مقدمة

ويتوسع السكان الحضريون بمعدل غير مسبوق، حيث يمارسون ضغوطا هائلة على الهياكل الأساسية للمدينة وخدماتها، ومن أجل تلبية هذه الطلبات المتزايدة، يتجه مخططو المدن ومقدمو التكنولوجيا إلى حلول ذكية للمدينة تحشد البيانات والقدرة على الاتصال لتحسين الكفاءة والاستدامة ونوعية الحياة، ومن الأمور الأساسية لهذا التحول إدماج أجهزة الإنترنت في الشبكات الساتلية، ومن خلال الجمع بين قدرات الاستشعار الخاصة بالشبكة الدولية للاتصالات وبين النطاق الجغرافي الواسع للسواتل، يمكن للقيود في مجال الاتصالات الحضرية أن تتغلب على استخدام الشبكات.

إن أجهزة الإيوت - التي تبث من أجهزة الاستشعار البيئية وكاميرات المرور إلى أجهزة قياس الذكية ومراقبي النفايات - تنتج كميات كبيرة من البيانات التي تتطلب وصلات موثوقة ومستمرة، والشبكات الخلوية التقليدية، مع أنها فعالة في النواة الحضرية الكثيفة، تترك في كثير من الأحيان ثغرات التغطية في المناطق الحضرية، والأنفاق الجوفية، والمناطق الصناعية النائية.

المؤسسة التقنية للتكامل بين الساتلين الأيوت - الساتلي

أجهزة آيوت وأجهزة الاستشعار

إن أجهزة الإيوت هي أعين وأذن مدينة ذكية، وتشمل أجهزة استشعار مختلفة تقيس معايير مثل درجة الحرارة، والرطوبة، ونوعية الهواء، ومستويات الضوضاء، وكثافة المرور، وتدفق المياه، واستهلاك الطاقة، وهذه الأجهزة عادة ما تكون منخفضة الطاقة، وتشغلها البطاريات، وتصمم للعمل لسنوات دون صيانة، وترسل البيانات على فترات منتظمة أو عندما تحدث أحداث محددة.

وتوفر القدرة على الاتصال بالسواتل وصلة مباشرة من هذه الأجهزة إلى الإنترنت، تتعدى على الحاجة إلى البنية التحتية الأرضية الوسيطة، وتصبح المحطات الطرفية الحديثة التابعة للسواتل أصغر حجما وأكثر كفاءة من حيث الطاقة وأكثر تكلفة، مما يتيح الاندماج مباشرة في مجموعة أجهزة الاستشعار نفسها، ويقلل هذا النموذج المباشر إلى السواتل من تعقيد تكاليف النشر، مما يجعل من الممكن للمدن رصد الأصول المنتشرة في مناطق شاسعة.

الشبكات الساتلية: GEO vs MEO vs LEO

)٢( لا يمكن أن تكون هناك أي شبكة ساتلية مصممة على ارتفاع مداري، أما السواتل المدار الأرضي المدارية ذات المدار الثابت )جيو( فيمكن أن تغطي مساحة ثابتة من الأرض تبلغ ٠٠٠ ٧٦ ٣٥ كيلومتر، وهي تقدم عرض نطاقي عالي، وهي مثالية لخدمات البث، ولكن ارتفاع درجة تواترها )أكثر من ٢٤٠ ميلا مربعا من الطوابق المدارية( يجعلها أقل ملاءمة للتطبيقات المدارية ذات الوقت الحقيقي التي تتطلب تأخيرا منخفضا.

وتقوم شركات مثل Starlink]، وإريديوم، وعالم النجوم بنشر وحدات من طراز LEO مصممة خصيصاً لربط أيوت، وتتيح هذه الشبكات للمستشعرات نقل مجموعات البيانات الصغيرة مباشرة إلى السواتل، ثم نقل المعلومات إلى المحطات الأرضية وإلى السحابة، ونتيجة لذلك هي طبقة اتصالات عالمية لا تحصى تتسع حتى إلى قدرات المدن الذكية.

بروتوكولات ومعايير الاتصالات

ويعتمد الاتصال الساتلي IoT على البروتوكولات المتخصصة التي تُفضي إلى انخفاض الطاقة، وحمولات البيانات الصغيرة، والربط المتقطع، وكثيرا ما تستخدم معايير مثل لوروا وانغ، وNB-IoT، وMQTT في الجانب الأرضي، ولكن التكيفات الساتلية الخاصة ضرورية لمعالجة أثر دوبلر، وحالات التأخير في نشر الأجهزة الفضائية الطويلة، وميزانيات الطاقة المحدودة في الفضاء.

