شهریور 1390
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
بهینه­سازی جایگذاری گره­ها در محیط­های مختلف برای شبکه ­های حسگرفراپهن­باند مکان­یاب
 
به‌وسیله
ابوالفضل تاجمیرریاحی
 
سیستم­های مکان­یاب به سیستم­هایی گفته می­شود که بتوانند مکان یک جسم را در یک فضا تشخیص دهند. اینگونه سیستم­ها معمولا با بهره گرفتن از ارتباطات رادیویی، فاصله دو جسم را تشخیص داده و بعد از چندین اندازه­­­گیری از گره­های مختلف، مکان جسم را در منطقه مشخص می­ کند. از مهمترین سیستم­های جهانی مکان­یاب می­توان به سیستم­های مکان­یاب جهانی[1] و سیستم­های مکان­یاب نظامی روسیه[2]، سیستم مکان­یاب شهروندی اروپا[3] اشاره نمود.
با توجه به نیاز مکان­یاب­ها با دقت بالا و همچنین مکان­یابی درون فضاهای بسته استفاده از این سیستم­ها را کم اهمیت کرده و سیستم­هایی با سیگنال­های دقیق­تر دارای اهمیت بیشتری گشته­اند. از جمله این سیستم­ها استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند است که دارای پالس­های بسیار باریک و پهنای باند وسیع بوده و می­توانند تفکیک­پذیری زمانی خوبی داشته باشند.
از اینرو این سیستم­ها به عنوان پیشنهادی مناسب برای مکان­یاب­های دقیق فضاهای بسته مطرح می­شوند.
کلیه سیستم­های مکان­یاب دارای گره­های مرجع بوده که هر کدام فاصله مشخصی تا جسم گیرنده دارند و از اندازه ­گیری این فاصله­ها می­توان مکان گره­ها را پیدا کرد. از مهمترین عوامل اثبات شده در دقت سیستم­های مکان­یاب محل قرارگیری گره­های مرجع می­باشد. در دهه­های اخیر اهمیت این موضوع بررسی شده و راهکار­های مناسبی برای آن پیشنهاد شده است.
 
در برخی کاربردها می­توان خصوصیات رفتاری هدف را نیز مد نظر قرار داد. مثلا اینکه موقعیت هدف در اکثر زمان­ها در چه محدوده­ای از فضا باشد، در کاهش تعداد حسگر موثر است.
اگر بتوان تابع توزیع احتمال هدف در مختصات (x,y) را معلوم فرض کرد بنابراین می­توان از این تابع استفاده کرده و جایگذاری را به شکلی انجام داد که متوسط خطا مقدار دلخواه باشد. برای رسیدن به تابع توزیع هدف می­توان از فرض ارگادیک بودن فرآیند مکان هدف در زمان­ استفاده کرد و به نوعی به توزیع احتمالی آن نسبت داد. بنابراین با مطالعه بر روی تحقیقات انجام شده و استخراج معیار­ها برای مقایسه و دقت فاصله­یابی مناسب با بهره گرفتن از سیگنال­های فراپهن باند امید است با کاهش تعداد گره­های مرجع و استفاده از خصوصیات رفتاری هدف در شبکه بتوان به دقت مناسب رسید. اینگونه گره­ها باید دارای مکان مشخصی باشند تا بتوانند مکان گره هدف را تخمین بزنند. در این متن با فرض اینکه گره­های مرجع در هر نقطه که قرار گیرند دارای مکان معلومی باشند سعی می­شود این گره­ها در مکانی قرار گیرند که بتوانند دو شرط زیر را برآورد نمایند:
اول: در کل منطقه­ی تحت مراقب مکان گره هدف را بتوانند تخمین بزند.
دوم: متوسط خطای تخمین مکان گره هدف نیز در کل منطقه حداقل باشد.
از جمله عواملی که می ­تواند در دقت مکان­یابی موثر باشد محل قرارگیری گره­های مرجع در محیط تحت مراقبت می­باشد. اما موردی که فقدان آن در اکثر تحقیقات انجام شده مشهود است آنست که چنانچه گره مرجع سیار باشد جایگذاری مناسبی برای گره­های مرجع پیشنهاد نشده است. در این تحقیق علاوه بر آنکه راهکار مناسبی برای بهینه کردن محل گره­های مرجع ارائه شده است در چند محیط هم از آن استفاده شده و نتایج آن مشاهده گردیده است.
در آخر، مقایسه­ای بین توزیع گره­های مرجع به صورت تصادفی مانند سایر تحقیقات و روش پیشنهاد شده انجام گرفته و مشخص شده است که می­توان با بهره گرفتن از این روش برای دست­یابی به دقت مطلوب از تعداد گره­ی مرجع کمتری استفاده نمود.
از اینرو در این متن هدف آن است که بتوان با بهره گرفتن از سیستم­های مکان­یاب فراپهن­باند برای رسیدن به دقت دلخواه، مکان گره­های مرجع را به صورت بهینه بدست آورد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

فهرست مطالب
عنوان                                       صفحه
فصل 1: مقدمه 1
فصل 2: سیستم­های­فراپهن­باند5
2-1- مقدمه 5
2-2- خواص سیگنال­های فراپهن­باند 7
2-3- استانداردها درسیستم­های ­فراپهن­باند 9
2-4- مدولاسیون در سیستم­های­ فراپهن­باند 10
2-5- دسترسی چندگانه­ درسیستم­های فراپهن­باند 11
فصل 3: شبکه ­های­اقتضایی­بی­سیم.21
3-1- مقدمه 22
3-2- دسته­بندی سیستم­های مکان­یاب 22
3-3- دسته­بندی الگوریتم­های مکان­یاب در شبکه ­های حسگر.16
3-4- انواع روش­های فاصله­یابی.30
3-4-1- مکان­یابی بر اساس قدرت سیگنال. 31
3-3-2- مکان­یابی براساس زاویه رسیدن سیگنال32
3-3-3- مکان­یابی بر اساس زمان رسیدن سیگنال. 35
3- 5- استراتژی­های تشخیص پیک برای سیستم­های مکان­یاب زمانی39
3 – 6- مشکلات مکان­یابی براساس زمان40
3-7- تکنیک­های تخمین مکان42
3-8- فناوری­های در دسترس برای سیستم­های مکان­یاب.45
فصل 4: استفاده از فناوری فراپهن­باند برای سیستم­های مکان­یاب47
 
4-1- استفاده از سیگنال­های فراپهن­باند برای مکان­یابی.47
4-2- آشکارسازی سیگنال­های فراپهن­باند و بررسی مدل کانال در استاندارد 802.15.4a 65
4-3- باند­های تشخیص خطا 56
4-4- مدل کردن اندازه ­گیری­ها 59
4-5- باند خطای مکانی 61
4-6- فاصله­یابی بر اساس استاندارد 802.15.4a 65
فصل 5: بهینه­سازی سیستم­های مکان­یاب مبتنی بر فناوری فراپهن­باند. 67
5-1- استراتژی­های طراحی شبکه ­های مکان­یاب 66
5-2- دسته­بندی توپولوژی شبکه ­های حسگر برای مکان­یابی 67
5-3- اثر چگالی گره­ها در محیط برروی دقت مکان­یابی 69
5-4- هدف تحقیق 73
5-5- پیاده­سازی و شبیه­سازی طرح الگوریتم بهینه­ 73
5-5-1- موضوع طرح78
5-5-2- بررسی اثر فاصله روی باند خطای مکانی81
5-5-3- تشریح الگوریتم82
5-5-4- تست و شبیه­سازی الگوریتم برای محیط­های ساده.91
5-5-5- الگوریتم بر مبنای تعداد گره مرجع91
5-5-6- مقایسه توزیع تصادفی گره­ها با جایگذاری بهینه­ آن­ها.97
5-5-7- الگوریتم بهینه­یاب بر مبنای دقت دلخواه99
فصل 6: نتیجه­گیری وپیشنهادات 102
مراجع : 105
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جدول­ها
عنوان                                       صفحه
جدول1-1: کاربرد و دقت مورد استفاده برای انواع مکان­یابی.3
جدول2-1: پارامترهای مدل کانال IEEE UWB.20
جدول3-1: مقایسه روش­های مکان­یابی رایج.46
جدول4-1: مقدار بایاس و انحراف استاندارد برای پرکاربردترین موانع.54
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل­ها
عنوان                                       صفحه
شکل1-2: توان تشعشعی ایزوتروپیک موثر مجاز به­ ازای باندهای فرکانسی مختلف.7
شکل 2-2: روش­های مدولاسیون در سیستم­های فراپهن­باند.11
شکل3-2: روش­های مدولاسیون در سیستم­های فراپهن­باند.13
شکل2-4: معماری لایه­ها در شبکه ­های اقتضایی.15
شکل2-5: (a) پاسخ ضربه­ی مدل کانال برای IEEE 802.15.3a CH3 محور عمودی دامنه­ی کانال می­باشد، (b) تابع خودهمبستگی پاسخ ضربه­ی کانال .18
شکل3-1: استفاده از سه گره برای مکان­یابی.31
شکل3-2: منحنی تغییرات دقت بر حسب فاصله در روش RSSI32
شکل3-3: رسیدن جبهه موج به آرایه­ای از آنتن­ها33
شکل3-4: مکان­یابی با بهره گرفتن از زاویه رسیدن سیگنال.33
شکل3-5: مینیمم انحراف استاندارد بر حسب نسبت سیگنال به نویز با بهره گرفتن از زمان رسیدن سیگنال با پهنای پالس متفاوت34
شکل3-6: منحنی تغییرات کمینه خطای فاصله­یابی با بهره گرفتن از زمان رسیدن سیگنال بر حسب نسبت سیگنال.37
شکل 3-7: مکان­یابی با بهره گرفتن از تفاضل زمان رسیدن سیگنال.38
شکل3- 8: پروفایل تاخیر زمانی کانال.41
شکل3-9: پروفایل تاخیر زمانی کانال در عدم وجود دید مستقیم.42
شکل 4- 1: منحنی تغییرات باند پایین دقت مکان­یابی بر حسب نوع سیگنال­های مختلفTOA.48
شکل4-2 : منحنی تغییرات مینیمم دقت مکان­یابی با بهره گرفتن از روش TOA 50
شکل 4-3: تاثیر دیوار بر روی سیگنال52
شکل4-4:تاثیر سیگنال بر روی دیوار.54
شکل4-5: سیگنال دریافتی در محل­های مختلف محیط تحت مراقبت.55
شکل4-6: محیط آزمایشی تحت مراقبت.56
شکل 4-7: تغییرات باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز.58
شکل 4-8: باند پایین خطا زیو- زاکای و کرامر – رور به ازای تغییرات نسبت سیگنال به نویز در مدل کانال مختلف59
شکل 4-9: تابع توزیع چگالی با وجود بایاس با توزیع یکنواخت.61
شکل4-10: منحنی تغییرات ضرایب اهمیت بر حسب مقادیر بایاس متفاوت64
شکل 4-11: باند خطای مکانی بر حسب تغییرات مقدار بایاس65
شکل4-12: ساختار بسته­ی اطلاعاتی پروتکل فاصله­یاب در استاندارد IEEE.802.15.4a66
شکل 5- 1: توزیع منظم گره­ها و توزیع نامنظم گره­ها71
شکل 5-2: تغییرات دقت بر حسب چگالی گره­های مرجع.72
شکل 5-3: اثر چگالی گره­های مرجع برروی دقت73
شکل5-4: چیدمان گره­های مرجع برای هدف در مرکز دایره75
شکل5-5: ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف.76
شکل5-6: محاسبه ضرایب اهمیت متفاوت برای موانع مختلف.77
شکل5-7: اثر فاصله بر باند پایین خطای مکانی.82

