيهناي باند پ. نسبت عكس دارد

اگر پهناي باند . نمايد همبستگي دو مؤلفه فركانسي ميزان تخت بودن كانال را مشخص مي. شود ميگرفته .گردد سيگنال دچار اعوجاج ميي بيشتر باشد، همبستگسيگنال از پهناي باند

شيفت داپلر -

باشند، ها در حال حركت مي هنگامي كه ايستگاه. شود حرك موجب شيف فركانسي در سيگنال مياين تغيير فركانس را شيفت داپلر . فركانس سيگنال دريافتي متفاوت از فركانس سيگنال اصلي خواهد بود

.نامند مي

گسترش داپلر -

تحركي بين آن دو قرارگيرد، تغييرات هنگامي كه يكي از فرستنده يا گيرنده در حال حركت باشد و يا مگسترش داپلر ماكزيمم افزايش فركانسي طيف سيگنال بر اثر شيفت داپلر . زماني در كانال بوجود خواهد آمد

.باشد مي

زمان همبستگي -

زمان همبستگي بازه زماني را نشان . دوگان گسترش داپلر در حوزه زمان، زمان همبستگي نام دارد .اي بااليي داشته باشند ال دريافتي در اين بازه همبستگي دامنهدهد كه دو سيگن مي

33 

 

فاصله همبستگي -

ها نا همبسته باشد كه در آن سيگنال ي بين دو دو نقطه در فضا مي فاصله همبستگي كمترين فاصلهبا هاي اين فاصله نصف طول موج براي آنتن. باشد هاي چند آنتني مهم مي اين فاصله براي سيستم. باشند مي

برابر طول موج 20مرتفع هاي آنتنو 10ي با عرض پرتو پايين يا متوسط ها عرض پرتو باال، براي آنتن .باشد مي

محوشدگي تختسيگنالي . باشند ميتأخير انتشار و پهناي باند همبستگي مستقل از گسترش داپلر و زمان همبستگي

در اين حالت شكل . ي باند سيگنال بزرگتر باشدشود كه پهناي باند كانال از پهنا دچار محوشدگي تخت ميهاي باند باريك در اين دسته از محوشدگي سيگنال. كند طيفي سيگنال تغيير نكرده اما گين آن تغيير مي

. گيرند قرارمي

گوناگوني يكي از اين . هاي گوناگوني براي كاهش اعوجاج ناشي از محوشدگي وجود دارد روشباشند، احتمال مواجه شدن با محوشدگي در مستقل مي ها اييكه در گوناگوني كانالاز آنج. باشد ميي ها روش

گوناگوني مكاني مؤثرترين تكنيك در مقايسه با گوناگوني . باشد ها بسيار پايين مي يك زمان براي همه آن . باشد فركانسي يا زماني مي

ن توان سيگنال را در طول پهناي دينگ بوده كه سبب پخش شدروش ديگر براي مقابله با اين پديده كُ . دهد باند بوده و توان را در نواحي فركانسي خالي كاهش مي

) OFDM(روش ديگر بريدن پهناي باند به باندهاي كوچك همانند مالتي پلكس تقسيم فركانسي رحامل بنابراين اگر افت در يك زي. شود بخش كوچكي از كُد فرستاده ميدر اين روش هر زيرحامل . باشد مي

.باشد هاي كُد قابل بازيابي مي رخ دهد، آن بخش كوچك از كُد به علت داشتن همبستگي با ساير قسمت

محوشدگي انتخابگر فركانسي -3-2-4تر باشد، كانال محوشدگي انتخابگر فركانسي را به اگر پهناي باند كانال از پهناي باند سيگنال كوچك

يي بر اثر پديده چندمسيرگي ديده ها يك سيگنال راديويي فرورفتگيدر پاسخ طيفي . كند سيگنال تحميل ميهاي متوالي در حوزه شود كه سمبل د كانال، پهناي باند سيگنال را محدود كرده و سبب ميپهناي بان. خواهد شد

34 

 

بين اين پديده تداخل . شود ها بيشتر مي ها از زمان واقعي آن زمان سمبل. ي داشته باشندزمان با هم همپوشان . نام دارد) ISI(سمبلي

شود سازي روشي است كه در آن سعي مي متعادل. وجود دارد ISIي گوناگوني براي غلبه بر ها روشتواند محوشدگي تخت را تحمل هر زيرحامل مي OFDMدر . معكوس اثر كانال به سيگنال رسيده اعمال شود

OFDMهاي در سمبل ISIبنابراين اثر . ي كمتر استكند، زيرا پهناي باند هر زيرحامل از پهناي باند همبستگ OFDMيكه بخش از سمبل . ممكن است در زمان با هم همپوشاني كنند OFDMهاي اما سمبل. شود مرتفع مي

به OFDMمتعادل سازي در . رود ها بكار مي بين سمبل ISIپهناي باند همبستگي است، براي غلبه كه بزرگتر از .باشد كننده، بسيار ساده مي به يك ورودي متعادلعلت نياز هر زيرحامل

محوشدگي سريع -3-2-5در . افتد كه زمان همبستگي از زمان هر سمبل سيگنال كوچكتر باشد محوشدگي سريع زماني اتفاق مي

. دهد اين حالت كانال متغير با زمان شده و در مدت زمان يك سمبل تغييرات سريع در پاسخ زماني كانال رخ ميتواند در برابر محوشدگي سريع آسيب پذير باشد، زيرا در اين وضعيت زمان يك سمبل ميداده پايين نرخ

.بزرگ خواهد بود

محوشدگي آهسته -3-2-6اگر پهناي باند سيگنال بسيار بيشتر از گسترش داپلر باشد، شيفت فركانسي ناشي از پديده داپلر ناچيز

شود و در اين حالت پاسخ ضربه كانال به آهستگي تغيير ميناميده اين پديده محوشدگي آهسته . خواهد بود .كند مي

سيم هاي بي اعوجاج در سيستم -3-2-7آثار ي راديويي بايد توانايي غلبه بر ها گيرنده. اند سيم به شدهت به محيط انتشار وابسته هاي بي سيستم

سيم هاي بي كه موجب اعواجاج در سيستم هايي از مواردي نمونه. مخرب چند مسيرگي كانال را داشته باشد :شود در زير آمده است مي

 نويز گوسي سفيد جمع شونده -

 آفست فاز و فركانس حامل در گيرنده -

35 

 

 آفست زماني گيرنده -

 تأخير انتشار -

 محوشدگي -

 هم كانالي و تداخل كانال مجاور -

 نويز ايمپالسي و اعوجاج غيرخطي -

 

تغير با زمان تصادفيي مها براي كانال OFDMمدل كردن -3-3از آنجاييكه محيط داراي گردباد به شدت در حال تغيير بوده، و اين تغييرات كامالً تصادفي و غيرقابل

.باشد باشند، آشنايي با مدل كانال متغير با زمان تصادفي حائز اهميت مي ميبيني پيش

هاي متغير با زمان تصادفي كانال -3-3-1شان كه پاسخ فركانسي سيستم در زمان خطي تصادفي با استفاده از پاسخ ضربههاي متغير با زمان كانال

t ناشي از يك ضربه در زمانt‐τ بنابراين براي ورودي . گردند است، معرفي ميx(t) خروجي به شكل . خواهد بود ,

