توصيفگر ها :
راديوهمزيستي , صفحات هوشمند بازتابنده , اينترنت اشياء , نسل ششم ارتباطات , بهره‌وري انرژي , بهره‌وري طيفي
چكيده فارسي :
در سال‌هاي اخير، نياز مردم به رشد و گسترش ارتباطات بي‌سيم بسيار افزايش يافته است. اين ارتباطات در مسير گسترش خود موانع فراواني داشته و متناسب با نيازهاي روزافزون كاربران، لازم است كه محققان فعاليت‌هاي پژوهشي بيشتري براي رفع اين موانع انجام دهند. اين موانع را مي‌توان ميزان مصرف انرژي بالا توسط سيستم‌هاي فعال، نياز به تخصيص فركانس‌هاي زياد براي برقراري ارتباطات كاربران متعدد با پهناي باند بالا و در نتيجه آن استفاده از منابع سخت‌افزاري قدرتمند و گران در هسته مركزي پردازشي شبكه، پوشش دهي سراسري ارتباطات با حذف نقاط كور در تمام كره زمين، نياز به وجود زيرساخت ارتباطي بين‌سلولي پرهزينه و... برشمرد.
لذا هدف اصلي در اين رساله، ارائه پيشنهاد براي رفع برخي از مشكلات اساسي در شبكه‌هاي نوين مخابراتي مي‌باشد. ابزارهاي مورد استفاده در اين طرح، دو فناوري تحت عناوين صفحات هوشمند قابل پيكربندي (RIS) و سيستم‌هاي راديوهمزيستي (SR) مي‌باشد. SR يك سيستم جديد پيشنهادي براي شبكه‌هاي نسل‌هاي آينده مخابرات مي‌باشد كه در آن يك سيستم ثانويه (كاربر)، از زيرساخت، فركانس و انرژي سيگنال‌هاي سيستم اوليه (فرستنده محيطي) براي ارسال اطلاعات خود، و يا افزايش قابليت اطمينان ارسال اطلاعات سيستم اول استفاده مي‌كند. همچنين صفحات RIS قابليت‌هاي بسياري مانند شكل‌دهي پرتو، افزايش توان سيگنال ارسال اوليه و افزايش سطح پوشش‌دهي شبكه با كمك انعكاس سيگنال‌هاي محيطي مورد نظر را دارند.
در طرح اول ارائه شده در اين تحقيق هدف كاهش ميزان مصرف انرژي و افزايش بهره‌وري انرژي در يك شبكه چند كاربره به صورت SR مي‌باشد. در اين راستا مدل‌سازي شبكه مخابراتي با استفاده از مساله بهينه‌سازي انجام شده و با استفاده از 2 روش رياضياتي تحت عناوين CQR و SQ اين مساله محدب شده و شبيه‌سازي مي‌گردد. در خروجي اين طرح مشاهده مي‌گردد كه كاهش مصرف انرژي در روش CQR بهتر انجام مي‌شود. همچنين خروجي روش پيشنهادي اين طرح در حالات مختلف فرستنده چند آنتني، حالت‌هاي چند كاربره، حالت‌هاي نزديك و يا دور بودن كاربران از فرستنده و گيرنده به صورت كامل شبيه‌سازي و تحليل مي‌شود. از طرفي قياسي ميان طرح مذكور و ساير تكنولوژي‌هاي ارتباطي IoT از نظر بهره‌وري طيفي و بهره‌وري انرژي انجام شده كه برتري روش ارائه شده در اين طرح را كاملاً مشهود مي‌سازد.
در طرح دوم ارائه شده در اين تحقيق، هدف افزايش مجموع نرخ تبادل اطلاعات ميان كاربران موجود در يك شبكه راديو همزيستي تعيين مي‌گردد. در اين حالت از سيستم STAR-RIS به صورت اكتيو در شبكه بهره مي‌بريم كه با كمك آن حتي به كاربراني كه فرستنده مركزي لينك ديد مستقيم ندارد، هم سيگنال مورد نظر را مي‌رسانيم. در اين طرح با استفاده از يك مساله بهينه‌سازي، شبكه و قيود آن را به صورت كامل مدل سازي كرده و سپس با استفاده از 3 روش نوين در زمينه يادگيري تقويتي عميق تحت عناوين PPO، TD3 و A3C شبكه را مدل سازي و شبيه‌سازي مي‌كنيم. تحت حالات مختلف در خروجي مشاهده مي‌كنيم كه روش A3C نسبت به دو روش ديگر برتري قابل توجهي در افزايش مجموع نرخ تبادل اطلاعات كاربران در شبكه دارد.
چكيده انگليسي :
In recent years, there has been a substantial surge in the public's demand for the growth and expansion of wireless communication. However, these communications encounter numerous challenges in their expansion journey. Aligned with the escalating needs of users, it becomes imperative for researchers to engage in more comprehensive research endeavors to overcome these hurdles. These challenges encompass issues such as the high energy consumption of active systems, the necessity to allocate more frequencies for establishing high-bandwidth communication among multiple users, resulting in the utilization of robust and costly hardware resources in the network's central processing core, and the achievement of global communication coverage while eliminating blind spots, necessitating an expensive intercellular communication infrastructure across the entire planet.
Hence, the primary objective of this thesis is to propose solutions to address some fundamental issues in modern telecommunication networks. The technologies employed in this project fall under the categories of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) and Symbiotic Radio (SR). SR represents a novel system suggested for future generations of telecommunication networks, where a secondary system (user) leverages the infrastructure, frequency, and energy of the signals from the primary system (ambient transmitter) to transmit its information or enhance the reliability of the primary system's data transmission. Additionally, RIS plates boast various capabilities, including beam shaping, amplifying the power of the initial transmission signal, and expanding network coverage by utilizing the reflection of desired environmental signals.
In the first plan presented in this research, the objective is to reduce energy consumption and enhance energy efficiency in a multi-user network utilizing SR. In this context, the telecommunication network is modeled using optimization problems, and two new mathematical methods, CQR and SQ, are employed to convexly and regularize this problem for simulation. The outcomes of this plan highlight that energy consumption reduction is more effectively achieved through the CQR method. Moreover, the proposed method's output is thoroughly simulated and analyzed under various scenarios, such as multi-antenna transmitter states, multi-user scenarios, and proximity or distance of users from the transmitter and receiver. Furthermore, a comparison is drawn between the proposed plan and other IoT communication technologies in terms of spectral efficiency and energy efficiency, clearly demonstrating the superiority of the presented approach.
In the second plan outlined in this research, the goal is to increase the overall rate of information exchange among users in a coexistence radio network. In this scenario, the STAR-RIS system is actively deployed in the network, enabling the delivery of the desired signal even to users without a line of sight link to the base station. Utilizing an optimization problem, the network and its constraints are comprehensively modeled, and three new methods in the realm of deep reinforcement learning, namely PPO, TD3, and A3C, are employed to model and simulate the network. Across various situations, the results underscore that the A3C method exhibits a significant advantage over the other two methods in increasing the total rate of information exchange among users in the network.
