ارتقای توان عملیاتی در سنجش طیف مشارکتی انرژی کارآمد بر پایه انتخاب سنسور

سنجش طیف مشارکتی در شبکه های سنسور شناختی، جهت توسعه عملکرد سنسور بسیار کارآمد است. سنسورها در این شبکه ها، با منابع انرژی محدود در نظر گرفته می شوند. ما یک سنجش طیف مشارکتی انرژی کارآمد را ارائه می کنیم که تمام سنسور های آن در سنجش طیف شرکت نمی کنند و بعضی از گره ها داده های خود را به یک مرکز همجوشی (فیوژن) ارسال می کنند تا توان عملیاتی شبکه را بهبود بخشند. گره هایی که طیف را می سنجند و نیز گره هایی که تنها در ارسال داده مشارکت دارند را تعین می کنیم. محدودیت های مسئله ما، احتمال کلی ردیابی، احتمال کلی هشدار اشتباه و حداقل توان عملیاتی مورد نیاز می باشد. بر اساس تکنیک های بهینه سازی استاندارد، شرایط بهینه بدست می آید و یک معادله به شکل بسته بیان می شود تا اولویت گره ها برای سنجش طیف و ارسال داده را تعیین کند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم های ما باعث مصرف انرژی کمتر و بهبود توان عملیاتی در شرایط مختلف می شود.

شبکه های بی سیم قدیمی توسط سیاست های تخصیص طیف ثابت تنظیم می شود تا در زمانبندی های مشخص، در پهنای فرکانس مشخص و در نواحی جغرافیایی مشخص عمل کنند. این تنظیمات شرایطی را ایجاد می کند که برخی پهناهای رادیویی بسیار شلوغ می شود، در حالی که سایر پهناها به طور متوسط یا بسیار کم اشغال می شوند. برای توسعه کاربری طیف، تکنولوژی رادیو شناختی (CR) به عنوان برنامه ارتباطی بالقوه معرفی شده است. وقتی دارندگان طیف دارای مجوز (کاربران اولیه) غیرفعال شوند، اگر با کاربران اولیه تداخل نداشته باشند کاربران ثانویه می توانند در طیف دارای مجوز عمل کنند،. چون کاربران اولیه باید از تداخل با کاربران ثانویه حفاظت شوند، سنجش طیف یک تابع اساسی برای ابزارهای رادیو شناختی می شود. اگر یک کاربر ثانویه از سایه افکنی یا نوسان سنگین رنج ببرد، سیگنال حس شده ضعیف می شود، در حالی که کاربر اولیه مخابره می شود که منجر به تصمیمات نادرست می شود. برای نشان دادن این مشکلات ضمن حفظ سادگی سنجش، طرح های سنجش مشارکتی پیشنهاد شده است که نتایج دریافت کاربران ثانویه چندگانه را ترکیب می کند. نویسندگان مرجع [5] نشان دادند که حساسیت مشارکتی می تواند زمان ردیابی کاربران اولیه را کاهش دهد و کیفیت کلی را افزایش دهد. چگونگی انتخاب کاربران ثانویه مناسب برای همکاری در مرجع [6] مطالعه شده است. نویسندگان مرجع [7]، طراحی طول شکاف سنجش را مطالعه کردند تا توان عملیاتی کاربران ثانویه را تحت محدودیت های مشخص به حداکثر برسانند.

در اکثر طرح های سنجش طیف،یک سناریو کاملا مشارکتی فرض می شود: تمام کاربران ثانویه به طور داوطلبانه مشارکت می کنند تا نتایج ردیابی خود را به یک مرکز همجوشی (فیوژن)(FC) گزارش کنند تا تصمیم گیری نهایی انجام شود. مطابق با مرجع [8]، لازم نیست تا تمام کاربران ثانویه در شبکه مشارکت کنند تا به عملکرد بهینه دست یابند. درعوض، تنها کاربران ثانویه با بالاترین نسبت سیگنال به نویز (SNR) دریافتی از کاربران اولیه در سنجش طیف شرکت می کنند.