ورودي و خروجي در حوزه زمان و فركانس توان براي ارتباط بين هاي انتگرال گيري ديگر را مي هسته. از آنجاييكه پاسخ ضربه متغير با زمان است، انتظار ميرود كه تابع تبديل سيستم متغير با زمان باشد. تعريف كرد

:شود تابع تبديل سيستم به شكل زير تعريف مي

, )3.3(رابطه , , 

  )4.3(رابطه ,

:باشد، خروجي به شكل زير خواهد بود ej2πmtاگر ورودي يك تك تُن

e )5.3(رابطه , , 

يعني . تبديل متغير با زمان تعبيري برابر با سيستم متغير با زمان داردكه نشاندهنده آن است كه تابع يك فرايند h(t,τ)در حالت كلي، . خروجي سيستم براي تابع سينوسي همان ورودي ضرب در تابع تبديل است

36 

 

در عمل توصيف يك كانال .باشد تصادفي بوده و تعريف دقيق آماري آن نيازمند توزيع احتمال چندبعدي ميهاي فيزيكي براي مثال بسياري از كانال. سط ممان مرتبه اول و دوم توابع سيستم، امكان پذير خواهد بودتو

بنابراين اين . شوند مدل مي) WSS(ي نا همبسته ايستاي با تسامح ها متغير با زمان تصادفي توسط پراكنده كننده .باشند ايستا مي tبه نسبتسفيد و غيرايستا و ،τها نسبت به متغير تأخير كانال

, )6.3(رابطه , ,

تابع پراكندگي كانال طبق رابطه زير . شود ناميده مي) tap(همبستگي گين سرك K(t,τ)در اين رابطه :شود تعريف مي

, )7.3(رابطه ,

شوده به عنوان فاصله فركانسي دو فركانسي معرفي مي) يا كانال(پهناي باند همبستگي سيگنال دريافتي معكوس تأخير انتشار، تخميني براي پهناي باند ناهمبسته خواهد . ها ناهمبسته باشند ها در آن فركانس كه سيگنال

معكوس . معادل ناهمبسته بودنشان است ها باشند، استقالل نمونه و سيگنال گوسي مياز آنجاييكه كانال . بود .باشد گسترش داپلر نيز تخميني از زمان همبستگي مي

3-3-2- OFDM هاي متغير با زمان تصادفي در كانال شكل موج Nسمبل مختلط با Nتكنيك ارسال موازي اطالعات بوده كه در آن OFDMدر حالت كلي

براي دستيابي به اين مسئله، . دارد مي ها را در خروجي كانال برقرار نگه مدوله شده كه تعامد سمبل ψi(t)مد متعاهاي گوناگون، توابع ويژه متعامد داشته بايستي تابع همبستگي فرايند خروجي كانال، در پاسخ به شكل موج

.باشد

R(t,τ)مختلط متغير بازمان كانال بوده و با توزيع ريلي، تابع توزيع h(t,τ)اگر در نظر بگيريم كه :باشد، خواهيم داشت f(t)همبستگي مختلط بين پاسخ سيستم به يك پالس

,                     )8.3(رابطه

:شود بصورت زير محاسبه مي y(t)، خروجي كانال Karhunen‐Loeveده از بسط ابا استف

∑    )9.3(رابطه  

37 

 

ويژه تابع همبستگي بوده و توابع iφكه در آن

   )10.3(رابطه

توان به شكل زير نشان داد را مي y(t)ي كانال ، خروجKarhunen‐Loeve طبا استفاده از بس

∑    )11.3(رابطه  

ويژه تابع همبستگي بوده و توابع iφكه در آن

     )12.3(رابطه

:باشند مي، در رابطه زير λiر ويژه متناظر با تابع همبستگي مقادي

 ,                               )13.3(رابطه

تصادفي گوسي بوده و توان متغيرهاي )11._(ضرايب در رابطه ، y(t)براي فرايند تصادفي گوسي هاي به شكل رمونيها مدوالتور متعامد بااگر ورودي شامل توابع . ها خواهد بود ه متناظر با آنها، مقادير ويژ آن

زير باشند،

)14.3(رابطه

:به شكل Rk(t,τ)شكل موج پايه بوده، توابع ويژه تابع همبستگي سيگنال دريافتي u(t)كه در آن

)15.3(رابطه

هاي پايه باشند، بنابراين ويژه تابع همبستگي خروجي در پاسخ به شكل موج توابع iφآن كه در آن :شرط تعامد به شكل زير تعريف خواهد شد

  )16.3(رابطه

 δfكه با افزايش =  fi+1‐fi از لحاظ تحليلي اين بدان معناست كه . شود اين شرط برقرار ميي مختلف ها به عبارت ديگر پاسخ فركانسي كانال براي فركانس. باشند مشتركاً متعامد مي l2هاي زيرفاصله :، خروجي كانال تصادفي به شكل زير استfkبراي سگنال تُن خالص با فركانس . ستمستقل ا

38 

 

, )17.3(رابطه , , 

:شود ل زير تعريف ميتابع تبديل يك كانال متغير با زمان به شك

, )18.3(رابطه , 

:بنابراين خروجي كانال به شكل زير خواهد بود

, )19.3(رابطه

متعامد باشند و H(fk,t)اگر گين فيلترهاي . شود م تعامد فرايندهاي خروجي، حفظ ميو شرايط الز . توان گفت كه مستقل نيز هستند هاي فيلترها ناهمبسته و گوسي باشند، مي سرك

)20.3(رابطه

سيم ديجيتال مورد نياز در مخابرات بي هاي سيستم -3-4هاي ورودي فرستنده بيت. باشند هاي مخابرات ديجيتالي تركيبي از فرستنده، گيرنده و كانال مي سيستمهاي ورودي توسط يك مبدل آنالوگ به ديجيتال توليد اگر ورودي آنالوگ باشد، رشته بيت. كند را دريافت مي

.نرخ نايكويست قابل تعيين است برداري توسط نرخ نمونه. شود مي

.مشخص شده است )4.3(حاملي در شكل هاي مورد نياز در يك مخابرات چند سيستم

اجزای يک سيستم چند حاملی )۴.٣(شكل

39 

 

.پردازيم در ادامه به معرفي اجمالي اين اجزا مي

كُدينگ منبع -3-4-1راي فشرده سازي مورد استفاده قرار كُدينگ منبع به منظور كاهش افزونگي در اطالعات باينري ب

گيري آنتروپي معادل اندازه. كند آنتروپي ميزان متوسط اطالعات را در داخل يك سيگنال مشخص مي. گيرد ميميزان اطالعات ايجاد شده توسط منبع . باشد گيري متوسط ميزان عدم قطعيت در يك متغير تصادفي مي با اندازه

پس اميد رياضي . است I1,I2,…,IMمتغير تصادفي گسسته با مقادير محتمل در يك فاصله سمبل دلخواه، يك :آيد اطالعات در هر سمبل از متوسط آماري زير بدست مي