لماذا التكامل مهم للمدن الذكية

Bridging Digital Divides

ولا تتاح لجميع أجزاء المدينة إمكانية الوصول على قدم المساواة إلى شبكة الإنترنت العالية السرعة أو التغطية الخلوية، وكثيرا ما تعاني الأحياء المحيطة والمناطق الصناعية والمتنزهات والمجاري المائية من ضعف التوصيل، وتوفر شبكة اتصال متسقة عبر هذه المناطق، وتضمن جمع البيانات من جميع أنحاء المدينة على قدم المساواة، وهذه التغطية المنصفة للبيانات أساسية للتخصيص العادل للموارد، والاستجابة لحالات الطوارئ، والرصد البيئي.

المرونة والتعافي

فالشبكات الأرضية معرضة للأضرار المادية الناجمة عن الكوارث الطبيعية أو حوادث البناء أو التخريب المتعمد، وعندما تنزل الأبراج الخلوية، تصبح أجهزة التلويث التي تعتمد عليها أيتاما، مما يؤدي إلى فقدان البيانات وتوقف الخدمات، وتمارس شبكات السواتل عملها بصورة مستقلة عن الهياكل الأساسية الأرضية، وتوفر مسارا احتياطيا قابلا للاستمرار، وحتى إذا فشلت الأبراج الخلوية المحلية، فإن أجهزة الاستشعار ذات الصلة بالسواتل لا تزال تبلغ عن البيانات الحيوية، مثل مستويات الفيضانات.

الهياكل الأساسية القابلة للتوسع

وكثيرا ما يتطلب إضافة أجهزة جديدة للشبكة الأرضية توسيع نطاق تغطية محطات القاعدة أو تركيب بوابات إضافية، كما أن الربط بالسواتل يزيل هذه الاختناقات: أي جهاز ذو نظرة واضحة للسماء يمكن أن ينضم إلى الشبكة فورا، بغض النظر عن قربه من البنية التحتية الأرضية، وهذا التصعيد يبسط توسيع مشاريع المدن الذكية، ويتيح للمدن البدء في مشروع تجريبي صغير وينمو إلى آلاف أجهزة الاستشعار التي لا تملك استثمارات كبيرة في الهياكل الأساسية.

توسيع نطاق الغطاء الأرضي للتطبيق

حركة المرور والنقل

وتعتمد نظم إدارة حركة المرور الذكية على بيانات آنية من أجهزة الكشف عن المركبات، والكاميرات، ومجسات الطرق، وتكفل الاتصالات الساتلية أن تصل البيانات المستمدة من مراقبي حركة المرور المركبين على الطرق السريعة النائية أو في الأنفاق (عن طريق أجهزة إعادة الإرسال) إلى مراكز المراقبة المركزية، كما أن أجهزة الاستشعار الثابتة، والسواتل IoT تتيح تتبع الحافلات العامة، وشاحنات النفايات، والمركبات في حالات الطوارئ في جميع أنحاء المدينة، بما في ذلك المناطق التي لا تزال تستخدم فيها المركبات ذات النطاقات.

الرصد البيئي

ويمكن لمراقبي نوعية الهواء وقياسات مستوى المياه ومحطات الطقس المنتشرة في جميع أنحاء المدينة أن تتدفق البيانات عبر السواتل إلى الوكالات البيئية، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار التي توضع على امتداد الأنهار والفيضانات ترسل إشارات إنذار مبكر عندما ترتفع مستويات المياه، مما يتيح للسلطات الوقت لإجلاء أو نشر دفاعات الفيضانات، وفي المدن الساحلية، يمكن أن تؤدي أجهزة الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل إلى ارتفاع موجات وتدفقات العواصف.

السلامة العامة والاستجابة في حالات الطوارئ

وفي حالات الطوارئ مثل الزلازل أو حرائق برية أو هجمات إرهابية، كثيرا ما تصبح الشبكات البرية أكثر من طاقتها أو تدمرها، ويمكن أن توفر أجهزة آيوت ذات صلة بالسواتل - مثل أجهزة الاستشعار السيزمية، وأجهزة الكشف عن الدخان، والمناظير الطارئة - بيانات أساسية، ويمكن للمستجيبين الأولين أن يستخدموا طائرات بدون طيار ذات وصلات ساتلية وأجهزة استشعار قابلة للارتداء لتنسيق جهودهم في المناطق التي لا توجد بها خدمة للزنزانات.

