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

بر سر راه هر فناوری چالش‌های بسیاری وجود دارد. حل این چالش‌ها پیشرفت فناوری را ممکن می‌سازد، اما معمولاً به‌مرور زمان مشکلات جدیدی جایگزین می‌شوند. در حال حاضر، تأمین نیازمندی‌های ارتباطات بی‌سیم که محبوبیت زیادی در بین کاربران داشته است، قدری دشوار است. در این مقاله، یکی از بزرگ‌ترین موانع گسترش ارتباطات بی‌سیم و راه‌ حل آن را بررسی می‌کنیم. استفاده از دستگاه‌های بی‌سیم به‌لطف فناوری‌های پیشرفته افزایش داشته است و در آینده نزدیک نیز با اوج گرفتن اینترنت اشیا افزایش بیشتری را شاهد خواهیم بود. رشد تعداد دستگاه‌ها و ترافیک داده‌های بی‌سیم به‌قدری است که آمار و ارقام آن کمی ترسناک به نظر می‌رسد. شرکت سیسکو تحقیقات جامعی در سال 2017 در این زمینه داشته است که وضعیت را از سال 2016 تا 2021 (بر اساس پیش‌بینی) نشان می‌دهد. برخی از این آمارهای ارائه شده را در ادامه مورد بررسی قرار می‌دهیم. 

رشد ارتباطات بی‌سیم

شکل 1 میزان افزایش ترافیک موبایلی در سال 2016 نسبت به سال قبل را نشان می‌دهد. همان طور که مشخص است، افریقا و خاورمیانه با 96 درصد رشد جایگاه نخست را دارند. در سطح کشوری بیشترین رشد مربوط به اندونزی، چین و هند با 142، 86 و 76 درصد بوده است (این سه کشور در سال 2015 نیز بیشترین افزایش استفاده از ترافیک موبایلی را داشته‌اند). فرانسه، کره و استرالیا نیز کشورهای دیگری هستند که استفاده از آن‌ها در سال 2016 شتاب قابل توجهی داشته‌ است.

شکل1 - افزایش ترافیک داده موبایلی در سال 2016

بر اساس پیش‌بینی بخش VNI (سرنام Visual Networking Index) سیسکو، مجموع ترافیک داده در سال 2016 از 7 اگزابایت به 49 اگزابایت در سال 2021 می‌رسد. (شکل 2) حدود 47 درصد از ترافیک موبایلی در سال 2021 به آسیا و اقیانوسیه تعلق دارد. امریکای شمالی که در سال 2016 در رده دوم قرار دارد، به رده چهارم تنزل پیدا می‌کند (بعد از آسیا و اقیانوسیه، اروپای شرقی و مرکزی، خاورمیانه و افریقا).

شکل2 - پیش‌بینی مجموع ترافیک موبایلی در سال 2016 تا 2021

بد نیست بدانیم این ارقام بزرگ توسط چه دستگاه‌هایی تولید می‌شوند. مطابق انتظار بیشترین استفاده توسط گوشی‌های هوشمند است که از 81 درصد در سال 2016 به 86 درصد در سال 2021 افزایش می‌یابد. ماشین به ماشین نیز سهم 2 درصدی خود را به 5 درصد افزایش می‌دهد. اما سایر دستگاه‌ها مانند تبلت‌ها، کامپیوترها و گوشی‌های غیرهوشمند روند نزولی دارند و مجموع سهم آن‌ها بیشتر از 9 درصد نخواهد بود. تعداد ها‌ت‌اسپات‌های وای‌فای عمومی نیز مسئله پراهمیتی در بحث‌های بی‌سیم است که تنها به نمودار آن در شکل 3 بسنده می‌کنیم. تا به اینجا، آمار و ارقامی را دیدیم که تنها با نگاه به آن‌ها متوجه می‌شویم مشکلات زیادی برای کنترل و تأمین نیازها به وجود خواهد آورد.

