دور أجهزة تقوية السلطة في تعزيز أداء الشبكات الإذاعية المعرفية

مقدمة: الدور الحاسم لمضخمات الطاقة في الشبكات الإذاعية المعرفية

وتمثل شبكات الإذاعة المعرفية تحولاً في النموذج في الاتصالات اللاسلكية، بهدف التغلب على شح الطيف المرخص به عن طريق إتاحة الوصول الدينامي إلى الطيف، وفي جهاز لاسلكي متعدد الأجهزة، يقوم المستخدمون الثانويون بكشف واحتلال مجموعات الترددات الشاغرة مؤقتاً دون التسبب في تدخل مضر للمستعملين الرئيسيين، ويعتمد النظام بأكمله على أجهزة نقل الطاقة المكيفة التي يمكن أن تُحس البيئة وتتخذ القرارات وتعيد إرسالها

Understanding Power Amplifiers in the Context of Cognitive Radio

الوظائف الأساسية والمعالم الرئيسية

ويتلقى جهاز كمبلد للطاقة إشارة منخفضة القوة من محرك جهاز إرساله ويزيد مستوى قوته قبل الانتقال عبر الهوائي، وفي أي نظام للاتصال، تتميز السلطة الفلسطينية بعدة بارامترات حاسمة: الربح، والقدرة على الإنتاج، والعرض، والسلوك، والكفاءة، والضوضاء، وتكتسب هذه البارامترات أهمية إضافية لأن جهاز الإرسال يجب أن يعمل على نطاق واسع من الترددات، وأن يكيف ناتجه.

• Gain:] The ratio of output power to input power, typically expressed in decibels (dB). CRN PAs need high gain to compensate for losses in the path and to support changing distance links.
• ]Linearity:] The ability to reproduce the input signal’s amplitude and phase without distortion. Nonlinearities generate harmonics and intermodulation products that can spill into adjacent channels, violating the “no-interference” constraint of cognitive operation.
• Efficiency:] The ratio of RF output power consumed. In bat-powered cognitive devices, high efficiency prolongs operation and reduces thermal stress.
• Bandwidth:] The range of frequencies over which the PA can operate with acceptable performance. Cognitive radios often need wideband or multi-band PAs to draw into diverse spectrum opportunities.

How CRN requirements Differ from Traditional Systems

وفي الشبكات اللاسلكية التقليدية (مثل الخلايا أو شبكة الإنترنت)، يستخدم جهاز الإرسال عادة نطاق التردد الثابت ومستوى طاقة يمكن التنبؤ به، غير أن أجهزة الراديو المعرفية يجب أن تُحسّ الطيف، وأن تحدد الثقوب، وأن تعدل تواتر الناقلات وطاقة الإنتاج على أساس كل عبوة، وهذا يفرض مطالب فريدة على السلطة الفلسطينية: يجب أن تدعم التذبذب الترددي الفوري، وأن تحافظ على التسلسل الديناميي في مجموعة واسعة من أجهزة الإنتاج.

أثر أجهزة تقوية السلطة على الأداء النيجيري

منطقة التغطية وتمديد الرانج

أما المساهمة الأكثر وضوحاً التي تقدمها السلطة الفلسطينية فهي زيادة القوة المنقولة، التي توسع نطاق الاتصال مباشرة، وفي الشبكة، حيث يمكن نشر مستخدمين ثانويين على مناطق جغرافية كبيرة، فإن القدرة على الاتصال الموثوق به على مدى عدة كيلومترات يمكن أن تحدث الفرق بين شبكة قابلة للاستمرار وشبكة فاشلة، غير أنه يجب احترام الحدود التنظيمية على أقصى قدر من القوة المنقولة (مثلاً، الجزء 15 من اتفاقية المنافسة الحرة) مع الحد الأدنى من التدخل في السلطة.

معدل جودة الإشارة والخطأ

وتقاس نوعية الإشارة في جهاز تسجيل الممتلكات بحجم الخطأ ومعدل الخطأ قليلاً، وتحافظ السلطة الفلسطينية على دقة الصيغ، بما يضمن أن يكون المتلقي قادراً على تحديد الرموز المحالة بشكل صحيح حتى في ظل ظروف منخفضة من حيث نسبة الإشارة إلى الأرقام، وأن سلوك السلطة الفلسطينية غير قابل للاختراق - مثل مخططات الاختراق إلى الاختلال (AM-AM) وخط الاختلال (AM-AM-I)

إدارة التداخل والاستشعار عن طريق الحشرات

ومن المبادئ الأساسية للإذاعة المعرفية " لا تلحق ضررا " بالمستعملين الرئيسيين، ويجب أن تكون السلطة الفلسطينية مصممة للتقليل إلى أدنى حد من الانبعاثات خارج النطاق التي يمكن أن تقع في نطاقات مرخصة متاخمة، وهذا ما يقاس كميا بنسب القدرة على استخدام القنوات المتاخمة، إذ أن جهازا من أجهزة الاستشعار عن بعد ضعيفا يمكن أن يولد مستويات ضوضاء لأجهزة الكشف الرئيسية القريبة من جهاز الاتصال الالكتروني للبيانات.

