لمحة عامة عن استراتيجية شبكات الاتصال اللاسلكية البحرية (Underwater Sensor Networks)

‏في أكتوبر 2017 أطلق سمو سيدي ولي العهد حفظه الله مشروع نيومNEOM  الذي انبثقا من رؤية واضحة للمملكة العربية السعودية 2030، والتي تسعى لاستثمار مكامن القوة التي حبانا الله بها من موقع استراتيجي متميز، وقوة استثمارية رائدة، وعمق عربي واسلامي. لتسخير كل الإمكانيات لتحقيق الطموحات. ويقع مشروع نيوم في اقصى شمال غرب المملكة العربية السعودية، على امتداد 460 كم على ساحل البحر الأحمر. ومن أهداف هذا المشروع الضخم هو تطوير عدد من القطاعات الاقتصادية الرئيسية للمستقبل ومنها مستقبل الطاقة والمياه ومستقبل العلوم التكنولوجية والرقمية.

ومن هذا المنطلق، هذا المقال يعرض بعض المعلومات التي تخص شبكات الاستشعار اللاسلكية تحت الماء (Underwater Sensor Networks) والتي ظهرت مؤخرًا كأسلوب قوي لـلتطبيقات المائية ومدى اهميته في وقتنا الحاضر. تزداد أهمية هذه التطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك: المراقبة البيئية والتلوث، جمع البيانات البيئية والمحيطية، أنظمة الإنذار المبكر، الوقاية من الكوارث، المراقبة التكتيكية الموزعة، الملاحة المائية، واكتشاف الموارد. وذلك لان نسبة الماء تغطي ما يقرب ثلثي سطح الأرض (%70)، لذا فأن أغلب الموارد التي تحت سطح الماء لم يتم اكتشاف الا جزء بسيط منها. لذلك، تعد هذه الشبكات ذات اتجاهًا بحثيًا قيمًا في التعامل مع التطبيقات تحت الماء وخاصة انها تحتوي على شبكة ثلاثية الأبعاد (Three Dimensional) بعكس الشبكات الأرضية التي تحتوي على شبكة ثنائية الأبعاد (Two Dimensional).

تجدر الاشارة بأن شبكات الاستشعار اللاسلكية تحت الماء هي فئة من الشبكات المخصصة المشابهة للأنواع الأخرى من شبكات الاستشعار، وتتكون من عدد متغير من أجهزة الاستشعار الموزعة بشكل جماعي تحت الماء لأداء مهام المراقبة التعاونية على منطقة محددة مسبقًا. تسمى المستشعرات الموجودة في البيئة تحت الماء بالأجهزة او العقد التي تستشعر المعلومات المطلوبة وفقًا لطلب التطبيق. يمكن أن تكون هذه العقد إما في حالة ثابتة أو متحركة أو كليهما معًا، وذلك لنقل المعلومات المحسوسة باستخدام الإشارات الصوتية (ِAcoustic Signals).

وجدير بالذكر ان البيئة تحت الماء لها قيودها المادية الخاصة وخصائصها الفريدة التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار أثناء التصميم من بروتوكولات للتحكم في الوصول المتوسط سواً كان Routing أو Medium Access Control عبر شبكة مائية. وتشمل هذه سرعة الانتشار البطيئة، وعرض النطاق الترددي المحدود، وقيود الطاقة، وحركة العقدة مع تيار الماء، وتكاليف النشر العالية.  تستخدم العقد في الماء الموجات الصوتية للتواصل، بسرعة إرسال 1500 متر في الثانية (م / ث). نتيجة لسرعة انتشارها المنخفضة، تحدث تأخيرات انتشار أعلى في الاتصال، حتى بين عقدتين متجاورتين.

صورة 1: استخدام مودم مفرد او متعدد لشبكة أجهزة الاستشعار الصوتية تحت الماء

مثالاً على ذلك، كما هو موضح في صورة ١ والتي تم نشرها سابقا (الفوزان، 2019)، فأن شبكة أجهزة الاستشعار الصوتية تحت الماء، يمكن ان تستخدم مودم مفردة أو متعددة على سطح الماء، والمودم الصوتي يستخدم للاتصالات تحت الماء أما المودم الراديو يستخدم للاتصالات خارج الماء (from Sink node to Satellite and from Satellite to Monitoring Center). تقع العقد التي تسمى Anchored node في قاع المحيط في مواقع محددة مسبقًا لجمع المعلومات. تلك المعلومات يتم تسليمها إلى عقد أخرى تسمى Relay node التي تقع بين العقد على سطح الماء (Sink node) والعقد المثبتة في العمق او قاع البحر، وتكون هذه العقد على مستويات مختلفة في العمق.

وخلاصة القول فإن تطوير تطبيقات شبكات الاستشعار اللاسلكية تحت الماء في العديد من المجالات محط اهتمام ولا سيما التطبيقات التي تخدم مشروع نيوم العملاق.

لمعلومات أكثر حول هذا الموضوع يمكنكم الاطلاع على المراجع التالية:

1. IEEE Xplore Full-Text PDF:
2. JMSE | Free Full-Text | Energy-Efficient Collision Avoidance MAC Protocols for Underwater Sensor Networks: Survey and Challenges (mdpi.com)