ومع استمرار شبكة المعلومات المتعلقة بالأمور في التوسع السريع في المنازل الذكية، والتشغيل الآلي الصناعي، والزراعة، والرعاية الصحية، والرصد البيئي، يتوقع أن يتجاوز عدد الأجهزة المترابطة 30 بليونا بحلول عام 2030، ومن العقبات الحاسمة في هذا النمو الحاجة إلى حلول اتصالات فعالة من حيث الطاقة، حيث أن العديد من أجهزة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات تعتمد على معدلات البطاريات أو على عمليات جمع الطاقة في المستقبل، ويجب أن تعمل لسنوات دون تدخل.

Understanding MIMO Technology in IoT

وتستخدم تكنولوجيا البعثة هوائيات متعددة في جهاز الإرسال والاستقبال لاستغلال انتشار التكاثر المتعدد الفصيلات، وفي النظم التقليدية الوحيدة المنوية، يمكن أن يؤدي التزييف والتدخل إلى تدهور شديد في الأداء، وتخفف المنظمة من هذه الآثار من خلال التعددية المكانية (تنقل مسارات البيانات المتعددة في آن واحد)، والتنوع (تحسن نوعية الإشارة عن طريق الجمع بين نسخ متعددة من الإشارة)، ورسم خرائط (توجه الطاقة في بيئة محددة).

وينشأ استهلاك الطاقة من نظام الرصد المتعدد الوسائط من مصادر متعددة: فتكون المرحلة الأمامية من نموذج RF (المزلاجات، والمصفوفات، ومضخات الطاقة الكهربائية)، وتجهيز النطاقات الأساسية (تقديرات الوصلات، والتوزيع/الترميز) وقلة أجهزة التكييف غير المقبولة من حيث استخدام الطاقة، التي تُستخدم في شكل مقياس للكهرباء 4x4، يمكن أن يكون استهلاك الطاقة الإجمالي غير مقبول.

وقد أظهرت الدراسات الأخيرة أنه من خلال تحقيق أقصى قدر من الدقة في استخدام معايير الرصد والتحقق من الانبعاثات - مثل عدد الهوائيات النشطة، وطاقة النقل لكل مجرى، واستهلاك المحركات - الطاقة، يمكن تخفيضه بنسبة ٤٠-٦٠ في المائة مع الحفاظ على معدلات البيانات المطلوبة، وهذا التوازن مهم بصفة خاصة بالنسبة للانتشارات الضخمة للمناخ )مثلاً، المترات الذكية، والمجسات البيئية( حيث يبلغ عدد الألوف من الأجهزة بصورة متقطعة.

الابتكارات الأخيرة في مجال الطاقة والكفاءة

وتأتي الابتكارات في تصميم الهوائيات وتجهيز الإشارات في مقدمة جعل البعثة قادرة على البقاء في مجال الطاقة المتدنية.

التأبين الإيجابي

ويستخدم التضليل التقليدي التحولات في مراحل ثابتة لتوجيه نمط الإشعاع الذي يصيب صفيفة الهوائيات، غير أن التضليل الإيجابي يكيف ديناميا نمط الشعاع على أساس ظروف القنوات الحالية ومستويات التدخل وموقع جهاز الاستقبال المقصود، ويقلل هذا الأسلوب من الطاقة المشععة في الاتجاهات التي لا يوجد فيها جهاز مستهدف، ويقلل من استهلاك الطاقة والتدخل في مسارات أخرى.

وبالنسبة إلى مادة إيوت، يمكن تنفيذ عملية التأشيرات التكييفية باستخدام أجهزة تحويل تدريجية تعمل على أساس النظام المركزي للسواتل أو خطوط تأخير قابلة لإعادة التشكيل، وقد أتاحت التطورات في صفائف البوابة ذات القدرة المنخفضة على البرمجيات الميدانية (FPGAs) والدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات إجراء الحسابات اللازمة - مثل تقدير القنوات وإطار البحوث المتعلقة بالوزن)

وثمة نهج واعد آخر هو التضخيم الهجين، حيث لا تستخدم سوى مجموعة فرعية من الهوائيات المتحولات العاملة في المرحلة، بينما يتم إصلاح أو تبديل الباقي، مما يقلل من عدد عناصر التخلف الكهربائي دون التضحية بأداء هام في البيئات المتفرقة المتعددة التعاطف المشتركة في إيوت (مثل المستودعات أو شبكات الاستشعار الخارجية).