∑) 21.3(رابطه ∑  

. بستگي دارد Mو اندازه الفبا Piقدار آنتروپي براي هر منبع به احتمان نمادها م. كه آنتروپي منبع نام دارد .ولي آنتروپي هميشه در محدوده زير است

 0) 21.3(رابطه

عدم قطعيت يا آزادي حد پايين با نبود عدم قطعيت يا آزادي انتخاب متناظر است و حد باال با ماكزيمم .انتخاب

.نيمم مقدار طول متوسط كد، داراي محدوديت زير است ميطبق قضيه كدگذاري منبع شانون

) 22.3(رابطه

كوچك كرد و به توان از لحاظ نظري به اندازه دلخواه مي را εمقدار . يك مقدار مثبت است εكه در آن .دست يافت كدگذاري بهينه منبع با

كُدينگ كانال -3-4-2تواند بدون اضاله كردن نوعي تقريباً در تمام كابردهاي مدوالسيون چندحاملي، كيفيت رضايتبخش نمي

ال براي سيم تحت تأثير محوشدگي، نسبت سيگنال به نويز بسيار با هاي بي در سيستم. از كُدينگ بدست آيددر . سيم معموالً شديد است هاي بي بعالوه تداخل ساير كانال. رسيدن به احتمال خطاي قابل قبول، نياز است

. شود هاي باال، بكار گرفته مي دار، ابعاد بزرگ منظومه سيگنال معموالً براي رسيدن به نرخ بيت هاي سيم سيستم

40 

 

ارسال در حضور همشنوايي، تداخل ايمپالسي و ساير كُدگزاري در اين موارد براي رسيدن به بيشترين نرخ .باشد ها، امري حياتي مي تداخل

يك طراح بايستي فاكتورهاي . سيم، بسيار مهم است كُدگزاري صحيح براي يك لينك مخابراتي بي . گوناگون را به حساب بياورد

مدوالسيون -3-4-3. باشد مي باينري به شكل موج آنالوگهاي مدوالسيون يك سيگنال ديجيتال به معني تبديل بيت

گوناگوني هاي روش. تواند توسط تغيير دامنه، فاز و يا فركانس يك حامل سينوسي صورت گيرد مدوالسيون مي OFDMي كه براي هاي در اين بخش ما تنها به معرفي روش. براي مخابره وجود داردها براي مدوالسيون داده

. دهد تا فقط در دامنه و فاز مدوله شوند مي اجازهها به سيگنال OFDMبيعت ط. باشد خواهيم پرداخت مي مناسببر خالف مدوالسيون ناهمدوس، مدوالسيون . مدوالسيون همدوس و ناهمدوس وجود دارد هاي تكنيك

. تواند دقت دمدوالتر را افزايش دهد مي كند كه مي همدوس از يك فاز مرجع بين فرستنده و گيرنده استفاده

Mبراي مثال اگر . تايي معرفي كردMتوان توسط مدوالسيون مي ي مدوالسيون راهاي ك از كالسهر ي .باشد، مدوالسيون باينري خواهيم داشت 2برابر با

مدوالسيون همدوس - هاي و مدوالسيون دامنه تربيعي مدوالسيون )PSK( ، كليد زني شيفت فاز)ASK( كليد زني شيفت دامنه

.باشند مي OFDMنيك همدوس مناسب براي تك

مدوالسيون ناهمدوس -

 IEEEدر استانداردهاي اما در . شود از مدوالسيون ناهمدوس استفاده مي HIPERLAN/2و 802.11مدوالسيون ناهمدوس هنگامي . شود با نرخ اطالعات كم استفاده از مدوالسيون ناهمدوس توصيه مي هاي سيستم

ساختار گيرنده در اين مدوالسيون ساده بود . حامل در اختيار نباشدمفيد خواهد بود كه هيچ اطالعاتي از فاز .زيرا نياز به هيچ گونه تخمين كانال، حامل و يا رديابي فاز وجود ندارد

اطالعات در فاز و يا دامنه كد شده . ناهمدوس بسيار رايج است هاي تفاضلي در مدوالسيون هاي تكنيك .رهم استبين هر دو سمبل پشت سها كه تفاضل آن

41 

 

PSK را در تفاضل بين دو سيگنال ها تفاضلي كه در برادكست صداي ديجيتال استفاده شده است، داده .كند مي مدوله شده حمل

3-4-4- DFT تبديل فوريه گسسته معكوس در فرستنده و تبديل فوريه در گيرنده OFDMاجزاي اصلي يك سيستم

زير را پياده سازي كنندهاي طهبايستي به ترتيب رابها اين مؤلفه. باشد مي

               ) 23.3(رابطه √∑ , 0, 1,… ,

               ) 24.3(رابطه √∑ , 0, 1,… , 

{d}سمبل خطي Nو {D}سمبل داده مختلط Nگاشت خطي برگشت پذير بين اين عملگرها يك ن . باشد مي اين مسئله از يكي دو رابطه به وضوح مشخص. كند مي برقرار

ضريب √

توان در يك مي .كند مي موجب برقراري تقارن ميان دو عملگر شده و همچنين توان را حفظ زيرا. اهميت است در پياده سازي عملي اين موضوع بي. يك قرار داد و در طرف ديگر ضريب طرف ضريب

.شود مي اين ضريب مقياس براي مالحظات سرريز و پاريز جدا از هرگونه مفهوم رياضي، استفاده

سازي ) 5.3(شكل زمان FFTپياده در الگوريتم تقليل با

IDFTو DFTاين در مورد . باشد مي عمل ضرب و جمع N2نقطه نيازمند Nنقطه به Nيك تبديل خطي خروجي هاي با محاسبه همزمان سمبل. باشد مي در صورتيكه هر سمبل خروجي جداگانه محاسبه شود، درست

تعداد محاسبات تا ) FFT(، در تكنيك تبديل فوريه سريع N/و استفاده از خاصيت متناوب بودن ضرايب

42 

 

انواع مختلفي از . باشد 2تواني از Nل فوريه سريع زماني مؤثر خواهد بود كه تبدي. يابد مي كاهش N Log Nمرتبه FFT روش تقليل . و استفاده مختلف از حافظه موقت، وجود داردها و خروجيها متفاوت وروديهاي با ترتيب

.نشان داده شده است) 5.3(، در شكل FFTدر زمان به عنوان يك نمونه از

تر از مدوالسيون، با با قابليت استفاده از يك مرحله پيشرفته OFDMستم معماري يك سي) 6.3(شكل سيم براي مخابرات بيهاي اين تركيب در سيستم. دهد مي بكارگيري مدوالتورهاي تربيعي و همفاز را نشان

كه تركيب بايد اين نكته ذكر شود. باشد ، متداول ميIFيا RFهاي باند پايه به باند فركانسي مدوالسيون سيگنالمشكل . گيرد نمي بنيادي كه در اين شكل نشان داده شده است، تفرق كانال را كه هميشه وجود دارد، در نظر

