Outage Performance Analysis of NOMA Assisted UAV-AmBC with Hardware Impairments

تخيل أن العالم يزداد ضجيجاً، ليس بالضوضاء، بل بمليار جهاز صغير يحاول التحدث مع بعضه البعض في وقت واحد. من أجهزة تنظيم الحرارة الذكية إلى أجهزة مراقبة الصحة، ينفجر "إنترنت الأشياء" (IoT)، ولكن هناك عقبة: معظم هذه الأجهزة صغيرة ورخيصة ولديها بطاريات يصعب استبدالها. إنها تحتاج إلى طريقة للدردشة تستهلك طاقة ضئيلة جداً. هنا يبرز بطلان من أبطال التكنولوجيا اللاسلكية الحديثة: NOMA و Ambient Backscatter (الارتداد المحيطي). فكر في NOMA كحفلة صاخبة يتحدث فيها الجميع في وقت واحد، لكن المستمع ذكي بما يكفي لتمييز أصوات محددة بناءً على مدى علوها. والآن، تخيل Ambient Backscatter كجهاز لا يولد صوته الخاص على الإطلاق؛ بدلاً من ذلك، يعمل كمرآة تلتقط الموجات الراديوية الموجودة بالفعل (مثل موجات برج التلفاز أو برج الاتصالات) وتجعلها تومض لإرسال رسالة. إنه المنقذ الأكبر للطاقة. ولكن ماذا يحدث عندما تكون "الحفلة" في ممر مدينة أو غابة كثيفة حيث تُحجب الإشارات؟ هنا يأتي دور الطائرات بدون طيار (UAVs) (أو الدرونز)، التي تحلق فوق مثل مراسلين متعاونين لسد الفجوة.

هذه الورقة البحثية، التي تحمل عنوان "تحليل أداء انقطاع الاتصال في نظام NOMA المدعوم بـ UAV-AmBC مع وجود عيوب في الأجهزة"، تغوص في أعماق إعداد اتصالات مستقبلي يجمع كل هذه الأفكار. يسأل المؤلفون، وهم فريق من جامعة لانزو جياوتونغ وشركة السكك الحديدية الصينية، سؤالاً حاسماً: إذا وضعنا طائرة بدون طيار في السماء لمساعدة مستخدمين أرضيين على التحدث مع محطة قاعدة، وأعطينا تلك الطائرة "مرآة" (جهاز ارتداد خلفي) لتعكس الإشارات، فما مدى موثوقية الاتصال؟ هم لا يحلمون فحسب؛ بل بنوا نموذجاً رياضياً لمحاكاة هذا السيناريو. لقد نظروا تحديداً فيما يحدث عندما يتم حجب المسار المباشر بين محطة القاعدة والمستخدمين (مثل مبنى يعترض الطريق) وعندما تكون التكنولوجيا غير مثالية—لأن الواقع يفرض وجود أخطاء ناتجة عن الأجهزة. تشير عمليات المحاكاة التي أجروها إلى أنه بينما يعد نظام "الدرون والمرآة" هذا واعداً للغاية، فإن جودة "المرآة" ومهارة "المستمع" (مدى قدرته على إلغاء التداخل) يشكلان فرقاً هائلاً في نجاح وصول الرسالة أو ضياعها.

قصة الطائرة بدون طيار، والمرآة، والحفلة الصاخبة

تخيل شارعاً مزدحماً في المدينة حيث تريد محطة قاعدة (البث الرئيسي) إرسال رسائل سرية إلى صديقين، المستخدم 1 والمستخدم 2. ولكن هناك مشكلة: جدار ضخم من الخرسانة (أو جبل) يحجب خط الرؤية المباشر. لا يمكن للإشارة المرور. ولحل هذه المشودة، تستدعي محطة القاعدة طائرة بدون طيار (UAV) لتعمل كوسيط.

لا تقوم الطائرة بمجرد الطيران إلى هناك والصراخ بالرسالة؛ بل تستخدم خدعة ذكية من خطوتين تسمى NOMA. تخيل أن محطة القاعدة هي "دي جي" (DJ) يمزج أغنيتين في مسار واحد. فهي ترسل أغنية "عالية" للمستخدم 1 وأغنية "هادئة" للمستخدم 2، وكلاهما على نفس التردد. تلتقط الطائرة هذه الإشارة المختلطة. ولأن المستخدم 1 هو المستخدم "البعيد" (الذي يحتاج إلى طاقة أكبر)، تعرف الطائرة أنها يجب أن تستمع للجزء العالي أولاً. وبمج-بمج سماع الجزء العالي، تستخدم تقنية تسمى إلغاء التداخل المتتالي (SIC) لـ "طرح" تلك الأغنية العالية من المزيج، مما يترك فقط الأغنية الهادئة للمستخدم 2. الأمر يشبه الاستماع إلى دويتو، وتحديد صوت المغني، ثم إزالته ذهنياً لسماع صوت المغني الآخر بوضوح.

ولكن هنا يصبح البحث أكثر إبداعاً. فالطائرة ليست مجرد جهاز تكرار؛ بل هي أيضاً جهاز ارتداد خلفي (Backscatter Device). فكر في الطائرة وهي تحمل مرآة تقنية عالية ولامعة. بينما تنشغل بفك تشفير وإعادة بث الإشارة، فإنها تلتقط أيضاً الإشارة الأصلية من محطة القاعدة وتعكسها مباشرة إلى المستخدمين، تماماً كما تعكس المرآة ضوء الشمس. هذا يخلق مساراً ثانياً لرحلة الرسالة. لذا، يتلقى المستخدمون الرسالة مرتين: مرة من "مكبر صوت" الطائرة (المرحل/Relay) ومرة من "مرآة" الطائرة (الارتداد الخلفي).

