ما هو راديو MANET وكيف يعمل؟

يدخل فريق إنقاذ إلى منطقة لا تتوفر فيها تغطية خلوية. يحمل عدد من أفراد الاستجابة أجهزة راديو محمولة، وتبقى مركبة بالقرب من مركز القيادة المؤقت، بينما تحلق طائرة مسيّرة فوق الموقع وتنقل فيديو مباشرًا. لا توجد محطة خلوية أساسية أو وحدة تحكم لاسلكية ثابتة بينهم، ومع ذلك يمكن للصوت ومعلومات الموقع والفيديو الانتقال بين أفراد الفريق مع تغيّر مواقعهم.

المنتجات والحلول ذات الصلة: أنظمة راديو MANET

هذا هو نوع المشكلات التي صُمم راديو MANET لمعالجتها.

يشير MANET إلى الشبكة المتنقلة المخصصة. وبدلاً من اشتراط اتصال كل جهاز بمحطة أساسية ثابتة، تستطيع أجهزة راديو MANET اكتشاف العقد القريبة، وإنشاء روابط لاسلكية، وتمرير حركة البيانات لبعضها البعض. ولذلك يؤدي جهاز الراديو دورين في الوقت نفسه: فهو نقطة اتصال يستخدمها المشغل نفسه، ويمكنه عند الحاجة أن يصبح أيضًا جزءًا من مسار الشبكة الذي ينقل حركة البيانات للمستخدمين الآخرين.

هذا الدور الثاني هو ما يميز MANET عن الاتصالات اللاسلكية التقليدية من نقطة إلى نقطة. فإذا لم يتمكن الراديو A من الوصول مباشرة إلى الراديو D، فقد تظل الشبكة قادرة على إيصال حركة البيانات عبر الراديو B والراديو C. ومع تحرك الأفراد أو المركبات أو العقد الجوية، يمكن إعادة حساب هذه المسارات وفقًا للروابط التي تظل متاحة.

بنية شبكة راديو MANET

تستخدم أنظمة الراديو التقليدية والشبكات اللاسلكية القائمة على البنية التحتية وشبكات MANET جميعها روابط بترددات لاسلكية، إلا أن بنيتها الشبكية تختلف اختلافًا جوهريًا.

في نظام راديو مباشر تقليدي، يتواصل مستخدمان عندما تكون أجهزتهما ضمن نطاق RF قابل للاستخدام:

الراديو A → الراديو B

إذا منعت التضاريس أو المسافة أو العوائق الجهازين من استقبال بعضهما البعض، ينقطع المسار المباشر ما لم يكن قد تم تركيب مكرر أو بنية تحتية أخرى.

تعمل الشبكة القائمة على البنية التحتية بطريقة مختلفة. فالشبكات الخلوية والعديد من الأنظمة اللاسلكية التقليدية تعتمد على عناصر شبكة ثابتة:

الجهاز → المحطة الأساسية → البنية التحتية للشبكة → الجهاز

لا تقوم المحطة الطرفية عادةً بتمرير حركة البيانات لمحطة طرفية أخرى. ويعتمد الاتصال على إمكانية الوصول إلى البنية التحتية.

تقوم شبكة MANET بتوزيع جزء أكبر من وظائف الشبكة على أجهزة الراديو نفسها:

العقدة A → العقدة B → العقدة C → العقدة D

لا تكون العقدتان B وC بالضرورة مكررات مخصصة. فقد تكونان أجهزة راديو محمولة باليد أو مركبة على مركبات أو محمولة على الظهر أو جوية، وتُستخدمان لاتصالاتهما الخاصة بينما تقومان في الوقت نفسه بترحيل الحزم لعقد أخرى.

لا تعني عبارة "مستقلة عن البنية التحتية" أن شبكة MANET لا يمكنها استخدام عقد ثابتة أو مركبات قيادة أو بوابات. فقد يظل المرحل الموجود في موقع مرتفع أو راديو المركبة أو البوابة الثابتة مفيدًا لتحسين التغطية وربط الشبكة الميدانية بأنظمة أخرى. والفرق هو أن هذه الأجهزة لا تحتاج إلى أن تكون النقطة المركزية الوحيدة التي تمر عبرها اتصالات جميع العقد المحلية.