.شود مي چرخشي حلهاي تفرق كانال با استفاده از پيشوند

مختلط)6.3(شكل ارسال سيستم

متعادل سازي -3-4-5با افزايش . باشد ر مقابل تداخل بين سمبلي ميديكي از مزاياي استفاده از سيستم چندحاملي استحكام

ماداميكه پراكندگي كانال از . گردد فراهم مي ISI، امنيت باالتر در مقابل تأخير انتشار و OFDMهاي زمان سمبلكاهش نيافته و معموالً استفاده از ISIبيشتر باشد، كيفيت سيستم به علت OFDMفاصله گارد سمبل

.شود اجباري نمي سازي حوزه زمان متعادل

43 

 

ساز اجتناب با اينحال در موارد نرخ داده باالتر و كانال با پراكندگي زماني وسيع، استفاده از متعادلهدف . كند ساز در سيستم چندحاملي با سيستم تك حاملي فرق مي اگرچ ساختار متعادل. ناپذير خواهد بود

.ن به ميزان قابل قبول استنبوده و تنها محدود كردن آ ISIسازي حذف كامل متعادل

براي جبران گين مختلط كانال ) ICI(سازي حوزه فركانس، از عدم حضور تداخل بين كانالي در متعادلسازي گين مختلط بعد فركانس، جبران-با استفاده از دوگاني زمان. شود در فركانس هر زيرحامل، بهره گرفته مي

.باشد در حوزه زمان مي FIR معادل با محاسبه كانولوشن يك فيلتر FFTاز

OFDMمفاهيم اساسي 3-5

معرفي -3-5-1هاي اين است كه يك جريان داده با نرخ باال توسط تعدادي از جريان  OFDMيكي از اصول پايه اي

ا به دليل اينكه بازه زماني نماده. گردند ها به صورت همزمان ارسال مي با نرخ پايين بر روي تعدادي از زيرحامليابد، مقدار متناظر پراكندگي در زمان كه به دليل انتشار هاي موازي با نرخ پايين تر افزايش مي براي زيرحامل

تقريباً به صورت كامل با معرفي يك  2تداخل ميان نمادها .يابد آيد، كاهش مي بوجود مي  1تاخير چند مسيره به صورت چرخشي به OFDMاني نمادهاي در گارد زم. گردد حذف مي  OFDMگارد زماني در هر نماد

. يابند گسترش مي  ICIها منظور جلوگير از تداخل ميان حامل

ها، گارد زماني، تعدادي از پارامترها جهت تعيين از قبيل تعداد زيرحامل  OFDMدر طراحي سيستم كدينگ تصحيح خطاي ها و نوع مدوالسيون به ازاي هر زيرحامل و نوع بازه زماني نمادها، فواصل زيرحامل

. مستقيم وجود دارند

                                                            1 Multipath delay spread 2 Intersymbol Interference 

44 

 

IFFTبا استفاده از ها توليد زيرحامل -3-5-2مدوله QAM 2و يا  1PSKاز مجموع زيرحامل هايي است كه با استفاده از  OFDMيك سيگنال

س حامل فركان fcبازه زماني نمادها و  Tتعداد زيرحامل ها، Nsباشد، QAMنماد مختلط diاگر كه . شده اند : توانيم به صورت زير داشته باشيم شروع خواهد شد و مي t=tsدر OFDMباشد، يكي از نمادهاي

∑ )25.3( رابطه   exp  2 .  ,   

مدوالتور )7.3(شكل در قال OFDMيك د برا ياگراميك بلوك

در اين مثال همه . دهد را نشان مي OFDMچهار زيرحامل از يك سيگنال )8.3(براي نمونه شكل ها و فازها ممكن است براي هر باشند اما در عمل دامنه ها داراي فاز يكسان و دامنه يكسان مي زيرحامل

توجه كنيد كه هر زيرحامل دقيقاً داراي تعداد صحيحي از تناوب در . له گردندزيرحامل به صورت متفاوت مدواين ويژگي براي تعامد ميان . باشد هاي ميان دو زيرحامل مجاور دقيقاً برابر يك مي و تعداد سيكل Tبازه زماني j/Tبه فركانس توسط تبديل سيگنال )26.3(امين زيرحامل از رابطه j1براي مثال . گردد ها بررسي مي زيرحامل

با نگاهي به نتايج حاصله اين موضوع كه يك حامل . گردد ثانيه مدوله مي  Tو سپس انتگرال گيري بر روي بازه ام jبراي دمدوالسيون زيرحامل . توان ديد ثانيه انتگرال گيري شده است را مي T مختلط بر روي بازه زماني

                                                            1 Phase Shift keying 2 Quadrature amplitude modulation  

45 

 

براي زيرحامل خاص را تعيين QAMمقدار  )ضرب شده است Tكه در ضريب ثابت ( dj+N/2خروجي . نمايد مي

 ‐i)باشد چراكه فركانس تفاضلي ها مقدار اين انتگرال گيري صفر مي براي ديگر زيرحامل j)/T يك . كند كه نتيجه آن همواره صفر خواهد بود را توليد مي Tعدد صحيح متناوب در بازه انتگرال گيري

 exp )26.3( رابطه 2 ∑    exp  2 

  )27.3(رابطه ∑    exp  2   

سيگنال چهار )8.3(شكل OFDMزيرحامل يك

هر )25.3(طبق رابطه . تواند به طريق ديگري نشان داده شود مي OFDMهاي مختلف تعامد زيرحاملاز اينجا، طيف يك نماد . ثانيه غير صفر هستند Tمشتمل بر زيرحامل هايي است كه در بازه زماني OFDMنماد

ست با طيف پالس ها هاي زيرحامل هاي ديراك قرارگرفته در فركانس سيگنال، كانولوشن يك گروه از پالسطيف دامنه پالس . ثانيه برابر يك و در خارج از اين بازه برابر صفر خواهد بود Tمربعي كه براي بازه زماني

اين . هستند T/1ها است كه داراي ضريب است كه داراي دو صفر براي همه فركانس sinc(πft)مربعي برابر با . دهد ها را نشان مي هر يك از زيرحامل sincي طيف كه روي هم افتادگ 2اثر در شكل

چرا كه يك گيرنده . باشد ها برابر با صفر مي در مقدار ماكزيمم طيف هر زيرحامل، طيف ديگر زيرحاملOFDM تواند باشد را محاسبه كرده كه مي ضرورتاً مقادير طيف در نقاطي كه متناظر با ماكزيمم هر زيرحامل مي

. ها دمدوله شود هرگونه تداخل با ديگر زيرحاملهر زيرحامل بدون

46 

 

در حقيقت چيزي بيشتر از اينكه معكوس )26.3(باند پايه با استفاده از رابطه مختلط OFDMسيگنال متناظر زمان گسسته آن معكوس تبديل فوريه گسسته . را از ورودي بگيريم نيست QAMنماد Nsتبديل فوريه

IDFT آيد و در آن زمان ت ميبدس 4باشد كه توسط رابطه ميt ها توسط تعداد نمونهn  گردد جايگزين مي .