شکل3 - میزان رشد هات‌اسپات‌ها از سال 2016 تا 2021

 ارتباطات بی‌سیم و طیف فرکانسی

طیف فرکانسی یک منبع طبیعی و یک مجموعه از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس‌های مختلف است. در این گستره هر بازه فرکانسی مشخصات خاص خود را دارد. برای مثال، امواج رادیویی فرکانس‌های پایین (و طول موج بلند) دارند که می‌توانند از موانع عبور کنند. در نقطه مقابل، امواج اشعه ایکس فرکانس بالا (و طول موج کوتاه) دارند که موجب می‌شود از برخی موانع نتوانند عبور کنند.
طیف رادیویی که قسمتی از طیف الکترومغناطیسی است، به فرکانس بین 30 کیلوهرتز تا 300 گیگاهرتز می‌گویند که کاربردهای فراوانی برای ارتباطات بی‌سیم دارد. حساسیت روی ارتباطات بی‌سیم زیاد است و برای جلوگیری از تداخل و مشکلات دیگر، تخصیص طیف امری حیاتی به نظر می‌رسد. برای مثال، کاملاً منطقی است که باندهای فرکانسی (محدوده مشخصی از طیف) نظامی نباید با وای‌فای عمومی تداخل داشته باشد. وظیفه قانون‌گذاری در تخصیص طیف‌های فرکانسی، استانداردسازی و کنترل آن برعهده اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU) است. در حال حاضر، حد و مرزهای طیف‌های فرکانسی کاملاً مشخص و همواره کنترل می‌شود و تخطی از آن عواقب خود را به‌دنبال دارد. طیف‌های فرکانسی به دو دسته تقسیم شده‌اند. آن‌ها که نیاز به مجوز دارند و آن‌ها که استفاده از آن‌ها آزاد است و نیاز به مجوز ندارند. طیف‌های آزاد را ISM نیز می‌نامند. اگر به طیف‌های تخصیص یافته نگاهی بیاندازیم، متوجه می‌شویم که فضای خالی بسیار کمی وجود دارد. دو مورد از شلوغ‌ترین باندهای فرکانسی آزاد، باندهای 2.4 گیگاهرتز و 5 گیگاهرتز هستند که وای‌فای در این بخش کار می‌کند. با افزایش نیازها و پیچیدگی وضعیت طیف‌ها، طیف‌های رادیویی به‌عنوان عنصر نایاب در ارتباطات بی‌سیم به شمار می‌روند. وضعیت تخصیص طیف‌های فرکانسی در ایالات متحده در شکل 4 قابل مشاهده است. افزایش طیف فرکانسی امکان‌پذیر نیست، تغییر استانداردها مشکلات خاص خود را دارد و روش‌های موجود نظیر استفاده از روش‌های مدولاسیون پیچیده، کدینگ‌های مختلف و استفاده از چند آنتن، سعی در استفاده بهینه از یک طیف خاص و ثابت دارند. اکنون این روش‌ها نیز جواب‌گو نیستند و راه‌ حلی که باقی می‌ماند استفاده پویا از طیف‌ها است. مفهوم رادیوی شناختی یا CR (سرنام Cognitive Radio) برای حل مشکل ایستا بودن طیف‌های تخصیص داده شده به وجود آمد. در حالی که در 90 درصد زمان‌ها از باندهای فرکانسی مجوزدار استفاده نمی‌شود، وجود چنین فناوری‌ کمکی بزرگ به شمار می‌رود. مفهوم رادیوی شناختی اولین بار توسط جوزف میتولا در سال 1998 مطرح شد و مورد استقبال نیز قرار گرفت. اکنون این احتمال وجود دارد که در نسل پنجم شبکه‌های موبایلی (5G) این فناوری اجرایی شود.

شکل4 - وضعیت طیف فرکانسی تخصیص داده شده در ایالات متحده

رادیوی شناختی چیست؟

رادیوی شناختی شکلی از ارتباطات بی‌سیم است که ارسال‌کننده به‌صورت هوشمند فضاهای خالی یا استفاده شده طیف را تشخیص می‌دهد و از آن استفاده می‌کند. در شبکه‌های رادیوی شناختی دو نوع کاربر داریم. کاربران اولیه که همواره مجاز به استفاده از طیف فرکانسی مشخصی هستند و در واقع صاحبان اصلی آن طیف محسوب می‌شوند. نوع دوم کاربران ثانویه یا کاربران رادیوشناختی هستند که در صورت خالی بودن طیف، از آن استفاده می‌کنند ولی نباید مزاحمتی برای کاربران اولیه ایجاد کنند. شکل 5 شرایطی را نشان می‌دهد که یک ایستگاه پایه جواب‌گوی همه کاربران نیست. برای حل مشکل ناگزیر باید دستگاه‌ها را به یک شبکه‌ دیگر، در طیف فرکانسی دیگری هدایت کرد. ممکن است قسمتی از طیف فرکانسی مخصوص ارسال‌های تلویزیونی بدون استفاده باشد و این فرصت خوبی است تا کاربران از آن طیف استفاده کنند. در این حالت، کاربران شبکه موبایلی (سلولی) را به‌عنوان کاربران ثانویه و تلویزیون‌ها را به‌عنوان کاربران اولیه می‌شناسیم. همچنین ایستگاه پایه GSM را ایستگاه پایه شناختی (رادیوشناختی) می‌نامیم.

