التحكم في الطاقة في شبكات الراديو المعرفية

في الآونة الأخيرة أصبحت أجهزة الراديو المعرفية (CR) هي المرشحة الرئيسية لتحسين استخدام الطيف المتاح ويشترك المستخدمون الثانويون غير المرخصين في الطيف، مع المستخدم الأساسي المرخص له بطريقة لا يزيد فيها التداخل عند المستخدم الأساسي عند عتبة محددة مسبقًا.

التحكم في الطاقة في شبكات الراديو المعرفية

تُعد التكنولوجيا اللاسلكية وتطبيقاتها من أسرع المجالات نموًا في صناعة الاتصالات، حيث يُعتبر الوصول الفعال إلى الطيف الراديوي مطلبًا؛ لجعل هذا الاتصال ممكنًا للمستخدمين الذين يقومون بتشغيل تطبيقات الوسائط المتعددة وإنشاء اتصالات في الوقت الفعلي على طيف مزدحم بالفعل.

تم تخصيص الطيف الراديوي هذه الأيام على أساس مخصص، حيث تحصل كل شبكة لاسلكية على ترخيص فريد للعمل في نطاق تردد معين، كما تسمح القواعد لعدة مستخدمين بإرسال إشاراتهم عبر القنوات المخصصة عند طاقة الإرسال المطلوبة دون التسبب في تداخل مع المستخدمين المرخصين الآخرين، كما يتم استكشاف النسبة المئوية لاستخدام الطيف الموزع في دراسات مختلفة، وخلصت إلى أنّ نطاقات الطيف المخصصة غير مستغلة بالقدر الكافي في معظم الحالات.

من أجل زيادة استخدام الطيف المتاح تسمح شبكات الراديو المعرفية (CRNs) للمستخدمين الأساسيين (PUs) المعروفين أيضًا باسم المستخدمين المرخصين والمستخدمين الثانويين (SUs)، ويشار إليها أيضًا باسم المستخدمين غير المرخص لهم بمشاركة الراديو المتاح للطيف فيما بينها.

يمكن أن يكون تقاسم الطيف هذا مثمرًا للغاية في عدد من الطرق، كما يمكن لأكثر من شبكة لاسلكية الوصول إلى نفس نطاق التردد، وعلاوةً على ذلك تسمح تقنية مشاركة الطيف هذه للمشغلين بالوصول إلى الطيف بسهولة أكبر ويمكنهم نشر البنية التحتية اللاسلكية الخاصة بهم عند الاقتضاء، لذلك تساعد شبكات الراديو الاستدراكي في الاستفادة الكاملة من الطيف المتاح من خلال الإدارة الفعالة لنطاقات التردد المتاحة.

ملاحظة:“CRN” هي اختصار لـ “Cognitive Radio Network”.

كيفية التحكم في طيف الطاقة في شبكة الراديو المعرفية

في هذه الطريقة الديناميكية لمشاركة الطيف يمكن التحقق من المكاسب السعوية عندما تختلف القناة بسبب تأثير التلاشي وتكون النتائج مقنعة تمامًا، ومن خلال اعتماد هذه التقنية يمكن تعزيز استخدام الطيف المتاح للحفاظ على متطلبات (QoS)، من الضروري ألا تكون القناة المخصصة ويتم تنفيذ التحكم في الطاقة أو تخصيص القناة بطريقة لا يتأثر فيها المستخدمون الأساسيون بالتداخل المفرط.

يتم الحصول على المعدل الأمثل والطاقة من خلال التكبير المتكرر لكل وظيفة من وظائف المرافق (CUs) والتي يتم ترتيبها لضمان الحفاظ على المستخدم الأساسي (PU)، جنبًا إلى جنب مع متطلبات جودة الخدمة للمستخدمين المعرفيين، ويُعد الوصول إلى الطيف المفتوح في شبكة منظمة ذاتيًا تحديًا بسبب المصالح المتضاربة لكل من المستخدمين الأساسيين والمعرفيين.

كما يتم اعتماد خوارزمية مشتركة للتحكم في القوة والمعدل للمستخدمين المعرفيين في شبكة الراديو المعرفية (CRN) ويمكن أن يساعد تقديم عامل التحكم أيضًا في الحفاظ على نقل معقول للبيانات في شبكات (CR) لتقليل التداخل في شبكة الراديو المعرفية، يلعب التحكم في الطاقة دورًا مهمًا وقد يتم التحكم في القدرة ومشاركة الطيف، وضبط التداخل بشكل مشترك من أجل ناتج متعدد المدخلات (MIMO) في شبكات (CRN) اللاسلكية.

بالنسبة لمشكلة التحكم في الطاقة وتشكيل الحزمة بشكل مشترك مع الحفاظ على التركيز الرئيسي على تقليل الطاقة المرسلة لشبكة (CR) في مثل هذه الأساليب، يتم المنع في (PU) من التداخل المستقبَل بينما يتم استيفاء متطلبات جودة الخدمة للمستخدمين الثانويين.

ملاحظة:“MIMO” هي اختصار لـ “multiple input, multiple output”.

ملاحظة:“QoS” هي اختصار لـ “Quality of Service”.

