Resource Allocation for Secure Dual-UAV-Assisted ISAC System
تقترح هذه الورقة خوارزمية تكرارية فعالة تعتمد على تنسيق كتل التنازل والتقريب المحدب المتتالي لتعظيم متوسط معدل السرية في نظام اتصال متكامل بين الاستشعار والاتصالات (ISAC) آمن مدعوم بطائرتين بدون طيار، وذلك من خلال التحسين المشترك لجدولة المستخدمين، وتخصيص الوقت، وطاقة الإرسال، ومسارات الطائرات بدون طيار تحت قيود فيزيائية وأدائية متنوعة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في الأثير غير المرئي الذي يحتضن عالمنا المعاصر، تُخاض معركة صامتة باستمرار بين أولئك الذين يرغبون في إرسال رسالة وأولئك الذين يرغبون في سرقتها. لعقود من الزمن، عملت تكنولوجيا الاتصالات وتكنولوجيا الاستشعار — مثل الرادار الذي يكتشف الأجسام — كأدوات منفصلة، حيث يستخدم كل منها شريحة خاصة به من طيف الراديو. ومع ذلك، بدأ نهج جديد يسمى "الاستشعار والاتصال المتكامل" في دمج هاتين الوظيفتين، مما يسمح لجهاز واحد بالتحدث والاستماع في آن واحد، تماماً مثل شخص يمكنه التحدث إلى صديق بينما يراقب في الوقت نفسه وجود تهديد في الحشد. هذه الكفاءة أمر حيوي مع ازدياد ازدحام شبكاتنا، لكنها تقدم ثغرة أمنية جديدة: فالإشارات نفسها التي تساعد النظام على رؤية محيطه يمكن أن تكشف أيضاً أسراره لمتصنت يتربص في مكان قريب. ولحماية هذه الإشارات المشتركة، يتجه الباحثون نحو السماء، مستخدمين المركبات الجوية غير المأهولة، أو الطائرات بدون طيار (الدرونز)، ليس فقط كأبراج اتصالات طائرة، بل كحراس رشيقين يمكنهم التحرك والاستشعار وتشويش المتسللين في الوقت الفعلي.
لقد استكشف فريق من الباحثين مؤخراً كيفية جعل نظام الدفاع الجوي هذا فعالاً قدر الإمكان. ركزوا على إعداد يتضمن طائرتين بدون طيار تعملان معاً: تعمل إحداهما كمحطة قاعدة، تحلق عالياً للتحدث مع الناس على الأرض وترسل في الوقت نفسه نبضات رادارية لتحديد موقع جاسوس محتمل؛ والأخرى عبارة عن مشوش صديق، مهمته بث الضجيج لإرباك ذلك الجاسوس. لم يكن التحدي الذي واجهوه يكمل في جعل الطائرات تطير فحسب، بل في تحديد كيفية تحركها بدقة، وكمية الطاقة التي يجب استخدامها، ومتى يتم التبديل بين التحدث والاستماع، كل ذلك مع التعامل مع حقيقة أن الموقع الدقيق للجاسوس قد لا يكون معروفاً بشكل مثالي. لقد تعامل الباحثون مع موقع الجاسوس كمنطقة ضبابية بدلاً من نقطة واحدة، إدراكاً منهم بأن المستشعرات نادراً ما تكون مثالية في العالم الحسي. كان هدفهم هو تعظيم كمية المعلومات السرية التي يمكن إيصالها بأمان إلى المستخدمين على الأرض دون أن يعترضها الجاسوس، مع ضمان عدم نفاد بطاريات الطائرات قبل إتمام مهمتها.
