حل بزرگ‌ترین چالش ارتباطات بی‌سیم با رادیوی شناختی (بخش دوم)

برای مطالعه بخش اول این مقاله اینجا کلیک کنید

مروری بر بخش اول

در بخش اول این مقاله که در شماره 200 منتشر شد، به بررسی آمارهای ارتباطات بی‌سیم پرداختیم که نشان داد ترافیک موبایلی تا سال‌های آینده رشد بالایی خواهد داشت. تخصیص ایستای طیف فرکانسی برای ارتباطات بی‌سیم موضوعی است که باعث عدم استفاده بهینه از طیف می‌شود. زیرا در بیشتر مواقع کاربران از طیف استفاده نمی‌کنند. برای حل این مشکل فناوری رادیوی شناختی یا (Cognitive Radio (CR مطرح شده است که استفاده پویا از طیف را ممکن می‌سازد. در رادیوی شناختی دو دسته کاربر وجود دارد: کاربران اولیه که طیف فرکانسی متعلق به آن‌ها است و هر زمان که بخواهند از آن استفاده خواهند کرد. کاربران ثانویه یا کاربران رادیوشناختی دسته دوم هستند که به‌صورت مهمان از طیف فرکانسی دیگران استفاده می‌کنند. کاربران یا ایستگاه پایه رادیوشناختی باید فضاهای خالی طیف (که به آن‌ها حفره یا فضای سفید گفته می‌شود) را تشخیص دهند و از آن‌ها برای ارتباطات خود استفاده کنند. به این ترتیب، می‌توان از طیف‌های بدون استفاده هم بهره برد.

دسترسی به طیف فرکانسی

همان طور که پیش‌تر نیز گفته شد، کاربران ثانویه نباید ارتباطات کاربران اولیه را مختل کنند. با در نظر گرفتن این شرایط، سه روش برای استفاده هم‌زمان کاربران اولیه و ثانویه از طیف فرکانسی بیان شده است:
• روش ارسال underlay: در روش ارسال underlay، همان‌ طور که در شکل 1-الف مشخص شده است، کاربران ثانویه با کنترل توان ارسالی خود می‌توانند در تمام زمان‌ها از پهنای باند تخصیص داده شده به کاربران اولیه بهره ببرند. یعنی توان ارسالی آن‌ها کم است و این باعث می‌شود کاربران اولیه به سیگنال‌های آن‌ها توجه نکنند. بنابراین هر دو، هم‌زمان، از تمام طیف استفاده می‌کنند. اما چالش اصلی کار همان مدیریت توان ارسالی به طوری است که کاربران ثانویه بتوانند سرویس بگیرند و از طرفی مشکلی برای کاربران اولیه ایجاد نکنند.
• روش ارسال overlay: حالت overlay را می‌توان در شکل 1-ب مشاهده کرد. کاربران زیرکانال‌ها را از طریق حسگرهای خود شنود می‌کنند و هرگاه زیرکانالی را آزاد دیدند، می‌توانند شروع به ارسال داده‌های خود ‌کنند (زیرکانال آزاد یا خالی زیرکانالی است که کاربران در آن سیگنالی را ارسال نمی‌کنند). بنابراین، در این روش کاربران ثانویه به‌صورت فرصت‌طلبانه از طیف فرکانسی استفاده نشده کاربران اولیه استفاده می‌کنند. یکی از چالش‌های مهم در این روش سنجش طیف‌ فرکانسی است که وضعیت زیرکانال‌های شبکه اولیه را از لحاظ آزاد یا مشغول بودن مشخص می‌کند. 
• روش ارسال مشترک: در روش ترکیبی ارسال underlay و overlay، کاربران بسته به موقعیت خود و وضعیت زیرکانال‌ها از لحاظ آزاد یا مشغول بودن از یکی از دو روش underlay یا overlay یا هر دو استفاده می‌کنند (شکل 1-ج).

