آلية جديدة لحفظ تحديث البيانات في الشبكات اللاسلكية

تساعد الخوارزمية الجديدة التي طورها باحثو معهد ماستشوستس للتكنولوجيا MIT على الحفاظ على حداثة البيانات في نظام اتصالات بسيط مثل مجموعة من الطائرات دون طيار وبرج مراقبة واحد ترسل إليه التقارير.

كيف يمكن لشبكة تُحدَّث باستمرار مكونةٍ من أجهزة استشعار أو مركبات أو طائرات دون طيار أن تخفّض عمر المعلومات التي تتلقاها في أية لحظة، وأن تتجنب ازدحام البيانات في الوقت نفسه؟!

في الشبكات اللاسلكية التي تُتبادل فيها أثناء الحركة معلومات حساسة من ناحية الوقت، لا يكفي إرسال البيانات بسرعة بل يجب أيضًا أن تكون البيانات أحدث ما يمكن. وبالنظر إلى عديد من أجهزة الاستشعار في سياراتنا نجد أنه بالرغم من أن أجهزة الاستشعار معظمها قد تستغرق أقل من ثانية لنقل حزمة بيانات إلى معالج مركزي، قد يتغير عمر هذه البيانات اعتمادًا على مدى تكرار نقل المستشعر للقراءات.

في شبكة مثالية؛ يجب على أجهزة الاستشعار أن تكون قادرة على إرسال التحديثات باستمرار وعلى تأمين أحدث حالة لكل ميزة قابلة للقياس مثل ضغط إطارات العجلات واقتراب العوائق، ولكن هناك حد لكمية البيانات التي يمكن أن تنقلها القناة اللاسلكية دون إغراق الشبكة.

عالج المهندسون في مختبر نظم القرار والمعلومات في MIT هذه المسألة وتوصلوا إلى طريقة لتوفير أحدث البيانات المتاحة لشبكة لاسلكية، ويمكن تطبيق هذه الطريقة على شبكات بسيطة؛ مثل عدة طائرات دون طيار تنقل إحداثيات الموقع لمحطة تحكم واحدة، أو أجهزة استشعار تنقل تحديثات الحالة إلى شاشة مركزية في مصنع. ويأمل فريق البحث في نهاية المطاف معالجة أنظمة أعقد مثل شبكات المركبات التي تتبادل بيانات حركة المرور لاسلكيًّا.

ويقول إيتان موديانو Eytan Modiano أستاذ علم الطيران والملاحة الفضائية والعضو في مختبر نظم القرار والمعلومات في MIT: "إذا كنت تتبادل معلومات عن ازدحام الشبكة، فلا بد أن تكون المعلومات أحدث ما يمكن؛ فإن كانت البيانات قديمة، قد ينجم عنها اتخاذ قرار خاطئ، ولذا فإن عمر المعلومات مهم جدًّا".

وقد قدم موديانو وزملاؤه هذه الآلية المبتكرة في بحث علمي في مؤتمر IEEE الدولي لاتصالات الحوسبة لتنال جائزة أفضل ورقة علمية. يجدر بالذكر أن مؤلف هذه الورقة الرئيس هو طالب الدراسات العليا إيغور كادوتا Igor Kadota، وأن طالب الدراسات العليا السابق أبشيك سنها Abhishek Sinha مؤلف مشارك.

صُممت الشبكات التقليدية لزيادة كمية البيانات التي يمكن نقلها عبر القنوات وتقليل الوقت الذي تستغرقه هذه البيانات للوصول إلى وجهتها، ولم يهتم الباحثون بعمر هذه المعلومات إلا في الآونة الأخيرة، إذ أصبحوا يهتمون بِكَون هذه المعلومات حديثة أو قديمة من وجهة نظر متلقيها.