آنتن های موجبر شکاف دار در سال 1943 در دانشگاه Mc-Gill معرفی شدند. ساختار ساده، بازده بالا و پلاریزاسیون خطی این تشعشع کننده ها ، باعث محبوبیت آن ها در بسیاری از کاربردهای راداری شده است. برای پلاریزاسیون عمودی و اسکن زاویه ای زیاد، شکاف های روی بدنه باریک موجبر استفاده می شود. یک شکل متداول از این شکاف ها، شکاف های اریب می باشد. کوپلینگ بین المان های مجاور، به صورت قابل ملاحظه ای سطح لوب کناری را تحت تاثیر قرار می دهد. برای شکاف های روی بدنه باریک موجبر یک فرمول بندی دقیقی در دسترس نیست. به دلیل فرورفتگی طول شکاف ها به بدنه پهن موجبر آنالیز تحلیلی این شکاف ها مشکل است. در این مورد معمولا نتایج اندازه گیری استفاده می شود که بسیار هزینه بر می باشد. در این کار با بهره گرفتن از نرم افزار CST-Microwave Studio که یک تحلیگر میدانی عددی تمام موج می باشد، رسانایی و طول های رزونانس شکاف ها با در نظر گرفتن اثر کوپلینگ به وسیله اعمال شرایط مرزی پریودیک، محاسبه می شود. یک نمودار رسانایی برای المان های متفاوت فراهم و برای طراحی یک آرایه موج رونده موجبر شکاف دار استفاده می شود. کج شدن شکاف ها باعث افزایش پلاریزاسیون متقاطع می شود. در این کار یک نمونه شکاف چرخش نیافته که پلاریزاسیون متقاطع بسیار کمتری را به وجود می آورد پیشنهاد می شود. ساختار پیشنهاد شده از لحاظ ساخت بسیار آسان بوده و دارای مزیت قابل تیونینگ بودن با حساسیت کم به تلرانس ساخت می باشد. در این مورد هم یک نمودار طراحی برای رسانایی شکاف ها که اثر کوپلینگ متقابل بین شکاف ها را در نظر می گیرد فراهم می شود. آرایه طراحی شده با این نمونه از شکاف ها با طراحی با شکاف های اریب مقایسه می شود تا بهبود پلاریزاسیون متقاطع را نشان دهد.
کلید واژه : آنتن های شکاف دار ، سطح لوب کناری ، پلاریزاسیون متقاطع ، موج رونده

فهرست مطالب

فصل1.مقدمه 2
فصل2.تئوری آنتن و آرایه ها 6
2-1. پارامترهای مهم آنتن. 7
2-1-1. پهنای باند فرکانسی. 7
2-1-2. الگوی تشعشعی 8
2-1-3. جهت دهندگی ، بهره و پلاریزاسیون. 9
2-2. آنتن های آرایه ای 14
2-2-1. آرایه خطی یکنواخت. 15
2-2-2. توزیع جریان تیلور. 18
2-3. خلاصه. 21
فصل3.معرفی آنتن های آرایه ای موجبر شکاف دار 22
3-1. معرفی انواع شکاف های تشعشع کننده بر روی بدنه موجبر 24
3-2. روش های محاسبه مشخصه های شکاف. 28
3-2-1. فرمول های Stevenson 29
3-2-2. تحلیل مدل پراکندگی 30
3-2-3. شکاف اریب روی دیواره کناری موجبر 32
3-3. طراحی آرایه های شکاف دار موجبری. 33
3-3-1. طراحی آرایه موجبر شکاف دار از نوع رزونانسی. 36
3-3-2. طراحی آرایه موجبری شکاف دار از نوع موج رونده. 48
3-4. خلاصه. 55
فصل4.آرایه موج رونده موجبر شکاف دار با شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر 57
4-1. مقدمه 57
4-2. روش طراحی آرایه موج رونده با شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر 58
4-2-1. برنامه متلب برای محاسبه توزیع جریان خطی تیلور: 58
4-2-2. بدست آوردن فاصله بین المان ها و بررسی تاثیرات آن بر پهنای باند و پترن. 60
4-2-3. بدست آوردن دامنه تحریک و رسانایی شکاف ها. 65
4-2-4. تعیین مشخصات شکاف ها 68
4-2-5. نتایج شبیه سازی آرایه موجرونده طراحی شده با شکاف اریب 74
4-3. خلاصه. 82
فصل5.شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر 84
5-1. مقدمه 84
5-2. نحوه تحریک شکاف های چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر 85
5-3. ساخار پیشنهاد شده برای کاهش پلاریزاسیون متقاطع 87
5-4. بدست آوردن رسانایی ساختار پیشنهاد شده. 88
5-5. آرایه موج رونده طراحی شده با ساختار پیشنهاد شده و نتایج شبیه سازی 89
5-5-1. پهنای باند. 91
5-5-2. الگوهای تشعشعی 91
5-6. آنالیز حساسیت ساختار پیشنهادی. 97
فصل6.نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای کارهای آتی 102
6-1. نتیجه گیری 102
6-2. پیشنهاد های کارهای آینده. 103


