علماء بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية يبتكرون تقنيات جديدة لتحسين كفاءة شبكات أجهزة الاستشعار اللاسلكية تحت الماء
صمم فريق بحثي في المملكة العربية السعودية شبكة استشعار هجينة، قادرة على التغلُّب على أوجه قصور الموجات الصوتية والضوئية، وهما من أكثر أنظمة الاتصالات اللاسلكية استخدامًا تحت الماء.
يشير الفريق المؤلف من أربعة باحثين بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية إلى أن الشبكة قادرة على إرسال إشارات صوتية وضوئية في الوقت نفسه، وتمثل حلًّا محتملًا لتلبية الطلب المتزايد على توفير وسائل اتصال عالية الجودة تحت الماء.
يقول محمد سليم العلويني -أستاذ الهندسة الكهربائية والعميد المشارك بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية-: إن أنظمة الاتصالات اللاسلكية الصوتية تحت الماء تعمل لمسافات طويلة، بيد أنها محدودة بمعدلات منخفضة في نقل البيانات (كيلوبت/ثانية)، وتتسم بالتأخر لفترات طويلة والخفوت الشديد.
بدوره، يقول ناصر سعيد -أحد أعضاء الفريق-: “إن الأبحاث الحديثة توصلت إلى أن الضجيج الصادر عن أنظمة الاتصالات الصوتية المختلفة يؤذي صحة الأسماك والثدييات البحرية”.
ويضيف العلويني أنه في حين أن تكنولوجيا الاتصالات الضوئية يمكنها تلافي أوجه القصور في الاتصالات الصوتية؛ إذ تتميز بارتفاع معدلات نقل البيانات (جيجابيت/ثانية)، كما أنها أسرع وأكثر أمانًا، إلا أن مداها محدود، لا يتجاوز عشرات الأمتار؛ بسبب عوامل الامتصاص والتشتُّت واضطرابات مياه البحار.
ويقول: “إننا نعتقد أن شبكةً هجينةً يمكنها استخدام الموجات الصوتية لخدمات القيادة والتحكم والموجات الضوئية لتوفير خدمات اتصال عالية السرعة، ستوفر بديلًا جيدًا لأنظمة الاتصالات اللاسلكية تحت الماء المستخدمة حاليًّا”.
وفي هذا النموذج الجديد، ترسل أجهزة الاستشعار الموزعة عبر شبكة تحت الماء إشاراتٍ إلى عوامات سطحية لجمع البيانات، وفي حال كان الاتصال عبر مسافات طويلة، فإن أجهزة الاستشعار ترسل إشارات صوتية، أما في النطاقات الأقرب فترسل إشارات ضوئية.
ونظرًا لأن الأبحاث البحرية تتطلب تقنيات تموضع دقيقة، فقد استخدم الفريق النمذجة الرياضية لتطوير تقنية تموضع موثوق بها لتحديد المكان الدقيق لكل جهاز من أجهزة الاستشعار في أية لحظة محددة. وتجمع كل عوامة من العوامات السطحية قياسات متعددة للإشارات، ثم تُقيِّم هذه القياسات مع إعطاء الأولوية لأدق القراءات لتحديد مكان كل جهاز استشعار.
يقول ديميتريس بادوس -الأستاذ والزميل بمعهد الاستشعار وهندسة أنظمة الشبكات المدمجة (I-SENSE) بجامعة فلوريدا أتلانتيك، والذي تعمل مجموعته البحثية لتحقيق نفس الأهداف التي يسعى لتحقيقها فريق جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية ولكن عن طريق ترددات صوتية عالية-: إن التموضع الفعَّال والاتصالات اللاسلكية تحت الماء التي تنقل البيانات بمعدلات عالية عبر مسافات طويلة، يشكلان تحديان لم ترقَ النجاحات التي تحققت فيهما إلى طموح المجتمع العلمي.
يضيف بادوس: “يتصدى فريق جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية لهذين التحديين بطريقة طموحة وهادفة، من شأنها إعادة صياغة طريقة إجراء الاتصالات تحت الماء”.
يرى باحثو جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية أن استخدام شبكات الاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء يفتح المجال أمام عدد هائل من التطبيقات، مثل أنظمة الرصد تحت الماء، ومراقبة الأجهزة والمعدات، والتسجيل المناخي، وتوقُّع الكوارث الطبيعية، والتنقيب عن النفط، ومهمات البحث والإنقاذ، وأبحاث الملاحة والحياة البحرية.
غير أن مدى جدوى هذه المساعي يتوقف على التغلُّب على معضلة الاستهلاك العالي لشبكات أجهزة الاستشعار تحت الماء للطاقة.
وقد اقترح فريق جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية تزويد العُقَد الضوئية الصوتية بإمكانات لحصاد الطاقة من المصادر الخارجية لتقليل استهلاك الطاقة. ويمكن لهذه العُقَد أن تمد خلايا الوقود بالطاقة عضويًّا باستخدام الطحالب الميكروسكوبية أو طاقة الكهرباء الانضغاطية (الإجهاد الميكانيكي)..
يتمتع النموذج الجديد بإمكانات هائلة، بيد أن “العلويني” يؤكد الحاجة إلى إجراء مزيد من التحليل والدراسة.
ويضيف “العلويني” موضحًا: “ثمة حاجة إلى إجراء مزيد من الدراسات على نماذج نظرية جديدة، يجري تطويرها تحليليًّا أو حاسوبيًّا، كما أن اختبار الشبكات اللاسلكية الضوئية تحت الماء لا بد أن يُجرَى في بيئات حقيقية تحت الماء. وهناك حاجة ماسة لتطوير أجهزة إرسال واستقبال ضوئية تحت الماء تستطيع التغلب على مشكلة اختلال الربط، وانخفاض مدى الإرسال، وانخفاض عرض النطاق الترددي، واستهلاك الطاقة، والحجم”.
ويوافق “بادوس” على أن أجهزة المودم الحالية المستخدمة تحت الماء غير مرضية، غير أنه يحذر من أن التحديات التي تشكلها البيئة العدائية تحت الماء تجعل اختبار تصميمات بروتوكول جديدة وتقييمها أمرًا باهظ التكلفة ويستغرق وقتًا طويلًا.
تم نشر هذا المقال للمرة الأولي علي Nature Middle East