الشبكة المتشابكة ذاتية التشكيل واكتشاف العقد المجاورة

تبدأ فائدة شبكة MANET قبل إنشاء أي مسار متعدد القفزات. إذ تحتاج أجهزة الراديو أولاً إلى تحديد العقد الأخرى التي يمكن الوصول إليها فعليًا عبر الاتصال اللاسلكي.

عندما تصبح العقد نشطة، تتبادل معلومات تتيح للشبكة تكوين معرفة بأجهزة الراديو القريبة والروابط اللاسلكية المتاحة. وتعتمد الإشارات الدقيقة على طريقة تنفيذ MANET، إلا أن العملية تتضمن عادةً عدة وظائف.

اكتشاف العقد المجاورة

تحدد كل عقدة أجهزة الراديو التي يمكن الوصول إليها حاليًا. فقد يكتشف جهاز راديو محمول يتحرك مع أحد أفراد الاستجابة جهازًا محمولًا آخر وعقدة مركبة على مركبة ومرحلًا جويًا في الوقت نفسه.

لا تبقى هذه العلاقات ثابتة. فقد يخرج جهاز راديو يُعد عقدة مجاورة الآن من النطاق القابل للاستخدام بعد عدة دقائق مع تحرك الأشخاص أو المركبات.

تقييم الوصلة

لا يعني اكتشاف جهاز راديو آخر تلقائيًا أنه يمثل أفضل مسار. فقد تقوم شبكة MANET بتقييم خصائص مثل جودة الإشارة وتوفر الوصلة وظروف القناة وغيرها من مقاييس التوجيه التي يدعمها النظام.

قد يكون المسار المباشر القوي هو الخيار المفضل في لحظة معينة، بينما يصبح مسار آخر متعدد القفزات أكثر ملاءمة بعد انتقال إحدى العقد خلف مبنى أو عائق تضاريسي.

تكوين المسار

بمجرد توفر معلومات كافية عن طوبولوجيا الشبكة، يمكن تمرير حركة البيانات عبر عقدة واحدة أو أكثر.

لنفترض أن العقدة A لا تستطيع الوصول مباشرة إلى العقدة D، بينما تظل الروابط التالية قابلة للاستخدام:

A → B → C → D

يمكن إرسال الحزمة التي تنشئها العقدة A أولاً إلى B. ثم تقوم العقدة B بتمريرها إلى C، وتقوم C بتمريرها إلى D. ومن منظور التطبيق، تكون A وD متصلتين رغم عدم وجود رابط RF مباشر بينهما.

يؤدي ذلك إلى واحدة من أكثر الطرق فائدة لوصف راديو MANET:

يعمل راديو MANET كنقطة اتصال، وعند الحاجة، يصبح أيضًا جزءًا من البنية التحتية للشبكة المستخدمة في تمرير حركة البيانات لعقد أخرى.

تُعرف القدرة على إنشاء هذه المسارات تلقائيًا عادةً باسم التشكيل الذاتي. وهي تقلل الحاجة إلى قيام الأفراد بإعداد مسار مكرر جديد يدويًا في كل مرة تتغير فيها طوبولوجيا الشبكة الميدانية.

التوجيه متعدد القفزات والطوبولوجيا الديناميكية

لكلمة "Mobile" في Mobile Ad Hoc Network أهمية لأن طوبولوجيا الشبكة يُتوقع أن تتغير.