فهرست جداول
جدول‏4‑1 : رسانایی شکاف ها برای رسیدن به مشخصات پترن مطلوب 73














فهرست شکل­ها
شکل‏2‑1: آنتن به عنوان یک قطعه مبدل 13
شکل‏2‑2: مدارمعادل آنتن 16
شکل‏2‑3 : دوقطبیهرتز 17
شکل‏2‑4 : یک موج صفحه ای با پلاریزاسیون بیضوی 21
شکل‏2‑5 : آرایه خطی یکنواخت با N المان 23
شکل‏2‑6 : مقادیر مناسب برای سطح لوب های کناری متفاوت 26
شکل‏2‑7 : پترن وتوزیع جریان تیلوربرای سطح لوب کناری -15dB 26
شکل‏2‑8 : پترن و توزیع جریان تیلور برای سطح لوب کناری-25dB 27
شکل‏3‑1: اصل بابینه 29
شکل‏3‑2 : انواع شکاف روی بدنه یک موجبر مستطیلی 31
شکل‏3‑3 : توزیع جریان سطحی روی بدنه موجبر مستطیلی در مد غالب. 32
شکل‏3‑4 : تغییرات رسانایی و سوسپتانس بر حسب عمق شکاف. 39
شکل‏3‑5 : نمونه ای از یک آرایه صفحه ای موجبر شکاف دار 40
شکل‏3‑6 : آرایه موجبر خطی با شکاف رزونانس طولی الف)تغذیه از کنار ب)تغذیه از وسط 45
شکل‏3‑7 : یک نمونه آرایه خطی رزونانسی با شکاف موازی طولی 46
شکل‏3‑8 : نمونه هایی از آرایه صفحه ای موجبر شکاف دار 48
شکل‏3‑9 :نمونه هایی از آرایه صفحه ای موجبر شکاف دار از نوع رزونانسی 50
شکل‏3‑10 : نمونه ای از آرایه صفحه ای رزونانسی با تغذیه از وسط توسط شکاف های سری 51
شکل‏3‑11 : آرایه موج رونده ای که از وسط تغذیه می شود 56
شکل‏3‑12 : پترن آرایه موج رونده تغذیه از وسط 57
شکل‏4‑1 : توزیع جریان تیلور برای سطح لوب کناری -35db و پهنای بیم 1.9 درجه 65
شکل‏4‑2 : آرایه خطی موجبر شکاف دار موج رونده با شکاف های اریب برای زاویه 85 درجه 66
شکل‏4‑3 : VSWR در کل بازه فرکانسی برای آرایه با زاویه بیم اصلی 85 درجه 66
شکل‏4‑4 : پترن در راستای سمت در فرکانس 2.7 GHz 67
شکل‏4‑5 : پترن در راستای سمت در فرکانس 2.85 GHz 67
شکل‏4‑6 : پترن در راستای سمت در فرکانس 3 GHz 68
شکل‏4‑7 : پترن در راستای سمت در فرکانس 3 GHz 69
شکل‏4‑8 : VSWR در کل بازه فرکانسی برای آرایه با زاویه بیم اصلی 86.5 درجه 69
شکل‏4‑9 : پترن آرایه طراحی شده با نمودار های موجود در مراجع 74
شکل‏4‑10 : ساختار پیشنهاد شده برای بدست آوردن مشخصات شکاف اریب با اثر کوپلینگ متقابل 75
شکل‏4‑11 : تغییرات بر حسب عمق فرورفتگی شکاف برای Ө=7 درجه 76
شکل‏4‑12 : مدار معادل خط انتقالی unit-cell شکل 4-10 77
شکل‏4‑13 : نمودار رسانایی شکاف اریب بر روی بدنه باریک موجبر بر حسب زاویه شکاف ها 79
شکل‏4‑14: شمای کلی آرایه طراحی شده با شکاف های اریب روی بدنه باریک موجبر 79
شکل‏4‑15: اندازه آرایه طراحی شده با شکاف اریب 80
شکل‏4‑16 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85GHz در مختصات دکارتی 81
شکل‏4‑17 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85GHz در مختصات قطبی 82
شکل‏4‑18 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.7GHz در مختصات دکارتی 83
شکل‏4‑19 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.7GHz در مختصات قطبی 83
شکل‏4‑20 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 3GHz در مختصات دکارتی 84
شکل‏4‑21 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 3GHz در مختصات قطبی 84
شکل‏4‑22 : اندازه آرایه طراحی شده در باند x 85
شکل‏4‑23 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در باند x 86
شکل‏4‑24 : پترن پلاریزاسیون متقاطع آرایه موج رونده طراحی شده با شکاف اریب 86
شکل‏5‑1 : نحوه تحریک شکاف اریب روی بدنه باریک موجبر 89
شکل‏5‑2 : نحوه تحریک شکاف چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر 90
شکل‏5‑3 : ساختار پیشنهاد شده برای تحریک شکاف چرخش نیافته روی بدنه باریک موجبر 92
شکل‏5‑4 : رسانایی شکاف چرخش نیافته پیشنهاد شده بر حسب ارتفاع استوانه ها 93
شکل‏5‑5 : شمای کلی آرایه طراحی شده با ساختار پیشنهاد شده 94
شکل‏5‑6 : نمودار اندازه VSWR آرایه با ساختار پیشنهادی 95
شکل‏5‑7 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85GHz در مختصات دکارتی 96
شکل‏5‑8 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85GHz در مختصات قطبی 96
شکل‏5‑9 : پلاریزاسیون آرایه طراحی شده در فرکانس 2.85GHz 97
شکل‏5‑10: پترن وپلاریزاسیون متقاطع آرایه طراحی شده با نرم افزار HFSS 98
شکل‏5‑11 : الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.7GHz در مختصات دکارتی 98
شکل‏5‑12: الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 2.7GHz در مختصات قطبی 99
شکل‏5‑13: پلاریزاسیون متقاطع آرایه طراحی شده در فرکانس 2.7 GHz 99
شکل‏5‑14: الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 3GHz در مختصات دکارتی 100
شکل‏5‑15: الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده در فرکانس 3GHz در مختصات قطبی 100
شکل‏5‑16: پلاریزاسیون متقاطع آرایه طراحی شده در فرکانس 3GHz 101
شکل‏5‑17 : نمودار هیستوگرام رسانایی شکاف ها 102
شکل‏5‑18: اندازه VSWR آرایه طراحی شده با تالرانس100 میکرون 103
شکل‏5‑19: الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده با تلرانس 100 میکروندر فرکانس 2.85GHz 103
شکل‏5‑20: الگوی جهت دهندگی آرایه طراحی شده با تالرانس 100 میکروندر فرکانس 2.85GHz 104
شکل‏5‑21:پترن پلاریزاسیون متقاطع آرایه طراحی شده با تلرانس 100 میکرون در فرکانس 2.85GHz 104

می‌باشد. آنتن فرستنده از دو قسمت اصلی sideband وCarrier برای ارسال دو سیگنال 30 هرتز می‌باشد. عملکرد سامانه VOR بدین صورت است که اطلاعات سمت را از اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز مرجع و فاز متغیر استخراج می‌کند. اختلاف فاز برای هر موقعیت هواپیما، متفاوت می‌باشد. بعبارت دیگر اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز بسته به موقعیت هواپیما بطور خطی تغییر می‌کند. دو سیگنال 30 هرتز تحت مدولاسیون آنالوگ از ایستگاه زمینی ارسال می‌شوند. در پرواز، هواپیما این دو سیگنال را با سیگنال انعکاسی ناشی از سطح زمین، کوه و موانع نزدیک مانند آشیانه هواپیما و ساختمان دریافت می‌کند. سیگنال‌های چندمسیری باعث اختلال در آشکار‌سازی اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز در گیرنده VOR می‌شوند. هدف پایان‌نامه بررسی اثرات پدیده‌ چندمسیری بر سامانه CVOR و DVOR و مقایسه آنها از طریق مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستمی می‌باشد. در این خصوص اثرات پدیده چندمسیری بر سامانه‌های رادیویی، مدل‌سازی کانال مخابرتی، عملکرد ایستگاه زمینی و استخراج سیگنال ارسالی و شبیه‌سازی گیرنده مورد بررسی قرار گرفته است. سپس بطور خاص به بررسی کارایی سامانه VOR در شرایط چندمسیری پرداخته خواهد شد. در این پایان‌نامه سامانه‌های ناوبری CVOR و DVOR در شرایط چندمسیری مقایسه و تفاوت آنها در سناریو واقعی با وجود موانع بررسی شده است.
 
 
 

د
 
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                    صفحه
فصل اول : معرفی سامانه ناوبری CVOR و DVOR و شرح اصول عملکرد آنها   2
مقدمه 22
1-1- تعاریف و معرفی واژه‏ها 22
1-2- ماموریت و عملکرد سامانه VOR. 23
1-3- کاربرد‌های ناوبری سامانه VOR. 23
1-4- تشریح اصول عملکرد سامانه CVOR. 24
1-4-1- آنتن فرستنده CVOR. 25
1-4-2- ساختار و عملکرد ایستگاه زمینی CVOR. 25
1-4-3- پترن افقی فرستنده CVOR. 27
1-4-4- نحوه چرخش پترن آنتن باندکناری و ایجاد پترن قلبی شکل   28
1-4-5- دیاگرام فرستنده و سیگنال ارسالی 31
1-4-6- روابط سیگنال ارسالی CVOR. 33
1-4-7- طیف فرکانسی CVOR. 34
1-5- تشریح اصول عملکرد DVOR. 35
1-5-1- آنتن DVOR. 35
1-5-2- ساختار و عملکرد ایستگاه زمینی DVOR. 35
1-5-3- پترن افقی فرستنده DVOR. 38
1-5-4- نحوه چرخش الکتریکی آنتن‌های باندکناری. 38
1-5-5- بلوک دیاگرام فرستنده DVOR. 38
1-5-6- روابط سیگنال ارسالی DVOR. 39
1-5-7- طیف فرکانسی سیگنال دریافتی سامانه DVOR. 40
1-5-8- چک زمینی DVOR. 40
1-6- ناحیه مخروطی سکوت سیگنال VOR. 42
1-7- رابطه اختلاف فاز دو سیگنال 30 هرتز و موقعیت هواپیما در سامانه VOR. 42
1-8- مشخصات سایت زمینی VOR و اطراف آن. 43

ذ
1-9- گیرنده VOR. 44
عنوان                                                                                                     صفحه
1-9-1- اصول محاسبه سمت 44
1-9-2- عملیات پردازشی در گیرنده 44
1-9-3- سیگنال دریافتی در ورودی گیرنده 45
1-10- تعیین مشخصات سیگنالی لینک مخابراتی ایستگاه زمینی   45
1-11- پوشش سیگنال 46
1-12- پارامترهای سامانه ناوبری VOR. 47
1-13- نتیجه گیری 50
فصل دوم : بررسی تحقیقات انجام شده در خصوص CVOR و DVOR  51
مقدمه 52
2-1- خطای زاویه CVOR و DVOR در شرایط N منعکس‌کننده. 54
2-1-1- الگوریتم پردازشی سیگنال CVOR. 54
2-1-2- الگوریتم پردازشی سیگنال DVOR. 56
2-2- شبیه‌سازی خطای زاویه‌سنجی 61
2-3- نتیجه‌گیری 61
فصـل سوم : بررسی و شبیه‌سازی کانالهای مخابراتی هوایی   62
مقدمه 63
3-1- کلیات 63
3-2- مدل کانال چندمسیری برای لینکهای هوایی 65
3-2-1- فیدینگ مقیاس بزرگ 65
3-2-2- فیدینگ مقیاس کوچک 66
3-3- مدل آماری کانالهای زمین به هوا در باند VHF. 70
3-3-1- سناریو پرواز در مسیر 73
3-3-2- سناریوهای ورود و برخاست هواپیما 75
3-3-3- سناریو تاکسی 77
3-3-4- سناریو پارکینگ 78
3-4- تجمیع پارامترهای کانال در سناریوهای مختلف برای شبیه‌سازی   79

