مقدمة

وقد أصبحت شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية غير المتصفة بالشبكة أمرا لا غنى عنه للرصد البيئي، مما يتيح جمع البيانات الحيوية مثل درجة الحرارة، والرطوبة، ونوعية الهواء، والتلوث بالمياه، والنشاط في الأحياء البرية، وكثيرا ما تعمل هذه الشبكات في مواقع بعيدة أو صعبة أو يتعذر الوصول إليها حيث تكون الهياكل الأساسية اللاسلكية غير عملية، غير أن طبيعة الرصد البيئي ذاتها تنطوي على تحديات كبيرة في مجال الاتصالات: تواتر الإشارة بسبب وجود عقبات هندسية أو حواجز صناعية

Understanding Spread Spectrum Technology

المنشأ والثورة

وينشر الاتصال الطيفي المتأصل في أوائل الأربعينات، عندما قامت الممثلة هيدي لامار وشركة جورج أنتيل باختراع نظام لبث الترددات في الطوربيدات ذات التوجهات اللاسلكية، وكان اختراعها يهدف إلى منع التشويش عن طريق التحول السريع لتواتر الناقل وفقاً لنمط محدد سلفاً، وهو مفهوم معروف فيما بعد باسم " التلقيح المكثف " (FSS)

المبادئ الأساسية

والفكرة الأساسية وراء الطيف الممتد بسيطة: فبدلاً من تركيز جميع الطاقة المنقولة في قناة ضيقة التردد، تنتشر الإشارة عمداً على نطاق أوسع بكثير، وهذا الانتشار عادة ما يتحقق بتحوير إشارة البيانات بضوضاء من نوع " البيوتر " المعروف لدى جهاز الإرسال والاستقبال، ويقتصر على تحديد نطاق الترددات الرئيسية التي لا يُستخدم فيها على الحد الأدنى من التدخل في عملية النقل.

أنواع المنتشرات

مباشرة (Squence Spread Spectrum)

وفي إطار نظام إدارة الدعم الميداني، يُجمع تدفق البيانات (عبر XOR) بشكل متكرر جداً، مع سلسلة من رموز نظام تحديد المواقع، ويمكن مثلاً الاستعاضة عن كل جزء من البيانات بتسلسل رقائقي قدره 11 أو أكثر، وتشغل الإشارة الناتجة عن ذلك نطاقاً يتناسب مع معدل الرقاقة بدلاً من معدل البيانات.

Sectrum (FHSS)

ويحول نظام خدمات الدعم الميداني بسرعة تواتر الناقل بين مجموعة من القنوات وفقاً لتسلسل الرفع من السود والمستقبل المعروف لدى جهاز الإرسال والاستقبال، والوقت الذي يستغرقه كل قناة قصير نسبياً (400 متر).

التوقيت: Spread Spectrum (THSS)

أما فيما يتعلق بسيناريوهات شبكة الاستشعار، فإن هذه الشبكة تنقل البيانات في فترات زمنية قصيرة في فترات زمنية قصيرة، ويحدّد توقيت هذه الانفجارات بمدونة PN، وتقترن بتقنيات الاتصال عبر النطاقات، ويمكن أن تحقق شبكة الاتصالات البرية كثافة منخفضة جداً من الطاقة، وتسوية النطاقات العالية، وهي مفيدة للتشهير بالشبكات المحلية في مجال الرصد البيئي.

فوائد المنارة في شبكات الاستشعار اللاسلكية

التدخل في شؤون المقاومة والسطو

الرصد البيئي غالباً ما يضع أجهزة الاستشعار بالقرب من مصادر التدخل الكهرومغناطيسي: السيارات، المضخات، خطوط الكهرباء، أو أجهزة الإرسال اللاسلكية الأخرى (مثل أجهزة توجيه الواي فاي، محطات القاعدة الخلوية) وحصانة الطيف المتأصلة من التدخل في النطاق الضيقة تضمن نقل البيانات الموثوق به في هذه الظروف، ويمكن أن يكون الكسب في تجهيزات من أجهزة البرمجيات الرقمية مرتفعاً إلى 20-30 د.

تعزيز الأمن والخصوصية

وقد تكون البيانات البيئية حساسة: قراءات التلوث التي يمكن أن تشرك مصنعاً، أو مواقع حيوانية يمكن أن يستخدمها الشواذ، أو بيانات مناخية ذات قيمة من الممتلكات الفكرية، وتوفر طيف الرش طبقة أولى من الأمن بجعل الإشارات يصعب اعتراضها دون معرفة رمز PN، وفي حين أنها لا تشكل بديلاً عن التشفير، فإنها ترفع الحاجز ضد التنقيبات العرضية، علاوة على ذلك، فإن احتمالية المنخفضة للكشف (LPD).

