توان مصرفی همواره یکی از مهمترین منابع در شبکه های بیسیم به شمار می رود زیرا بیسیم بودن نقاط شبکه ایجاب می کند که از یک منبع توان سیار به همراه خود بهره ببرند که قدرت و زمان عملکرد محدودی خواهد داشت. بنابراین مدیریت توان برای کاهش توان مصرفی و افزایش کارایی و عمر شبکه های بیسیم از موضوعات کلیدی این حیطه است. از طرف دیگر استفاده بهینه از منابع توان موجود سبب می شود تا بتوان در مقابل شرایط مخرب محیط انتقال، عملکرد بهتری را بدست آورد. علاوه بر مدیریت منابع توان، انتخاب صحیح نقاط برای تشکیل مسیر میان مبدأ و مقصد نیز از اهمیت فراوانی در بکارگیری شبکه های بیسیم چندگامی برخوردار است. انتخاب صحیح نقاط یا بعبارت دیگر مسیریابی مناسب نیز می تواند در افزایش بازده شبکه و مصرف بهینه ی توان موثر باشد. اگرچه مسئله ی مسیریابی و تخصیص توان بهینه در برخی کارهای میان لایه ای مورد توجه قرار گرفته اند اما تا کنون هیچیک به بررسی توأم این دو مسئله در شبکه های چندگامی در حالت کلی نپرداخته اند و تنها در مورد شبکه های مبتنی بر کدگشایی و ارسال مقاله ای در این زمینه اخیرا منتشر شده که به آن اشاره خواهیم نمود. در این پروژه به بررسی شبکه های رله ی بیسیم چندگامی پرداخته و با تعریف مسئله ی میان لایه ای مسیریابی و تخصیص توان به صورت توأم برای دو استراتژی معمول تقویت و ارسال و کدگشایی و ارسال، به ارائه ی راهکارهایی بهینه پرداخته ایم. در مورد استراتژی تقویت و ارسال تابع هدف را در بهینه سازی، نسبت سیگنال به نویز دریافتی در گره مقصد در نظر گرفتیم و ضمن در نظر گرفتن فرض های ساده کننده به ارائه الگوریتمی زیر بهینه برای مسئله ی مسیریابی و تخصیص توان توأم پرداختیم. تابع هدف در شبکه-های مبتنی بر کدگشایی و ارسال را ماکزیمم اطلاعات متقابل میان منبع و مقصد در نظر گرفتیم که از آن به ظرفیت متقابل میان منبع و مقصد یاد می شود، با تبدیل مسئله به دو زیر مسئله ی مجزا ضمن حفظ بهینه بودن حل، به ارائه راهکار مسیریابی و تخصیص توان بهینه پرداختیم. حل های ارائه شده برای مسئله ی مسیریابی و تخصیص توان توأم یک طراحی میان لایه-ای است که در آن لایه های فیزیکی و شبکه با فراهم آوردن بازخوردهایی برای یکدیگر، امکان انجام بهتر وظایف خود را فراهم می کنند که در نتیجه سبب بهبود کارایی کل شبکه خواهد شد. شبیه سازی های انجام شده بهبود قابل توجهی را نسبت به روش های دیگر نشان می دهند تا آنجا که در اغلب شبیه سازی ها بهره ی توان حاصل نسبت به سایر روش ها بسیار بیشتر از دو می باشد.