ر
3-5- روش انتخاب پارامترهای اتفاقی کانال برای سیستم پردازشی   80
عنوان                                                                                                   صفحه
3-6- شبیه‌سازی مدلهای آماری پوش سیگنال دریافتی در کانالهای زمین به هوا 81
3-7- نتیجه گیری 83
فصل چهارم : بررسی و شبیه‌سازی اثرات چندمسیری بر عملکرد سامانه ناوبری CVOR و DVOR . 84
مقدمه 85
4-1- ارائه پارامترهای گیرنده و کانال و شبیه‌سازی آن   85
4-2- روابط سیگنال دریافتی تحت تاثیر کانال 92
4-3- محاسبه محدوده داینامیکی گیرنده 94
4-4- آشکارسازی توان سیگنال دریافتی 95
4-5- تعیین خطای سامانه ناوبری تنها در حضور نویز و بدون سیگنال چندمسیری 98
4-6- تجمیع شرایط و پارامترهای در نظر گرفته شده و انتخاب سناریو   101
4-7- ارائه نتایج شبیه‌سازی 102
4-8- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری 115
فصل پنجم : نتیجه‌گیری و پیشنهادات 117
فصل پنجم 118
نتیجه‌گیری و پیشنهادات. 118
فهرست مراجع 120
>> پیوست <<. 122
پیوست 1 : تشریح جزئی اصول عملکردی آنتن Alford loop. 123
پیوست دو : فرکانس کانال‌های ارسالی و دریافتی سامانه VOR و LOC  125
پیوست سه : کد مورس 126
پیوست چهار : فیدینگ رایلی و رایس 127
 
 
 

ز
 
فهرست جداول
عنوان                                                                                                     صفحه
جدول 1-1- پارامترهای عمومی سیستم ]6[ 47
جدول 1-2- پارامترهای فرستنده ]6[ 48
جدول 1-3- پارامترهای مانیتور ]6[ 49
جدول 1-4- پارامترهای سیستمی آنتن ]6[ 49
جدول 2-1- شبیه‌سازی نتایج حاصل از مقاله با مقادیر واقعی42
جدول 3-1- متوسط rms گسترش تأخیر اندازه‌گیری شده در زوایای عمودی [16] 68
جدول 3-2- متوسط تعداد مؤلفه‌های چند مسیری را برای هر زاویه عمودی [17] 69
جدول 3-3- پارامترهای کانال رادیویی زمین به هوا در کلیه سناریوهای پروازی [13] 80
جدول 4-1- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 195 درجه (اختلاف فاز 15 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما . 88
جدول 4-2- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر225 درجه (اختلاف فاز 45 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 107
جدول 4-3- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 270 درجه (اختلاف فاز 90 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 108

ژ
جدول 4-4- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 315 درجه (اختلاف فاز 135 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 108
جدول 4-5- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 345 درجه (اختلاف فاز 165 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 109
جدول 4-6- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 45 درجه (اختلاف فاز 225 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 109
جدول 4-7- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 90 درجه (اختلاف فاز 270 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 110
جدول 4-8- نتایج شبیه‌سازی سامانه CVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 135 درجه (اختلاف فاز 315 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 110
جدول 4-9- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 195 درجه (اختلاف فاز 15 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 111

س
 
عنوان                                                                                                     صفحه
جدول 4-10- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 225 درجه (اختلاف فاز 45 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 111
جدول 4-11- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 270 درجه (اختلاف فاز 90 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 112
جدول 4-12- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 315 درجه (اختلاف فاز 135 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 112
جدول 4-13- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 345 درجه (اختلاف فاز 165 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 113
جدول 4-14- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه ، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 45 درجه (اختلاف فاز 225 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 113
 
 

ش
 
عنوان                                                                                                     صفحه
جدول 4-15- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 90 درجه (اختلاف فاز 270 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 114
جدول 4-16- نتایج شبیه‌سازی سامانه DVOR برای ثابت رایس برابر dB 6 و dB 15 در شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر، زاویه عمودی 10 درجه، موقعیت هواپیما در زاویه سمت برابر 135 درجه (اختلاف فاز 315 درجه) و با در نظر گرفتن 9 انعکاس دهنده در زوایای 5/22 ، 5/67 ، 5/112 ، 5/157 ، 180 ، 5/202 ، 5/247 ، 5/292 ، 5/337 در فاصله 10 کیلومتر از هواپیما 114
جدول 4-17- مقایسه نتایج شبیه‌سازی برای هر دو سامانه CVOR و DVOR با ثابت رایس dB 6 در زاویه سمت 315 درجه. 115
جدول 4-18- مقایسه نتایج شبیه‌سازی برای هر دو سامانه CVOR و DVOR با ثابت رایس dB 6 در زاویه سمت 45 درجه .116
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ص
 
فهرست شکلها و تصاویر
عنوان                                                                                                               صفحه
شکل 1-1- زاویه bearing و فاصله شعاعی. 23
شکل 1-2- استخراج موقعیت از دو ایستگاه VOR ]2[ 24
شکل1-3- آنتن CVOR از نوع حلقه آلفورد ]1[ 27
شکل 1-4- ساختار داخلی آنتن باندکناری و نحوه‌ی ایجاد چرخش الکتریکی ]1[ 27
شکل 1-5- پترن آنتن کریر 28
شکل1-6- الگوی تشعشعی چهار آنتن باند کناری ]2[ 28
شکل 1-7- مکان المان‌های آنتن باند کناری 29
شکل 1-8- فاز و پترن آنتن باندکناری 30
شکل 1-9- پترن قلبی شکل 30
شکل 1-10- موقعیت آنتن‌های سامانه CVOR. 30
شکل 1-11- نحوه چرخش الگوی قلبی شکل ]3[ 31
شکل 1-12- اثر چرخش پترن قلبی شکل در فضا 31
شکل1-13- بلوک دیاگرام سیگنال 30 هرتز مرجع 31
شکل 1-14- بلوک دیاگرام سیگنال 30 هرتز با فاز متغیر   32
شکل1-15- شکل سیگنال ارسالی با مدولاسیون فرکانس ]4[  34
شکل1-16- مجموع سیگنال آنتن کریر و sideband در فضا ]4[  34
شکل 1-17- طیف فرکانسی CVOR ]2[ 35
شکل 1-18- آنتن DVOR. 37
شکل 1-19- نحوه‌ی ارسال سیگنال درآنتن DVOR ]2[ 37
شکل 1-20- فرکانس داپلر ناشی از چرخش الکتریکی آنتن   38
شکل 1-21- بلوک دیاگرام قسمت کریر فرستنده 39
شکل1-22- بلوک دیاگرام قسمت باند کناری فرستنده 39
شکل 1-23- طیف فرکانسی فرستنده DVOR ]2[ 40
شکل 1-24- آنتن مانیتور چک عملکرد فرستنده DVOR ]5[ .22
شکل 1-25- یک شکاف مخروطی شکل وارونه ]5[ 42

ض
شکل 1-26- اختلاف فاز سیگنال مرجع با سیگنال فاز متغیر ]4[  43
عنوان                                                                                                               صفحه
شکل1-27- بلوک دیاگرام گیرنده VOR ]2[ 45
شکل 1-28- ناحیه دید مستقیم بر حسب ارتفاع و فاصله هواپیما   47
شکل 3-1- بلوک دیاگرام سامانه رادیویی ]15[ 65
شکل 3-2- تعداد متوسط مؤلفه‌های سیگنال برای 16 ناحیه تأخیر [17]   69
شکل 3-3- مدل کانال دو مسیری برای سناریو پرواز در مسیر ]13[  73
شکل 3-4- سناریو پرواز در مسیر و سیگنال منعکس‌شده ]13[  73
شکل 3-5- طیف توان داپلر غیر همه جهته ]13[ 74
شکل 3-6- طیف توان داپلر و طیف توان تأخیر برای سناریوهای پرواز در طول مسیر [13] 75
شکل 3-7- انتشار چندمسیری برای سناریو ورود و برخاست ]13[  76
شکل 3-8- طیف توان داپلر و طیف توان تأخیر برای سناریو ورود [13]   77
شکل 3-9- چندمسیری ناشی از سناریو تاکسی ]13[ 78
شکل 3-10- طیف توان داپلر و طیف توان تأخیر برای سناریو تاکسی [13]   78
شکل 3-11- انتشار چندمسیری برای سناریو پارکینگ ]13[  79
شکل 3-12- طیف توان داپلر و طیف توان تأخیر برای سناریو پارکینگ [27] 79
شکل 4-1- پترن گیرنده سامانه VOR. 88
شکل 4-2- مدل شبیه‌سازی سیستمی برای سیگنال دریافتی در خروجی گیرنده   88
شکل 4-3- پترن عمودی آنتن فرستنده زمینی 88
شکل 4-4- بلوک دیاگرام گیرنده VOR. 89
شکل 4-5- طیف فرکانسی خروجی آشکارساز دامنه بدون حضور سیگنال چندمسیری و نویز 89
‌‌ شکل 4-6- جداسازی سیگنال 30 هرتز مرجع بدون حضور سیگنال چندمسیری و نویز 90
شکل 4-7- جداسازی سیگنال 9960 هرتز FM بدون حضور سیگنال چندمسیری و نویز 90
شکل 4-8- سیگنال 30 هرتز با فاز متغیر پس از دمدولاسیون فرکانس سیگنال 9960 هرتز بدون حضور سیگنال چندمسیری و نویز   91
شکل 4-9- دو سیگنال 30 هرتز در ورودی مقایسه کننده فاز بدون حضور نویز 91

