شبكات الراديو المعرفية وقدراتها في الاتصالات CRN

تُعتبر (CR) هي تقنية جديدة تخريبية مع العديد من التطبيقات المحتملة وهذا هو السبب في أنّها تُعرف أيضاً باسم شبكة اتصالات الجيل التالي، كما أنه يقلل من التداخل مع المستخدمين الآخرين ومن خلال تجنب القنوات المشغولة، فإنّه يزيد من كفاءة الطيف ويحسن جودة الخدمة (QoS) للمستخدمين.

ما هو الراديو المعرفي CR

الراديو المعرفي (CR): هو شكل من أشكال الاتصال اللاسلكي، حيث يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال أن يكتشف بذكاء قنوات الاتصال المستخدمة وأيها غير مستخدم، ثم ينتقل جهاز الإرسال والاستقبال على الفور إلى القنوات الشاغرة مع تجنب القنوات المشغولة، وتساعد هذه الإمكانات في تحسين استخدام طيف التردد اللاسلكي المتاح (RF).

• “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.

• “CR” هي اختصار لـ “cognitive radio”.

• “QoS” هي اختصار لـ “Quality of Service”.

أساسيات الراديو المعرفي CR

يعتبر طيف الترددات الراديوية اللاسلكي موردًا محدودًا ويتم تخصيصه عادةً من خلال عملية الترخيص، ولا يتم استخدام الطيف المخصص دائمًا بالشكل الأمثل، ونتيجة لذلك فإنّ بعض النطاقات مزدحمة مثل شبكات (GSM) الخلوية وفي حين أنّ البعض الآخر غير مستخدم نسبيًا، كما يحد عدم كفاءة الطيف هذا من كمية البيانات التي يمكن إرسالها إلى المستخدمين ويقلل من جودة الخدمة.

مع استمرار تزايد عدد الأجهزة المتصلة المستخدمة أصبح هذا المورد المحدود موردًا نادرًا بسرعة، كما يُعد الراديو المعرفي طريقة فعالة لاستخدام هذا المورد ومشاركته بذكاء وعلى النحو الأمثل والإنصاف، ويُعرَّف الراديو المعرفي بأنّه راديو يمكنه تغيير معلمات جهاز الإرسال الخاص به بناءً على التفاعل مع البيئة التي يعمل فيها.

كما يمتلك الراديو المعرفي (CR) القدرة المعرفية على الإحساس وجمع المعلومات مثل تردد الإرسال وعرض النطاق الترددي والقوة والتشكيل من البيئة المحيطة، وكذلك لديه القدرة أي إعادة التكوين للتكيف بسرعة مع المعلمات التشغيلية؛ لتحقيق الأداء الأمثل وفقًا للمعلومات المستشعرة.

كما يُنظر إلى تقنية الراديو المعرفية على أنّها تقنية التمكين الرئيسية للجيل التالي من شبكات الوصول الديناميكي للطيف، والتي يمكنها الاستفادة بكفاءة من الطيف المتاح غير المستغل والمخصص من قبل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) لأصحاب الترخيص، وتسهل أجهزة الراديو الإدراكية استخدامًا أكثر مرونة وشمولية للطيف المحدود وغير المستغل للمستخدمين الثانويين والذين ليس لديهم تراخيص طيف.

تتيح أجهزة الراديو المعرفية استخدام الطيف غير المستخدم مؤقتًا والمشار إليه باسم ثقب الطيف أو الفضاء الأبيض، وإذا كان المستخدم الأساسي ينوي استخدام هذا النطاق فيجب على المستخدم الثانوي الانتقال بسلاسة إلى ثقب طيف آخر أو البقاء في نفس النطاق، مع تغيير مستوى قدرة الإرسال أو مخطط التشكيل لتجنب التداخل مع المستخدم الأساسي.

قد لا تكون المخططات التقليدية لتخصيص الطيف وبروتوكولات الوصول إلى الطيف قابلة للتطبيق عندما يتعايش المستخدمون الثانويون غير المرخصين مع المستخدمين الأساسيين المرخصين، وإذا تم السماح للمستخدمين الثانويين بنقل البيانات مع المستخدمين الأساسيين، فيجب ألّا تتداخل عمليات الإرسال مع بعضها البعض بما يتجاوز حدًا معينًا.

من ناحية أخرى إذا كان المستخدمون الثانويون لا يمكنهم الإرسال إلا في حالة عدم وجود مستخدمين أساسيين، فيجب أن يكون المستخدم الثانوي الذي ينقل البيانات في حالة عدم وجود مستخدم أساسي قادرًا على اكتشاف عودة ظهور المستخدم الأساسي وإخلاء النطاق، وهناك قدر كبير من الأبحاث التي يتم إجراؤها حاليًا وهناك حاجة إلى إجراء المزيد لتطوير مناهج جديدة لإدارة الطيف تتعلق بالراديو الإدراكي لكل من استشعار الطيف ومشاركة الطيف الديناميكي.

• “FCC” هي اختصار لـ “Federal Communications Commission”.

• “GSM” هي اختصار لـ “Global System for Mobile communication”.

شبكات الراديو المعرفية وقدراتها

اقترح جوزيف ميتولا في المعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH) في ستوكهولم لأول مرة فكرة الراديو المعرفي في عام 1998م وإنّها تقنية هجينة تتضمن الراديو المحدد بالبرمجيات (SDR)، كما هو مطبق لنشر اتصالات الطيف وتنقسم شبكة الراديو المعرفية (CRN) إلى شبكتين رئيسيتين هما شبكة أولية وشبكة ثانوية.