خوارزمية التحكم في الطاقة في شبكات الراديو المعرفية

تعتمد خوارزميات التحكم في القدرة الموزعة التقليدية في الشبكات الراديوية المعرفية على افتراض معلومات حالة القناة الكاملة (CSI) والتي قد تؤدي إلى تدهور الأداء في الأنظمة العملية، كما يتم التحقيق في مشكلة التحكم القوي في القدرة الموزعة في شبكات الراديو المعرفية، من خلال النظر في عدم اليقين من مكاسب القناة.

إنّ الهدف هو تقليل إجمالي استهلاك الطاقة لأجهزة الإرسال المعرفية في ظل كل من قيود جودة الخدمة (QoS) في كل جهاز استقبال معرفي وقيد تداخل في جهاز الاستقبال الأساسي، حيث تتم عملية كسب القناة باستخدام مجموعات مترابطة ويمكن صياغة مشكلة التحكم القوي في القدرة كمشكلة برمجة شبه لانهائية (SIP).

تُعد التكنولوجيا اللاسلكية وتطبيقاتها من أسرع المجالات نموًا في صناعة الاتصالات، كما يعتبر الوصول الفعال إلى الطيف الراديوي مطلبًا لجعل هذا الاتصال ممكنًا للمستخدمين، والذين يقومون بتشغيل تطبيقات الوسائط المتعددة وإنشاء اتصالات في الوقت الفعلي على طيف مزدحم بالفعل، وفي الآونة الأخيرة أصبحت أجهزة الراديو المعرفية (CR) هي المرشحة الرئيسية لتحسين استخدام الطيف المتاح.

التحكم في القدرة في الأنظمة الراديوية المعرفية

بالنسبة للأنظمة الراديوية المعرفية يتم التحكم في قدرة الإرسال لجهاز الراديو المعرفي بحيث لا يتداخل جهاز الراديو المعرفي غير المرخص مع استخدام طيف مشترك بواسطة جهاز أساسي مرخص، كما يشمل التحكم في قدرة الإرسال تحديد المسافة أو وظيفة المسافة، بين المرسل الأساسي للجهاز الأساسي والجهاز الراديوي المعرفي بناءً على معلومات الاستشعار من عملية استشعار الطيف.

يتم بعد ذلك التحكم ديناميكيًا في قدرة الإرسال القصوى للجهاز الراديوي المعرفي بناءً على المسافة أو وظيفة المسافة، مع مراعاة السيناريو الأسوأ لنموذج راديو معرفي أساسي لضمان جودة متطلبات الخدمة للجهاز الأساسي، ويعد الراديو المعرفي نموذجًا للاتصالات اللاسلكية، حيث تقوم إما شبكة أو عقدة لاسلكية بتغيير معلمات الإرسال أو الاستقبال الخاصة بها للتواصل بكفاءة دون التدخل مع المستخدمين المرخصين.

يعتمد هذا التغيير في المعلمات على المراقبة النشطة لعدة عوامل في البيئة الراديوية الخارجية والداخلية مثل: طيف الترددات الراديوية وسلوك المستخدم وحالة الشبكة، وفي أنظمة الراديو المعرفية يمكن للمستخدمين الثانويين غير المرخص لهم استخدام الطيف المرخص، طالما أنّ المستخدم المرخص الأساسي غائب في فترة زمنية معينة وبعض المواقع الجغرافية المحددة.

ومع ذلك عندما يظهر المستخدم الأساسي مرة أخرى، ومن الناحية المثالية يجب على المستخدمين الثانويين إخلاء الطيف على الفور لتجنب التداخل مع المستخدم الأساسي، وكما يوضح النمو الهائل في الخدمات اللاسلكية على مدى السنوات العديدة الماضية الطلب الهائل، والمتزايد من مجتمع الأعمال والمستهلكين والحكومة على الاتصالات اللاسلكية.

تطور التحكم في الطاقة في شبكات الراديو المعرفية

مع هذا النمو في تطبيقات الاتصالات أصبح الطيف أكثر ازدحامًا، وعلى الرغم من أنّ (FCC) قد وسعت بعض النطاقات الطيفية إلّا أنّ نطاقات التردد هذه مخصصة حصريًا لمستخدمين محددين أو موفري الخدمات، ولا يضمن هذا التوسيع بالضرورة أن يتم استخدام النطاقات بكفاءة أكبر طوال الوقت.

كما أنّ معظم طيف الترددات الراديوية غير مستغل إلى حد كبير، وعلى سبيل المثال يتم تحميل نطاقات الشبكة الخلوية بشكل زائد في معظم أنحاء العالم، لكن ترددات الراديو أو ترددات الاستدعاء الهواة ليست كذلك.

وعلاوةً على ذلك يتم تخصيص نطاقات التردد التي نادرًا ما يتم استخدامها لخدمات محددة لا يمكن الوصول إليها من قبل المستخدمين غير المرخصين، حتى في حالة عدم تسبب إرسالات المستخدمين غير المرخص لهم في حدوث أي تداخل في الخدمة المرخصة.

ملاحظة:“FCC” هي اختصار لـ “Federal Communications Commission”.

في النهاية، تعرَّف شبكات الراديو المعرفية بأنّها نظام اتصال لاسلكي ذكي وقابل لإعادة التكوين ومطلع تمامًا على البيئة المحيطة به، والهدف الرئيسي من هذه التقنية هو الاستخدام الأقصى للطيف المتاح من (PUs).