لنفترض أن مسار التشغيل يبدو في البداية كما يلي:

العقدة A → العقدة B → العقدة C → العقدة D

إذا ابتعدت العقدة B واختفت روابطها، فلن يعود المسار الأصلي قادرًا على حمل حركة البيانات. وإذا وفرت عقدة أخرى بديلاً قابلًا للاستخدام، فقد تعيد الشبكة تنظيم نفسها:

العقدة A → العقدة E → العقدة C → العقدة D

اعتمادًا على طريقة تنفيذ MANET، قد تتضمن معالجة المسارات أساليب توجيه استباقية أو تفاعلية أو هجينة أو خاصة بالشركة المصنعة. بعض الأنظمة تحتفظ بمعلومات الطوبولوجيا باستمرار، بينما تكتشف أنظمة أخرى المسارات أو تحدثها عند الحاجة إلى الاتصال. وتختلف الخوارزمية المحددة، إلا أن الهدف الهندسي متشابه: يجب أن تسلك حركة البيانات مسارًا صالحًا للاستخدام حاليًا مع تغير البيئة اللاسلكية.

يُشار إلى هذا السلوك غالبًا باسم التعافي الذاتي، ولكن يجب تفسير المصطلح بعناية. فالتعافي الذاتي لا يعني أن جهاز الراديو المتعطل يصلح نفسه، كما أنه لا يضمن استمرار الاتصال دون انقطاع في كل طوبولوجيا.

بل يعني أنه عندما تصبح عقدة أو وصلة غير متاحة، تستطيع الشبكة اختيار مسار آخر إذا كان هناك مسار RF بديل متاح.

على سبيل المثال، إذا تعطلت العقدة B ولكن العقدتين A وC يمكنهما الوصول إلى العقدة E، فيمكن نقل التوجيه عبر E. أما إذا كانت العقدة B هي الجسر اللاسلكي الوحيد الذي يربط مجموعتين منفصلتين فعليًا ولا يوجد مسار بديل، فقد تنقسم الشبكة إلى قسمين منفصلين غير متصلين. ويُعرف هذا الوضع عادةً باسم تجزئة الشبكة.

لذلك يظل موضع العقد مهمًا. تقلل MANET الاعتماد على البنية التحتية الثابتة، لكنها لا تستطيع تجاوز القواعد الأساسية لانتشار RF. فما زالت التضاريس والمباني والمسافة والتداخل تحدد ما إذا كانت هناك روابط كافية لنجاح التوجيه.

الصوت والفيديو والبيانات عبر MANET

لا تقتصر أنظمة MANET الحديثة على نقل الصوت بنظام الضغط للتحدث PTT. فبمجرد أن تشكل أجهزة الراديو شبكة متنقلة تدعم IP، يمكن لأنواع مختلفة من التطبيقات مشاركة وسيلة النقل اللاسلكية.

قد يرسل أحد أفراد الاستجابة صوت PTT وموقع GPS، بينما يرسل مستخدم آخر صورًا. وقد تحمل عقدة مركبة على مركبة بيانات القياس عن بُعد أو تتصل بكاميرا IP محلية. كما قد ترسل عقدة جوية فيديو مباشرًا باتجاه مركبة قيادة متنقلة.

على سبيل المثال، قد يتبع تدفق الفيديو مسارًا مثل:

الكاميرا / راديو MANET → العقدة الميدانية → عقدة الترحيل → راديو MANET المركب على المركبة → تطبيق القيادة

يكمن التحدي في أن هذه التطبيقات لا تتطلب المتطلبات الشبكية نفسها.

يستهلك الصوت عادةً نطاقًا تردديًا قليلًا نسبيًا، لكنه شديد الحساسية للتأخير والتذبذب وفقدان الحزم. فقد تصبح المحادثة صعبة حتى عندما تبدو سعة النقل كافية إذا وصلت الحزم متأخرة جدًا أو بشكل غير منتظم.

يتطلب الفيديو المباشر نطاقًا تردديًا أكبر بكثير، وقد يكيف معدل البت وفقًا للسعة المتاحة في الشبكة. ومع زيادة عدد القفزات أو تدهور ظروف RF، قد يصبح الحفاظ على فيديو عالي الدقة أكثر صعوبة.

يستهلك تحديد المواقع عبر GPS والرسائل وبيانات القياس عن بُعد عادةً نطاقًا تردديًا أقل بكثير، إلا أن هذه الخدمات قد تحتاج إلى تحديثات متكررة وموثوقة لكي يحافظ تطبيق القيادة على صورة تشغيلية دقيقة.