مجموعة من تصميمات الهوائيات

وتحتاج القيود الفضائية في أجهزة الإيوت (الرجل أصغر من بطاقة الائتمان) إلى حلول هوائيات مدمجة، وتحتاج الهوائيات التقليدية التابعة للبعثة إلى فترات زمنية تتراوح بين نصف موجة على الأقل للتقليل إلى أدنى حد من التقاربات المتبادلة والحفاظ على القنوات ذات الصلة بالديكور، أما بالنسبة لمجموعات دون 6 غيغاهيرتز (مثل 868 ميغاهيرتز و915 ميغاهرتز و2.4 جيهرتز) فتت نصف الكرة الأرضية.

وقد استحدث الباحثون عدة تقنيات لخفض حجم الهوائيات والفترة الفاصلة بين المسافات بين الزمن والوسط، مع الحفاظ على أداء المنظمة البحرية الدولية:

  • Electrically small antennas with high permittivity dielectrics: Using ceramic or metamaterial substrates diminishs the antenna footprint by 30–50% without major efficiency loss.
  • Neutralization lines]: إضافة خط سلوكي مدروس بين عناصر الهوائي المتاخمة يلغي الانقلاب التفاعلي، ويتيح المباعدة بين فترات قصيرة مثل TE/20 (يستخدم 1.5 سم في 2.4 جيهرتز) مع الحفاظ على التنوع فوق 9 د.
  • Quadrature hybrid couplers]: For dual-antenna designs, lumped-element hybrids can provide 90° phase shifts, enabling multiple modes with high isolation. This approach is popular in ]dual-antenna IoT modulesure] that fit
  • Three-dimensional and flexible substrates]: Antennas printed on little flexible films or integrated into the tool casing (e.g., plastic housing) save volume and reduce overall weight, indirectly lowering energy consumption by allowing smaller batteries.

وهذه التصميمات المدمجة تخفض تكاليف المواد وتخفض أيضاً الخسائر في الأورام في شبكات التغذية، فعلى سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت في عام 2023 صفيفة هوائيتين تابعة للبعثة، تحتل فقط 15x15 ملم2، حققت كفاءة إشعاعية بنسبة 80 في المائة مقارنة بكثير من التصميمات الأكبر حجماً - وهي تقلل من قدرة النقل بالنسبة لنفس النطاق بنسبة 20 في المائة.

استخدام المواد الذكية

ويؤثر اختيار مواد الهوائيات تأثيرا مباشرا على كل من الأداء واستهلاك الطاقة، وتشمل الابتكارات الأخيرة مواد ذات خصائص الكهرومغناطيسية غير قابلة للتجزئة:

  • Ferrite-based substrates]: Permittivity and permeability can be adjusted by an external magnetic bias, allowing the antenna to shift between frequency bands without additional RF shiftes (which consume power and introduce loss).
  • Liquid polymers (LCP)]: تعرض الشركات الفرعية للفينول الخماسي الكلور خسارة منخفضة في ترددات الموجات المليمترية، وهي مهمة بالنسبة للمركبات المتروكة في المستقبل (مثل 60 جيهرتز) كما تتيح مرونتها أيضاً الهوائيات المتوافقة التي يمكن أن تلف حول العقد، مما يقلل الحاجة إلى لوحة منفصلة.
  • Graphene and carbon nanotubes: هذه المواد النانوية لها سلوكية استثنائية ومساحة سطحية عالية، وهي تتيح له هوائيات من الفلم فوق الصدر التي هي خفيفة الوزن ويمكن إدماجها في مجموعة الأجهزة.
  • ]Phase-change materials (PCMs): Materials like vanadium dioxide (VO2) undergo a metal-insulator transition near room temperature, allowing binary refiguration of antenna shape or load. This enables a single antenna to act as multiple patterns, effectively creating a virtual MIMO array without multiple physical elements -a promising path for extreme.

وباعتماد مواد ذكية، يمكن للمصممين أن يقللوا عدد المكونات، وأن يبسطوا شبكات المطابقة، وأن يقللوا من الطاقة اللازمة للتبديل والتوحيد، وهذه العوامل مجتمعة تسهم في تحقيق وفورات صافية في الطاقة في سلسلة RF.

Energy Harvesting Integration

ولعل أكثر الطرق مباشرة لتحقيق الاكتفاء الذاتي للطاقة هو إدماج هوائيات المنظمة البحرية الدولية في مكونات جمع الطاقة، ويمكن تصميم طاقة الترددات اللاسلكية البعيدة من شبكة وي - فاي، والجهاز الخلوي، والبث الإذاعي، وتصحيحها لتكملة الطاقة البطارية أو تحل محلها، ويمكن تصميم الهوائيات التابعة للمنظمة، بموانئها المتعددة، لخدمة أدوار مزدوجة: إرسال/استقبال الإشارات.

