شماره مدرك
20979
شماره راهنما
2457 دكتري
پديد آورنده
كنعاني، پريسا
عنوان
بهينهسازي سيستمهاي يكپارچه حسگري و مخابراه با بهرهگيري از سكوهاي ارتفاع بالا در شبكههاي 66
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مخابرات سيستم
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
هجده، 144ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
ايستگاههاي سكوي با ارتفاع بالا (HAPS) , شبكههاي غير زميني (NTN) , نسل ششم مخابراتي (6G) , يكپارچهسازي حسگري و مخابراه (ISAC)
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/30
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي برق
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/02
كد ايرانداك
23194273
چكيده فارسي
شبكههاي نسل ششم (6G)، در مسير دستيابي به نرخ دادههاي فوقالعاده بالا، پوشش يكپارچه و قابليتهاي حسگري دقيق، با چالشهاي اساسي در معماري و بهينهسازي سيستم مواجه هستند. در اين بستر، حسگري و مخابرات يكپارچه (ISAC) به عنوان يك فناوري كليدي نويدبخش، بهينهسازي كارايي طيفي و انرژي را ميسر ميسازد. با اين حال، دستيابي به تخصيص منابع بهينه و تضمين عدالت (Fairness) در محيطهاي راديويي پيچيده و ديناميك، مستلزم توسعه راهحلهاي پيشرفتهاي است. اين رساله، يك چارچوب جامع و نوآورانه ISAC را براي شبكههاي 6G، با بهرهگيري از ايستگاههاي سكوي با ارتفاع بالا (HAPS) ارائه ميدهد.
برخلاف رويكردهاي سنتي، اين رساله به ارائه و ارزيابي تطبيقي الگوهاي نوين معماري شبكه مبتني بر HAPS با هدف تحقق همافزايي ميان عملكردهاي ارتباطي و حسگري در شبكههاي ارتباطي سيار فراگير، ميپردازد. در اين راستا، دو مدل معماري متمايز تحليل و مقايسه ميشوند: (1) يك ساختار متمركز كه در آن HAPS به تنهايي نقش ايستگاه پايه ماكرو (SMBS) را ايفا ميكند، و (2) يك معماري سلسلهمراتبي و مشاركتي كه در آن HAPS به عنوان يك واحد پردازش مركزي (CPU) عمل كرده و پهپادها (UAV) به عنوان نقاط دسترسي هوايي ديناميك و منعطف به كار گرفته ميشوند. عملكرد اين الگوها تحت سناريوهاي كاربري متنوع، شامل كاربران مخابراتي تكآنتنه و چندآنتنه، به صورت كمي مورد ارزيابي قرار ميگيرد. بهمنظور بيشينهسازي كيفيت سرويس براي كاربران چندآنتنه، الگوريتمهاي آشكارسازي سيگنال پيشرفته نظير جبران صفر (ZF)، حداقل خطاي ميانگين مربعات (MMSE) و تركيب حداكثر نسبت (MRC) پيادهسازي ميشوند. نتايج كليدي اين رساله، نقشهاي مكمل و توانمنديهاي دوگانه ارتباطي-حسگري را در هر دو معماري برجسته ميسازد. ساختار HAPS متمركز، در ارائه پوشش فراگير ارتباطي و تحقق حسگري در مقياس كلان (نظير پايش محيطي) ظرفيت مناسبي دارد، در حالي كه ساختار سلسلهمراتبي با بهرهگيري از پهپاد، در پاسخگويي ديناميك به نيازهاي ترافيكي متغير (ارتباطات) و اجراي مأموريتهاي حسگري دقيق و هدفمند (نقطهاي) كارآمد است.
در اين رساله، دو رويكرد متفاوت براي مسئله بهينهسازي تخصيص منابع در سيستمهاي HAPS-ISAC بررسي شده است. در رويكرد اول، مسئله بهصورت تكهدفه مدلسازي شده است كه در آن هدف، بيشينهسازي حداقل بهره الگوي پرتو (max-min beampattern gain) ارسالي به سمت اهداف حسگري تحت قيد نسبت سيگنال به تداخل و نويز (SINR) كاربران مخابراتي و تخصيص توان است. در رويكرد دوم، مسئله بهشكل يك بهينهسازي چندهدفه و غيرمحدب مطرح شده كه در آن بهطور همزمان دو هدف دنبال ميشود: بيشينهسازي حداقل SINR براي كاربران مخابراتي و افزايش توان سيگنال بازتابي از اهداف حسگري، با در نظر گرفتن محدوديتهاي دقيق مربوط به تخصيص توان و بهره الگوي پرتو.