القدرات المتعددة على الوصول

ويمكن أن تشمل أجهزة رصد البيئة مئات أو آلاف العقد، كما أن تقنيات الطيف المبسط تيسر الوصول المتعدد دون تجاوز الوقت أو تعقيد تقسيم الترددات في سياق ضيق النطاق، وفي نظام إدارة الدعم الميداني، تُخصص أجهزة متعددة للوصول إلى أجهزة التصوير بالأشعة فوق البنفسجية رموزاً مستقلة لكل مجموعة من مجموعات النوافذ، بحيث لا يمكن نقلها في نفس الوقت، مع وجود مواضع متعددة.

كفاءة الطاقة وحياة البطارية

ويمكن أن يُعتقد المرء بصورة غير ملائمة أن نشر إشارة عبر نطاق أوسع من الترددات سيستهلك مزيداً من الطاقة، وفي الممارسة العملية، يمكن أن يؤدي انتشار الطيف فعلاً إلى خفض احتياجات الطاقة لأنه يتيح خفض نسبة اللافتر إلى الطيف (SNR) في جهاز الاستقبال.

تطبيقات الرصد البيئي

رصد نوعية الهواء

وتحتاج شبكات نوعية الهواء في المناطق الحضرية إلى اتصالات موثوقة في خضم مواصفات الترددات اللاسلكية في حياة المدن، وتُكفل أجهزة الاستشعار التي تعمل على الطيف لقياس درجة الحرارة 2.5، والأوزون، وNO2، وثاني أكسيد الكربون، تجزئة بياناتها من خلال شبكة من أجهزة الاستقبال حتى عندما تكون قريبة من بؤر البرمجيات أو أبراج الخلايا، وعلى سبيل المثال، فإن OpenAQ

نوعية المياه وكشف التلوث

أجهزة الاستشعار المنتشرة في الأنهار أو البحيرات أو المناطق الساحلية تواجه في كثير من الأحيان تحديات من تصعيد المياه والتفكير المتعدد العاطفة، قدرة الطيف على التعامل مع التعددية تجعلها مناسبة لمثل هذه البيئات المائية، وتستخدم المودم الصوتية الموجودة في محطة الأشعة تحت سطح الماء في بعض الأحيان لشبكات الاستشعار تحت الماء، على الرغم من أن نطاق الترددات اللاسلكية يقتصر على الطيف السطحي أو المياه الضحلية.

تعقب الحياة البرية ورصد الموئل

وتُعد تكنولوجيا الطيف المثلى لتتبع الحيوانات لأنها تقلل إلى أدنى حد من التدخل في حالات الانعزال الطبيعي وغيرها من أجهزة نقل الأحياء البرية، ويمكن للمستعمرات والعلامات التي تستخدم محطة FHSS (الصغيرة إلى طاقة زرقاء منخفضة) أن تُسجل مواقعها وسلوكها مع الإبلاغ الدوري إلى أجهزة استقبال ثابتة.

Forest Fire Detection

إن الكشف المبكر عن الحرائق البرية يتطلب شبكة استشعار يمكن أن تعمل لشهور في التضاريس النائية المغطى بالشجرات، وتوافر الطيف من القدرة على التخفيف من الأعلاف بسبب الأوراق والفروع التي تبعث إشاراتها، هو ميزة كبيرة، وتؤمن نظم مثل FireWatch]FireWatch] استخدام أجهزة الإرسال في درجة حرارة المتوسطة

الزراعة الدقيقة

وتستخدم المزارع الحديثة شبكات الاستشعار اللاسلكي لرصد رطوبة التربة، ومستويات المغذيات، والميكرويات، ويمكِّن الطيف المُتَرَكِّب من الاتصال الموثوق به عبر حقول كبيرة مُهَمَّلة بمنابيب الري الفلزي والمضخات وغيرها من الآلات، وعلى سبيل المثال، فإن نظاماً قائماً على نظام إدارة الدعم الميداني من أجهزة مقاومة للتصميمات .

التحديات والمفاضلات

تعقيد التنفيذ

وتتطلب دوائر الطيف الموسَّعة تجهيز إشارات أكثر تطوراً من البدائل ذات النطاق الضيقة، والحاجة إلى وضع قواعد للشبكة، والتزامن الدقيق، واليأس، زيادة في منطقة السيليكون وتكاليف الطاقة، غير أن أجهزة النقل الحديثة المتكاملة قد خففت إلى حد كبير من هذه المسائل - فالأجهزة اللاسلكية ذات الشق الواحد التي تدمج أجهزة الطيف الموزعة مع الاستهلاك المنخفض للطاقة، وكثيراً ما تكون أقساط التكلفة مقبولة بالنسبة للانتشار البيئي الطويل الأجل.