شکل 1 - روش‌های دسترسی مشترک به طیف فرکانسی

ارتباطات مشارکتی

ارتباطات مشارکتی (cooperative) به این معنا است که گره‌های مبدأ برای ارسال بسته‌های خود به مقصد، از گره یا گره‌های واسطی که رله (Relay) نامیده می‌شوند استفاده ‌کنند. در واقع در ارتباطات مشارکتی، رله‌ها وظیفه دریافت بسته‌ها و ارسال آن‌ها به مقصد را بر عهده دارند. در شکل 2 نشان داده شده است که گره مبدأ برای ارسال سیگنال خود به ایستگاه پایه، از رله استفاده می‌کند. تحقیقات اخیر در سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم نشان می‌دهد ارتباطات مشارکتی در مواقعی که فاصله فرستنده و گیرنده زیاد است، کیفیت سرویس پایینی دارد اما استفاده از رله گذردهی را به‌طرز چشمگیر افزایش می‌دهد.

شکل 2 - استفاده از رله برای تقویت سیگنال و پوشش‌دهی بیشتر

از دیگر مزایای این ارتباطات در شبکه‌های رادیوی شناختی می‌توان مصرف انرژی کمتر برای ارسال، تداخل کمتر و پوشش شبکه‌ای بهتر اشاره کرد. تضعیف سیگنال نیز یکی از مشکلات ارتباطات بی‌سیم است که با افزایش فاصله، سیگنال ضعیف و ضعیف‌تر می‌شود، اما با وجود یک نود میانی سیگنال مجدد تقویت و ارسال می‌شود. البته ارسال مجدد با اهداف و روش‌های متفاوتی انجام می‌شود. در یک تقسیم‌‌بندی می‌توان انواع پروتکل‌های رله‌ را به‌صورت‌ زیر دسته‌بندی کرد:
• تقویت و ارسال: در این نوع از پروتکل‌ها رله‌ها فقط سیگنال دریافت شده را تقویت و سپس آن را ارسال می‌کنند و می‌توان آن‌ها را مانند پل، تکرارگر یا روتر در نظر گرفت. این مورد پیچیدگی چندانی ندارد.
•  کدگشایی و ارسال: در این حالت ابتدا سیگنال دریافت شده توسط رله کدگشایی می‌شود و پس از جداسازی نویزهای سیگنال و به دست آوردن داده‌های آن، آن‌ها را ارسال مجدد می‌کنند. تأخیر پردازشی بیشتر و پیچیدگی بالا از مشکلات این روش است.
• فشرده‌سازی و ارسال: در این نوع از پروتکل، رله‌ها سیگنال را دریافت و فشرده‌سازی می‌کنند و سپس ارسال را انجام می‌دهند.
در برخی موارد دستگاه‌ها فقط برای رله کردن داده‌ها در جایی نصب شده‌اند. یعنی خود آن‌ها هیچ‌گاه مبدأ یا مقصد نیستند و فقط یک واسط هستند. به این نوع از رله‌ها، رله‌های اختصاصی (dedicated) می‌گویند. در مقابل دستگاه‌هایی وجود دارند که خود قصد ارتباط برقرار کردن با دیگران را دارند، اما گاهی هم به‌عنوان یک واسطه عمل و داده‌های دیگران را رله می‌کنند. این نوع از رله‌ها که رله پویا نامیده می‌شوند، می‌تواند یک کاربر ثانویه و حتی یک کاربر اولیه باشد. اما معمولاً این کاربران باید خدمتی را در مقابل دریافت کنند. برای مثال، می‌توانند از دستگاه مبدأ درخواست انرژی و در عوض داده آن‌ها را رله کنند (انتقال انرژی از طریق بی‌سیم یکی از بحث‌های داغ این روزها است). مشارکت دیگر می‌تواند بین کاربران ثانویه انجام شود، به این شکل که مبدأ طیف فرکانسی را مورد بررسی قرار دهد و اطلاعات کسب شده را در اختیار رله قرار می‌دهد و در عوض رله، انتقال داده را انجام می‌دهد. 

روش‌های رادیوی شناختی

بد نیست نگاهی متفاوت به روشهای مورد استفاده در رادیوی شناختی داشته باشیم. البته روش‌های موجود معمولاً با پیچیدگی همراه هستند و یا اینکه نمی‌توانند به‌درستی طیف‌های خالی را تشخیص دهند. 