ط
شکل 4-10- خروجی آشکارساز دامنه با حضور نویز و سیگنال چندمسیری الف) برای محدوده فرکانسی صفر تا 10 کیلوهرتز ب) برای محدوده فرکانسی صفر تا 700 هرتز 92
عنوان                                                                                                             صفحه
شکل 4-11- سناریو در نظر گرفته شده برای محاسبه توان دریافتی بر حسب فاصله.75
شکل 4-12- (شکل بالا) توان دریافتی مسیر مستقیم و مسیرهای انعکاسی با تاخیرهای متفاوت بر حسب فاصله در شرایط فاصله مانع از گیرنده و فرستنده مطابق شکل (4-10) و ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر و سطح مقطع مانع از دید آنتن فرستنده و گیرنده برابر 500 500 مترمربع و (شکل پائین) توان دریافتی مسیر مستقیم و مسیرهای انعکاسی با تاخیرهای متفاوت بر حسب زاویه عمودی مسیر در شرایط فاصله مانع از گیرنده و فرستنده مطابق شکل (4-10) 95
شکل 4-13- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب زاویه عمودی مسیر در شرایط ارتفاع هواپیما و زاویه عمودی متغیر، فاصله زمینی برابر 60 کیلومتر (ثابت)، فرکانس 114 مگا‌هرتز، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات 96
شکل 4-14- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب زاویه عمودی مسیر در شرایط ارتفاع هواپیما و زاویه عمودی متغیر، فاصله زمینی برابر 160 کیلومتر (ثابت)، فرکانس 114 مگا‌هرتز، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات 96
شکل 4-15- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب زاویه عمودی در شرایط ارتفاع هواپیما 10 کیلومتر، فرکانس 114 مگا‌هرتز، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات 97
شکل 4-16- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب زاویه عمودی در شرایط ارتفاع هواپیما 5 کیلومتر، فرکانس 114 مگا‌هرتز، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات 97
شکل 4-17- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب فاصله برای شرایط ارتفاع هواپیما برابر 10 کیلومتر (ثابت)، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات و فرکانس کریر 114 مگاهرتز 98
شکل 4-18- توان سیگنال دریافتی مسیر مستقیم بر حسب فاصله برای شرایط ارتفاع هواپیما برابر 5 کیلومتر (ثابت)، توان ارسالی فرستنده برابر 100 وات و فرکانس کریر 114 مگاهرتز 98
شکل 4-19- مقایسه خطای زاویه‌سنجی سامانه CVOR و DVOR در شرایط زاویه عمودی برابر 10 درجه، ارتفاع هواپیما 10 کیلومتر 99
شکل 4-21- سناریو درنظر گرفته شده برای محاسبه خطای زاوسه‌سنجی بر حسب SNR. 100
شکل 4-22- خطای زاویه سمت بر حسب سیگنال به نویز در سمت برابر 195 درجه با در نظر گرفتن سیگنال چندمسیری مطابق شکل (4-21)   100

ظ
 
عنوان                                                                                                             صفحه

شهریور ماه 1392
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
بررسی و تحلیل ساختارهای انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو
به کوشش
امیدرضا دانشمندی
 
در طراحی مدارمجتمع نوری، حد پراش کوچک­سازی عناصر نوری را محدود می­ کند. پلاسمون پلاریتون­های سطحی که در سطح مشترک فلز و دی الکتریک انتشار می­یابند بر این محدودیت غلبه می­ کنند. یکی از موضوعاتی که در این پایان نامه مطالعه می شود بررسی آزمایشگاهی موجبرهای صفحه ای و کانالی دی­الکتریک-فلز-دی­الکتریک پلاسمونیک با ساختار پلیمر-نقره-منشور است. موج پلاسمونیک به روش معروف تزویج به وسیله منشور تحریک شد. یک روش آزمایشگاهی ساده نیز برای اندازه ­گیری طول انتشار موج پلاسمونیک نیز معرفی شد. یک پدیده جالب که در آزمایش­ها مشاهده شد اثرات پراکندگی امواج سطحی پلاسمونیک در انتهای نوار نقره بودکه یک ناپیوستگی را ایجاد می کند. این پدیده می ­تواند برای تزویج بین موجبرهای معمولی سه بعدی با موجبرهای پلاسمونیک استفاده شود. در حال حاضر این موضوع تحت بررسی برای طراحی تزویجگر های هایبرید پلاسمونیک است. علاوه­بر این در این پایان ­نامه، ساختارهای متناوب برگ که به عنوان انعکاس­دهنده و فیلتر در مدارهای نوری کاربرد دارند مطالعه می­شوند. ساختارهای هایبرید پلاسمونیک برای طراحی و شبیه­سازی انعکاس­دهنده­های برگ استفاده شد. انعکاس­دهنده­های هایبرید پلاسمونیک بر پایه توری­های سینوسی و دندانه اره­ای بررسی و با توری مستطیلی که پیش از این معرفی شده است مقایسه شد. نشان داده می­شود که توری دندانه اره ای در مقایسه سه توری با هم، مشخصات بهتری از خود نشان می دهد و این توری در مقایسه با توری­های مستطیلی و سینوسی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری را ایجاد می­ کند. همچنین نشان داده می­شود توری سینوسی که می ­تواند به­راحتی با تکنیک­های هولوگرافی ساخته شود، در مقایسه با توری مستطیلی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری است. علاوه بر این، عملیات آپودیزیشن توری دندانه اره­ای هایبرید پلاسمونیک بررسی شد و مشخص شد که با بهره گرفتن از این تکنیک می­توان به کاهش بیشتر اعوجاج در باند عبور و عرض باند قطع رسید.
کلیدواژگان: پلاسمونیک، پلاسمون سطحی، موجبر، فیلتر، انعکاس دهنده برگ.
 
 
 
فهرست مطالب
 
 

عنوان
صفحه
 
فصل اول:                مقدمه2
1-1         مقدمه و اهمیت موضوع.2
1-2         مروری بر تاریخچه.5
1-3         پلاریتون و پلاسمون پلاریتون سطحی.7
1-4           پلاسمونیک و اصصل عدم قطعیت (حد پراش)9
فصل دوم:                                                     مبانی نظری ساختارهای پلاسمون پلاریتون سطحی.14
2-1           معادلات ماکسول و انتشار امواج الکترومغناطیسی14
2-2           تابع دی‌الکتریک مدل گاز الکترون آزاد فلزات19
2-3           مقایسه تابع دی‌الکتریک فلزات واقعی با تابع دی‌الکتریک مدل پلاسما23
2-4           بررسی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی در مرز فلز-عایق.27
2-4-1    معادله موج27

عنوان
صفحه
2-5             رابطه پاشندگی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی32
2-6           گسترش فضایی امواج SPPs.38
2-6-1           عمق نفوذ پلاسمون‌های سطحی40
2-6-2             طول انتشار پلاسمون­های سطحی41
2-7             بررسی خواص SPPs در سیستم‌های چند لایه.43
2-8             تحریک امواج پلاسمون سطحی در مرزهای مسطح.51
2-8-1             تزویج به کمک منشور(یا به روش بازتابش تضعیف شده کامل (ATR)).52
2-8-2            تزویج با بهره گرفتن از توری.58
2-8-3               تحریک با بهره گرفتن از پرتوهای به شدت کانونی شده.61
2-8-4               تحریک بوسیله میدان نزدیک.63
2-8-5             روش‌های تزویج کردن مناسب پلاسمونها برای مدارات مجتمع از ادوات پلاسمونیکی و فوتونیکی .65
2-9             ساختارهای هایبرید پلاسمونیک.67
2-9-1             موجبرهای هایبریدپلاسمونیک: ترکیبی از موجبر دی­الکتریک و موجبرپلاسمونیک. 69
2-9-2             تحلیل نظری موجبرهای هایبرید پلاسمونیک71
2-9-2-1               توضیح ساختار و روش آنالیز ساختار یک بعدی.72
2-9-2-2               تحلیل موجبر دو بعدی هایبرید پلاسمونیک78
2-9-2-3               روش آنالیز و چند تعریف مهم.81

عنوان
صفحه
2-9-2-4               اثر تغییرات برخی پارامترها بر روی میزان بهبود موجبر هایبرید پلاسمونیک82
2-10           بازتابشکننده یا فیلتر برگ در کاربردهای پلاسمونیک86
2-10-1           ساختار فیلترهای برگ IMI89
2-10-2           ساختار فیلترهای برگ MIM94
2-10-3           ساختار فیلترهای برگ هایبرید پلاسمونیک.97
فصل سوم: ساخت موجبرهای پلاسمونیکی و ایده­ای برای اندازه­گیری طول انتشار پلاسمون­ها 107
3-1             شبیه سازی ساختار موجبر IMIصفحه ای.101
3-2             ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا).106
3-2-1             تحریک پلاسمون­های سطحی در موجبر صفحه­ای.107
3-3             ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها111
3-3-1               ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا).112
3-3-2               تحریک پلاسمون ها بر روی موجبر کانالی و مشاهده زاویه تزویج116
3-4             طراحی روشی برای اندازهگیری طول انتشار در ساختارهای IMI پلاسمونیک117
3-4-1                 روش و چیدمان اندازه گیری کننده کمره بیم تحریک کننده پلاسمونهای سطحی (بیم رسیده به قاعده منشور)119
3-4-2                 ساختار پیشنهادی برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمون­های

عنوان
صفحه
سطحی.121
3-4-3                 تزویج نور به موجبر پلیمری به کمک منشور(بدون لایه نشانی).127
3-4-4                 بحث و بررسی داده­ ها و نتایج آزمایش130
3-4-5                 راهکارهای افزایش دقت در روش پیشنهادی اندازه ­گیری طول انتشار.131
فصل چهارم: شبیه­سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک.134
4-1           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی138
4-2           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی.140
4-3           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای145
4-4           شبیه سازی کاهش اعوجاج در انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای.149
فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات.153
مراجع155
 
 
 
 
فهرست جدول­ها
 
 