تمتلك الشبكة الأساسية النطاق المرخص وتتكون من محطة قاعدة راديو أساسية ومستخدمين، كما تشترك الشبكة الثانوية في الطيف غير المستخدم مع الشبكة الأساسية، وهي تتألف من محطة الراديو المعرفية والمستخدمين، والقدرات الرئيسية الثلاث التي تميز الراديو الاستعرافي عن الراديو التقليدي هي:

1- الإدراك

تفهم (CR) بيئتها الجغرافية والتشغيلية.

• “CRN” هي اختصار لـ “Cognitive Radio Network”.

• “SDR” هي اختصار لـ “Software-defined radio”.

2- إعادة التكوين

وفقًا لهذه المعرفة المعرفية ويمكن أن تقرر (CR) تعديل معلماتها ديناميكيًا ومستقلًا.

3- التعلم

يمكن أن يتعلم (CR) أيضًا من التجربة ويختبر التكوينات الجديدة في المواقف الجديدة.

جوانب الراديو المعرفية CR

1- استشعار الطيف

• تتعقب أجهزة (CR) نطاقات الطيف في أحيائها لتحديد المستخدمين المرخص لهم بالعمل في هذا النطاق.

• يبحثون أيضًا عن الأجزاء غير المستخدمة من طيف الترددات الراديوية، والمعروفة بالمسافات البيضاء أو ثقوب الطيف، ويتم إنشاء هذه الثقوب وإزالتها ديناميكيًا ويمكن استخدامها بدون ترخيص.

• قد يكون استشعار الطيف تعاونيًا أو غير تعاوني وفي الطريقة التعاونية تشترك أجهزة الراديو المعرفية في معلومات الطيف، بينما في الطريقة غير التعاونية ويعمل كل جهاز CR بمفرده.

2- قاعدة بيانات الطيف الترددي

تقوم محطات التلفاز بتحديث استخدام طيف التردد اللاسلكي الأسبوع المقبل في قاعدة بيانات تحتفظ بها لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، كما يمكن للأجهزة الراديوية الإدراكية البحث عن معلومات حول الطيف الحر من قاعدة البيانات هذه، بحيث لا تضطر إلى الاعتماد على تقنيات استشعار الطيف المعقدة والمستهلكة للوقت والمكلفة.

يتمثل عيب هذه الطريقة في أنه من الصعب على قاعدة البيانات تحديث نشاط الطيف الديناميكي في الوقت الفعلي، ونتيجة لذلك قد تفقد أجهزة (CR) فرص الوصول إلى الطيف غير المستخدم ولدعم العدد المتزايد من الأجهزة التي تستخدم طيف الترددات الراديوية ومن المفيد اتباع نهج مشترك، كما إنّه يضمن أن الأجهزة يمكنها الكشف بسرعة ودقة عن الطيف غير المستخدم وبالتالي تحسين جودة الخدمة.

أنواع الراديو المعرفي

• في (CR) غير المتجانسة، يقوم المشغلون بتشغيل العديد من شبكات الوصول الراديوي (RAN) باستخدام نفس أو بروتوكولات مختلفة لتكنولوجيا الوصول إلى الراديو (RAT)، ويستخدم الراديو المعرفي غير المتجانس نهجًا يركز على الشبكة ويتم إصلاح نطاقات التردد المخصصة لشبكات (RAN) المختلفة.

• في (CR) لتقاسم الطيف تشترك عدة شبكات (RAN) في نفس نطاق التردد، كما أنّهم ينسقون مع بعضهم البعض لاستخدام نطاقات فرعية غير مشغولة بذكاء وعلى النحو الأمثل.

في كلا نوعي (CR) يتم تحسين موارد الراديو وتكون جودة الخدمة أفضل بكثير ممّا ستكون عليه مع الراديو التقليدي، وهناك طريقة أخرى لتصنيف الاستجابة السريعة وهي الاستشعار المعرفي الكامل أو استشعار الطيف، ويأخذ (CR) المعرفي الكامل في الاعتبار جميع المعلمات التي يمكن أن تكون العقدة أو الشبكة اللاسلكية على دراية بها، وتكتشف (CR) المستشعرات الطيفية القنوات في طيف الترددات الراديوية.

ملاحظة:“RAN” هي اختصار لـ “radio access network” و”RAT” هي اختصار لـ “Radio Access Technology”.

تطبيقات الراديو المعرفي

على سبيل المثال، يمكن أن تساعد CR في معالجة مشاكل الاتصال في المناطق الريفية، ويمكنه أيضاً تحسين عمليات التردد اللاسلكي للهواتف الذكية وأجهزة إنترنت الأشياء، وشبكات توصيل المحتوى والمعروفة أيضاً باسم شبكات توزيع المحتوى ونقاط الاتصال اللاسلكية العملاقة، وتشمل التطبيقات المحتملة الأخرى ما يلي:

• تغطية (RF) للشبكة على مستوى المدينة والحرم الجامعي.

• الشبكات المؤجرة.

• الإغاثة في حالات الكوارث.

• شبكات الطوارئ.

• الشبكات المتداخلة المعرفية.

• التطبيقات الطبية.

• التنبؤ بالطقس.

• التحكم بالمرور.

• وفقاً لـ (IEEE)، يمكن استخدام الراديو الاستعرافي في الاتصالات الفضائية وخاصةً بعيدًا عن مدار الأرض.

الراديو المعرفي (CR) هو راديو يمكنه تغيير معلمات الإرسال الخاصة به بناءً على التوافر المدرك لنطاقات الطيف في بيئة التشغيل الخاصة به، كما تدعم CRs الوصول الديناميكي إلى الطيف ويمكن أن تسهل للمستخدم الثانوي غير المرخص له الاستخدام الفعال للطيف المتاح غير المستغل بالكامل، والمخصص للمستخدمين المرخصين الأساسيين.