در این پایان نامه، تخصیص منابع متمرکز (زمان، فرکانس و توان) در یک شبکه چندکاربره رله مبتنی بر ofdma و در یک سناریوی فروسو مورد بررسی و شبیه سازی قرار گرفته است. مسأله مورد نظر در رابطه با حداقل ساختن مجموع توان ارسالی ایستگاه پایه و ایستگاه های رله با اعمال شرط بر روی نرخ درخواستی کاربرها می باشد. برای حل مسائل و انجام شبیه سازی سطوح گسسته برای مدولاسیون وفقی در نظر گرفته شده است. سناریوی مورد بررسی یک شبکه سلولی است که ایستگاه پایه و ایستگاه های رله در مرکز هر سلول قرار داشته و کاربرها در سیستم مورد نظر به صورت تصادفی و یکنواخت در سراسر شبکه توزیع می گردند. در این پایان نامه، روشی پویا برای تخصیص کاربرها به ایستگاه های مرکزی ارائه شده است. این روش برای تخصیص کاربر به ایستگاه پایه و ایستگاه های رله از میانگین گیری بر روی ضرایب فیدینگ کانال استفاده می کند. الگوریتم-های پویا مربوط به تخصیص زیرفریم زمانی به ایستگاه های مرکزی، تخصیص زیرحامل ها به کاربران و بار کردن بیت وفقی در این پایان نامه مورد بررسی و شبیه سازی قرار می گیرند. کانال مخابراتی تحت تاثیر تلفات مسیر، فیدینگ رایلی و اثر سایه log-normal است. عملکرد الگوریتم های پویا و ایستا در ارتباط با میزان مجموع توان ارسالی ایستگاه پایه و ایستگاه های رله در یک شبکه چند کاربره مبتنی بر ofdm و همچنین یک شبکه چندکاربره رله مبتنی بر ofdma با یکدیگر مقایسه می شوند. در این پایان نامه، یک الگوریتم جدید برای تخصیص پویای زیرحامل به کاربران و برای حالتی که در شبکه استفاده مجدد فرکانسی داریم، ارائه شده است. این الگوریتم بر اساس توابع هزینه ای که بیانگر توان ارسالی در شبکه هستند به صورت منصفانه و پویا زیرحامل ها را به کاربرهای موجود در شبکه تخصیص می دهد. بر اساس شبیه سازی های انجام شده میزان بهبودی الگوریتم پیشنهادی نسبت به روش بدون استفاده مجدد فرکانسی به ازای کمترین تعداد کاربر و نرخ درخواستی (10 کاربر و نرخ 32 بیت در سمبل ofdm) به میزان 0.01db بوده و با افزایش تعداد کاربر و نرخ درخواستی تا (30 کاربر و نرخ 96 بیت در سمبل ofdm) این بهبودی تا 33.51db افزایش داشته است. همچنین با در نظر گرفتن تداخل فرکانسی کاربرها در شبکه سلولی، توان هر زیرحامل به گونه ای محاسبه شده است که کیفیت سرویس مطلوب برای هر زیرحامل که در اینجا احتمال خطای قابل تحمل است، حفظ گردد. برای رسیدن به این منظور یک روش پیشنهادی مطرح شد که منجر به تشکیل مساله بهینه سازی برای هر یک از مجموعه زیرحامل های تداخلی گردید. در این مسائل، تابع هدف مجموع توان های تداخلی برای هر زیرحامل بوده و تابع شرط نیز بر اساس بیشتر بودن سیگنال به نویز و تداخل (sinr) از سیگنال به نویز غیر تداخلی محاسبه گردیده است. پس از حل این مسائل با استفاده از linear programming، مجموع توان مصرفی تداخلی در شبکه قابل محاسبه شد. بر این اساس مقدار واقعی توان مصرفی در شبکه برای حذف تداخل و با رعایت احتمال خطای قابل تحمل برای هر زیرحامل به دست آمد. بر اساس شبیه سازی انجام شده برای (20 کاربر و نرخ 28 بیت در سمبل ofdm) توان ارسالی کل میانگین در روش استفاده مجدد فرکانسی بدون در نظر گرفتن تداخل، نسبت به روش بدون استفاده مجددد فرکانسی دارای 4.77db بهبودی است. اما با در نظر گرفتن تداخل در شبکه و محاسبه توان کل در این حالت نشان داده شد که میزان بهبودی واقعی به دست آمده 3.42db می باشد. روش پیشنهاد شده برای تخصیص توان آگاه از تداخل، برای اندازه های مختلف کلاستر در روش استفاده مجدد فرکانسی نیز قابل پیاده سازی است.