روش اول: شنود طیف

دستگاه‌های رادیوشناختی باندهای فرکانسی اطراف خود را شنود می‌کنند تا کاربران اولیه و حفره‌ها را پیدا کنند. این روش در بخش اول مقاله (در شماره قبلی) توضیح داده شد. در شکل 3 نیز دیاگرامی از این روش نشان داده شده است. 

شکل 3 - روش شنود طیف فرکانسی در دو حالت مشارکتی و غیرمشارکتی

ممکن است این روش‌ها ساده به نظر برسند، اما برای پیاده‌سازی موانع زیادی بر سر راه وجود دارد. روش شنود مشارکتی به ترکیب اطلاعات ورودی‌ از دستگاه‌های رادیوشناختی و تعیین حفره‌ها نیاز دارد. در اینجا وجود یک الگوریتم کاملاً دقیق نیاز است و هرگونه اشتباه در تشخیص باعث مزاحمت برای کاربران اولیه می‌شود. در روش غیرمشارکتی نیز شنود طیف زمان‌بر و نیاز به یک الگوریتم پیچیده و مطمئن دارد. دیگر مشکلات روش غیرمشارکتی در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1 - مشکلات شنود طیف در حالت غیرمشارکتی

روش دوم- مرکز داده طیف

یکی از روش‌های ارائه شده که سعی در کاهش پیچیدگی داشته است، روش مبتنی بر مرکز داده است که از فضاهای خالی طیف تلویزیون‌ها (فضاهای سفید) کمک می‌گیرد. تمام ایستگاه‌های تلویزیونی باید استفاده هفتگی خود را در مرکز داده مشخص شده گزارش کنند. به این ترتیب، دستگاه‌های رادیوشناختی بدون پیچیدگی می‌توانند از فضاهای خالی که در مرکز داده ثبت شده است، استفاده کنند.
اما مشکل اینجا است که مقدار قابل توجهی از حفره‌های طیف پویا هستند و در زمانی کوتاه در دسترس قرار دارند. به روز شدن مرکز داده به‌صورت پویا و بی‌درنگ کار چندان راحتی نیست. به این ترتیب ممکن است بسیاری از فرصت‌ها برای دستگاه‌های رادیوشناختی از بین برود. اگر اکوسیستم اینترنت اشیا باشد این وضع بدتر می‌شود، زیرا تعداد دستگاه‌ها زیاد هستند، اما فقط حجم بسیار کمی از اطلاعات را ارسال می‌کنند.

به‌جز دو روش گفته شده، پیشنهادات دیگری نیز مطرح شده است:

1- برای کشف دقیق و سریع طیف بدون استفاده دستگاه‌ها حفره‌ها را جست‌وجو می‌کنند و با توجه به تاریخچه استفاده کاربران اولیه سعی می‌کنند الگویی از موقعیت و زمان استفاده استخراج کنند. اگر این اطلاعات در دسترس کاربران رادیوشناختی باشد، شنود طیف دقیق، سریع و ساده می‌شود. 

2- با ترکیب اطلاعات مرکز داده، الگوی استفاده کاربران اصلی و ویژگی‌های سیگنال کاربران اصلی، لازم نیست دستگاه‌های رادیوشناختی تمام طیف را جست‌وجو کنند که در این صورت در زمان و انرژی صرفه‌جویی می‌شود و در واقع جست‌وجو بهینه است.

سخن پایانی

اگرچه تا چند سال پیش تأمین طیف مورد نیاز برای دستگاه‌های بی‌سیم غیرممکن به نظر می‌رسید، اما فناوری رادیوی شناختی نشان داد که در علم شبکه و مخابرات هیچ‌چیز غیرممکن نیست. اکنون این فناوری بسیار مورد توجه است و استاندارد IEEE802.22 به این هدف کمک کرده است. این احتمال وجود دارد که در نسل پنجم شبکه‌های موبایلی (5G) شاهد پیاده‌سازی رادیوی شناختی باشیم.