كفاءة الطاقة وحياة البطارية

وعادة ما تكون السلطة الفلسطينية هي أكثر عناصر تخلف الطاقة في جهاز إرسال لاسلكي؛ ويمكنها أن تستهلك 30 في المائة إلى 70 في المائة من مجموع طاقة الأجهزة في العمليات المشبعة؛ وفي هذه النظم، حيث يمكن أن تكون الأجهزة أجهزة استشعار تعمل بالبطارية، أو أجهزة إيوت، أو أيدي محمولة، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة السلطة الفلسطينية بشكل مباشر في الحياة التشغيلية ويقلل من متطلبات التبريد.

أنواع أجهزة تقوية الطاقة المستخدمة في شبكات الإذاعة المعرفية

الفئة ألف

أما الصف ألف فهى أبسط تصميمات خطية - وهو المترجم الذي يُجرى حالياً طوال دورة الـ 360 درجة من الإشارة إلى المدخلات، وهذا يؤدي إلى تسلسل ممتاز ولكنه منخفض جداً (أقصى نسبة 50 في المائة تقريباً، 10 إلى 20 في المائة تقريباً) وفي تطبيقات الشبكة، لا تستخدم الفئة ألف إلا عندما تكون أجهزة الإشارة ذات أهمية قصوى، ولا يشكل استهلاك الطاقة عائقاً كبيراً، مثل معدات الاختبار المختبري أو البث العالي.

الفئة باء وفئة ألف باء

:: إجراء امتحانات الدفع من الفئة باء لنصف الدورة (180 درجة)، وتضاعف الكفاءة النظرية إلى نحو 78.5 في المائة، ولكن تشكيلة الدفع التي تستخدمها تنطوي على تشوهات فيما بين مستويات الإشارة المنخفضة، وتمثل الفئة ألف حلا وسطا - سلوك المترجم من أجل أكثر من 180 درجة ولكن أقل من 360 درجة، مما يقلل من التشوهات فيما تحقق الكفاءة المتوسطة (30 إلى 60 في المائة)، وتستخدم هذه النماذج على نطاق واسع في تطبيقات الخلية والشبكة اللاسلكية والشبكة.

الفئة جيم

وتتصرف رتبة C PAs بأقل من 180 درجة من الدورة، وتتحقق الكفاءة حتى 90 في المائة، ولكن مع عدم الترميز الشديد، ونادرا ما تستخدم مباشرة في أجهزة إرسال تابعة للشبكة لأن التشويه مرتفع جداً بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب ما يصل إلى 64-QAM، غير أنها تجد استخداماً هامشياً في دوائر الماشية أو في مراحل عالية القوة حيث تستخدم شبكات فتح مستمرة (مثلاً، ميراث، وشبكة صواريخ كربون).

Doherty Amplifiers

إن هيكل الدهيرتين يجمع بين مضخة رئيسية )من طراز AB( ومضخم من الدرجة جيم، وفي مستوى منخفض، يعمل المضخم الرئيسي فقط، ويحقق كفاءة عالية، وفي الذروة، يتحول جهاز التضخم إلى زيادة الناتج مع الحفاظ على الكفاءة العالية، وتعتمد السلطة الفلسطينية الألمانية حاليا في محطات قاعدية الخلايا وتعتمد بشكل متزايد في البنية التحتية المشعة المتشابكة بنسبة ٦,٠ في المائة.

أجهزة التصفيق المزودة بأجهزة مضخمة

ويستخدم جهاز تتبع الترددات المميتة محولاً من شركة DC-DC لتحديث حجم إمدادات السلطة الفلسطينية بصورة دينامية مع مظروف الإشارة إلى التردد الترددي، مما يبقي جهاز النقل البحري يعمل بالقرب من منطقة التشبع، حيث تكون الكفاءة أعلى، حتى عندما لا تكون سرعة الإشارة في ذروتها، ويمكن أن يؤدي التتبع المعجل إلى تحقيق مستويات كفاءة تتنافس مع تصميمات الدهير في نطاق أوسع من الترددات العالية، وهو معدل مناسب بشكل خاص.