وتشمل استراتيجيات التكامل الرئيسية ما يلي:

  • Shared aperture antennas: A single antenna array can be connected to both the transceiver chain and a rectifier through a diplexer or shift. During idle periods, the array is dedicated to harvesting. During transmission, it uses a small portion of the harvested energy to boost the signal.
  • Dual-band or wideband operation: يمكن تصميم الهوائيات التابعة للبعثة لتغطية نطاق الاتصال IoT (مثل 868 MHz) فضلاً عن النطاقات العالية التواتر الغنية بالطاقة (مثل 2.4 GHz, 5 GHz).
  • Multi-port rectennas: يمكن لكل ميناء من موانئ البعثة أن يغذي دائرة منفصلة للتصحيح، ويمكن الجمع بين نواتج البلدان النامية أو استخدامها بصورة انتقائية. ويمكن تنفيذ أقصى قدر من تعقب نقاط القوة باستخدام متجانسات النانووات.
  • Time-switching schemes: يمكن لنظام MIMO أن يتحول دوريا إلى طريقة لجمع الطاقة حيث تستخدم جميع الهوائيات لجمع الطاقة الكهرمائية، وتخزينها في بطارية عظمية أو قذارة خفيفة، ثم يتواصل الجهاز باستخدام طلقات من هذه الطاقة المخزنة، وهذا يتيح تشغيل دورة منخفضة للغاية.

وتظهر النتائج التجريبية × أن 22 من محصولي هذه المنظمة يمكن أن يجمع ما يصل إلى 100 ميكروو في بيئة مكتبية نموذجية، بما يكفي لتشغيل جهاز استشعار درجة الحرارة الذي يبث كل 10 ثوان، وباستعمال تنوع هذه المنظمة، فإن الطاقة المحصولة أكثر استقرارا من أجهزة الملاحين الواحد، مما يقلل من الحاجة إلى أجهزة تخزين مكثفة.

تقنيات الاستخدام الأمثل للطاقة على مستوى المنظومة

وتحسين كفاءة الطاقة ليس فقط بشأن معدات الهوائيات؛ فالجرائم والبروتوكولات على مستوى المنظومة تؤدي دوراً مهماً بنفس القدر، فيما يلي ثلاثة نُهج بارزة.

Dynamic MIMO Configuration Switching

وبدلا من العمل بشكل مستمر في كامل أسلوب البعثة (يستخدم جميع الهوائيات والمجاري)، يمكن لجهاز إيوت أن يتحول بصورة مكيفة بين تشكيلات البعثة استنادا إلى نوعية الربط وعبء حركة المرور.

  • Single-input single-output (SISO)]: عندما تكون ظروف القناة جيدة ومعدل بيانات منخفض (مثلاً، قراءة درجة الحرارة مرة في الساعة)، لا يوجد سوى هوائي واحد يعمل، أما الآخر فهو إما مفصَّل أو وضع في نمط نوم منخفض القوة مع تسرب أقل من 1 ميكروناً.
  • Spatial multiplexing (full MIMO)]: Only when a large data blow is needed (e.g., firmware update or high-resolution image) does the tool activate all antennas and streams.
  • ] Beamforming diversity]: For reliable long-range links, a subset of antennas can be used for transmit beamforming while the receiver uses selection combining-providing gain without full baseband processing.

ويقتضي التحول بين الوسائط تقديراً لنوعية قناة الوزن الخفيف، وقد أظهرت البحوث أن استخدام عتبة قوة الإشارة المتلقاة ومعدل أخطاء الحزمة يمكن أن يحقق أداء شبه مثالي مع بضع من طرفيات الرؤوس العامة فقط، ويمكن لهذه التقنية أن تقلل من متوسط استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 30 و70 في المائة مقارنة بالوكالة البحرية الدولية.

دائرة منخفضة القوّة وأجهزة النوم

وقد أدت التطورات في اختلاقات شبه الموصلات إلى خفض كبير في استهلاك الطاقة من أجهزة الاستلام التابعة لأجهزة الترددات المتوسطة، وبالنسبة للمنظمة البحرية الدولية، فإن المفتاح هو تصميم كل سلسلة من سلسلة الهوائيات على حدة لكي تكون لديها ولايات ذات قدرة عالية، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تُعزز وحدة الاستكمال الأمامي:

  • Zero-bias Schottky diodes] for envelope detection and energy detection, eliminating the need for a fully active receiver most of the time.
  • Duty-cycly-cycly local oscillators: using plastic oscillators with fast wake-up times (a few microseconds) and low-phase-noise, which can be shared across multiple antennas via a shifted distribution network.
  • Power-gating]: تقوم مفاتيح تبديل نظام MSFET بعزل سلاسل الهوائيات الخاملة، مما يقلل من التسربات الجارية إلى مستويات النانوواتية مع الحفاظ على الأداء الكامل للسلاسل النشطة.

