مزايا سبيريد سبيكتروم في التمكين من الأجهزة ذات الطاقة المنخفضة اللاسلكية

Understanding Spread Spectrum Technology

إن طيف النسيج هو تقنية لارسال إذاعية توزع إشارة عبر نطاق أوسع بكثير من الحد الأدنى المطلوب للاتصال، وبدلا من أن تنقل على قناة ثابتة ضيقة النطاق، تنتشر الطاقة الإشارة على مجموعة واسعة من الترددات، وكثيرا ما تستخدم سلسلة من الترددات لتحديد التردد الدقيق في أي لحظة معينة، وتعطي هذه الملكية الأساسية قدرات فريدة من نوعها لنظم الطيف تكون ذات قيمة خاصة بالنسبة للأجهزة اللاسلكية المنخفضة القدرة العاملة في البيئة.

وقد جاءت التكنولوجيا من الاتصالات العسكرية خلال الحرب العالمية الثانية، حيث كانت مقاومة التشويش والاعتراض توفر ميزة استراتيجية، وعلى مدى العقود، تم تكييف الطيف الممتد للاستخدام المدني، وأصبح العمود الفقري للمعايير اللاسلكية الحديثة مثل الواي فاي وبلوتووث وزيغبي، وقدرتها على التعايش مع الإشارات الأخرى والحفاظ على الاتصالات في ظل ظروف صعبة، مما يجعلها أداة تمكين أساسية للأجهزة الالكترونية التي تستخدم الطاقة، من الذكاء.

كيف يُنشر "سبيكتور"

وفي نظام ضيق النطاق التقليدي، يتجه جهاز الإرسال والاستقبال إلى تردد محدد، وتتركز قوة الإشارة بكاملها في هذا الجزء الضئيل من الطيف، ويستخدم طيف العجلات، على النقيض من ذلك، إحدى طريقتين رئيسيتين لنشر الطاقة على نطاق واسع: الطيف المباشر المتسلسل أو الطيف الممتد من الترددات.

وفي نظام الدعم الاستراتيجي، يقترن كل جزء من البيانات بتسلسل رقائق البطاقات العالية الجودة، ويضاعف معدل البيانات بشكل فعال وينشر الإشارة الناتجة عبر نطاق واسع، ويعرف المتلقي نفس سلسلة الرقاقة ويمكن أن يربط الإشارة الواردة لاستعادة البيانات الأصلية، وهذه العملية تحقق مكاسب كبيرة في التجهيز، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ويتيح تلقي الإشارة أدناه حتى عندما تكون هذه الضوضاء.

ويعمل الاتحاد على تحويل الترددات الناقلة بسرعة بين قنوات عديدة وفقا لنمط الضبطيات المعروف لكل من جهاز الإرسال والاستقبال، والوقت المخصص للسكن في كل تردد قصير، وعادة ما يكون ذلك على ترتيب الثلثين، وهذا الترقيق يجعل النظام مقاوما بشدة لتدخل ضيق النطاق وتشويشه، حيث أن أي إشارة متداخلة لا تؤثر إلا على جزء صغير من البث.

أنواع المنبوذين: DSSS ضد FHSS

وفي حين أن كلا من نظام خدمات الدعم الميداني ونظام خدمات الدعم الميداني يحققان انتشاراً طيفياً، فإن لهما خصائص متميزة تؤثر على مدى ملاءمتهما لتطبيقات محددة منخفضة القدرة على توليد الطاقة، ويوفر نظام خدمات الدعم الميداني معدلات بيانات أعلى وأداء أفضل في البيئات الثابتة، ولكنه يتطلب أجهزة استقبال أكثر تعقيداً ومتزامنة، ومن ناحية أخرى، يوفر قدرة ممتازة على مواجهة التدخل المحدد بتواتر محدد، ويسهل تنفيذ هذه الأجهزة في أجهزة إرسال منخفضة التكلفة وذات قوة منخفضة.

فالنظم الحديثة العديدة تجمع بين عناصر كلا النظامين، فعلى سبيل المثال، تستخدم بلوتون منخفض الطاقة شكلا من أشكال التكتل الترددي الذي يتجنب بصورة دينامية الترددات المحتلة، ويحسن الموثوقية في نطاق ISM الذي يزداد اكتظاظا بـ 2.4 غيغاهيرتز، ويستخدم زيغبي نظام خدمات الدعم الميداني مع نظام إدارة الطاقة الكهربائية في منطقة المحيط الهادئ لتحقيق استهلاك منخفض من الطاقة، مع الحفاظ على معدلات بيانات معقولة للتشغيل الآلي المنزلي وشبكات الاستشعار.