التكنولوجيات الناشئة: GN, LDMOS, and Digital Predistortion

إن مترجمي الطاقة في منطقة الهضبة يقدمون قدرا أكبر من التحلل، ووسادة النطاق الأوسع، وكفاءة أفضل من الأجهزة التقليدية للحركة الأرضية المضادة للدبابات أو أجهزة الغازات، وتستفيد هذه الأجهزة من قدرة عالية على إحداث الاحترار، وتحتفظ هذه الأجهزة بمقياس غير مرجح.

Challenges in Power Amplifier Design for CRNs

الإدارة الحرارية

وتشتت قوة السلطة الفلسطينية العالية درجة الحرارة الكبيرة، لا سيما عندما تعمل في ظل كفاءة منخفضة، وقد يلزم أن يتحول جهاز الإرسال بسرعة بين مستويات الطاقة أو البقاء في وضع عالي القوة لفترات طويلة أثناء انفجار البيانات، وقد يؤدي ضعف التصميم الحراري إلى درجات حرارة متداخلة تتجاوز الحدود الآمنة، وتخفض عمر المتحولين وتتسبب في انجراف الأداء، وتصبح العبوات المتقدمة، والوعات الحرارية، وتبدواً نشطةً (مثلاً زيادة الحجم).

الانحرافات في الكفاءة

وهذا هو التحدي الدائم لتصميم السلطة الفلسطينية: فالزيادة في الكفاءة كثيرا ما تقلل من التسلسل والعكس بالعكس، إذ أن أجهزة اللاسلكي المعرفية التي تحتاج إلى كفاءة عالية من حيث الطيف (من مستوى عالي) وانخفاض استهلاك الطاقة يجب أن تُحقق توازنا، فالتقنيات مثل إدارة التنمية، وتتبع المظاريف، و(دورتي) قد تساعد على دفع حدود باريتو، ولكنها تضيف تعقيدا وتكلفا.

النطاقات الواسعة النطاق والتعددية

ويُتوخى تشغيل الشبكة عبر مختلف النطاقات الترددية من التردد العالي جدا/التردد العالي جدا إلى الموجات الدقيقة (مثلا، 2-4 غيغاهيرتز، الحيز الأبيض التلفزيوني، وفرق الرادار) وقد يكون تصميم سلطة واحدة تحتفظ بالمكاسب والكفاءة والتسلسل على نطاق الترددات المتعددة الأطقم أمرا بالغ الصعوبة، وكثيرا ما تستخدم أجهزة الراديو المعرفية عدة أجهزة ذات قدرة على التطابق مع مجموعات مختلفة من الاختراق أو تستخدم شبكات من الاختراق.

تقلص الأجهزة النقالة

وفي كثير من التطبيقات التي تستخدمها الشبكة، تشمل مركبات جوية قابلة للزراعة أو يدوية أو غير مأهولة حيث يكون حجمها وزنها أعلى، وتشغل السلطة الفلسطينية، إلى جانب مغسلتها الحرارية ودائرة الإمداد بالطاقة، في كثير من الأحيان بصمة كبيرة، وتدمج السلطة الفلسطينية في رقاقة (مثلاً، نظام CMOS أو سيغي بي إمسو) هدف شبه متجانس، ولكن مستويات الطاقة المطلوبة (عشرات موصولات).

درجة الاستشعار من الطراز

وخلال مرحلة الاستشعار، يجب أن يكتشف جهاز استقبال الراديو المعرفي الإشارات الأولية التي قد تكون منخفضة إلى حد - ١٠٠ در - أم أي ضوضاء تصدر عن السلطة الفلسطينية )سواء بسبب رقم الضوضاء الخاص بها أو من خلال التسرب من سلسلة أجهزة الإرسال( يمكن أن ترفع الحد الأدنى للضوضاء التي يلتقطها المستلم وأن تسبب كشفا غير مقصود أو إنذارات كاذبة.