یکی از راهکارهای مناسب برای استفاده ی بهینه از منابع در شبکه های مخابراتی با پیکربندی پویا، (شبکه با تعداد کاربران و qos متغیر)، تطبیق توان و شکل موج کاربران در فرستنده است. تحقیقات زیادی در زمینه ی تطبیق شکل موج در فضای سیگنال های متعامد و همچنین کنترل توان انجام گرفته است. اخیراً الگوریتم های توزیع شده ای مبتنی بر نظریه ی بازی غیر مشارکتی تفکیک پذیر، برای تطبیق توام شکل موج و توان در شبکه های cdma با کانال ایده آل پیشنهاد شده است. در این پایان نامه لینک فراسوی یک سیستم همزمان cdma تک سلولی درنظر گرفته شده است. در الگوریتم های تطبیق شکل موجی که تا کنون ارائه شده اند، معمولاً کانال بین فرستنده و گیرنده، ایده آل در نظر گرفته شده است. در این جا ضمن تعمیم الگوریتم تطبیق شکل موج توأم با کنترل توان، به حالتی که کانال بین فرستنده و ایستگاه پایه انتخاب گر فرکانس است، ایرادات فنی موجود در پیشینه ی پژوهش (در اثبات وجود تعادل نش و استخراج الگوریتم تطبیق شکل موج)، مورد بررسی قرار گرفته و بر طرف شده اند. علاوه بر وجود تعادل نش برای بازی تطبیق شکل موج، بهینگی نقطه ی ثابت الگوریتم ارائه شده نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. پیش از این شکل موج ها و توان های بهینه برای دستیابی به sinrهای مطلوب در سیستم فوق بدست آمده است. ثابت خواهد شد که در حضور نویز سفید، در نقطه ی ثابت الگوریتم شکل موج ها و توان کاربران همان شکل موج های بهینه موسوم به دنباله های gwbe خواهد بود. در چنین نقطه ی ثابتی فیلتر منطبق و فیلتر mmse دارای کارایی یکسان هستند. در گذشته، ظرفیت کاربری به عنوان بیشینه تعداد کاربران مجاز در شبکه به ازای واحد گین پردازش مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین ناحیه ی مجاز بودن کاربران برای حالتی که قید توان دریافتی برای کاربران در نظر گرفته نشده است مورد بررسی قرار گرفته است. در این جا نشان داده ایم که قید بیشینه توان دریافتی در گیرنده باعث کوچک شدن ناحیه ی مجاز بودن کاربران می شود. همچنین معیاری برای تشخیص مجاز بودن کاربران با قید توان دریافتی ارائه داده ایم. همواره نمی توان فرض کرد که تمام کاربران موجود در شبکه دارای فرستنده های مجهز به رادیو نرم افزارها با قابلیت تطبیق شکل موج هستند. در بسیاری از موارد تلفیقی از کاربران با شکل موج ثابت و کاربران با شکل موج متغیر در شبکه حضور دارند. این کاربران ثابت می توانند کاربران مربوط به خود شبکه و یا مربوط به کاربران فعال در سلول های کناری باشند. در این پایان نامه نشان داده شده است که اگرچه برخی از کاربران قادر به تطبیق شکل موج خود نیستند، تقریباً همیشه، الگوریتم تطبیق شکل موج منجر به شکل موج هایی می شود که علاوه بر بهینگی برای کاربران متغیر، موجب بهینگی شکل موج های کاربران ثابت نیز می شود. به عبارت دیگر در نقطه ی ثابت الگوریتم هریک از کاربران کم ترین انرژی تداخل به علاوه ی نویز را احساس می کنند.

تکنولوژی رادیوی شناختی، به منظور حل مشکل کمبود و عدم استفاده بهینه از طیف فرکانسی در شبکه های مخابراتی بی سیم بوجود آمده است. این تکنولوژی مشکل استفاده غیر بهینه از طیف فرکانسی که ناشی از قوانین فعلی تخصیص فرکانس است را با استفاده از روش های تخصیص فرکانس به صورت پویا حل می نماید. پایه و اساس سیستم های رادیویی شناختی حس کردن طیف فرکانسی کاربران اولیه و در نتیجه آشکارسازی حفره های طیفی می باشد. حفره های طیفی هم در زمان و هم در مکان یافت می شوند. در این پایان نامه قصد داریم یک روش آشکارسازی حفره های جغرافیایی به صورت مشارکتی در یک کانال سایه افکنی لگنرمال با نویز جمع شونده گوسی ارائه دهیم. مسئله طرح شده برای آشکارسازی حفره های جغرافیایی به این صورت است که رادیوهای شناختی می بایست به صورت مشارکتی تعداد، مکان و توان ارسالی کاربران اولیه را در یک ناحیه جغرافیایی مشخص بدست آورند. در این حالت شبکه کاربران اولیه به صورت یک شبکه با تعدادی نقاط نامزد در نظر گرفته می شوند. با در دست داشتن اطلاعات تعداد، مکان وتوان ارسالی کاربران اولیه، این امکان به شبکه رادیویی شناختی داده می