اين تكنيك از اين . تواند كاهش يابد مي radix‐4با استفاده از يك الگوريتم IFFTها در تعداد ضربوجود دارد كه در } j,‐j,1‐,1{چهار نقطه اي تنها ضرب با ضرايب IFFTكند كه در يك حقيقت استفاده مي

. نيازي به اين نيست كه با يك ضرب كنده كامل پياده سازي شوندواقع

هاي چهار نقطه اي جزئي و تبديل عبارت است از جدا كردن تعدادي از تبديل radix‐4در الگوريتم FFTدر اين مسير يك . بايست ميان مراحل اين تبديل چهار نقطه اي صورت پذيرد هاي غير جزئي كه مي ضرب

 كند نيازمند تنها استفاده مي  radix‐4ز الگوريتم نقطه كه ا  Nبا   log 2 ضرب مختلط و يا  logچرخش فاز و نقطه به طور مثال اين بدين معني است 64با FFTباي يك . باشد جمع مختلط مي  

: نه نياز خواهيم داشت چرخش و جمع به ترتيب به ازاي هر نمو 6و 105جمع و يا 384چرخش و 96كه

اي radi-4 )9.3(شكل نه پروا

پروانه اي شناخته شود radix‐4تواند به عنوان نقطه مي 4با IFFTدهد كه يك نشان مي )9.3(شكل به خروجي با x3تا x0چهار ورودي با مقادير . دهد هاي بزرگتر را شكل مي با اندازه IFFTكه اساس ساخت

x0+jx1‐x2‐jx3از y1براي مثال . شوند ط جمع ساده و چرخش فاز جزئي تبديل ميتوس y3تا y0مقادير  . آيد بدست مي

Radix‐4 تواند به منظور ساخت موثر يك پروانه اي ميIFFT هاي بزرگتر مورد استفاده قرار با اندازه . گيرد

47 

 

ه اي در برگيرنده دو نقطIFFT 16. نشان داده شده است 5نقطه در شكل 16با   IFFTبراي مثال يك نتيجه مياني 16پروانه اي است كه توسط يك مرحله مياني از يكديگر جداشده اند و  radix‐4مرحله با چهار . شود بيان مي exp(j2πi/N)دچار چرخش فاز شده كه اين موضوع به صورت wiتوسط فاكتور

گارد زماني و گسترش چرخه اي 3-5-3اين است كه روش موثري در مواجهه با پراكندگي تاخير OFDMمهم عملكرد يكي از مزاياي بسيار

بار كوچكتر Nsهاي زماني هر نماد بازه. باشد زيرحامل مي Nsچند مسيرگي با تقسيم جريان داده ورودي به ابه متناظر و در رابطه با مدت زمان نماد نيز با فاكتور مش 1همچنين پراكندگي تاخير چند مسيرگي . شود مي

معرفي شده OFDMبه منظور حذف تقريباً كامل تداخل نمادها يك گارد زماني براي هر نماد . يابد كاهش ميشود كه اجزاء چندمسيرگي يك نماد نتوانند با نماد گارد زماني بزرگتر از پراكندگي تاخير انتخاب مي. است

به هر ترتيب در اين مورد تداخل . نباشد تواند حتي شامل هيچ سيگنالي گارد زماني مي. ديگر تداخل نمايندها به صورت هاي مختلف است و بدين معني است كه آن تداخل ميان حامل  ICI. دهد رخ مي ICI  2ها حامل

2و زيرحامل تاخير يافته 1در اين مثال زيرحامل . نشان داده شده است )10.3(اين اثر در شكل . متعامد نيستندكند با برخي از جهت دمدوالسيون اولين زيحامل اقدام مي  OFDMه يك گيرنده هنگامي ك. نشان داده شده اند

تعداد صحيحي از تفاضل پريوديك ميان FFTگردد چرا كه در بازه تداخالت از زيرحامل دوم مواجه مي . وجود ندارد 2و 1هاي زيرحامل

گارد زماني) 10.3(شكل در باسيگنال صفر مسيرگي از چند اثر ناشي

                                                            1 Multipath delay spread 2 Intercarrier Interference  

48 

 

شود به صورت مشاهده مي )11.3(، همانطور كه در شكل OFDMهاي ، نماد  ICIمنظور حذف بهدهد با اين شرط كه زمان تاخير اين موضوع اين اطمينان را به ما مي. چرخشي در گارد زماني گسترش مي يابند

FFTصحيحي از دوره همواره تعداد  OFDMهاي تاخير يافته از نمادهاي كوچكتر از گارد زماني باشد ، كپي . هستند

. شوند ICIبه عنوان نتيجه، سيگنال چند مسيره با زمان كوچكتر از گارد زماني نمي توانند موجب

هاي سيگنال) 12.3( اثر بگذارد شكل OFDMتواند چگونه بر به عنوان يك مثال كه چند مسيرگي مينقطه چين يك كپي از سيگنال تاخير يافته هاي دهد كه منحني دريافت شده براي يك كانال را نشان مي

سه زيرحامل جدا از يكديگر در امتداد بازه زماني سه نماد نشان داده شده . هاي با خطوط تو پر هستند منحنيها را ببيند، اما نشان دادن اجزاء ديگر اين تواند مجموع همه سيگنال تنها مي OFDMدر واقع يك گيرنده . است

هاي توانيم ببينيم كه زير حامل از روي شكل مي. كند كه تاخير چند مسيرگي چيست ن ميمسئله را بيشتر روشOFDM  به صورتBPSK  درجه اي 180توانند داراي پرش فاز مدوله شده اند و اين بدين معني است كه مي

ولين مسير مسير رخ هاي نقطه چين اين تغيير فازها با تاخير معيني پس از ا براي منحني. در مرز هر نماد باشنددر اين مثال خاص، اين تاخير چند مسيرگي كوچكتر از گارد زماني است و اين بدين معني است كه در . دهد مي

هاي سينوسي مجموع خالص منحني OFDMاز اين رو يك گيرنده . گذر فاز را شاهد نخواهيم بود FFTبازه ها را از بين نبرده و تنها يك شيفت فاز متفاوت يرحاملاين جمع تعامد ميان ز. كند با جابجايي فاز مشاهده مي

. كند رار براي هر زيرحامل معرفي مي

OFDMنماد )11.3(شكل

49 

 

يك )12.3( شكل از شده دريافت هاي OFDMكانال سيگنال

1ايجاد پنجره 3-5-4

و گسترش چرخه اي IFFTتوسط عملگر  OFDMهاي قبلي چگونگي ايجاد يك نماد در قسمت ، گذار فاز تيز ايجاد شده توسط مدوالسيون )12.3(شبيه شكل  OFDMبا نگاه به يك سيگنال . نشان داده شد

 . توان در مرزهاي نماد مشاهده كرد را مي

مثالي از اين مسئله . يابد كاهش مي sincبه عنوان يك نتيجه، طيف خارج از باند به صورت يك تابع براي تعداد . ده استنشان داده ش )13.3(كه در شكل 256و 64، 16هاي عبارت است از طيف زيرحامل