لذلك يتضمن تصميم MANET ما هو أكثر من مجرد تعظيم ذروة معدل النقل. ويجب أن تراعي الشبكة العملية ما يلي:

• زمن التأخير لحركة الصوت والأوامر في الوقت الحقيقي؛

• التذبذب وفقدان الحزم عبر روابط RF المتغيرة؛

• النطاق الترددي المتاح للفيديو المباشر؛

• معالجة QoS لفئات حركة البيانات المختلفة؛

• استقرار الوصلات أثناء تحرك العقد داخل منطقة التشغيل.

قد تتصرف شبكة قادرة على إظهار معدل نقل مرتفع بين جهازي راديو ثابتين في منطقة مفتوحة بشكل مختلف تمامًا عندما تبدأ عشر أو عشرون عقدة متحركة في تمرير الصوت وبيانات القياس عن بُعد وعدة تدفقات فيديو في الوقت نفسه.

مدى MANET وعدد القفزات وسعة الشبكة

يبدو سؤال "ما مدى راديو MANET؟" بسيطًا، لكن رقمًا واحدًا للمدى نادرًا ما يصف الأداء الفعلي لشبكة MANET.

هناك مفهومان منفصلان: مدى RF لقفزة واحدة ومدى الشبكة من طرف إلى طرف.

يصف مدى القفزة الواحدة المسافة التي تستطيع عقدتان الاتصال خلالها مباشرة في ظل مجموعة محددة من الظروف. ويتأثر ذلك بالتردد وقدرة الإرسال وكسب الهوائي وارتفاع الهوائي والتضاريس والمباني والغطاء النباتي والتداخل وأداء جهاز الاستقبال.

قد يبدو الرابط المباشر كما يلي:

العقدة A → العقدة B

يمكن لشبكة MANET توسيع الاتصال إلى ما بعد هذا الرابط الفردي من خلال إدخال عقد وسيطة:

العقدة A → العقدة B → العقدة C → العقدة D

وبذلك قد تتمكن العقدة A من تبادل حركة البيانات مع العقدة D حتى عندما تكون العقدتان خارج مدى الاتصال اللاسلكي المباشر بينهما.

لا يعني ذلك أن كل قفزة إضافية توفر تغطية مجانية للشبكة. فالتوجيه متعدد القفزات له تكلفة.

تحتاج العقد الوسيطة إلى وقت إرسال لاسلكي لاستقبال حركة البيانات وإعادة إرسالها. واعتمادًا على بنية الراديو وخطة القنوات وطريقة تنفيذ الشبكة، يمكن أن تؤدي زيادة عدد القفزات إلى زيادة زمن التأخير من طرف إلى طرف وتقليل السعة المتاحة لتدفقات البيانات الفردية. كما قد تحمل عقدة ترحيل مزدحمة بالقرب من مركز الطوبولوجيا حركة بيانات لعدد كبير من المستخدمين في الوقت نفسه.

لذلك يمكن أن يؤدي المزيد من القفزات إلى:

• زيادة زمن التأخير؛

• استهلاك أكبر لوقت الإرسال اللاسلكي المشترك؛

• انخفاض معدل النقل الفعلي على بعض المسارات؛

• تغييرات أكثر في المسارات مع تحرك العقد الوسيطة؛

• تعرض أكبر للتداخل وروابط RF الضعيفة.

لذلك لا تتمثل ميزة MANET في "مدى لاسلكي غير محدود". بل تكمن قيمتها في القدرة على استخدام العقد الموزعة لتمديد مدى الشبكة إلى مناطق لا يكون فيها رابط RF مباشر واحد ممكنًا.