شود که به صورت همزمان با کاربران اولیه از باند فرکانسی کاربران اولیه در قسمت هایی از ناحیه جغرافیایی استفاده نمایند. روش پیشنهادی آشکارسازی حفره های جغرافیایی شامل دو فاز تخمین کانال و حس کردن طیف فرکانسی کاربران اولیه می شود که هم در فاز تخمین کانال و هم در فاز حس کردن طیف فرکانسی کاربران اولیه، روش های جدیدی پیشنهاد می شود. به منظور به دست آوردن تعداد، مکان و توان ارسالی کاربران اولیه، رادیوهای شناختی نیازمند تخمین و ردگیری گین کانال هستند. در این پایان نامه یک روش پشنهادی تخمین کانال با استفاده از مفهوم kriging و با استفاده از کالمن فیلتر توسعه یافته ارائه می شود. روش پیشنهادی تخمین کانال در دو حالت مشارکتی و غیر مشارکتی مورد بررسی قرار می گیرد. بعد از تخمین کانال، رادیوهای شناختی به صورت مشارکتی اقدام به حس کردن طیف فرکانسی کاربران اولیه می نمایند. در این قسمت فرض بر این است که هیچ اطلاعات اولیه در مورد تعداد، مکان و توان ارسالی کاربران اولیه در دسترس شبکه رادیویی شناختی قرار ندارد. در قسمت حس کردن طیف فرکانسی کاربران اولیه، از خاصیت پراکندگی بردار توان کاربران اولیه که ناشی از محدودیت های تداخلی که بر روی شبکه کاربران اولیه در نواحی جغرافیایی وجود دارد، استفاده می شود و با استفاده از الگوریتم lasso تعداد، مکان و توان ارسالی رادیوهای شناختی تخمین زده می شود. در این قسمت نیز به منظور بهبود عملکرد الگوریتم lasso، یک الگوریتم lasso وزن دار پیشنهاد می شود که شبیه سازی های انجام شده، بهبود عملکرد الگوریتم پیشنهادی را نشان می دهد.

دایورسیتی مشارکتی می تواند افزایش چشم گیری در ظرفیت شبکه های بی سیم فراهم کند که بوسیله گره های موبایل در شبکه که به برقراری ارتباطات یکدیگر کمک می کنند، محقق می شود. این دایورسیتی به عنوان یکی از راه های موثر برای غلبه بر اثرات مخرب کانال همانند فیدینگ چندمسیره، سایه افکنی ، تلفات مسیر و تداخل، مطرح است. رله ها در این سناریو با کمک کردن به رله منبع، نسخه هایی از سیگنال منبع را به مقصد رسانده و با فراهم کردن دایورسیتی اضافی، کیفیت سیگنال را نیز بهبود می دهند. در مقالات، طرح های مختلفی از مخابرات مشارکتی مطرح شده که از مهمترین آنها میتوان به تقویت-ارسال (af)وکدبرداری-ارسال(df) اشاره کرد. در این پایان نامه ، ابتدا به بررسی شکل دهی پرتو توزیع شده در شبکه های رله تک کاربره می پردازیم. سپس به طراحی ضرایب شکل دهی پرتو در شبکه چند کاربره با رله چند ورودی چند خروجی(mimo ) می پردازیم. سیستم های mimo به خاطر توانایی شان در پشتیبانی سرعت بالای دیتا و بهبود شبکه های بی سیم، مورد مطالعه بسیاری بوده است. در کار ما فرض شده است که رله ها آمارگان مرتبه دوم کانال های منبع-رله و رله-مقصد را در اختیار دارند و از پروتکل تقویت و ارسال دوگامی استفاده شده است. گام اول شامل ارسال سیگنال از منبع به رلهmimo- وگام دوم شامل ارسال یک نسخه تقویت شده وتنظیم فاز شده از سیگنال دریافتی، به سمت مقصد است. هدف این پایان نامه بدست آوردن ضرایب شکل دهی پرتو در رله mimo است بگونه ای که علاوه بر مینیمم کردن توان ارسالی رله ، سیگنال به نویز و تداخل (sinr) در تمام گره های مقصد، بالاتر از یک سطح آستانه باقی بماند. نشان می دهیم که یک چنین مسئله بهینه سازی یک مسئله غیرمحدب است و از نمونه مسئله هایی است که هم تابع هدف و هم قیود درجه دوم اند (qcqp). در روش ارائه شده در این پایان نامه ابتدا با استفاده از تکنیک ساده سازی مسئله را به یک مسئله sdp تبدیل می کنیم و با استفاده از تکنیک تصادفی به طور موثر به جواب می رسیم. شکل دهی پرتو به خاطر کاهش پیچیدگی های سخت افزاری کاربرها و صرفه جویی در توان محاسباتی، تنها در گره mimo رله در نظر گرفته شده است. در نهایت با معرفی سیستم cdma به عنوان یک تکنیک دسترسی چندگانه کانال، که با تخصیص یک کد یکتا به هر کاربر امکان دسترسی چندگانه کانال را در یک فرکانس و یک زمان ایجاد می کند، مدل سیستم را به رله mimo-cdma تعمیم می دهیم و نشان می دهیم که توان مصرفی شبکه به حد قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.