هاي بزرگتر طيف به صورت سريعتر از شروع كاهش مي يايد و اين مسئله با توجه به اين حقيقت كه زيرحامل . شود هاي كناري به يكديگر نزديكر هستند ايجاد مي قسمت

سيگنال )13.3(شكل يك باند از خارج Sincطيف

                                                            1 Windowing  

50 

 

. تواند بكار رود مي  OFDMبراي اينكه طيف سريعتر كاهش يابد، ايجاد پنجره براي تك نمادهاي . گردد موجب رسيدن يكنواخت دامنه به مقدار صفر در مرزهاي نماد مي  OFDMاد پنجره براي يك نماد ايج

: شود هاي معمول مورد استفاده پنجره كسينوسي است كه به صورت زير تعريف مي يكي از پنجره

)28.3(ابطه ر

فاصله زماني نماد است كه كوچكتر از دوره زماني كليه نمادهاست، چراكه ما به نمادهاي  Tsدر اينجا ساختار سيگنال . به صورت جزئي همپوشاني نداشته باشيم roll‐offناحيه دهيم كه در مجاور اجازه مي

OFDM  در فرم معادله يك نماد . گردد مشاهده مي )14.3(شبيه به شكلOFDM كه در زمانt=ts=kTs : گردد شود به صورت زير تعريف مي شروع مي

 ) 29.3(رابطه  ∑ exp  2.

سيگنال roll-offناحيه )14.3(شكل OFDMدر

OFDMانتخاب پارامترهاي 3-5-5سبك و سنگين كردن ميان برخي نيازهايي است كه بايكديگر  OFDMانتخاب پارامترهاي مختلف

. پهناي باند، نرخ داده و انتشار تاخير: جود داردمعموالً سه نيازمندي اصلي در آغاز و. تعارض دارند

51 

 

4تا 2بايست به عنوان يك قانون گارد زماني مي. شود انتشار تاخير موجب ديكته كردن گارد زماني مي. باشد مي QAMاين مقدار وابسته به انواع كدينگ و مدوالسيون . انتشار تاخير باشد 1برابر مربع ميانگين ريشه

QAM 64مثل (باالتر با مراتبQAM ( بهICI حساسيت بيشتري دارند .

جهت مينيمم . تواند مقدار ثابتي در نظر گرفته شود حال كه گارد زماني تنظيم شد مدت زمان نماد ميشود، داشتن بازه زماني نماد بزرگتر از گارد كردن تضعيف نسبت سيگنال به نويز كه توسط گارد زماني ايجاد مي

تواند بزرگ باشدبه هر ترتيبب بدليل اينكه بزرگ بودن بازه زماني اين بازه به دلخواه نمي. باشد زماني مطلوب ميهاي كمتر است كه منجر به پيچيدگي پياده سازي بيشتر و هاي بيشتر با فاصله زيرحامل نماد به معني زيرحامل

. حساسيت بيشتر به نويز فاز و جابجايي فركانس خواهد شد

: هاي به شرح ذيل طراحي نماييم خواهيم يك سيستم با نيازمندي ونه فرض كنيد كه ميبه عنوان يك نم

 200Mbps:نرخ بيت

ns 200: انتشار تاخير قابل تحمل

  15Mhzبزرگتر از : پهناي باند

رد زماني نانو ثانيه مقدار مناسب براي گا 800كند كه نانوثانيه اي ايجاب مي 200انتشار تاخير مورد نياز تلفات گارد زماني كمتر از ) ميكرو ثانيه 4.8(برابر گارد زماني OFDM  6با استفاده از مدت زمان نماد . است1dB 4 =0.8‐4.8فواصل زيرحمل معكوس مقدار . خواهد بود µs 250است كه مقدارKhz را بدستنگاه OFDMبيت مورد نياز و نرخ نماد توانيم به نرخ هاي مورد نياز مي براي محاسبه تعداد زيرحامل. دهد مي بيت از اطالعات باشد 96بايست داراي مي OFDMهر نماد 20Mbpsبراي بدست آوردن . كنيم

= 20 Mbps .

 

به  QAM-16يكي از آنها استفاده از . هاي زيادي وجود دارد براي پياده سازي اين سيستم انتخابيكي . بيت به منظور هر سمبل به ازاي هر زيرحامل خواهد بود 2آوردن ، براي بدست2/1همراه نرخ كدينگ

بيت به ازاي هر سمبل و به ازاي هر 5/1است كه 4/3با نرخ كدينگ QPSKها استفاده از ديگر از انتخاب

                                                            1 Root‐mean squared 

52 

 

است كه 16KHZ₌ KHZ  64×250زيرحامل به معني پهناي باند 64به هر ترتيب . دهد زيرحامل بدست ميها تعداد زيرحامل MHZ 10براي بدست آوردن يك پهناي باند كوچكتر از . باشد پهناي باند هدف مي بزرگتر از

هاي ما را كليه نيازمنديQAM – 16 زيرحامل و 48از اين رو اولين انتخاب با . باشد 60نياز است كه كمتر از تواند ه اي كارا با مزاياي بيشتر مينقط radix‐4  64با الگوريتم FFT/IFFTاستفاده از يك . پوشش خواهد بود

 .استفاده شود

53 

 

چهارمفصل

IEEE802.11a وIEEE802.16a 

   

54 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

كه از IEEE 802.16aو IEEE 802.11aدر اين بخش به توضيح اليه فيزيكي در استانداردهاي .پردازيم برخوردارند مي OFDMتكنيك

IEEE 802.11aاليه فيزيكي در -4-1 5GHZ U‐NIIجهت فراهم آوردن سرويس نرخ باالي اطالعات در باند فركانس IEEE 802.11aاندارد استمدوالسيون چندحاملي يك گزينه . در اين استاندارد از مدوالسيون چند حاملي استفاده شده است. مطرح شد

تك حاملي دارا هاي سيستماي بي سيم بوده و مزاياي گوناگوني در مقابل با قوي براي كابردهاي سئوچينگ بسته . باشد مي 54Mbps‐6يك راه حل بادوام براي ارسال اطالعات در نرخ OFDMسيستم . باشد مي

استحكام در برابر تأخير انتشار -1تواند مي نانو ثانيه موجه شده كه 800ارسال اطالعات در محيط بي سيم با تأخير انتشاري تا حد

در يك سيستم تك حاملي يك متعادل كننده . و بيشتر از آن شامل شود 10Mbpsچندين سمبل را در نرخ ارسال سمبل باشد، استفاده از الگوريتم 4هنكامي كه تأخير انتشار بيشتر از . كند مي آثار مضر تأخير انتشار را كنترل

علت ماهيت خطي نيز به هاي متعادل كننده. تواند مؤثر باشد نمي بيشترين شباهت به علت پيچيدگي پياده سازيمتعادل سازي نظير تصميم گيري فيدبكي هاي بنابراين از ساير روش. انتخابگري كانال گزينه مناسبي نيستند

هاي يك سيستم چند حاملي در مقابل تأخير انتشار مقاوم بوده و نيازي به سكانس. گيرد مي مورد توجه قرار .باشد مي ال تخمين كانال ضروريبا اينح. تعليم دهنده براي اين نوع متعادل سازي ندارد