وتهم كثافة العقد للسبب نفسه. فقد يؤدي وجود عدد قليل جدًا من العقد الموزعة على منطقة تشغيل واسعة إلى ترك فجوات لا يوجد فيها مسار بديل. ويمكن لإضافة مواقع ترحيل مفيدة تحسين الاتصال، لكن مجرد إضافة أجهزة راديو دون مراعاة ظروف RF وحمل حركة البيانات لا يحسن سعة الشبكة تلقائيًا.

معلمات النشر وتكامل الربط الخلفي

يعتمد أداء MANET بدرجة كبيرة على طريقة نشر الشبكة. ولا تستطيع خوارزمية التوجيه التعويض عن كل قرار ضعيف يتعلق بتصميم RF أو النظام.

التردد وعرض نطاق القناة

يؤثر التردد في الانتشار وخصائص الهوائي والطريقة التي تتفاعل بها الإشارات مع المباني والتضاريس والغطاء النباتي. كما يؤثر عرض نطاق القناة في سعة البيانات المتاحة، وقد يؤثر أيضًا في أداء الشبكة ضمن الطيف المزدحم أو الذي يحتوي على مستويات عالية من التداخل.

لذلك قد يستخدم نشر مُحسن للصوت بعيد المدى وتقارير الموقع معلمات RF مختلفة تمامًا عن نشر مصمم لنقل عدة تدفقات فيديو بمعدلات بت مرتفعة.

كثافة العقد والحركة

تحتاج MANET إلى عدد كافٍ من العلاقات اللاسلكية القابلة للاستخدام لإنشاء مسارات بديلة. وإذا كانت العقد متباعدة أكثر من اللازم، فلن يجد التوجيه متعدد القفزات روابط يمكنه استخدامها.

تؤثر الحركة أيضًا في استقرار المسارات. فعادةً ما تتغير طوبولوجيا شبكة تضم فرقًا أرضية بطيئة الحركة بصورة أقل حدة من شبكة تجمع بين مركبات سريعة وطائرات ومستخدمين يحملون أجهزة محمولة ويتحركون بين مبانٍ حضرية كثيفة.

موضع الهوائي

قد يكون موضع الهوائي بنفس أهمية قدرة الإرسال. فالراديو المركب على مركبة والمزود بهوائي خارجي مثبت بشكل صحيح قد يوفر موقع ترحيل أقوى بكثير من جهاز راديو محمول يُحمل بالقرب من جسم المستخدم. كما يمكن للعقدة الجوية في بعض الحالات إنشاء مسارات مفيدة بخط رؤية مباشر بين فرق أرضية تفصل بينها التضاريس أو المباني.

ولهذا السبب غالبًا ما تكون أجهزة راديو MANET المحمولة باليد والمركبة على المركبات والجوية مكملة لبعضها البعض وليست بدائل متطابقة.

الشبكة الميدانية والربط الخلفي

تعالج MANET أساسًا الاتصالات بين العقد داخل منطقة التشغيل. وقد تحتاج جهة القيادة أيضًا إلى نقل المعلومات إلى خارج تلك الشبكة المحلية.

قد تكون البنية النموذجية كما يلي:

       عقد MANET المحمولة باليد / المركبة / الطائرات المسيّرة        → عقدة القيادة المتنقلة        → ربط خلفي عبر 4G / 5G / الأقمار الصناعية / الألياف        → مركز القيادة البعيد    

تعالج MANET والربط الخلفي مشكلتين مختلفتين. توفر MANET الشبكة المتشابكة المتنقلة المحلية بين المستخدمين الميدانيين. أما الشبكات الخلوية أو الأقمار الصناعية أو الميكروويف أو الألياف، فيمكن أن توفر الاتصال بعيد المدى بين تلك الشبكة الميدانية ومركز قيادة بعيد.

من المهم إبقاء هاتين الطبقتين منفصلتين عند تقييم المرونة. فتعطل الربط الخلفي عبر الأقمار الصناعية لا يعني بالضرورة أن مستخدمي MANET المحليين سيفقدون الاتصال ببعضهم البعض. وبالمثل، لا يمكن لاتصال فضائي يعمل بصورة سليمة أن يعوض عن شبكة MANET ميدانية انقسمت إلى أجزاء RF معزولة.