أراد الباحثون معرفة: هل وجود هذه "المرآة" يساعد؟ وماذا يحدث إذا كان "عقل" الطائرة (عملية SIC) غير مثالي؟ في العالم الحقيقي، الأجهزة ليست سحرية. فأحياناً، عندما تحاول الطائرة طرح الأغنية العالية، تترك خلفها القليل من الضجيج. تسمي الورقة هذا "عيب في الأجهزة" (Hardware Impairment). إنه يشبه محاولة مسح علامة قلم من سبورة بيضاء مع ترك أثر باهت للحبر. قام المؤلفون بمحاكاة هذا "الأثر الشبح" ليروا مدى تأثيره على الاتصال.

ماذا تقول الأرقام: المرايا مقابل الأخطاء

أجرى الفريق آلاف عمليات المحاكاة الحاسوبية لمعرفة كيفية أداء هذا النظام تحت ظروف مختلفة. لم يعتمدوا على التخمين؛ بل استخدموا رياضيات معقدة للتنبؤ بـ "احتمالية انقطاع الاتصال"، وهي ببساطة فرصة فشل وصول الرسالة.

أولاً، نظروا في قدرة المرآة (معامل الانعكاس). ووجدوا أنه كلما كانت المرآة أكثر لمعاناً (معامل انعكاس أعلى)، كان الاتصال أفضل. في عمليات المحاكاة، عندما زادوا معامل الانعكاس، انخفضت فرصة ضياع الرسالة بشكل كبير. الأمر يشبه رفع سطوع المصباح اليدوي؛ تصبح الإشارة أقوى وأكثر موثوقية. كما وجدوا أن مسار "المرآة" يعمل بشكل أفضل عند دمجه مع مسار "مكبر الصوت".

بعد ذلك، اختبروا "عقل" الطائرة (SIC). وقارنوا بين عقل "مثالي" (يزيل كل التداخل) وعقل "غير مثالي" (يترك بعض الضجيج). كانت النتائج واضحة: العقل غير المثالي يجعل الاتصال أضعف. فعندما تترك الطائرة خلفها القليل من التداخل، يجد المستخدمون صعوبة في سماع رسائلهم، وترتفع احتمالية انقطاع الاتصال. ومع ذلك، تقترح الورقة أنه حتى مع وجود عقل غير مثالي قلياً، يمكنك حل المشكلة بجعل المرآة أكثر لمعاناً (زيادة معامل الانعكاس) أو تعزيز قوة الإشارة.

قارنوا أيضاً بين طريقتين للاستماع: الجمع بالاختيار (SC) و الجمع بنسبة الحد الأقصى (MRC).

• SC يشبه المستمع الذي ينتبه فقط لأعلى صوت يسمعه. إذا كان مكبر صوت الطائرة واضحاً، فإنه يستمع إليه؛ وإذا كانت المرآة أوضح، فإنه يستمع إليها. هو يختار الأفضل ويتجاهل الآخر.
• MRC يشبه "المستمع الخارق" الذي يدمج كلا الصوتين في إشارة واحدة فائقة الوضوح. فهو يأخذ صوت مكبر الصوت وصوت المرآة، ويمزجهما معاً بشكل مثالي ويرفع مستوى الصوت.

أظهرت عمليات المحاكاة أن MRC هو الفائز. فمن خلال دمج كلا الإشارتين، يكون النظام أكثر موثوقية مما لو تم اختيار الأفضل بينهما فقط. "المستمع الخارق" (MRC) كان لديه احتمال أقل بكثير لفقدان الرسالة مقارنة بـ "المستمع الانتقائي" (SC).

الحكم النهائي: مستقبل أكثر إشراقاً للأجهزة الصغيرة

تخلص الورقة إلى أن هذا النظام الهجين —باستخدام طائرة بدون طيار كمرحل وكمرآة في آن واحد— هو وسيلة قوية لإبقاء إنترنت الأشياء متصلاً، حتى في الأماكن الصعبة حيث تُحجب الإشارات. النقطة الجوهرية هي أنه بينما يمكن لعيوب الأجهزة (مثل العقل المليء بالضجيج قليلاً) أن تضر بالأداء، إلا أن النظام قوي ومتين. ومن خلال ضبط معامل الانعكاس (جعل المرآة أفضل) واستخدام تقنيات دمج ذكية (مثل MRC)، يمكننا التغلب على هذه العيوب.

لم يكتفِ المؤلفون بالقول "إنه يعمل"؛ بل قدموا الصيغ الرياضية ورسوم المحاكاة البيانية لإثبات ذلك. لقد أظهروا أنه إذا كانت لديك طائرة بدون طيار تحلق على ارتفاع 50 متراً، وقم بضبط معامل الانعكاس عند 0.3 أو 0.5، يمكنك خفض فرصة فشل الاتصال بشكل كبير. كما أشاروا إلى أن هذا الإعداد يتفوق على النظام الذي لا يحتوي على مرآة على الإطلاق.

لذا، في المرة القادية التي تتخيل فيها عالماً مليئاً بالأجهزة الذكية تتحدث في مدينة مزدحمة، تذكر الطائرة بدون طيار ذات المرآة. إنها لا تحلق فحسب؛ بل تلتقط، وتعكس، وتنظف الإشارات لضمان أن ثلاجتك الذكية، وجهاز مراقبة الصحة، وسارتك يمكنها جميعاً الدردشة دون أن تضيع في الضجيج. وبينما قد لا تكون الأجهزة مثالية، فإن الرياضيات تقول إننا نستطيع جعل الأمر يعمل بشكل رائع.