إدارة الطاقة والقابلية للذوبان

وتعتمد شبكات الذكاء على أجهزة الاستشعار التي ترصد خطوط الطاقة والمحولات والمراكز الفرعية في المناطق الجغرافية الواسعة، ويقع العديد من هذه الأصول في أماكن نائية أو يصعب الوصول إليها حيث لا تتوفر القدرة على الاتصال بالألياف أو الخلوية، كما أن الساتل IoT يتيح الرصد الفعلي لصحة الشبكة وكشف الأخطاء وموازنة الحمولة، كما أن المرافق المائية تستفيد من ذلك: أجهزة الاستشعار التي تعمل بالضغط، وأجهزة الكشف عن تسرب الغازات، وأجهزة قياسا على ارتفاع مستوى الأشعة السيولة.

إدارة النفايات والمبنى الذكي

ويمكن لجمع النفايات المجهزة بمجسات على مستوى المليئ أن تنقل البيانات عبر السواتل في المدن ذات الأحياء الكبيرة الموزعة، مما يتيح إحداث تغيير دينامي في مسار شاحنات النفايات، ويحد من استهلاك الوقود ويمنع تدفقها إلى الخارج، وفي المباني الذكية، ومجسات المصعد، ومراقبات البيوت ذات التردد العالي، وأجهزة التحكم في الإضاءة يمكن أن تستخدم الاتصال بالسواتل عندما تكون نظم إدارة المباني معزولة عن العمود الفقري الرئيسي.

ثالثا - العقبات التقنية واستراتيجيات التخفيف

Latency and Bandwidth Constraints

وعلى الرغم من التحسينات التي أدخلت على المدار الأرضي المنخفض، لا تزال هناك قدرة على الاتصال بالسواتل أعلى من الشبكات الألياف أو الخلوية، وبالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة على مستوى المليمترات، مثل التحكم في المركبات المستقل، فإن السواتل وحدها قد لا تكفي، كما أن التصميمات الهجينة التي تستخدم السواتل في تجميع البيانات غير الحرجة و5G الأرضية للقيادات الحساسة من حيث التوقيت، توفر حلا متوازنا.

استهلاك الطاقة وأسلوب الحياة النبيلة

وتستهلك أجهزة البث الساتلية طاقة أكبر من الطاقة الأرضية، لا سيما بالنسبة لوصلات توقعات البيئة العالمية حيث يجب أن تسافر الإشارة أكثر من ذلك بكثير، ويمكن أن يستنفد هذا البطاريات بسرعة ويقلل من العمر التشغيلي للمستشعرات الكهربائية، غير أن سواتل المدارية تحتاج إلى طاقة أقل من أجل الوصلة، كما أن تقنيات إعادة توليد الطاقة (العزل، والاحترار، وبطاقات الإرسال الحراري) تساعد على توسيع نطاق تصميم الأجهزة.

التدخل في الإشارات والتلاؤم

وتخلق البيئات الحضرية تحديات أمام الإشارات الساتلية: فالأراضي الطويلة والجسور والأنفاق تسبب كتلة الإشارة وتلاشي الاضطرابات المتعددة، وينبغي وضع أجهزة الإيوت بصور سمية واضحة أو تجهيزها بهائيات شاملة يمكن أن تحافظ على الاتصال بالسواتل ذات الارتفاع المنخفض، أما بالنسبة للأجهزة التي تنشر في أغطية الشوارع، فتتعين وضع نهج هجين مع بوابة أرضية تجمّع عدة أجهزة استقبال متطورة ومواقع خلفية.

الأمن وخصوصية البيانات

ويمكن اعتراض البيانات المرسلة عن الوصلات الساتلية إذا لم تكن مشفرة بشكل سليم، وكثيرا ما تكون لأجهزة التحلل الضوئي قدرة محدودة على التجهيز، مما يجعل التشفير القوي أمرا صعبا، غير أن منابر الساتل الحديثة تنفذ التشفير النهائي باستخدام الخوارزميات المشفرة للوزن الخفيف، كما أن تقنيات البنية التحتية العامة الرئيسية (PKI) وشرائح العناصر الآمنة تدمج بصورة متزايدة في وحدات الاختبار الساتلي.