عنوان وشماره
صفحه
 
جدول ‏2‑1: اثرات تغییر در ابعاد مختلف موجبر بر روی مشخصه­های آن84
جدول ‏3‑1: مشخصات محیط­های ساختار کرشمن در شبیه­سازی.102
جدول ‏3‑2: مقادیر زاویه­های تزویج و طول انتشار اندازه ­گیری شده در آنها131
جدول ‏4‑1: مقادیر محاسبه شده قسمت حقیقی ضریب شکست موثر برای مد هایبرید ساختار، براساس ضخامت لایه گپ و ارتفاع لایه سیلیکن136
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل­ها
 
 

شماره و عنوان
صفحه
 
شکل ‏1‑1: نمودار فراوانی تعداد مقالات چاپ شده در مجله NATURE در مباحث پلاسمون و فوتونیک کریستال7
شکل ‏1‑2: سطح عدد موج برای (a)یک امواج اپتیکی سه بعدی (b) امواج اپتیکی دو بعدی10
شکل ‏1‑3: نمونه­ای از امواج اپتیکی دو بعدی.11
شکل ‏2‑1: تابع دی الکتریک (2-26)گاز الکترون آزاد (منحنی پیوسته) و نتایج حاصل از اندازه ­گیری­های جانسون و کریستی(منحنی­های نقطه چین).گذار های بین باندی اعتبار مدل درود را در فرکانس­های مرئی و بالاتر محدود می­ کند[8]24
شکل ‏2‑2: قسمت حقیقی(نمودار سمت چپ) و قسمت موهومی(نمودار سمت راست) مربوط به فلز طلا متناظر با معادله (2-26)25
شکل ‏2‑3: قسمت های حقیقی و موهومی فلز نقره. منحنی نقطه چین نتایج حاصل از اندازه گیری جانسون و کریسیتی و منحنی پیوسته نتایج حاصل از مدل درود را نشان می دهد[8].25
شکل ‏2‑4: ساختار یک موجبر مسطح که در آن موج در دستگاه مستطیلی در راستای x منتشر می شود29

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏2‑5: مرز مشترک بین یک فلز و یک دی­الکتریک ساده­ترین ساختار برای انتشار SPPs است.33
شکل ‏2‑6: منحنی پاشندگی برای سطح مشترک یک فلز با مدل درود با ضریب خاموشی ناچیز و دی­الکتریک هوا(منحنی خاکستری رنگ) و دی الکتریک سیلیکا(منحنی سیاه رنگ)37
شکل ‏2‑7: رابطه پاشندگی SPPs در مرز نقره-هوا (منحنی خاکستری رنگ) و نقره-سیلیکا (منحنی سیاه رنگ)، با درنظر گرفتن قسمت موهومی تابع دی­الکتریک نقره[8]42
شکل ‏2‑8: ساختار یک سیستم سه لایه که در آن یک لایه نازک(محیط ) بین دو لایه ضخیم(محیط و محیط ) قرار گرفته است43
شکل ‏2‑9: نمایش مولفه x میدان الکتریکی برای مدهای زوج و فرد47
شکل ‏2‑10: منحنی پاشندگی مدهای فرد و زوج برای ساختار سه لایه هوا-نقره-هوا با ضخامت لایه فلزی 100nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و با ضخامت 50nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی ساختار پایه نقره-هوا (منحنی پیوسته). برای تابع دی­الکتریک نقره از مدل درود با ترم موهومی ناچیز استفاده شده است48
شکل ‏2‑11: منحنی پاشندگی برای مد تزویج شده اصلی در ساختار سه لایه نقره-هوا-نقره با ضخامت لایه هوا میانی 100 nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و 50 nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ) و 25 nm (منحنی پیوسته سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی پلاسمون سطحی در یک سطح مشترک نقره-هوا (منحنی پیوسته خاکستری رنگ) و خط پاشندگی نور در هوا (خط خاکستری رنگ) رسم شده است.50
شکل ‏2‑12: بازتاب کامل نور در داخل منشور. منشور یک محیط عایق یا تابع دیالکتریک است که اطراف آن هوا یا خلا با تابع دیالکتریک است53
شکل ‏2‑13: (a) ساختار اتو. یک لایه نازک هوا بین منشور و سطح فلز وجود دارد. (b) منحنی پاشندگی یک سطح مشترک نقره-هوا همراه با خط پاشندگی در هوا (خط چین) و در محیط

شماره و عنوان
صفحه
منشوری که از جنس سیلیکا (نقطه چین) است. در نقطه A یک مد SPP با بردار موج   توسط نوری با فرکانس   و زاویه تابش   تحریک شده است.54
شکل ‏2‑14: (a) ساختار کرشمن-ریچر. فلز بر روی منشور لایه نشانی شده است. (b) منحنی پاشندگی سطح مشترک نقره-هوا و نقره-منشوهمراه با خط پاشندگی نور در هوا (خط چین) و در منشور از جنس سیلیکا (نقطه چین). نور تابشی می تواند یک مد SPP را در نقطه Aتحریک کند55
شکل ‏2‑15: دیاگرام برداری فرایند تزویج نور روی سطح فلز به کمک توری .60
شکل ‏2‑16: دیاگرام برداری فرایند دکوپلینگ نور از سطح فلز به کمک توری.60
شکل ‏2‑17: ساختاری برای تحریک پلاسمون های سطحی با بهره گرفتن از میکروسکوپ شیء و آشکار کردن آن از طریق امواج نشتی62
شکل ‏2‑18: (a) شدت امواج نشتی ناشی از تحریک توسط میدان با قطبشTM که نشان دهنده انتشار پلاسمونهای سطحی از نقطه تحریک است. (b) با توجه به اینکه تحریک توسط میدان با قطبش TE است تحریک پلاسمونها انجام نشده است63
شکل ‏2‑19: تحریک پلاسمون­های سطحی با بهره گرفتن از میدان­های نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج64
شکل ‏2‑20: یک چیدمان معمول برای اعمال یا اندازه گیری میدان نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج که برای تحریک و اندازه ­گیری پلاسمون­های سطحی استفاده می­شود. (a) تصویر SEM از روزنه یک پروب. (b)و© دو چیدمان معمول از تحریک و آشکارسازی پلاسمون­های سطحی از طریق نور منتشر شده داخل زیرلایه در میدان دور . (d)تصویر یک لایه نازک نقره65
شکل ‏2‑21: تحریک پلاسمون­های سطحی منتشر شده بر روی سطح موجبر پلاسم.نیک با بهره گرفتن از روش Fiber Taper. شدت توان انتقالی از فیبر در طول موج 1590 nm به شدت

شماره و عنوان
صفحه
کاهش یافته که ناشی از تحریک پلاسمون­ها است.67
شکل ‏2‑22: (a) نمایی از موجبر هایبرید. (b)و©توزیع چگالی توان بهترتیب برای مد TM و TE ابعاد موجبر برابر است. (d) توزیع چگالی توان برای مد TM با ابعاد . طول موج نور 1550nm است.70
شکل ‏2‑23: چگونگی ایجاد یک مد هایبرید با تزویج مدهای دی­الکتریک و پلاسمون سطحی. (a)ساختار موجبر (b) چگالی توان نرمالیزه شده. در این ساختار ابعاد چنین است: . طول موج نورنیز 1550nm می­باشد.72
شکل ‏2‑24: مقایسه توزیع چگالی توان نرمالیزه شده برای مد هایبرید و مد پلاسمون سطحی با تلف انتشاری یکسان73
شکل ‏2‑25: ساختار پایه موجبر هایبرید پلاسمونیک.77
شکل ‏2‑26: (a)ساختار موجبر هایبرید پلاسمونیک دو بعدی. (b)چگالی توان نرمالیزه شده در موجبر79
شکل ‏2‑27: ساختارهای گوناگون هایبرید پلاسمونیک که در سال­های اخیر معرفی شده ­اند.80
شکل ‏2‑28: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر © اندازه مد.83
شکل ‏2‑29: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر © اندازه مد.83
شکل ‏2‑30: تغییرات (a) اندازه مدی (b)طول انتشار و قسمت حقیقی ضریب شکست موثر بر حسب تغییر طول موج برای موجبر هایبرید پلاسمونیک با ابعاد .85
شکل ‏2‑31: نمایی از ساختار و عملکرد فیلتر برگ در طول موج­های باند عبور و باند قطع86

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏2‑32: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ برحسب طول­موج و نوار گاف مرکزی آن.88
شکل ‏2‑33: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ با یک نقص در مرکز آن برحسب طول­موج و تشکیل یک حفره تشدید در مرکز نوار گاف آن.89
شکل ‏2‑34: ساختارهای فیلتر برگ IMI (a)توری گاف فلزی. (b) توری عرض پله ای نوار فلزی و © تعریف مشخصات دوره تناوب آن.90
شکل ‏2‑35: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI گاف فلزی در طول توری­های مختلف (a)منحنی انتقال (b)منحنی بازتابش.92
شکل ‏2‑36: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI عرض پله ای نوار فلزی در طول توری­های مختلف (a)منجنی انتقال (b)منحنی بازتابش93
شکل ‏2‑37: دو ساختار معمول فیلتر برگ MIM. (a) ساختار توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار توری پله­ای نوار دی­الکتریک94
شکل ‏2‑38: (a) ساختار یک دوره تناوب توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار یک دوره تناوب توری پله­ای نوار دی­الکتریک © تابع انتقال آنها بر اساس مشخصات ابعادی مختلف ساختار MIM96
شکل ‏2‑39: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک همراه با نمایش یک دوره تناوب آن.98
شکل ‏2‑40: نمودار طیف انتقال برحسب طولموج فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک در سه مقدار متفاوت 99
شکل ‏3‑1: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکست­های ارائه شده توسط پالیک[11, 35] و جانسون-کریستی [10] می­باشد103
شکل ‏3‑2: ساختار کرشمن پیاده­سازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن.104
شکل ‏3‑3: مولفه z میدان مغناطیسی (a)ساختار کرشمن بدون مرز PMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان 106
شکل ‏3‑4: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمون­های سطحی با ساختار کرشمن.109

