إنجازٌ علمي طموح في مشاكل الشبكات اللاسلكية تقوده باحثة سورية شابة

استمع على ساوندكلاود 🎧

إنّ سرعةَ تزايدِ استخدامِ الهاتفِ النقّالِ وتطبيقاته بمعدلٍ أعلى من عمليةِ تَوسعِ طيفِ الشبكاتِ اللاسلكيةِ، تسببُ بظهورَ وتطورَ مشاكلَ تقنية متعددة، لعل إحداها ما يسمى بمشكلةِ ازدحامِ الشبكةِ (Network Congestion)، ولتوضيحِ مدى أهميةِ وحساسية هذا الموضوع، نشيرُ إلى أنّ البيت الأبيض في الولايات المتحدة الأمريكية تدخل مؤخراً مُعلناً عن بدء مبادرةٍ بحثية قيمتها 400 مليون دولار، ومسابقة عالمية تحفيزية بجائزة تبلغ 4 ملايين دولار للتوصلِ لإيجاد حلّ لمشكلة ازدحام الشبكات اللاسلكية.

فيما يلي رابط :

• المبادرة البحثية التي أطلقها البيت الأبيض: هنا

• جائز البحث العالمي: هنا

أعلنَ فريقٌ من الباحثين تقوده البروفيسورة السورية دينا قتابي (في إطارِ السعي لإيجادِ حلّ لمشكلةِ ازدحامِ الشبكة اللاسلكية) من مَخبرِ علومِ الحاسوب والذكاء الصنعي في معهد ماساتشوستس في الولايات المتحدة الأمريكية (CSAIL) إنهم تَوصّلوا لحلّ مُحتَملٍ وقاموا بنشره في ورقةٍ بحثية جديدة، وقد شرح الفريقُ تفاصيلَ بناءِ نظامٍ أطلقوا عليه اسم (MegaMIMO 2.0) يستطيعُ نقلَ البياناتِ بصورةٍ لاسلكية، بسرعة تتجاوزُ ثلاثَ مرات السرعات الموجودة في الأنظمة الحالية مع مضاعفة مدى الإشارة.

فيديو يوضح مبدأ عمل التقنية:

يعتمدُ النظامُ (الذي سيصبحُ في الأسواقِ التجاريةِ قريباً) على التنسيقِ بين نقاطِ الوصولِ (Access Points) المختلفةِ في الوقتِ نفسِه بحيثُ تعملُ على نفسِ التردد بدون أن يحدث تداخل. هذا يعني أنّ نظامَ (MegaMIMO 2.0) قد يطوّر سرعةَ وقوةَ الشبكاتِ اللاسلكيةِ بشكلٍ كبير، خاصةً في الشبكاتِ التي تتضمنُ تبادلاً مرتفعاً للبيانات مثل المؤتمرات ومباريات كرة القدم.

لا يمكنُ في عالم اللاسلكي اليوم حلّ مشكلةِ الطيفِ اللاسلكي من خلال وضعِ المزيدِ من المرسلات، لأنها ستسببُ تداخلاً مع بعضها، فبحسب عز الدين حامد، طالب الدكتوراه والعضو في الفريق، فإن الحل هو بوضعِ كلّ نقاطِ الوصولِ لتعملَ مع بعضها بشكل متزامن بحيث تستخدم الطيف اللاسلكي المتوفر بفعالية أكبر.

قامَ الفريقُ لِفحصِ أداء نظام (MegaMIMO 2.0) بمحاكاة غرفةِ مؤتمرات من خلال استخدام أربع أجهزة محمولة تطوفُ الغرفة على روبوتات تسمى (Roomba robots) وهي روبوتات تعملُ كمكانس كهربائية للأرض. تبين من خلال التجربة أن بمقدور النظام زيادة سرعةِ نقلِ البياناتِ للأجهزة بنسبة 330 بالمئة.

مكوناتُ نظامِ (MegaMIMO 2.0) :

تبلغ البنيةُ الفيزيائيةُ للنظامِ بحجمِ الراوتر (موجه الإنترنت) القياسي، ويتكون من معالجٍ ونظامِ معالجة (baseband) بالزمن الحقيقي ولوحة إرسال واستقبال.

آلية عمل نظام (MegaMIMO 2.0):

إنّ السببَ الرئيسيّ في عملِ الهاتفِ الذكيّ بسرعةٍ هو استخدامُ نظامِ هوائيات الاستقبالِ، والإرسال المتعددة (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO)، مما يعني أنّه يستخدمُ عدة مرسلات ومستقبلات في الوقت نفسه. كما نعلمُ أيضاً بأن الموجات الراديوية ترتد عن السطوح، ولذلك تصلُ إلى المستقبلاتِ في أوقات مختلفة قليلاً، لذلك تكون الأجهزة ذات المستقبلات المتعددة قابلة لجمع مسارات البيانات المختلفة بشكل أسرع. كمثال على ذلك: يعملُ الراوترُ ذو الثلاثةِ هوائيات بسرعة أكبر بمرتين من ذلك الذي يعمل بهوائيين اثنين.