النظر في بندويث والتنظيم

ويستهلك الطيف المزدحم، حسب التعريف، نطاقاً أوسع من البيانات المكافئة باستخدام أسلوب التناوب الضيقة، وفي إطار النطاقات المزدحمة للإدارة المتكاملة للمواد الكيميائية (2.4 جيهرتز و 868/915 ميغاهرتز)، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الالتجاء إلى نظم أخرى من الطيف الممتد، كما أن أنظمة دورة العمل (مثلاً، النطاق الأوروبي للشبكة 300، والجزء الخامس عشر من النطاقات في الولايات المتحدة) تحد أيضاً من مدة الانتقال، مما يحد من معدل الانتشار الحرفي.

التسلسل الزمني و Clock Drift

وتعتمد نظم الطيف الخفيف على التوقيت الدقيق لتوليد وتواريخ الضبط النباتي وتجارتها، إذ يمكن أن تؤدي الانجرافات بين أجهزة الاستشعار، ولا سيما على فترات طويلة بدرجات حرارة مختلفة، إلى تدهور الأداء، ويقتضي نظام الترددات العالية أن يتسبب كل من أجهزة الإرسال وأجهزة الاستلام في فقدان الهوايات والحزم، وتشمل الحلول نقل البيرونات الدورية واستخدام بروتوكولات المخففة المحتوية على درجة الحرارة.

التعايش مع النظم الأخرى التي لاسلكية

ومع انتشار أجهزة الإيو تي، يمكن أن يتقاسمها وي - في، وبلوتوث، وزيغ بي، ونظم الطيف المستخرج من مصادر ملكية، وفي حين أن الطيف الممتد مصمم ليكون قوياً للتدخل، فإن التواجد الكثيف يمكن أن يضعف من النتاج، كما أن قفزات الترددات المتوازية في بلوتوث واختيار القنوات الدينامية في زيغبي هي حلول جزئية للرصد البيئي، والتخطيط المتأنق لترددات واستخدامات.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

جهاز راديو وجهاز تنبيه معرفي

فالتكنولوجيا اللاسلكية المعرفية تتيح جهازاً لاسلكياً أن يحس ببيئته الطيفية وأن يضبط باستمرار معالم نقله - بما في ذلك عامل الانتشار، وزوارق النطاق، وأنماط القفز - لتجنب التدخل وتحقيق الأداء الأمثل، وهذا المفهوم يمتد إلى شبكات الاستشعار عن الطيف الموزعة، ويقوم الباحثون بتطوير بروتوكولات الانتشارية المعرفية ]:] بروتوكولات المتعدة التي تتعلم أنماط التعايش المتنامية التي تتعلم، وتكيف، حتى في البيئة الحقيقية.

التكامل مع 5 ج و LPWAN

(أ) يعرّف النظام الإيكولوجي للشبكة العالمية لشبكة الإنترنت تعزيز الاتصالات الآلية (eMTC) وفئة الـ (MMTC) التي تروج لتقنيات الانتشار.() وتستعمل شبكات النطاق الترددي (Narrow-IoT) وشبكة النطاق الترددي (LTE-M) كنوع من الانتشار لتحقيق التغلُّب العميق والنطاق الطويل.()

Energy Harvesting and Ultra-Low Power Design

ومن أجل تحقيق شبكات الاستشعار المستقلة حقاً، يقوم الباحثون بدمج طيف واسع النطاق مع تكنولوجيات جمع الطاقة، مثلاً، يمكن أن يعمل جهاز الاستشعار الذي يعمل بالطاقة الشمسية باستخدام جهاز تحويل مزود بأجهزة الاستنشاق في الترددات الفلورية إلى أجل غير مسمى، بينما لا يستهلك سوى المايكرويوتات خلال فترات الخداع، وستؤدي تصميمات الدائرة الجديدة إلى زيادة استخدام أجهزة الاستنشاق أو أجهزة النعيب غير المجهزة بالحقن إلى الحد من التغيرات الطارئة في الطاقة إلى أدنى من ١ نون.

خاتمة

وقد ثبت أن تكنولوجيا الطيف المكشوفة هي أداة تمكين قوية لشبكات الاستشعار اللاسلكي المنتشرة في مجال الرصد البيئي، إذ إن نشر شبكات الوصلات العالمية ذات التداخل القوي، والأمن المتأصل، وإتاحة الوصول المتعدد الكفاءة، وانخفاض استهلاك الطاقة، يعالج العديد من التحديات الفريدة في مجال الاتصالات التي تطرحها البيئات النائية والمزعجة، ومن تتبع الطيور المهاجرة لقياس نوعية الهواء في المدن الكثيفة، فإن انتشار شبكات الوصلات اللاسلكية يؤدي بالفعل إلى تحقيق قدر أكبر من التعقيد في مجال السياسات والحفظ.

External Links:]