نعرض في هذه المقالة لمحة عن أهمية تحسس الطيف التعاوني Cooperative Spectrum Sensing (CSS) في الراديو الاستعرافي Cognitive Radio (CR) في تحسين عملية كشف إشارات المستثمرين المرخصين أو المستثمرين الأوليين Primary Users (PU)، والقضايا والتحديات التي تواجهه، كما نشرح عن المنهجيات والتقنيات المستخدمة ونماذج التعاون.

يعتبر تحسس الطيف اللبنة الأساسية في الراديو الاستعرافي وذلك لتجنب التداخل مع المستثمرين المرخصين، وتتمثل وظيفة تحسس الطيف في كشف إشارة المستثمر المرخص، وتواجه العديد من التحديات، مثل: خفوت تعدد المسارات multipath fading، والوقوع في الظل shadowing، وعدم موثوقيه المستقبل receiver uncertainty. تساهم تقنيات تحسس الطيف التعاوني في تقليل أثر هذه المشاكل وتحسين أداء الكشف وذلك عن طريق استغلال التباعدية المكانية spatial diversity التي يوفرها وجود أجهزة الراديو الاستعرافي المتعاونة في أماكن مختلفة.

مقدمة:

إن الطيف الراديوي هو مصدر طبيعي ثمين ومحدود، وقد ازداد الطلب عليه بشكل كبير في السنوات الأخيرة، وذلك نتيجةً لتطور أنظمة الاتصالات والخدمات التي تقدمها، والتزايد الهائل لعدد المستثمرين، والحاجة لمعدلات معطيات عالية. ولأن عملية التنظيم الحالية للطيف تعتمد على وجوب أن يخصص لكل بروتوكول أو خدمة لاسلكية جديدة حزمة ترددية لم تحجز من قبل، ظهرت مشكلة ندرة الطيف الراديوي غير المحجوز، بينما تظهر القياسات أنّ الاستعمال الفعلي للطيف ضئيل ومتناثر، ويمثل الراديو الاستعرافي الحل لهذه المشكلة، من خلال الحجز الديناميكي للطيف المخصص لمستثمر أولي من قبل مستثمرين ثانويين (غير مرخصين) secondary users (SU).

يعرف الراديو الاستعرافي بأنه نظام اتصالات لاسلكي ذكي، قادر على إدراك البيئة المحيطة، والتعلم منها، وتعديل حالته الداخلية للتكيف معها، وذلك بإجراء تغييرات متوافقة في معاملات التشغيل (مثل: تردد الحامل، واستطاعة الإرسال، ونمط التعديل) في الزمن الحقيقي، مع وضع هدفين أساسيين بالحسبان، وهما: اتصالات قابلة للتحقيق بشكل عالٍ متى وأينما كانت الحاجة إليها، واستخدام فعال للطيف الراديوي.

يعتبر تحسس الطيف أو كشف الفضاء غير المشغول (فراغات الطيف/الطيف الأبيض) من أهم وظائف الراديو الاستعرافي، ولكن هناك عدد من التحديات التي تعيق كشف إشارات المستثمر المرخص، مثل: خفوت تعدد المسارات، والوقوع في الظل، وعدم موثوقية المستقبل، كما هو موضح في الشكل 1. اقترح التعاون بين عدة أجهزة راديو استعرافي كحل لهذه المشاكل، حيث يحسن التحسس التعاوني من احتمالات الكشف أو الإنذار الخاطئ، ويمكن أن ينقص من زمن التحسس. يكمن المبدأ الأساسي لتحسين أداء التحسس في استغلال التباعدية المكانية التي يوفرها وجود عدة أجهزة راديو استعرافي في أماكن مختلفة.    

الشكل 1: مشاكل خفوت تعدد المسارات، والوقوع في الظل، وعدم موثوقيه المستقبل في شبكات الراديو الاستعرافي.

تشمل التحديات في التحسس التعاوني تطوير خوارزميات تشارك معلومات فعالة وزيادة هائلة في التعقيد، كما يتطلب تأمين عدد من المستلزمات، مثل:

• قناة تحكم لتأمين التواصل ما بين العناصر المختلفة في شبكة الراديو الاستعرافي المتعاون.
• وجود تزامن ما بين كل العقد في الشبكة.
• توزع جغرافي ملائم للعقد المتعاونة.