55 

 

كارآيي محاسباتي -2با افزايش تعداد حامل ها، بازدهي . دهد مي در گيرنده، پيچيدگي را كاهش FFTاستفاده از ساختار

.رود مي سيستم باالتر

همزمان سازي سريع -3طيف هاي در زمان بندي در مقايسه با تكنيك 1به لرزشحساسيت كمتر نسبت OFDM هاي گيرنده

.سترده دارندگ

، چهارتاي ديگر U‐NIIكانال آن در باند پاييني چهاركانال وجود دارد كه IEEE 802.11a 12در استاندارد . باشد مي 20MHzفاصله ميان كانالي نيز . آن در باند مياني و چهارتاي باقيمانده در باند بااليي قرار دارند

.ده شده استنشان دا) 1.4(در جدول IEEE 802.11aپارامترهاي

Parameters  Slot Time  SIFS  PIFS  DIFS  CW min  CW max 

802.11a  9 µs  16 µs  25 µs  34 µs  15  1023 

فيزيكي )1.4(جدول اليه IEEE 802.11aدر OFDMمشخصات

OFDMمعماري -4-1-1توليد OFDM هاي ابتدا سمبل. نشان داده شده است) 5.3(در شكل WLANيك نمونه فرستنده و گيرنده

را ها فريم PLCP/PMDاليه . گيرند مي قرار OFDM هاي به همراه سمبل PLCPدر اليه OFDMشده و سپس فريم راديويي هاي تشخيص داده شده و سپس گيرنده سيگنالها در سمت گيرنده ابتدا فريم. كند مي در محيط منتشر

.گردند مي باينري استخراج هاي ه و دادهدمدوله شد OFDM هاي سمبل. كند مي تبديل OFDM هاي را به سمبل

4-2- IEEE 802.16a وWiMAX  IEEEاستاندارد واسط هوايي يك تكنولوژي بي سيم بوده كه به هدف تغييرات اساسي در 802.16

هاي اين تكنولوژي براي دسترسي كيلومتر آخر شبكه. دسترسي بي سيم پهن باند طراحي و معرفي شده است .طراحي شده است T1و DSLكابلي قديمي نظير هاي با شبكه شهري، و جايگزيني

                                                            1 Jitter 

56 

 

و نياز 66GHz‐10از معماري نقطه به چند نقطه در فركانس IEEE 802.16در ويرايش ابتدايي استاندارد معرفي شد، نياز 2003كه در ماه مارس سال IEEE 802.16aويرايش تعميم يافته . به ديد مستقيم استفاده شده بود

در اين استاندارد استفاده شد تا بتوان از آن به عنوان 11GHz‐2پايين تر هاي فركانس. مستقيم رفع شدبه ديد برد اين سيستم بين . بي سيم محلي پر سرعت استفاده نمود هاي ملي و شبكه هاي لينك كيلومتر آخر بين شبكه

.رد مد اختياري مش را نيز به همراه دارداين استاندا. باشد مي 70Mbpsكيلومتر و نرخ ارسال اطالعات 80تا 50

محلي ) 1.5(شكل سيم بي شبكه معماري نمونه )WLAN(يك

4-2-1- WiMAX  IEEEعبارتي متداول براي بيان استاندارد WiMAXكلمه شامل WiMAX هاي شبكه. باشد مي 802.16

فعاليت، پذيرش و كيفيت هاي از جنبهرا ها ايستگاه سلول. باشد مي مشترك هاي پايه و ايستگاه هاي ايستگاه هاي اما استفاده از آنتن. كنند مي ثابت استفاده هاي مشترك معموالً از آنتن هاي ايستگاه. كند مي سرويس كنترل

. رسد مي وفقي نيز گزينه مناسبي به نظر

توان آن را تا مي كيلومتر بوده كه با كاهش نرخ ارسال 8برد اين سيستم حدود OFDMهنگام استفاده از  .كيلومتر افزايش داد 50

57 

 

4-2-2- OFDM شهري بي سيم هاي در شبكه زير حامل سيگنال تنظيم 8زيرحامل گارد باند و 55با FFT‐256از OFDMشهري بي سيم هاي شبكه

نشانرا ها پارامترهاي سمبل) 2.4(جدول . است 192استفاده شده عدد ثابت هاي تعداد زير حامل. برد مي بهره .دهد مي

سيم OFDMفرستده ) 2.4(شكل بي شهري شبكه براي

در يك نمونه محيط سيار با آنتن همه جهته در . گردد مي زمان گارد متناسب با جنس و نوع زمين تعيين مناسب 5MHzبراي كانال با پهناي باند ¼ميكرو ثانيهتوسط زمان گارد 10ايستگاه مشترك، تأخير انتشار

 .مي باشد74Mbps‐1  متناسب با نوع مدوالسيون و نوع كدينگ،حدوده نرخ ارسال اطالعات م. باشد مي

Parameters  Value 

NFFT  256 

Nused  192 

Fs/BW  1.75(licensed) 8/7(License exempt) 7/6 (others) 

Tg/Tb (Guard Time)  1/4 , 1/8, 1/16, 1/32 

Guard Band  28 Low, 27 High 

Npilot  8 

سمبل ) 2.4(ل جدو سيم OFDMپارامترهاي بي شهري شبكه OFDMبراي

 

58 

 

پنجمفصل

سيستم مانيتورينگ گردباد

59 

 

با توجه به رئوس مطالب تشريح شده در فصول قبل، در اين فصل برآنيم با بررسي شرايط و مانيتورينگ گردباد با موجود نسبت به پيشنهاد سيستم مورد نياز جهت شبكه حسگر بي سيسم هاي محدوديت

پرداخته و سپس سيستم ها براي اينكار ابتدا به تشريح مجدد محدوديت .بپردازيم OFDMاستفاده از تكنيك .گردد مي پيشنهادي ارائه

محدوديت ها -5-1 :ي كه در طراحي اين سيستم پيش روي ما قرار دارد عبارتند ازهاي برخي از محدوديت

جوي هاي از پديده ناشي هاي محدوديت -5-1-1

متفاوتي موجه خواهيم بود كه هاي در شرايط گردباد همانطور كه در فصول قبل ذكر شد، با پديدهبرخي از اين شرايط عبارتند از . بايست جهت غلبه بر آن، سيستم از مقاومت كافي برخوردار باشد مي

ات ناگهاني دما و فشار هوا، چگالي باالي ذرات معلق، يونيزه شدن هوا در اثر رعد و برق، تغيير .قرارگرفتن موانع فيزيكي در اثر تغييرات توپوگرافيك محيطي ناشي از ايجاد آوار

60 

 

محدوديت توان مصرفي -5-1-2

با توجه به گستردگي محيط و عدم دسترسي به تجهيزات، توجه به مسئله مصرف توان از ضروريات از اين .باشد مي ترين راه حل مهموان مصرفي پايين استفاده از تجهيزات با ت. باشد طراحي سيستم مي