مسئله ی دیگر، گره های سنسور است که برای سنجش طیف اعمال می شود و تحت انرژی محدود عمل می کند. به طور معمولی، از طریق باتری شارژ می شوند ، که در صورت اتمام، یا باید جایگزین یا شارژ شوند (برای مثال با استفاده از نیروی خورشیدی). برای برخی گره ها، هیچ گزینه ای وجود ندارد، یعنی وقتی منبع انرژی آنها اتمام یافت، دیگر قابل استفاده نیستند.

در مرجع [9]، کاربران ثانویه به دو گروه تقسیم می شوند: گره های سنجش که در سنجش طیف شرکت می کنند و گره های ارسال که داده ها را به مرکز FC ارسال می کنند. در هر حال، به حداقل رساندن مصرف انرژی برای گره ها در نظر گرفته نمی شود. نویسندگان مرجع [10] یک مسئله ارتباط معکوس سنجش- توان عملیاتی تحت سناریو سنجش مشارکتی را ارائه کردند که فرمولاسیون می شود تا یک جفت زمان سنجش و مقدار k را در خروجی k از قانون فیوژن N پیدا کند که توان عملیاتی کاربران ثانویه را به حداکثر برساند به نحوی که حفاظت کافی برای کاربران اولیه نیز فراهم شود.

در مرجع [11]، به حداقل رساندن مصرف انرژی با محدودیت های عملکرد ردیابی پیشنهاد می شود، درحالی که SNR برای تمامی سنسورها یکسان است. در هر صورت، این فرض واقعی نیست و تنها برای ساده سازی مسئله اعمال می شود.

در مقاله ما، یک SNR متفاوت برای هر سنسور درنظر می گیریم که مطابق با شرایط واقعی است (به دلیل فاصله متفاوت میان هر گره و کاربر اولیه). ما یک سنجش طیف مشارکتی با انرژی موثر را از طریق تعیین گره های سنجش و سنسورها ارائه می کنیم که در ارسال داده مشارکت می کند. محدودیت این مسئله، احتمال کلی ردیابی، احتمال کلی هشدار اشتباه و حداقل توان عملیاتی مورد نیاز می باشد. احتمال بیشتر ردیابی به معنای برخورد کمتر با ارسال کاربر اولیه است، در حالی که احتمال کمتر هشدار اشتباه به فرصت بیشتر برای استفاده از کانال بیکار می انجامد.

برای حل این مسئله، ما از روش بهینه سازی محدب استفاده می کنیم. بعد از بدست آوردن شرایط بهینه بر اساس شرایط Karush–Kuhn–Tucker (KKT) ، یک الگوریتم تکرار شونده پیشنهاد می شود تا گره های سنجش را برای سنجش طیف و گره ارسال داده ها را به منظور بهبود توان عملیاتی جستجو کند.

باقیمانده این مقاله به این صورت سازماندهی می شود: در بخش 2، مدل سیستم را توضیح می دهیم و احتمال کلی ردیابی و احتمال کلی هشدار اشتباه برای مسئله مان را بدست می آوریم. بیان مسئله انتخاب سنسور نیز در همین بخش بدست می آید. در بخش 3، تحلیل می کنیم که چگونه مسئله را با استفاده از الگوریتم های تحلیلی حل کنیم. در بخش 4، الگوریتمِ ما برای انتخاب گره های سنجش و ارسال پیشنهاد می شود. در بخش فرعی A، یک روش تحقیق بیضی برای حل مسئله بیان می شود. ما نتایج عددی و شبیه سازی را ارائه می کنیم تا ذخیره انرژی بدست آمده از طریق طرح پیشنهادی در بخش 5 را بدست آوریم. نتایج در بخش 6 ارائه می شود.