ولحل هذا اللغز المعقد، طور الفريق خوارزمية حاسوبية خطوة بخطوة تعمل بمثابة مخطط بارع. فبدلاً من محاولة حساب كل مسار طيران وإعداد طاقة محتمل في وقت واحد — وهي مهمة ستكون صعبة للغاية على أي حاسوب — قاموا بتفكيك المشكلة إلى قطع أصغر يمكن إدارتها. تقرر الخوارزمية أولاً أي مستخدم أرضي يجب أن تتحدث إليه محطة القاعدة في أي لحظة، ثم تحدد كيفية تقسيم الوقت بين استشعار الجاسوس وإرسال البيانات. بعد ذلك، تحسب مستويات الطاقة الدقيقة وشكل حزم الإشارات المحدد الذي يجب أن يستخدمه المشوش. أخيراً، ترسم مسارات الطيران لكلا الطائرتين، مما يضمن تحركهما بسلاسة وكفاءة. ويكرر النظام هذه الدورة، ويقوم بتحسين الخطة مراراً وتكراراً حتى يجد أفضل مزيج من التحركات والإعدادات. وفي عمليات المحاكاة الخاصة بهم، اختبر الباحثون هذه الطريقة في بيئتين مختلفتين: إحداهما حيث كان المستخدمون الأرضيون متجمعين في جانب واحد من مسار الطيران والجاسوس في الجانب الآخر، والأخرى حيث كان المستخدمون منتشرين حول الجاسوس. وفي كلتا الحالتين، نجحت الخوارمة في توجيه الطائرات للتحرك بالقرب من المستخدمين لتحسين الاتصال، وفي الوقت نفسه وضع طائرة التشويش في وضعية التحليق بالقرب من الجاسوس لتعطيل قدرته على الاستماع.
أظهرت نتائج عمليات المحاكاة هذه أن هذا النهج المنسق يتفوق بشكل كبير على الأساليب القديمة حيث قد تتبع الطائرات مساراً ثابتاً أو تستخدم تقنيات تشويش أبسط. ووجدت الدراسة أنه من خلال السماح لطائرة التشويش بحمل هوائيات متعددة، أصبح النظام أفضل بكثير في حظر الجاسوس، حيث ساعدت الهوائيات الإضافية في تركيز ضجيج التشويش بدقة أكبر. كما اكتشف الباحثون أن النظام حساس لمدى دقة معرفة موقع الجاسوس؛ فعندما كان عدم اليقين بشأن موقع الجاسوس أكبر، انخفض أداء الأمن العام قليلاً، وهو مقايضة متوقعة في مثل هذه البيئة الديناميكية. علاوة على ذلك، كشفت عمليات المحاكاة عن توازن دقيق بين الحاجة إلى استشعار الجاسوس والحاجة إلى التواصل مع المستخدمين. فإذا طلب النظام مستوى عالياً جداً من دقة الاستشعار، فيجب عليه تخصيص المزيد من الوقت والطاقة للمسح، مما يقلل حتماً من الوقت المتاح لإرسال الرسائل السرية. وعلى العكس من ذلك، إذا كان الهدف هو مجرد تعظيم سرعة البيانات، فقد يصبح الاستشعار ضعيفاً جداً بحيث لا يمكن تتبع المتسلل بشكل موثوق.
في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن نظام الطائرات بدون طيار المزدوج، عندما يتم توجيهه بواسطة خوارزمية تحسين ذكية، يمكن أن يخلق درعاً قوياً للاتصالات اللاسلكية. نجحت الطريقة المقترحة في التنقل عبر قيود عمر البطارية، وحدود السرعة، والمعلومات غير الكاملة للحفاظ على أمن الأثير. وبينما تستند النتائج حالياً إلى عمليات محاكاة حاسوبية بدلاً من اختبارات طيران فيزيائية، إلا أنها توفر مخططاً قوياً للشبكات المستقبلية. ويقترح الباحثون أن الخطوة التالية ستكون اختبار هذه المفاهيم مع وجود جواسيس متعددين وظروف جوية أكثر تعقيداً، وربما دمج أسطح ذكية على الأرض للمساعدة في عكس الإشارات. أما الآن، فإن الدراسة تؤكد أنه من خلال السماح للطائرات بدون طيار بالتحرك بذكاء والعمل معاً، يمكننا بناء شبكات اتصال ليست فقط أسرع وأكثر كفاءة، بل أيضاً أكثر أماناً ضد التهديدات غير المرئية التي تتربص في الطيف.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.