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏3‑5: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش111
شکل ‏3‑6: مراحل لایه­نشانی موجبر کانالی به روش لیتوگرافی (a) ویفر سیلیکن-سیلیکا.(b) لایه نشانی ماده فوتورزیست بر روی زیرلایه. ©و (d) نوشتن موجبرکانالی به عرض 8 میکرومتر بر روی ماده فوتورزیست. (e) لایه نشانی کروم و نقره بر روی ماده فوتورزیست . (f) پاک کردن قسمت­های تحت تابش نبوده ماده فوتورزیست و باقی ماندن نوار فلزی . (g) ایجاد موجبر سیلیکا-نقره-هوا.113
شکل ‏3‑7: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه114
شکل ‏3‑8: چیدمان موجبر نویس با بهره گرفتن از تابش مستقیم بیم باریک شده لیزر.114
شکل ‏3‑9: تصویر موجبر پلاسمونیکی با پهنای 8 میکرومتر و ضخامت 40نانومتر که در شکل به صورت نوار روشن قابل رویت است.115
شکل ‏3‑10: شدت بازتابش از سطح موجبر کانالی با پهنای 8 میکرومتر برحسب تغییر زاویه تابش و مشاهده زاویه تزویج116
شکل ‏3‑11: چیدمان آزمایشگاهی لازم برای اندازه ­گیری کمره بیم تابیده شده به قاعده منشور.119
شکل ‏3‑12: نمودار شدت بیم رسیده به آشکارساز بر حسب تفییر فاصله زاویه قائم منشور از محل تابش بیم به قاعده آن.120
شکل ‏3‑13: منشور قائم الزاویه SF6 که کروم و نقره بر روی قاعده آن لایه نشانی شده است.121
شکل ‏3‑14: چیدمان آزمایشگاهی اندازه ­گیری زاویه های تزویج با ساختار اتو در موجبر (منشور-نقره-پلیمر).122
شکل ‏3‑15: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکار­ساز در چیدمان شکل (3-14)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور.123
شکل ‏3‑16: تصویر مادون قرمز مد نوری انتشاری در موجبر پلیمری که توسط پلاسمون­های سطحی تحریک شده است124

شماره و عنوان
صفحه
شکل ‏3‑17: چیدمان اندازه ­گیری شدت مد نوری ناشی از پراکندگی SPPs.125
شکل ‏3‑18: تصویر چیدمان شکل (3-17) در آزمایشگاه.126
شکل ‏3‑19: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمون­ها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 32 درجه126
شکل ‏3‑20: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 35 درجه127
شکل ‏3‑21: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل ((3-14)که منشور بدون لایه­نشانی فلزی باشد)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور128
شکل ‏3‑22: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج 34

خرداد 93
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
بررسی و ارائه یک الگوریتم مسیریابی مقاوم و کارا برای شبکه های بی سیم اقتضایی نظامی
به کوشش: امیرحسین ایمانی
 
از اوایل دهه 1980 مفهومی جدید به نام دفاع مبتنی بر شبکه در نیروهای نظامی به وجود آمده است. جهت دستیابی به این مفهوم نیاز به داشتن یک شبکه مخابراتی نظامی با ظرفیت بالا وجود دارد تا بتواند اطلاعات را در بین نهادهای موجود در شبکه توزیع کند. شبکه‌های اقتضایی بی سیم بدلیل اینکه نیازی به زیر ساخت ندارند، مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. بیشترین کاربرد شبکه‌های اقتضایی، کاربرد نظامی می باشد. با گسترش روز افزون تکنولوژی‌های دسترسی به شبکه، شاهد بوجود آمدن شبکه‌های ناهمگن هستیم. در این شبکه‌ها، گره‌ها برای ارتباط با یکدیگر از تکنولوژی‌های مختلف استفاده می‌کنند. شبکه‌های اقتضایی معمولا با مشکل مقیاس پذیری و عدم اطمینان همراه هستند. اغلب پروتکل های مسیریابی پیشنهاد شده برای این شبکه‌ها، مقتضیات شبکه‌های ناهمگن را در نظر نمی گیرند. با در نظر گرفتن ناهمگنی گره‌ها و بهره بردن از آن، می توان مشکل مقیاس‌پذیری و قابلیت اطمینان را برطرف کرد. جهت نیل به این هدف، استفاده از ساختار سلسله مراتبی برای بهره بردن از مزایای شبکه‌های ناهمگن پیشنهاد می شود. در این پایان نامه در ابتدا به معرفی شبکه‌ها‌ی اقتضایی، تاریخچه و کاربرد‌های آن می پردازیم. در ادامه انواع پروتکل‌های مسیریابی موجود را معرفی می کنیم. سپس به معرفی شبکه‌های سلسله مراتبی ناهمگن جهت حل مشکل مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان می پردازیم. در ادامه، دو پروتکل مسیریابی سلسله مراتبی جدیدی برای شبکه‌های ناهمگن نظامی معرفی می شود. این دو پروتکل جدید مبتنی بر DSDV و AODV است. در ساختار پیشنهادی فرض شده است که گره‌های شبکه از نظر برد ارسال رادیویی و میزان باطری ناهمگن هستند. در این ساختار همه گره‌ها به یک رادیوی برد کوتاه مجهز هستند، اما بخشی از گره‌ها علاوه بر این رادیو، به یک رادیوی برد بلند نیز مجهز هستند. در نتیجه گره‌ها به دو دسته تقسیم شده اند و یک ساختار سلسله مراتبی دو طبقه شکل گرفته است. در این دو پروتکل در ابتدا، خوشه بندی کردن گره‌ها در لایه اول و انتخاب سرخوشه برای آنها انجام می شود. در ادامه مسیریابی در دو لایه پایین و بالا انجام می شود. در انتها پروتکل پیشنهادی کاملا با نرم افزار شبیه ساز NS‌2 شبیه سازی شده است. کارایی این پروتکل در مقایسه با دیگر پروتکل‌های مسیریابی در توپولوژی‌های مختلف بررسی شده است. مشکل مقیاس پذیری، تاثیر تعداد خوشه ها بر این روش و تاثیر تحرک گره ها بر این روش ها بررسی شده است.
واژگان کلیدی: شبکه‌های اقتضایی نظامی، پروتکل‌های مسیریابی سلسله مراتبی، شبکه ناهمگن، پروتکل مسیریابی DSDV.
 
