Secrecy Performance Analysis of Integrated RF-UWOC IoT Networks Enabled by UAV and Underwater-RIS

تخيل أن الإنترنت عبارة عن شبكة ضخمة وغير مرئية من الهمسات تربط كل شيء، بدءاً من ثلاجتك الذكية وصولاً إلى الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض. لفترة طويلة، كانت هذه الشبكة مستقرة في الغالب على الأرض، ولكن الآن، يحاول العلماء مدّها نحو السماء باستخدام الطائرات بدون طيار (الدرونز)، بل وحتى غمرها في أعماق المحيط. هذا هو عالم "6G"، الجيل القادم من الشبكات اللاسلكية، حيث الهدف هو ربط كل شيء، في كل مكان، وفي كل وقت. لكن هناك عقبة: فكلما كانت الشبكة أكثر انفتاحاً، أصبح من الأسهل على اللص الرقمي التنصت عليها. ولإيقاف هؤلاء المتصنتين، يستخدم المهندسون حيلتين رائعتين. أولاً، يستخدمون الطائرات بدون طيار (UAVs) كأبراج اتصالات طائرة يمكن أن تظهر حيثما دعت الحاجة، مثل منارة متنقلة في وسط عاصفة. ثانياً، يستخدمون "الأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل" (RIS)، وهي تشبه المرايا الذكية التي يمكنها التقاط الإشارة، وتدويرها، وعكسها بدقة إلى المكان الذي تريد الذهاب إليه، مع تجنب الأشرار. السؤال الكبير هو: إذا جمعنا بين الطائرات بدون طيار، وليزر الأعماق، وهذه المرايا الذكية، فهل يمكننا الحفاظ على أسرارنا آمنة في أعماق البحار والسموات العالية؟

تغوص هذه الورقة البحثية في هذا السؤال تحديداً، مستكشفةً شبكة مستقبلية تربط بين الجو والبحر. قام الباحثون ببناء نموذج رياضي لنظام تحلق فيه طائرة بدون طيار فوق سفينة، وترسل رسالة عبر موجات الراديو إلى السفينة. ثم تقوم السفينة بتحويل رسالة الراديو هذه إلى شعاع ليزر وتطلقه تحت الماء إلى وجهة معينة، باستخدام مرآة ذكية (RIS) للمساعدة في توجيه الضوء. أراد الفريق معرفة مدى قدرة هذا النظام على الحفاظ على أسراره من ثلاثة أنواع من الجواسيس: أحدهم يتنصت على موجات الراديو في الهواء، وآخر يحاول الإمساك بالليزر تحت الماء، وسيناريو ثالث مخادع حيث يحاول جاسوس الاستماع إلى كلا الرابطين في آن واحد.

لم يعتمد المؤلفون على التخمين فحسب؛ بل استخدموا رياضيات معقدة لاستخلاص "تعبيرات الصيغة المغلقة" (closed-form expressions)، وهي صيغ رياضية متطورة تتنبأ بمدى أمان النظام تحت ظروف مختلفة. ثم أجروا آلاف عمليات المحاكاة الحاسوبية (محاكاة مونت كارلو) للتحقق من مدى صمود رياضياتهم. وما وجدوه هو أن أمن النظام يعتمد بشكل كبير على عدد قليل من العوامل الرئيسية. على سبيل المثال، كلما زاد عدد عناصر "المرآة الذكية"، تحسن أداء النظام في إخفاء الإشارة عن الجواسيس. كما اكتشفوا أن نوع المياه أمر بالغ الأهمية؛ فالمياه المالحة تجعل الحفاظ على الأسرار أصعب من المياه العذبة لأن الملح يخلق مزيداً من الاضطرابات التي تعبث بشعاع الليزر.

واحدة من أكثر النتائج إثارة للاهتمام هي ما يتعلق بـ "خطأ التوجيه". تخيل أنك تحاول إصابة هدف متحرك بمؤشر ليزر بينما تقف على قارب يتأرجح. إذا أخطأ الليزر الهدف قليلاً، فستكون هناك مشكلة. تظهر الدراسة أنه إذا أخطأ الليزر "الشخص الجيد" (الوجهة)، فإن الأمن ينخفض. ولكن إذا أخطأ الليزر "الشخص السيئ" (الجاسوس) بسبب خطأ في التوجيه، فإن ذلك يعد أمراً جيداً! فهذا يعني أن الجاسوس لم يلتقط الإشارة. كما قارن الباحثون بين طريقتين لالتقاط ضوء الليزر: إحدى الطريقتين (الكشف المتغاير - heterodyne detection) تشبه امتلاك أذن فائقة الحساسية تسمع أخفت الهمسات، بينما الأخرى (تعديل الشدة - intensity modulation) تشبه مجرد رؤية ما إذا كان الضوء يعمل أو مطفأ. وتشير عمليات المحاكاة التي أجروها إلى أن طريقة "الأذن فائقة الحساسية" تحافظ على الأسرار بشكل أفضل بكثير.

في النهاية، تشير الورقة البحثية إلى أنه على الرغم من أن هذه الشبكة الهجينة بين الجو وتحت الماء واعدة، إلا أنها ليست درعاً سحرياً. فالأمن ليس مثالياً، خاصة إذا كان الجاسوس يستمع إلى روابط الهواء والماء في وقت واحد، وهو ما تبين أنه يمثل التهديد الأكبر. ومع ذلك، من خلال الضبط الدقيق لعدد عناصر المرآة، واختيار ظروف المياه المناسبة، واستخدام أفضل طرق الكشف، يمكن للمهندسين تصميم شبكة يصعب اختراقها للغاية. وتخلص الدراسة إلى أن استخدام هذه المرايا الذكية في الشبكات تحت الماء يعد أداة قوية للأمن، مما يوفر طريقة جديدة لحماية البيانات في البيئات الصعبة لعالم الـ 6G المستقبلي.