ولكنّ في العالم الذي تكونُ الحزمةُ الترددية فيه محدودة، لا تكون السرعات كما هو متوقع نظرياً ، ولذلك كان الباحثون في السنواتِ الأخيرة يبحثون عن الاختراع الذي يحلُّ هذه المشاكل، بحيث يكون قادراً على التنسيقِ بين عمل عدة راوترات في وقت واحد وبالتالي تتضاعف سرعة نقل البيانات بشكل أكبر وأكثر ثباتاً.

ولتوضيحِ المشكلة، دعونا نطرحُ المثال التالي: من المعلوم أنه لا تستطيع محطتان إذاعيتان أن تبثا الموسيقا على نفسِ الترددِ في نفس الوقت، فالتداخلُ الناتجُ سيجعلُ آلية استقبال إحدى المحطتين دون الأخرى غير ممكناً، وبالتالي لا يمكن فهمُ الموسيقى الصادرة عن إحداهما ! بنفسِ الفكرةِ نستطيع التبسيط والقول بأنه لا تستطيعُ عدة راوترات أن تنقلَ البيانات على نفسِ الجزء من الطيف الترددي اللاسلكي بدون وجودِ تداخلٍ ملموسٍ يشوش على الإشارة.

تُعتبر القطعةُ المفقودةُ من هذه الأحجية بالنسبة لفريق مخبر (CSAIL) هي تقنيةٌ جديدةٌ تقومُ على التنسيقِ بين عدة مرسلات من المزامنة بين أطوارها (Phases). فقامَ الفريقُ بتطويرِ خوارزميات معالجة إشارة خاصة تسمحُ لعدة مرسلات (مستقلة عن بعضها) بإرسال البيانات ضمنَ نفسِ الجزءِ من الطّيف الترددي اللاسلكي إلى عدة مستقبلات (مستقلة أيضاً عن بعضها) وبدون أن تتداخلَ الإشارات فيما بينها.

يُبينُ أحدُ الباحثين من جامعة ستانفورد (وهو غير مشارك في هذا الفريق البحثي)، أنه ونظراً لمحدوديةِ الطيفِ الترددي المُتاح للاستخدام، فإن الطريقةَ الوحيدةَ لتطويرِ السعة اللاسلكية هي بإضافة عدة نقاط وصول مع استخدامِ نمطٍ موزع من المرسلات/المستقبلات من النوع(MIMO)، وبحسب حديثه بوجودِ شك قديمٍ حولَ إمكانية تطبيق ذلك على أرض الواقع، فإن فريق البروفيسورة قتابي أثبتوا عكسَ ذلك حيث استطاعوا تجاوزَ التحديات العملية الكثيرة في طريقِ تحقيق شبكات (MIMO) موزعة (Distributed MIMO Networks).

قارنَ الفريقُ بين أداء (MegaMIMO 2.0) وبين أداء كل من نظام (WiFi) التقليدي ونظام (MegaMIMO 1.0)، الذي يجب على مستخدمه أن يُزوده دائماً بمعلومات كثيرة.

يقولُ أحدُ أعضاءِ الفريقِ بأن التكنولوجيا الجديدة التي قدمتها المجموعة يمكن تطبيقها على شبكات الهاتف الخليوي أيضاً، مما يعني أنها قد تحلّ مشاكلَ الازدحامِ المماثلةِ للناس التي تريدُ استعمالَ هواتفها لإجراء المكالمات. كما يبين الفريق بأنه يخططُ لتوسيع نظام (MegaMIMO 2.0) ليكون قادراً على إنجازِ عملياتِ التنسيق بين عدة مجموعات من الراوترات في وقت واحد، الأمر الذي سيؤدي لتحقيقِ سرعات أكثر فأكثر في نقل البيانات.

يقدم هذا العمل طريقة جديدة تماماً لإيصال الشبكة اللاسلكية (WiFi) إلى حرم الجامعات والشركات، في وقت تُعتبرُ الحلولُ الحاليةُ ضعيفةً نتيجةَ أداءها المنخفض والمتقطع، كما تسعى هذه التكنولوجيا إلى تقديمِ اتصالٍ عالي القدرة لكل مستخدم على حدى.

بقي أن نذكرَ أن هذا العمل تم تمويله من خلال مؤسسة العلوم الوطنية ومدعوم من أعضاء مركز معهد ماساتشوستس للشبكات اللاسلكية والحوسبة المتنقلة (MIT Center for Wireless Networks and Mobile Copmuting)

المصادر:

هنا