شکل 5 - استفاده کاربران یک شبکه از طیف‌های فرکانسی دیگر

از نظر زیرساخت، شبکه‌های رادیوی شناختی مشابه شبکه‌های بی‌سیم سنتی هستند و می‌توانند به سه حالت پیاده‌سازی شوند:

1. شبکه‌های متمرکز: در این نوع شبکه‌ها کاربران ثانویه از طریق ایستگاه پایه شناختی ارتباط برقرار می‌کنند.

2. شبکه‌های توزیع‌ شده: در این حالت هیچ ساختار مرکزی وجود ندارد و داده‌ها از طریق دیگر کاربران به مقصد می‌رسند.

3. شبکه‌های ترکیبی: این نوع شبکه‌ها ترکیبی از هر دو شبکه ذکر شده است.

رادیوی شناختی شکلی از ارتباطات بی‌سیم است که ارسال‌کننده به‌صورت هوشمند فضاهای خالی یا استفاده شده طیف را تشخیص می‌دهد و از آن استفاده می‌کند

چالش‌های اجرای رادیوی شناختی

قطعاً مهندسان رشته کامپیوتر و مخابرات کار دشواری برای پیاده‌سازی این مفهوم زیبا دارند. بزرگ‌ترین چالش‌های موجود را می‌توان در سه مورد بیان کرد:
1- تشخیص حضور کاربر اولیه: کاربر ثانویه یا ایستگاه پایه ثانویه باید دائم وضعیت اطراف را بررسی کند تا مشخص شود از کدام قسمت‌های طیف استفاده نمی‌شود. فضاهای خالی طیف را فضای سفید یا حفره‌های موجود در طیف می‌نامند. (شکل 6)

شکل 6 - حفره‌های موجود در بین طیف‌های مورد استفاده

تشخیص حفره‌ها توسط حسگرها و با تحلیل سیگنال‌‌های دریافتی از کاربران اولیه صورت می‌گیرد. به‌عبارتی، زیرکانال‌هایی که توسط کاربران اولیه استفاده نمی‌شوند، شناسایی و به اشتراک گذاشته می‌شوند. 
با توجه به اینکه کیفیت ارتباط کاربران اولیه باید حفظ شود، سنجش درجه تداخل، سنجش طیف رادیویی در شبکه‌های چندکاربره و قابلیت کشف از جمله مشکلاتی است که باید حل شوند.

2- اشتراک و مدیریت طیف رادیویی: پس از شناسایی، طیف‌های رادیویی باید با زمان‌بندی مشخص بین کاربران ثانویه به اشتراک گذاشته شوند. با توجه به نیازمندی‌های کاربران، تخصیص توان مناسب امری دشوار است و به مدل‌های تصمیم‌گیری پیشرفته‌ای برای تخصیص زیرکانال‌ها به کاربران ثانویه نیاز است. در صورت نبود مدیریت، این شبکه‌‌‌ها کارایی خود را به‌شدت از دست خواهند داد.

3- قابلیت حرکت در طیف رادیویی: حفره‌های طیفی با گذشت زمان تغییرات زیادی خواهند داشت. بنابراین، برای حفظ کیفیت سرویس کاربران اولیه و سرویس‌دهی مناسب به کاربران ثانویه باید توانایی انتقال از یک حفره به حفره‌ای دیگر وجود داشته باشد (همانند شکل 6).

نحوه استفاده کاربران ثانویه از طیف، تکنیک‌های موجود در رادیوشناختی، ایده مشارکت و سایر مباحث را در شماره آتی ماهنامه شبکه بررسی خواهیم کرد.

برای مطالعه بخش اول این مقاله اینجا کلیک کنید