فهرست
1-         فصل اول: مقدمه. 10
1-1      پیشگفتار. 10
1-2      مشخصات شبکه های نظامی. 11
1-3      کارکرد شبکه های اقتضایی در سیستم های نظامی 12
1-4      ساختار پایان نامه. 13
2-         فصل دوم: شبکه های اقتضایی متحرک. 14
2-1      مقدمه. 14
2-2      تعریف شبکه‌های اقتضایی 15
2-3      تاریخچه شبکه‌های اقتضایی 17
2-4      ساختار لایه‌ها در شبکه‌های اقتضایی 20
2-5      انواع شبکه های اقتضایی بی سیم 23
2-5-1           شبکه بی سیم مش. 23
2-5-2           شبکه حسگر هوشمند: 24
2-5-3           شبکه های اقتضایی متحرک. 25
2-6      کاربرد شبکه های اقتضایی بی سیم. 25
2-7      شبکه های بی سیم اقتضایی نظامی. 29
2-8      شبکه های اقتضایی ناهمگن 30
2-9   ویژگی‌های یا چالش‌های شبکه‌های اقتضایی : 32
2-10                                                   مسیریابی، بزرگترین چالش شبکه‌های اقتضایی : 34
2-10-1        چالش‌های مسیریابی در شبکه‌های اقتضایی بی سیم : 35
2-11   نرم افزار شبیه ساز NS2 35
3-   فصل سوم: الگوریتم های مسیریابی در شبکه های اقتضایی بی سیم همگن 38
3-1       مقدمه. 38
3-2      ویژگی های پروتکل های مسیریابی شبکه های بی سیم اقتضایی 39
3-3      تقسیم بندی پروتکل های مسیریابی شبکه های اقتضایی بی سیم 40
3-3-1           پروتکل های مسیریابی یکسان نگر 41
3-3-2 پروتکل های مسیریابی سلسله مراتبی 44
3-3-3           پروتکل های مسیریابی متکی بر موقعیت جغرافیایی. 44
3-3-4           پروتکل های مسیریابی ترکیبی. 45
3-4      بررسی دقیق تر پروتکل های مسیریابی برای ساختار مسطح 47
3-4-1 پروتکل مسیریابی DSDV 47
3-4-2           پروتکل مسیریابی AODV 48
3-4-3           پروتکل DSR. 49
3-4-4           پروتکل OLSR. 50
3-5      بررسی دقیق تر پروتکل های مسیریابی سلسله مراتبی. 51
3-5-1           پروتکل ZRP. 52
3-5-2           پروتکل LANMAR 52
4-   فصل چهارم: پروتکل های مسیریابی در شبکه های ناهمگن 54
4-1      مقدمه. 54
4-2   شبکه‌های ناهمگن 54
4-3   گسترش روز‌افزون شبکه های ناهمگن. 55
4-4   ساختار سلسله مراتبی در شبکه های ناهمگن 58
4-5   پروتکل های مسیریابی در شبکه های ناهمگن 61
4-5-1           روش HGRP :. 62
4-5-2           مسیریابی یابی سلسله مراتبی مبتنی بر ناحیه 65
4-5-3           روش مسیریابی HOLSR : 67
4-5-4           روش مسیریابی HCB : 71
4-5-5           روش HAODV 73
4-5-6           روش HRTT :. 75
4-5-7           ساختار زیرساخت متحرک. 78
4-5-8 پروتکل پیشنهادی HDSDV : 85
4-5-9           روش HAODV :. 92
5-     فصل پنجم: شبیه سازی. 93
5-1      مقدمه. 93
5-2      نرم افزار های شبیه ساز شبکه 93
5-3      ساختار شبیه ساز NS2 :. 96
5-4      معیارهای ارزیابی عملکرد پروتکل مسیریابی 99
5-5      نتایج شبیه سازی 100
5-5-1 بررسی پروتکل پیشنهادی در حل مشکل مقیاس پذیری. 100
5-5-2 بررسی اثر تعداد خوشه ها 104
6-         فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات. 107
6-1      نتیجه گیری 107
6-2      پیشنهادات : 108
7-     فهرست اختصارات. 108
8-         فهرست منابع 109
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل ها
شکل ‏1‑1: نمایی از یک شبکه مخابراتی نظامی در محیط نبرد. 13
شکل ‏2‑1: مثالی از ساختار شبکه های اقتضایی 17
شکل ‏2‑2: شبکه رادیو بسته [8]. 19
شکل ‏2‑3: روند پیشرفت شبکه های مخابراتی بدون زیرساخت 20
شکل ‏2‑4: ساختار لایه های شبکه های اقتضایی [14]. 21
شکل ‏2‑5: شبکه بی سیم مش. 23
شکل ‏2‑6: شبکه بی سیم مش. 24
شکل ‏2‑7 شبکه اقتضایی متحرک 25
شکل ‏2‑8: نمایی از شبکه VANET. 28
شکل ‏2‑9 روند پیشرفت شبکه های مخابراتی الف: نسل اول ب: نسل دوم  ج: نسل سوم [21] 30
شکل ‏2‑10: ساختار سلسله مراتبی 31
شکل ‏2‑11: شبکه ناهمگن نظامی 32
شکل ‏3‑1 طبقه بندی پروتکل های مسیریابی شبکه های اقتضایی بی سیم. 46
شکل ‏3‑2 یک مدل کلی از ساختار سلسله مراتبی دو طبقه [37]. 51
شکل ‏3‑3 مسیریابی LANMAR [38]. 53
شکل ‏4‑1: شبکه اقتضایی نظامی 55
شکل ‏4‑2: تنوعی از تکنولوژی های ناهمگن 57
شکل ‏4‑3: شبکه ناهمگن اقتضایی در عملیات امداد و نجات 58
شکل ‏4‑4: شبکه ناهمگن نظامی 62
شکل ‏4‑5: معماری شبکه ناحیه بندی شده ناهمگن برای مسیریابی HGRP [40]. 63
شکل ‏4‑6: ساختار چند ناحیه ای بکاررفته در روش مسیریابی سلسله مراتبی مبتنی بر ناحیه بندی[22]. 66
شکل ‏4‑7: ساختار سلسله مراتبی بکار رفته در پروتکل HOLSR [62] 68
شکل ‏4‑8 مثالی از یک شبکه ناهمگن با رادیوهایی مجهز به بلوتوث و WiFi [63]. 74
شکل ‏4‑9 شبکه ناهمگن با ساختار سلسله مراتبی HRTT [37]. 76
شکل ‏4‑10: نمایی از ساختار زیر ساخت متحرک دو طبقه [38]. 79
شکل ‏4‑11: نمایی از شبکه نظامی با زیرساخت متحرک 80
شکل ‏4‑12: ساختار سلسله مراتبی پیشنهادی برای شبکه ها ناهمگن 86
شکل ‏4‑13: نمایی از شبکه خوشه بندی شده و ساختار مسیریابی 92
شکل ‏5‑1 ساختار سلسله مراتبی بکار رفته در نرم افزار OPNET. 94
شکل ‏5‑2: معماری شبیه ساز GloMoSim [67]. 95
شکل ‏5‑3: ساختار زبان های برنامه نویسی NS2. 98
شکل ‏5‑4: روند اجرای شبیه سازی در نرم افزار NS2. 98
شکل ‏5‑5:  نمای شبکه شبیه سازی شده در نرم افزار NS2. 101
شکل ‏5‑6: توان عملیاتی برحسب تعداد گره. 102
شکل ‏5‑7: تاخیر پایان به پایان برحسب تعداد گره. 102
شکل ‏5‑8: نرخ تحویل موفق بسته. 103
شکل ‏5‑9: سربار نرمال شده مسیریابی برحسب تعداد گره. 103
شکل ‏5‑10: توان عملیاتی برحسب تعداد خوشه. 105
شکل ‏5‑11: تاخیر پایان به پایان برحسب تعداد خوشه. 105
شکل ‏5‑12: نرخ تحویل موفق بسته برحسب تعداد خوشه. 106
شکل ‏5‑13: سر بار نرمال شده مسیریابی برحسب تعداد خوشه. 106
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1-      فصل اول: مقدمه
 
 

1-1       پیشگفتار
از اوایل دهه 1980 رشد بسیار سریعی در زمینه کاربرد فناوری اطلاعات[1] در نیروهای نظامی به وجود آمده و مفهومی جدید به نام دفاع مبتنی بر شبکه [2]تعریف و گسترش یافت. جهت دستیابی به این مفهوم نیاز به داشتن یک شبکه مخابراتی نظامی [3] با ظرفیت بالا وجود دارد تا بتواند اطلاعات را در بین نهادهای موجود در شبکه توزیع کند[1]. همچنین در سال های اخیر کاربرد شبکه های مخابراتی در نیرو های نظامی، همراه با تغییرات عمده و پیشرفت های چشمگیری در نحوه پیاده سازی یک شبکه و چگونگی ادغام فناوری های آن در ارتش، همراه بوده است. هم اکنون داشتن یک شبکه مخابراتی نظامی به طوری که هر سرباز توانایی دسترسی به کل اطلاعات موجود در شبکه را داشته باشد، بالاترین اولویت نیروهای نظامی است. از طرف دیگر با ساخته شدن اسلحه ها دوربرد، داشتن شبکه های مخابراتی نظامی با برد بلند، یک ضرورت است.
یک شبکه مخابراتی نظامی به هر ایستگاه اجازه تبادل اطلاعاتی را که از طریق حسگر هایش دریافت کرده است، را می دهد. به این وسیله، فرمانده با دریافت اطلاعات ایستگاهی، در بیرون از برد حسگر‌های خود، به راحتی می تواند توانایی شناسایی ایستگاه خود را افزایش دهد و این امر موجب می شود آگاهی بیشتری از محیط اطراف خود به دست آورد. در نتیجه شبکه های مخابراتی نظامی به فرماندهان توانایی جنگ در مناطق بسیار وسیع را می دهند. داشتن چنین شبکه ای به نیرو های نظامی برتری بسیاری در میدان های نبرد می دهد [2]. با توجه به این نیاز، در این پایان‌نامه بررسی جامعی برروی الگوریتم های مسیریابی شبکه های اقتضایی مخابراتی خواهیم داشت و در نهایت یک شبکه اقتضایی ناهمگن مناسب برای کاربرد های نظامی معرفی می کنیم و با توجه به مقتضیات این شبکه یک الگوریتم مسیریابی مناسب برای آن ارائه می دهیم.
 

1-2       مشخصات شبکه های نظامی
شبکه های بیسیم نظامی [4]شرایط بسیار مختلفی را تجربه می کنند. محدودیت ها و نیازمندی های شبکه های نظامی، تفاوت های اساسی با شبکه های تجاری دارد. هدف شبکه های نظامی در این است که در هر زمانی و مکانی در میدان نبرد، ارتباطات باید برقرار باشد و این بدان معنی است که باید یک شبکه مخابراتی مقاوم [5]داشته باشیم که بتواند در همه جا ارتباط را حفظ کند[3]، هم چنین قابلیت اعتماد بالا [6]، توانایی بقا و عمر طولانی [7]در شرایط بحرانی را داشته باشد [4].
تفاوت شبکه های مخابراتی نظامی با شبکه های تجاری (محدودیت ها و مشکلات شبکه های نظامی [4]) در زیر توضیح داده شده است:

همه یا اکثر کاربر های آن متحرک هستند [8] و توپولوژی شبکه کاملا متغیر و پویا است.
به دلیلی شرایط آب و هوایی بد و موانع طبیعی بسیار، لینک های آن کاملا غیرقابل اعتماد است و کیفیت لینک ها و ظرفیت شبکه تغییر می کند.
معمولا شبکه باید به طور سریع قابل پیاده سازی باشد.
پهنای باند نسبتا کمی دارد.
احتمال حملات جهت مختل کردن شبکه یا جهت تداخل سیگنالی بسیار زیاد است. بنابرابن شبکه باید مقاوم طراحی شود.
احتمال نابود شدن و از دست رفتن تجهیزات توسط نیروهای دشمن وجود دارد.
معمولا پیام ها به تاخیر حساس هستند.
در بحث امنیت، شبکه های نظامی با محدودیت های بسیار روبرو هست.
 
 

1-3       کارکرد شبکه های اقتضایی در سیستم های نظامی
یک فناوری که ممکن است نیازمندیهای شبکه بالا را جوابگو باشد و بر محدودیت ها و مشکلات آن غلبه کند، شبکه های اقتضایی متحرک [9] است [1]. یک شبکه MANET مجموعه ای از مسیریاب[10] است که با گیرنده و فرستنده بی سیم مجهز شده اند. این گیرنده و فرستنده آزاد هستند که به هرجایی که خواستند حرکت کنند و به طور پویا تشکیل یک شبکه موقت – بدون هیچگونه زیر ساختی و یا کاربر مرکزی جهت فرماندهی- دهند. وضعیت لینک‌های