توجيهات المستقبل: أجهزة تضخيم للإذاعة الإدراكية

التحايل والتعديلات الإيجابية

وستتضمن برامج التكيف المقبلة تحيزاً تكييفياً في الوقت الحقيقي يُعدل نقطة التشغيل للمترجم استناداً إلى ظرف الإشارة الفوري أو إلى القدرة المطلوبة على الإنتاج، مما يمكن أن يحسن الكفاءة على مستويات التخلف دون الرؤوس الزائدة لتتبع النظائر، ويجري أيضاً استكشاف أساليب التعبئة، مثل استخدام المشغلات أو المكثفات المُبدلة لتغيير مضاهاة الترددات تغييراً دينامياً، للحفاظ على كفاءة عالية عبر التقلبات.

تعليم الآلات من أجل تصاميم السلطة الفلسطينية وتحقيق الاستخدام الأمثل

ويجري تطبيق خوارزميات التعلم الماكنة - ولا سيما الشبكات العصبية العميقة والتعلم عن التعزيز - على سلوك نموذجي للسلطة الفلسطينية وعلى تحقيق أفضل معامل إدارة شؤون الإعلام في الوقت الحقيقي، وفي شبكة معلومات عن الطاقة، حيث تتغير سرعة استخدام القنوات وظروف التشغيل، يمكن أن تتكيف مع جهاز التحكم في استخدام الطاقة على نحو أسرع من النهج التقليدية في استخدام الأجهزة المغلقة، وعلاوة على ذلك، يمكن للتعلم عن طريق التعزيز أن يساعد على اتخاذ قرار بشأن أفضل مستوى من أشكال انتقاء أجهزة السلطة الفلسطينية (مثلا).

أجهزة تنضير السلطة المعرفية (الأجهزة ذاتية البرمجيات)

ومن المفاهيم الناشئة " المضخم المعرفي " الذي يشعر بحالته الخاصة - درجة الحرارة، قدرة الإنتاج، التسلسل - ويكيف بارامتراته الداخلية بصورة مستقلة، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق أجهزة الاستشعار المزودة بأجهزة الاستشعار وجهاز التحكم الصغير في الميكروفونات داخل وحدة السلطة الفلسطينية، وهذه المعاهد ذاتية الأهمية الخاصة في أجهزة الاتصال اللاسلكية الوطنية المنتشرة في بيئات قاسية حيث يتعذر على الإدارة الاستدلال اليدوي العالمي.

التكامل مع الإذاعة المصممة للبرمجيات

ويضع الاتجاه نحو أجهزة إرسال رقمية كاملة، حيث تحدث معظم عمليات تجهيز الإشارات في المجال الرقمي، علاوة على السلطة الفلسطينية باعتبارها العنصر المشابه الأخير، وسيتطلب ذلك في المستقبل أجهزة التلقيم المزودة بأجهزة السحب الذاتي التي تستند إلى النتائج الاستراتيجية أن تخضع للمراقبة الرقمية - مثلاً عن طريق وصلات بينية بينية بينية بين أجهزة الاتصال اللاسلكية والشبكة التي تحدد المكسب والتحيز بل وحتى وسائل التجاوز، كما أن وحدات الضبط المتكامل الكامل للأجهزة ذات الترددية الرقمية (مثلة في مجال تحديد درجات الحرارة).

محصول الطاقة ومضخمات ذاتية الدفع

وبالنسبة للمستشعرات التي تستخدم الطاقة الكهربائية العالية، يمكن لجمع الطاقة في المحيط (السولة، الحرارية، الترددات) أن يُشغل كامل العقد، بما في ذلك السلطة الفلسطينية. وفي حين أن مستويات الطاقة من الحصاد منخفضة عادة (النموات إلى الألفوات)، فإن التقدم في تصميمات البطاريات العالية الكفاءة (مثلاً، أجهزة التبديل الإلكترونية/الفلورية) يمكن من تحقيق نتائج ذاتية.

خاتمة

إن مضخات الطاقة ليست مجرد عنصر داعم في الشبكات اللاسلكية المعرفية؛ فهي حجر الأساس الذي يحدد جدوى النظام بأكمله وأدائه وكفاءته من حيث الطاقة، ومن توسيع نطاق التغطية إلى إدارة التدخل، ومن التمكين من إجراء عملية هندسية عالية الجودة إلى الحفاظ على حياة البطاريات، ومن خصائص السلطة الفلسطينية كل جانب من جوانب عملية الشبكة، ومن ثم فإن اختيار امتحانات التجانس، وتقنية التصفيق، وشبه الموصلات.

[[FLT:] Further reading:[FLT:] For a deep dive into PA linearization techniques, see ] “Digital Predistortion of Power Amplifiers for Wireless Communications” (IEE). For an overview of GaNium technology in RF power, refer to [FLQ:6]