قضايا التوزيع التنظيمي والموقع

وتتطلب الاتصالات الساتلية التنسيق مع سلطات الاتصالات السلكية واللاسلكية الوطنية من أجل الوصول إلى الطيف، كما أن نطاقات الترددات المختلفة (مثلاً، النطاق الترددي L، النطاق الترددي، النطاق الترددي، النطاق الترددي الكهرومغناطيسي) تخصص لمختلف الخدمات الساتلية، ويجب على أجهزة التوحيد المغناطيسي أن تمتثل للأنظمة المحلية، كما أن التغطية الساتلية عبر الحدود يمكن أن تثير شواغل تتعلق بالسيادة، ومن حسن الحظ أن تعمل الهيئات الدولية مثل الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية على فتح خدمات تكنولوجيا الفضاء.

Real-World Implementations: Case Studies

وقد بدأت عدة مدن ومناطق بالفعل نشر نظم ساتلية من طراز IoT.Satellite، وفي ساو باولو، البرازيل، تستخدم الوكالات البيئية أجهزة الاستشعار ذات الصلة بالسواتل لرصد نوعية الهواء في جميع أنحاء منطقة العاصمة، وتحيل البيانات كل 15 دقيقة إلى لوحة مركزية، وتنشر أجهزة الاستشعار الساتلية في فافيلاس وغيرها من الأحياء التي لا تحظى بخدمات كافية حيث لا تتمشى التغطية الخلوية، بما يكفل أن تكون بيانات التلوث ممثلة للمدينة بأكملها.

وفي سنغافورة، أجرت هيئة النقل البري اختبارا لتتبع المركبات بواسطة السواتل للحافلات العامة لتحسين إدارة الأسطول والمعلومات المتعلقة بالوصول في الوقت الحقيقي، ويستخدم النظام سواتل " ليو " من جهة مورد تجاري للحفاظ على الاتصال حتى في طرق الحافلات التي تمر عبر الأنفاق أو تحت الأعلاف الكثيفة، وفي الإمارات العربية المتحدة، تستخدم مدينة ماسدار الساتل IoT لإدارة الطاقة في شبكاتها الذكية، وتدمج أجهزة رصد الطاقة الخلفية الشمسية وأجهزة قياس الصنعها.

مقذوفات المدار المنخفض

(أ) تتوسع وحدات السواتل التابعة للمنظمة العالمية لسواتل الأرض بسرعة، حيث يجري إطلاق آلاف السواتل كل سنة، وهذا النمو يقلل التكلفة لكل رسالة ويزيد من وتيرة التغطية، وهذا يعني بالنسبة للمدن الذكية أن أجهزة الرصد باللوت يمكن أن تتواصل أكثر من أي وقت ممكن، مما يتيح إمكانية الوصول إلى البيانات في الوقت القريب من الزمن، كما أن قنوات الاتصال الهاتفية المستقبلية ستوفر إمكانية الاتصال المباشر بالشبكة الهاتفية، مما يضفي على الخط بين الشبكات الساتلية والسواتل الأرضية: 2020.

التكامل مع 5 ج و حوسبة إدج

وبدلا من استبدال الشبكات الأرضية، فإن الساتل آيوت سيكملها.

تحليل البيانات AI-Driven

ويستلزم فيضان البيانات من ملايين أجهزة الاستشعار التابعة لليوت تحليلاً ذكياً، ويمكن نشر نماذج التعلم الماكين في السحابة أو عند الحافة لكشف الشذوذ، والتنبؤ بالفشل، والتوصية باتخاذ إجراءات، كما أن القدرة على الاتصال بالسواتل تضمن أن حتى أجهزة الاستشعار في المناطق النائية تسهم في هذه النماذج، وعلى سبيل المثال يمكن أن تحلل أنماط حركة المرور من أجهزة الاستشعار على الطرق ذات الوصلات الساتلية، وأن تعدل توقيتات التي تُتوقعية على نطاق المدينة بأكملها.

الهيكل الهجين للشبكة

شبكات المدن الأكثر ذكاءً ستجمع بين خيارات التواصل المتعددة: الألياف، 5G، WI، LoRaWAN، والقمر الصناعي، أجهزة IoT سوف تكون قادرة على اختيار أفضل وصلة متاحة على أساس التكلفة، والتساهل، والقدرة، والموثوقية.

خاتمة

إن إدماج أجهزة الإيوت بشبكات السواتل هو عامل مؤثر في التحول في تطبيقات المدن الذكية، ومن خلال توسيع نطاق الربط بين كل زاوية من أركان البيئة الحضرية، فإن هذه التكنولوجيا تضمن أن جمع البيانات وإدارتها شاملان وموثوقان ويمكن تصعيدهما، ومن تحسين الحركة والرصد البيئي إلى السلامة العامة وإدارة الطاقة، فإن الفوائد كبيرة ويجري تحقيقها بالفعل في مشاريع حول العالم.