در این رساله مسئله ظرفیت و تخصیص منابع در سیستم رله چند پرشی در کانال گوسی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در این کانال که سیگنال منبع و سیگنال تمامی رلهها به یکدیگر و به گره مقصد می رسند، در حالت کلی دو کران پایین و بالای ظرفیت وجود دارد که مقدار عددی آن برای تعداد پرش بیش از دو، در کانال گوسی تاکنون به دست نیامده بود. در این رساله برای سیستم تک آنتنی و چند آنتنی، کران بالا و پایین ظرفیت در قالب مسئله تخصیص توان و ماتریس های همبستگی رلهها ارائه میگردد که جواب آنها کران بالا و پایین ظرفیت می باشد. نوآوری اصلی در طرح مسئله تخصیص منابع و فرمول بندی مسئله به گونهای است که این مسائل محدب و قابل حل با روش های عددی موثر و همگرا به جواب بهینه مطلق باشند. همچنین در یک سناریوی چیدمان رلههای چند آنتنی، مثالهایی می آوریم که این دو کران براساس سناریوهای چند پرشی (بیش از دو پرش) برای اولین بار به صورت عددی با هم مقایسه می شوند. کران پایین ظرفیت به علت قابل حصول بودن توسط کدگذاری مارکف و کدبردار موثر پنجره لغزان، در این رساله بیشتر تحلیل میشود و بر مبنای آن دو مفهوم شنود محدود و همکاری محدود برای کاستن پیچیدگی حل مسئله تخصیص منابع در ازای از دست دادن ناچیز عملکرد معرفی میشوند که نو آوری دیگر این رساله می باشد. ابعاد مسئله در هر یک از روش های مطرح شده را به صورت دقیق به دست میآوریم تا میزان پیچیدگی محاسباتی هر کدام را به صورت شفاف مقایسه کنیم. نوآوری دیگر این رساله تخصیص منابع در کانال رله چند کاربره است. ابتدا با استفاده از کران پایین ظرفیت (بر مبنای کدبردار و ارسال)، یک شبکه رله چند کاربره متشکل از چندین منبع و رله را با استفاده از نظریه بازی بر مبنای مدل بازار معرفی مینمائیم. سپس مسئله تخصیص منابع به صورت توزیع شده بر مبنای نظریه بازی را به هدف تخصیص توان و ماتریس های همبستگی طراحی مینماییم. همچنین با تعریف تابع سودمندی برای گره های رله، انگیزه عملی برای مشارکت در ارسال اطلاعات گره های منبع را در آنها ایجاد مینماییم. دارائی مهم در مدل بازار، توان گره هاست و با قیمت گذاری بر روی آن، رلهها تلاش می کنند تابع سودمندی خود را بیشینه سازند. مسئله تخصیص منابع در شبکه رله کدبردار چند پرشی، که گره های رله از تمام گره های قبل از خود اطلاعات دریافت می کنند، به صورت گسسته با استفاده از نظریه بازی مورد تحلیل قرار می گیرند و الگوریتم های گسسته برای رسیدن به نقطه ثابت تعادل بازی ارائه میگردد. در واقع بر مبنای مدل خریدار-فروشنده توان، یک بازی چند پیشرو-پیرو به دست میآید که نقطه ثابت بازی و همگرائی آن را در این رساله نشان می دهیم. عمده ترین ابزار ریاضی که در تحلیل این بازی به کار خواهیم گرفت، عملگر مزدوج محدب توابع است که تحلیل این نوع بازی را بسیار ساده می نماید. استفاده از این ابزار به صورت سیستماتیک برای اولین بار در این رساله مورد استفاده قرار می گیرد که به علت تاکید بر روی خواص مفید این عملگر، میتواند در بازیهای مدل شده بر اساس خریدار-فروشنده استفاده شود. به علت ارتباط بسیار زیاد محتوای این رساله با نظریه بازی، در بخشی از رساله بازی چند پیشرو-پیرو که از مهمترین بازی های دومرحله ای است به صورت بنیادی مورد تحلیل قرار گرفته و بر اساس یک مفهوم جواب جدید به نام تعادل نش محلی، شرایط کافی وجود جواب برای بازی های چند پیشرو-پیرو به دست آورده شده است. نتایج مرتبط با اثبات تعادل نش محلی بسیار مجرد و بنیادی است و می تواند در هر نوع بازی دو مرحله ای به کار گرفته شود.