الأسئلة الشائعة

هل راديو MANET هو نفسه جهاز الاتصال اللاسلكي المحمول؟

ليس بالضرورة. فجهاز الاتصال اللاسلكي التقليدي يتواصل عادةً مباشرة مع جهاز راديو آخر أو عبر بنية تحتية ثابتة من المكررات. أما راديو MANET فيمكنه المشاركة في شبكة بيانات مخصصة تكتشف فيها العقد بعضها البعض، وقد تمرر الحزم عبر عدة قفزات لاسلكية. واعتمادًا على النظام، يمكن لتلك الشبكة حمل صوت PTT إلى جانب بيانات IP والفيديو والموقع وغيرها من الخدمات.

هل يحتاج راديو MANET إلى محطة أساسية؟

تستطيع شبكة MANET إنشاء اتصال بين العقد المشاركة دون الحاجة إلى محطة أساسية مركزية تقليدية. ولا يزال من الممكن إضافة مكررات ثابتة أو عقد مركبة أو أجهزة راديو في مواقع مرتفعة أو بوابات لتحسين التغطية أو السعة أو الاتصال بشبكات أخرى، لكنها لا تعمل بالضرورة كنقطة التحكم الوحيدة لكل مسار اتصال محلي.

ماذا يحدث إذا توقفت إحدى عقد MANET عن العمل؟

إذا كان هناك مسار آخر قابل للاستخدام، تستطيع الشبكة توجيه حركة البيانات عبر عقد مختلفة. فعلى سبيل المثال، قد يتغير المسار الذي كان يستخدم في الأصل A → B → C إلى A → D → C بعد اختفاء العقدة B. وإذا كانت العقدة المعطلة هي جسر RF الوحيد بين جزأين من الشبكة ولم يتوفر مسار بديل، فقد تنقسم MANET إلى أجزاء منفصلة إلى أن تتم استعادة الاتصال.

هل تستطيع أجهزة راديو MANET نقل الفيديو المباشر؟

نعم، تستطيع أنظمة MANET التي توفر معدل نقل IP كافيًا حمل الفيديو المباشر، لكن الأداء الفعلي يعتمد على ظروف RF وعرض نطاق القناة والتضمين والتداخل ومعدل بت الفيديو وعدد المستخدمين النشطين وعدد القفزات اللاسلكية في المسار. وتضع حركة الفيديو عمومًا طلبًا أكبر بكثير على سعة الشبكة مقارنة بالصوت أو الرسائل أو تقارير الموقع.

ما الفرق بين راديو Mesh وراديو MANET؟

يُستخدم المصطلحان أحيانًا معًا لأن كليهما قد يتضمن تمرير البيانات لاسلكيًا عبر عدة عقد. إلا أن MANET تركز بصورة خاصة على طوبولوجيا متنقلة مخصصة تستطيع فيها عقد الشبكة التحرك وتتكيّف المسارات مع تغير الاتصال. أما "Mesh radio" فهو وصف أوسع وقد يشير أيضًا إلى شبكات Mesh لاسلكية ثابتة أو شبه ثابتة.

ما الفرق بين MANET وRoIP؟

يعالج كل منهما مشكلة اتصالات مختلفة. تنشئ MANET شبكة IP لاسلكية بين العقد المتنقلة، بينما ينقل RoIP صوت الراديو وإشارات التحكم عبر شبكة IP. ويمكن لبوابة RoIP توسيع قناة راديو موجودة أو دمجها عبر IP، لكنها لا تنشئ بمفردها شبكة متنقلة ديناميكية متعددة القفزات من النوع المرتبط بـ MANET.

توفر Becke Telcom حلول راديو MANET وبوابات RoIP وأنظمة الإرسال والتوجيه اللاسلكي واتصالات IP والاتصالات الموحدة للفرق المتنقلة ومركبات القيادة وبيئات الاتصالات الميدانية، مع خيارات لتكامل الأنظمة للصوت والبيانات والفيديو والربط الخلفي البعيد.