وتشتمل بعض شرائح الإيوت التجارية (مثل تلك التي تدعم قضية بلوتون 5-2 طويلة المدى) على دعم معدات للغايات المتعددة الأطراف التي يمكن تمكينها منفرداً، وتتم هذه الشرائح، مع تحديد مواعيدها باستخدام البرمجيات الثابتة، على متوسط حالي ] Sub-1 mA ] للبث الدوري.

AI/ML لإدارة الطاقة

ويتزايد استخدام التعلم من الآلات والمخابرات الاصطناعية للتنبؤ بظروف القنوات وأنماط المرور، مما يتيح إدارة الطاقة الاستباقية.

  • Reinforcement learning agents] can learn the optimctu of MIMO (number of antennas, beamforming weights, transmit power) by interacting with the environment and receiving a reward based on energy efficiency (throughput per wat).
  • Convolutional neural networks (CNNs)] applied to channel state information can classify the environment (indoor/outdoor, static/mobile) and recommend a power-saving mode with no explicit handover delay.
  • On-device edge inference]: With recent small- feetprint models (e.g., TinyML), the ML inference can be run on a microcontroller consuming just 10 -50 miJ per prediction, this is negligible compared to the energy save by avoid unnecessary MIMO operations.

ومن الأمثلة على ذلك الكتابات: خفض الجدول الزمني للشركة الصناعية لصناعة آيوت في إنتاج الطاقة استنادا إلى التعميم بنسبة 45 في المائة، مع الحفاظ على 99 في المائة من الموثوقية مقارنة بتشكيل ثابت قدره 2 x2.

فوائد تحسين كفاءة الطاقة

ويتجاوز الأثر التراكمي لهذه الابتكارات وفورات الطاقة البسيطة، وتشمل الفوائد الرئيسية ما يلي:

  • Extended Battery Life:] A 50% reduction in average current can double the operational lifetime of a tool powered by a CR2032 coin cell — from two years to four years -without increasing bat size.
  • Enhanced Reliability:] Lower internal heat generation reduces thermal stress on components, improving mean time between failures (MTBF). This is critical for IoT devices deployed in remote or hard-toaccess locations.
  • Cost Savings:] Reduced energy consumption allows smaller, cheaper batteries or even bat-free operation. maintenance costs (battery replacement) for a network of 10,000 sensors can drop by thousands of dollars annually.
  • Environmental Impact:] Lower per-device energy usage multiplies across billions of devices, contributing to overall sustainability goals. The carbon footprint of an IoT network can be reduced by up to 40% when including manufacturing savings from smaller batteries.
  • Enabling New Use Cases:] Energy-efficient MIMO makes it feasible to deploy high-throughput applications (e.g., video streaming from drones, real-time monitoring in factories) that were previously power-prohibitive for wireless IoT.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

ورغم التقدم المحرز، لا تزال هناك عقبات، فالزيادة في تعقيدات الخوارزميات التكييفية يمكن أن تضغط على الموارد المحوسبة المحدودة للمراقبين الجزئيين من طراز IoT، ويتطلب تخفيف حدة التداخل في عمليات النشر الكثيفة للبعثة تنسيقا متطورا قد يتعارض مع العمليات ذات الطاقة المنخفضة، والتكاليف عامل آخر: قد تكون المواد المتقدمة والمتحولات التدريجية باهظة التكلفة بالنسبة للمجسات المنخفضة الدخل.

وتستكشف البحوث المقبلة ما يلي:

  • Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)]: صفائف كبيرة من العناصر السلبية التي يمكن أن تعكس إشارات وتركيزها، وتؤدي إلى إنشاء نقلة للبعثة بفعالية دون عناصر نشطة لحفر الطاقة، ويمكن أن يفرغ ذلك من استخدام الأشعة من عقد إيوت إلى البيئة.
  • 6G and Terahertz MIMO]: في ترددات أعلى (100+ GHz)، أصبحت صفائف الهوائيات صغيرة جدا (مقابر)، مما يمكّن البعثة الضخمة (مئات العناصر) من رقاقة واحدة.
  • Biodegradable and self-powered antennas]: Combining energy harvesting with eco-friendly materials to create fully autonomous, environmentally benign IoT devices that can be deployed in sensitive ecosystems.

وفي الختام، فإن السعي إلى استخدام الطاقة الذاتية الفعالة في مجال الطاقة في منطقة إيوت هو عملية متعددة التخصصات تشمل علوم المواد، وتصميم الهوائيات، وهندسة الدوائر، والتعلم الآلي، وستؤدي عمليات الانجاز الأخيرة التي تنجم عن تكوين أجهزة الترميز والتعاظم المكيفة إلى الابتكار المادي، وتوليد برمجة ذات دوافع عالية إلى سد الفجوة بين أجهزة الاستنباط الخفيف والتركيب المتين.