منهجيات التحسس التعاوني:

هناك عدة منهجيات لتطبيق التعاون بين أجهزة الراديو الاستعرافي، وهي كالتالي:

• النهج المركزي Centralized Approach :

في النهج المركزي، تقوم عقدة مركزية معروفة باسم مركز القرارFusion Center (FC)  والذي يمكن أن يكون جهازاً سلكياً غير متحرك أو راديو استعرافي آخر بجمع كل معلومات التحسس عن المستثمرين الأوليين Pus من باقي الأجهزة المتعاونة، ويدمج جميع معلومات التحسس المستلمة باستخدام إحدى القواعد (OR, MOJORITY AND,)، ويحدد حالة (وجود أو غياب) Pus، ثم يبث القرار إلى باقي الأجهزة المتعاونة، كما هو موضح في الشكل 2-a.  

• النهج الموزع Distributed Approach:

تتشارك أجهزة الراديو الاستعرافي معطيات التحسس مع بعض، ولكن تحدد كل منها قرارها الخاص في أي جزء من الطيف يمكن أن تستخدمه، ويعتبر التحسس الموزع أكثر فائدة من حيث أنه لا يوجد حاجة لبنية تحتية قوية، وله تكلفة أقل، ويبين الشكل 2-b هذا النهج من التعاون.

• النهج المعتمد على الحاكمة Relay Based Approach:

يوجد في هذا النهج متحكم مركزي ليتحكم بمستخدمي الراديو الاستعرافي، ولكن الاتصالات بينهم تتم بطريقة موزعة، ففي حال وجود أجهزة راديو استعرافي لا تستطيع التبليغ إلى مركز القرار بسبب ضعف قناة التبليغ reporting channel، يمكن أن تقوم أجهزة راديو استعرافي أخرى (لهم قناة تبليغ قوية مع مركز القرار) كحاكمة لتمرير المعلومات.

• النهج المعتمد على شبكة حساسات خارجية:

تقوم أداة خارجية بعملية التحسس، وتبث معلومات انشغالية القناة إلى أجهزة الراديو الاستعرافي. إن الميزة الرئيسية للتحسس الخارجي هي التغلب على مشكلة العقد الأولية الخفية والالتباس الناتج عن الخفوت والوقوع في الظل، بالإضافة إلى زيادة فعالية الطيف حيث أن CR لا يستهلك وقت في إجراء التحسس. ليس هناك حاجة لأن تكون شبكة التحسس الخارجية متنقلة وبالتالي لا داعي للتغذية عن طريق البطاريات.

(a)

(b)

الشكل 2: منهجيات التحسس التعاوني المختلفة.

نماذج التعاون:

هناك عدة نماذج للتحسس التعاوني والتي تستخدم لتحليل سلوك التعاون لأجهزة الراديو الاستعرافي وأمثَلَة أداء الكشف، ومن هذه النماذج:

1. النموذج المعتمد على نظرية الألعاب Game Theoretic Model: يعمل هذا النموذج على تحسين قدرة تحسس الطيف لمستخدمي الراديو الاستعرافي من خلال تحليل سلوك التفاعل بين العقد خلال التعاون أو عدم التعاون.
2. اتخاذ القرار الموازي Parallel Fusion: يستخدم هذا النموذج معالجة الإشارات الموزعة لتحقيق أداء الكشف لمستخدمي الراديو الاستعرافي، وتحديد كيفية دمج القرارات وإصدار القرار النهائي في مركز اتخاذ القرار.
3. التعلّم الآلية Machine Learning: يتم تدريب الميزات المعروفة هنا باستخدام بعض تقنيات التعلّم، ويتم استخدامها لاحقاً لتصنيف الميزات غير المعروفة بناءً على المعرفة المدربة.
4. الأمثَلَة باستعمال سرب الجسيمات Particle Swarm Optimization: وهي تقنية حسابية عشوائية متطورة يتم تهيئتها بواسطة مجموعة من الحلول العشوائية، ومن ثم يتم البحث عن الأمثلة عن طريق تحديث الجيل.
5. نظرية المصفوفة العشوائية Random Matrix Theory: وهي مصفوفة من نوع وحجم معين تتكون إدخالاتها من أرقام عشوائية لبعض التوزيعات المحددة.