براي حل اين مسائل، ابتدا در مدل تكهدفه از الگوريتم ژنتيك (GA) بهعنوان ابزار جستجوي مقدماتي استفاده شده است. سپس براي حل مسئله چندهدفه، الگوريتم ژنتيك مبتني بر مرتبسازي نامغلوب نسخه دوم (NSGA-II) توسعه داده شده تا بهطور مؤثر مجموعهاي از راهحلهاي پارتو را استخراج كند. افزون بر اين، جهت ارزيابي عملكرد روشهاي پيشنهادي، يك عامل مبتني بر يادگيري تقويتي عميق (DRL) با معماري چندلايه پرسپترون (MLP) نيز طراحي و پيادهسازي شده است. همچنين براي اعتبارسنجي نتايج و مقايسه جامع روشها، از تحليلهاي رياضي بهره گرفته شده است و به منظور اعتبارسنجي دقيقتر، عملكرد مدل پيشنهادي با مراجع و مطالعات پيشين متمركز بر شبكههاي پهپادي مقايسه شده است.
نتايج شبيهسازيهاي گسترده، بهبود را در توازن ميان قابليتهاي حسگري و مخابراتي، افزايش قابل ملاحظه در حداقل SINR كاربران و دقت حسگري، و همچنين توزيع عادلانه منابع در شبكه، به اثبات ميرساند. اين مطالعه نشان ميدهد كه روش پيشنهادي مبتني بر NSGA-II، كارايي بالاتري را در دستيابي به اهداف چندهدفه نسبت به روشهاي يادگيري تقويتي عميق مورد مقايسه، ارائه ميدهد. اين دستاوردها، نه تنها به غناي دانش نظري در حوزههاي ISAC و 6G كمك ميكنند، بلكه رهنمودهاي عملي ارزشمندي را براي طراحي و پيادهسازي سيستمهاي مخابراتي نسل آينده فراهم ميآورند كه قادر به پاسخگويي به تقاضاهاي فزاينده براي ارتباطات فراگير و حسگري دقيق در اكوسيستمهاي پيچيده 6G هستند.
چكيده انگليسي
Sixth-generation (6G) networks, in their pursuit of ultra-high data rates, seamless coverage, and precise sensing capabilities, face fundamental challenges in system architecture and optimization. In this context, integrated sensing and communication (ISAC) emerges as a promising key technology, enabling improved spectral and energy efficiency. However, achieving optimal resource allocation and fairness in complex, dynamic radio environments requires advanced solutions. This dissertation presents a comprehensive and innovative ISAC framework for 6G networks based on high altitude platform stations (HAPS).
Unlike traditional approaches, this study proposes and comparatively evaluates novel HAPS-based network architecture patterns designed to create synergy between communication and sensing functions in ubiquitous mobile communication networks. Two distinct architectural models are analyzed: (1) a centralized structure in which the HAPS operates solely as a macro base station (SMBS), and (2) a hierarchical and collaborative architecture in which the HAPS acts as a central processing unit (CPU) while unmanned aerial vehicles (UAVs) serve as dynamic and flexible aerial access points. The performance of these patterns is quantitatively evaluated under various user scenarios, including single-antenna and multi-antenna user equipment (UE). To maximize quality of service for multi-antenna users, advanced signal detection algorithms such as zero-forcing (ZF), minimum mean square error (MMSE), and maximum ratio combining (MRC) are implemented. Results highlight the complementary roles and dual communication-sensing capabilities of both architectures. The centralized HAPS structure shows strong capacity for ubiquitous communication coverage and large-scale sensing, such as environmental monitoring, whereas the hierarchical UAV-based structure is more effective in responding dynamically to variable traffic demands and carrying out precise, targeted sensing missions.
This dissertation also investigates two approaches to resource allocation optimization in HAPS-ISAC systems. In the first, the problem is modeled as a single-objective optimization that maximizes the minimum beampattern gain transmitted toward sensing targets, subject to communication users’ signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints and power allocation. In the second, the problem is formulated as a multi-objective, non-convex optimization that simultaneously seeks to maximize the minimum SINR for communication users and enhance the reflected signal power from sensing targets, under strict constraints on power allocation and beampattern gain. To solve these problems, a genetic algorithm (GA) is first employed as a preliminary search tool for the single-objective model. Then, for the multi-objective problem, the non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) is developed to extract a set of Pareto solutions effectively. In addition, a deep reinforcement learning (DRL) agent with a multi-layer perceptron (MLP) architecture is designed and implemented to evaluate the performance of the proposed methods. Rigorous mathematical analysis is also used to validate the results and provide a comprehensive comparison.
Extensive simulation results demonstrate improvements in the trade-off between sensing and communication capabilities, significant increases in users’ minimum SINR and sensing accuracy, and fairer resource distribution across the network. The study shows that the proposed NSGA-II-based method achieves multi-objective goals more efficiently than benchmark deep reinforcement learning methods. These findings not only enrich the theoretical foundations of ISAC and 6G research but also offer practical guidelines for designing and implementing next-generation communication systems capable of meeting the growing demands for ubiquitous communication and precise sensing in complex 6G ecosystems.
استاد راهنما
محمود مدرس هاشمي , محمدجواد اميدي
استاد داور
محمدرضا تابان , احسان يزديان , مهرداد اردبيلي