ويقول موديانو: "في بداية الأمر، انطلقت أبحاثنا من مجال المركبات الجوية غير المأهولة التي تتحرك في بيئة ما وتتطلب تبادل معلومات عن مواقعها لتفادي حدوث أية اصطدامات محتملة فيما بينها، ثم انتقلنا للبحث في المشكلة الأساسية المتعلقة بكيفية تخفيض عمر المعلومات في الشبكات اللاسلكية".

في هذا العمل الجديد؛ بحث هذا الفريق عن طرائق لتوفير أحدث البيانات المتاحة لشبكة لاسلكية بسيطة، لذا صمم الباحثون شبكة أساسية تتكون من جهاز استقبال للبيانات يتمثل بمحطة تحكم مركزية وعقد متعددة تتمثل بمجموعة طائرات دون طيار تعمل على نقل البيانات.

افترض الباحثون أن عقدة واحدة فقط يمكنها أن تنقل البيانات في أي وقت عبر قناة لاسلكية، ثم طرحوا هذا السؤال: أي العقد يجب أن تنقل البيانات وفي أي وقت يجب أن تنقلها لضمان تلقي الشبكة أحدث البيانات المتاحة وسطيًّا من جميع العقد؟

يقول موديانو: "عرض الحزمة الترددية لدينا محدود، ما يعني أن علينا أن نكون انتقائيين في اختيار ما سترسله هذه العقد وتوقيت إرساله، وسألنا أنفسنا كيف نخفّض عمر هذه البيانات في هذا الوضع المحدود؟ هل نستطيع العثور على حل؟ ولقد عثرنا على الحل".

عمر مثالي:

يعتمد الحل المقترح على خوارزمية بسيطة تقوم على حساب (مؤشر) كل عقدة في لحظة ما، ويعتمد هذا المؤشر على عدة عوامل: عمر أو حداثة البيانات المرسلة، وموثوقية القناة التي تتصل بها، والأولوية العامة لهذه العقدة.

يوضح كادوتا قائلًا: "على سبيل المثال، قد تتميز إحدى الطائرات لديك بأنها أسرع أو أعلى كلفةً، وقد ترغب بالحصول على معلومات أفضل أو أدق عنها، عندها يُمكنك إسناد أولوية أعلى لها".

تُوسم العقد الأَولى وذات البيانات الأقدم والمرتبطة بقناة أشد وثوقيةً بمؤشر أعلى، أما العقد الأدنى أولويةً نسبيًّا وذات البيانات الأحدث والمرتبطة بقناة أقل وثوقيةً فتوسم بمؤشر أدنى. يمكن أن يتغير هذا المؤشر بين لحظة وأخرى، وتتناوب العقد ذات المؤشر الأعلى على نقل البيانات.

وحَسَبَ الفريقُ حدًّا أدنى، ما يعني أن متوسط عمر المعلومات للشبكة أصغر مما يكن أن تحققه أية خوارزمية أخرى، وذلك عن طريق تحقيق أفضل النتائج المتاحة في الشبكة المختبَرة. يؤكد موديانو ذلك بقوله: "لقد توصلنا إلى حد أساسي لا يمكن الحصول على عمر معلومات أصغر منه، ثم أثبتنا أن الخوارزمية المقترحة اقتربت إلى حد كبير منه، لذا فهي قريبة من المثالية".

ويخطط الفريق لاختبار مخطط المؤشرات الخاص به على شبكة بسيطة من الأجهزة الراديوية التي يمكن أن يعمل أحدها كمحطة قاعدية ويتلقى بيانات حساسة من ناحية الوقت من الأجهزة الأخرى. ويُذكر أن فريق البحث يعمل على تطوير خوارزميات أخرى لتحسين عمر البيانات في شبكات أعقد، ويؤكد الباحثون أن الأعمال المستقبلية ستتجاوز مسألة الاكتفاء بمحطة قاعدية واحدة إلى دراسة عملية التفاعل في شبكة مكونة من محطات متعددة، لعل ذلك يساهم في حل مشاكل أكبر.

المصدر:

هنا

هنا ith-new-algorithm/

هنا