القضايا والتحديات في التحسس التعاوني:

نعرض في هذه الفقرة أهم القضايا/التحديات التي تواجه الباحثين في تطوير تقنيات تحسس الطيف التعاوني، وهي كالتالي:

1. التباس القناة Channel Uncertainty: يعود سبب الالتباس في استطاعة الإشارة المستقبلة في شبكات الاتصالات اللاسلكية إلى خفوت تعدد المسارات (channel multipath fading) والوقوع في الظل (shadowing)، ويمكن أن يسبب هذا الالتباس عدم كشف إشارة المستثمر الأولي.
2. تكاليف التعاون Cooperation Overhead: تعود تكاليف التعاون إلى الزمن الإضافي للتحسس والتأخير واستهلاك الطاقة وتدهور الأداء. مع محاولة المحافظة على هذه المعاملات من أجل التعاون، يلاحظ وجود اختلافات بين مستخدمي الراديو الاستعرافي مما قد يؤدي إلى تدهور في الكشف عن الطيف المتاح.
3. مركز اتخاذ القرار Decision Fusion: في تحسس الطيف التعاوني، قد يكون قرار التحسس إما قاسياً (hard) (0/1) أو ليناً (soft) (القيمة الفعلية باحتمال معين). تؤدي القرارات الناعمة أداءً جيداً في حالة وجود عدد صغير من مستخدمي الراديو الاستعرافي، أما القرارات القاسية فيكون أداؤها جيداً ومماثلاً لأداء القرارات اللينة حين يكون عدد المستخدمين المتعاونين مرتفعاً. ومع ذلك، فإن استخدام القرارات اللينة في الشبكات الكبيرة الحجم يسبب الكثير من التعقيد الحسابي.
4. قياس درجة حرارة التداخل Interference temperature measurement: يدرك مستخدم الراديو الاستعرافي بشكل طبيعي مستوى طاقة الإرسال للمستثمر الأولي وموقعه الدقيق بمساعدة نظام تحديد المواقع، ولكن قد يتسبب إرساله في حدوث تداخل كبير في مستقبل أولي مجاور على نفس التردد.  
5. تشكيل التحالف Coalition Formation: أثناء تشكيل التحالف في تحسس الطيف التعاوني، من الصعب جداً تقدير حجم التحالف أو العدد الأمثل لمستخدمي الراديو الاستعرافي المشاركين في التحالف من أجل كفاءة أفضل.
6. قناة الإبلاغ المعرضة للخطأ Error-prone Reporting Channel: في وقت إبلاغ مستخدم الراديو الاستعرافي ملاحظات التحسس إلى مركز اتخاذ القرار قد يحدث خطأ نتيجة استخدام قناة ترددية عامة بدلاً من استخدام قناة ترددية مخصصة، وقد يؤدي إرسال ملاحظة خاطئة من قبل مستخدمي الراديو الاستعرافي إلى إصدار قرار كشف غير صحيح.
7. التنقل Mobility: يمكن أن يكون للتنقل في شبكات الراديو الاستعرافي تأثيراً كبيراً على أداء التحسس. نظراً للطبيعة المتنقلة لأحد المستثمرين الأوليين أو الثانويين أو كليهما، قد لا يكون التحسس الأمثل، أو وقت الإرسال لنموذج شبكة راديو استعرافي مستقرة مناسباً للاستعمال في نمذجة شبكة راديو استعرافي متنقلة.

الخاتمة:

تحدثنا في هذه المقالة عن أهمية التحسس التعاوني في مواجهة التحديات التي تواجه عملية تحسس الطيف في الراديو الاستعرافي، وعرضنا منهجيات التعاون المختلفة، ونماذج التعاون المستخدمة في الأدبيات، بالإضافة إلى التحديات والقضايا المختلفة التي تواجهها تقنيات تحسس الطيف التعاوني.

المراجع:

[1] Meenakshi Sharma, Prakash Chauhan, and Nityananda Sarma, " A Brief Review of Cooperative Spectrum Sensing: Issues and Challenges ", IEEE, 2016.

[2] Ian F. Akyildiz, Brandon F. Lo, and Ravikumar Balakrishnan, "Cooperative spectrum sensing in cognitive radio networks: A survey", Physical Communication, Vol.4, 2010.

[3] Tevfik Yucek, Huseyin Arslan, "A Survey of Spectrum Sensing Algorithms for Cognitive Radio Applications," IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, vol. 11, no. 1, 2009.

[4] Y. Arjoune and N. Kaabouch, "A Comprehensive Survey on Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks: Recent Advances, New Challenges, and Future Research Directions," Sensors, vol. 19, 2019.