مناسب جهت پايين آوردن هاي ارسال اطالعات به تكنيك هاي بايست در كنار رفع نيازمندي مي روكاهش توان سيگنال به سطح پايين تر و كاهش برد ها يكي از اين تكنيك. مصرف توان بهره جست

همچنين استفاده از مدهاي كاري مختلف جهت . باشد يم مؤثر ارسال در يك توپولوژي مناسب شبكه .رسد مي كاهش مصرف توان ضروري به نظر

محدوديت دسترسي به نقاط -5-1-3

اي بايست انتخاب تجهيزات به گونه مي با توجه به گسترده بودن منطقه وقوع هسته اوليه پديده گردباد،مقاومت در برابر تغييرات شديد دما و فشار باشد كه استحكامشان در شرايط فيزيكي گوناگون نظير

و غيره را ) اي از دريا يا رودخانه قرار بگيرند بايستي در منطقهها در شرايطي كه گره(هوا، رطوبت زياد .داشته باشد

سيستم هاي ناشي از هزينه هاي محدوديت -5-1-4

ات حسگر، انتخاب مناسب با توجه به گستردگي منطقه مورد نياز به پوشش و تعداد باالي تجهيزبايست با انتخاب ساختار منطقي با مي از اينرو. آيد تجهيزات در ساختار مناسب ضروري به نظر مي .دقت مورد نياز نسبت به طراحي سيستم اقدام نمود

سيستم پيشنهادي -5-2اد ما استفاده سازي شبكه حسگر مورد نياز، پيشنه اشاره شده جهت پياده هاي با درنظر گرفتن محدوديت

. باشد كند، مي پشتيباني مي OFDMاز يك توپولوژي مش سلسله مراتبي كه در اليه فيزيكي خود از تكنيك

اطالعات خود را براي ) First Points(ابتدائي هاي حسگر به عنوان گره هاي در اين شبكه تعدادي گرهمجاور هاي گره. كند شده است، ارسال مياولين گره در مجاورت خود كه توسط الگوريتم مسيريابي تعيين

)Middle Points (باشد اطالعات دريافت مي توانند يك حسگر بوده كه در اينصورت اين گره موظف مي خود

61 

 

اين روند تا . ارسال كند هاي شده را همراه با اطالعات خود طبق الگوريتم مسيريابي خود به يكي ديگر از گرهبايستي مي سطح باالتر هاي گره. سطح باالتر ارسال شود هاي عات به يكي از گرهيابد كه اطال زماني ادامه مي

. ثابتي در نظر گرفته شوند كه با محدوديت توان مواجه نباشند هاي گره

در اين سطح از سلسله Sinkگره . سطح باال نيز از طريق يك شبكه مش در ارتباط هستند هاي گرهرسيده و از آنجا توسط يك Sinkمسيريابي به گره هاي ه توسط الگوريتمرسيد هاي بسته. مراتب قرار دارد .شوند مي اي به مركز مانيتورينگ ارسال فرستنده ماهواره

اطالعات هاي بسته -5-2-1اطالعات مورد نياز در يك سيستم مانيتورينگ گردباد شامل اطالعات محيطي سرعت باد، جهت

اين اطالعات از طريق . باشند مي و ذرات معلق، رطوبت و غيرهها حركت باد، فشار هوا، ميزان آاليندهافزار واسط اطالعات بدست آمده از يك نرم. آيند بدست ميافزار گره حسگرهاي نصب شده در سخت

.كند مي سنسورها را به صورت اطالعات قابل درك براي سيستم مانيتورينگ تبديل

. بايستي ارسال شود مي ت مكان جغرافيايي گره حسگر نيزعالوه بر اطالعات محيطي ذكر شده، اطالعاشود كه مي اهميت اين اطالعات زماني مشخص. بدست آيند GPSتوانند توسط يك گيرنده مي اين اطالعات

.يك گره حسگر به دليل وزش باد سنگين و يا عوامل ديگر از نقطه اوليه خود جابجا شده باشد

هاي باالي شبكه حسگر، مربوط به اليه هاي از بسته بندي در بسته در نهايت اطالعات بدست آمده بعداين كدگذاري . شود منبع كد مي هاي اطالعات در اين اليه توسط كُدكننده. شود به اليه فيزيكي تحويل داده مي

اطالعات بعد از فشرده سازي تحويل بخش مدوالتور . دهد مي را كاهشها اطالعات را فشرده كرده و حجم آنOFDM خواهند شد .

62 

 

خالصه و نتيجه گيريگردباد پرداخته و نحوه تشكيل و گسترش آن را مورد هاي در اين نوشتار ابتدا به توصيف ويژگي

حسگر هاي سپس به معرفي شبكه. بررسي قرار داديم تا اهميت مانيتورينگ گردباد برايمان بوضوح نمايان شودحسگر را در مانيتورينگ آب هاي را برشمرده و اهميت استفاده از شبكها ه مزايا و معايب آن. بي سيم پرداختيم

. و هوا، مطرح كرديم

اين تكينك را براي غلبه هاي برتري. پرداختيم OFDMبه بررسي ها سپس به عنوان تكينك مخابرات دادهو OFDMنياز مورد هاي ساير سيستم. گردبادي معرفي نموديم هاي مخرب موجود در محيط هاي بر پديده

.، را به اختصار توضيح داديمDFTمخابرات ديجيتال نظير كدگذاري منبع و

هاي مش و اند و عالوه بر آن شبكه بهره برده OFDMبه عنوان دو استاندارد كه در اليه فيزكي خود از Ad‐Hoc كنند، استانداردهاي مي را پشتيبانيIEEE 802.11a وIEEE 802.16a را مطرح نموديم.

.براي مانيتورينگ گردباد ارائه شدها در نهايت يك سيستم فرضي با توجه به محدوديت

63 

 

 فهرست منابع و مراجع

[1]. Ahmad R.S. Bahai; Burton R. Saltzberg; Mustafa Ergen, Multi‐Carrier Digital Communication Theory 

and Applications of OFDM 2nd Ed. New York, Springers, 2004. 

[2]. A. Bruce Carlson; Paul B. Crilly; Janet C. Rutledge, Communication Systems An Introduction to Signals 

and Noise in Electrical Communication, 4th Ed. New York, McGraw‐Hill, 2002 

[3]. Richard van Nee, Ramjee Prasad; OFDM for Wireless Multimedia Communications, 1st Ed, Norwood, 

Artech House, 2000. 

[4]. www.wikipedia.com Free Online Encylopedia 

[5].Kazem  Sohraby, Daniel Minoli, Taien Znati; Wireless  Sensor Networks Technology, Protochols and 

Applications, New Jersey, John Wiley & Sons, 2007. 

[6]. Yan Zhang, Jijun Luo, Honglin Hu; Wireless Mesh Networking Architecture, Protochols and Standard; 

New York, Taylor & Francis Group, 2007. 

يازدهمين كنفرانس دانشجويي برق ايران، دانشگاه ،"حسگر بي سيمهاي مسيريابي در شبكههاي الگوريتم". شاهد محمدي؛ فتح اله كريمي ]7[ 1387زنجان، شهريور