أهميات الأجهزة ذات القدرة المنخفضة

إن انتشار استخدام الطيف في الأجهزة اللاسلكية المنخفضة الطاقة ليس عرضاً، بل إن هذه التقنية توفر عدة فوائد حاسمة تتصدى مباشرة للتحديات التي تواجه الأجهزة التي تعمل بالبطارية، والتي تعمل على ضبط الفضاء، والتي تراعي التكلفة.

تخفيض استهلاك الطاقة

ومن أهم مزايا الطيف المنتشر قدرتها على خفض متوسط استهلاك الطاقة، ونظرا لأن الإشارة تنتشر على نطاق واسع، يمكن للمرسل أن يعمل في قوة ذروة أدنى مع الحفاظ على صلة موثوقة، فالكسب في التجهيز المتأصل في نظام خدمات الدعم الميداني، مثلا، يسمح باسترجاع الإشارة حتى عندما يكون يتراوح بين 10 و 20 باء دون مستوى الضجيج، مما يعني أن جهازا من الطيف المنتشر يمكن أن يحقق نفس ميزانية الربط التي يستخدمها نظام النطاق الضيقة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تقنيات الطيف الموزعة تتيح التقلبات الفعالة في الخدمة، إذ أن العديد من بروتوكولات الطاقة المنخفضة، مثل BLE، تستخدم طلقات قصيرة من البيانات مقترنة بأجهزة التكرار لتقليل عدد أجهزة البث العاملة في غضون فترة زمنية واحدة فقط، ثم تتحول بسرعة الترددات، تؤدي هذه الأجهزة إلى تخفيض كبير في متوسط السحب الحالي، ونتيجة لذلك، تقاس في كثير من الأحيان في السنوات، لتطبيقات مثل أجهزة القياس، والتحسس، والحساسات البيئية، والز.

تعزيز مقاومة التدخل

وكثيرا ما تعمل أجهزة توليد الطاقة المنخفضة في نطاقات الترددات المشتركة إلى جانب مصادر يمكن أن تتداخل مثل فرن الموجات الدقيقة، أو الهواتف اللاسلكية، أو الشبكات اللاسلكية الأخرى، حيث أن اتساع نطاق الطيف يوفر حصانة أصيلة للتدخل في النطاق الضيقة، وفي نظم خدمات الدعم الميداني، قد يفقد المركب إلى قناة محتلة فقط شظية صغيرة من الحزمة يمكن استعادتها عن طريق إعادة نقل الطاقة أو تصحيح الأخطاء الأمامية، من خلال عمليات التداخل الات الضيقة النطاق.

وهذه القدرة على التكيف أمر حاسم بالنسبة لأجهزة توليد الطاقة المنخفضة التي لا تستطيع تحمل تكاليف نقل الطاقة أو التصفيف المعقد، وهي تكفل أن يكون هناك، حتى في البيئات الحضرية الكثيفة أو في الأوساط الصناعية، جهاز استشعار يمكن أن يحافظ على ارتباط قوي بالمدخل دون زيادة مستمرة في إنتاج الطاقة، كما أن المعايير مثل IEEEEE 802.15.4 (التي يستخدمها زيغبي وثريد) تستغل هذه الممتلكات لإنشاء شبكات مصغرة موثوقة تعمل في قرب شديد.

تحسين الأمن

إن إشارات الطيف المنتشرة أكثر أمناً من إرسالات النطاق الضيقة، وبدون معرفة برمز الانتشار (لإدارة الدعم الميداني) أو تسلسل التسلسل الهضمي (لخدمة الأمن الميداني)، لا يمكن للمتفرج أن يخفض الإشارة بسهولة، فبالنسبة للمستمع العرضي الذي لديه محلل طيفي، يبدو أن انتقال الطيف منتشر كرفع طفيف من الحد الأدنى للضوضاء، مما يجعل من الصعب كشف ذلك الاتصال يحدث حتى، ناهيك عن ذلك.

وفي حين يوفر التشفير الحديث الأمن على مستوى الدورات، فإن الأمن المادي للطبقات الذي يوفره الطيف الممتد يضيف حاجزا إضافيا، وبالنسبة لأجهزة توليد الطاقة المنخفضة التي قد لا تملك القدرة على التجهيز لتنفيذ تشفير قوي على كل عبوة، فإن الطيف المبني من الطيف الممتد يصبح رصيدا قيما، إذ أن العديد من البروتوكولات الأمنية للشبكة الدولية للطاقة، بما فيها تلك المستخدمة في زغبي وبل، تجمع بين الطيف والحماية من طراز AES-128.

أفضل استخدام الحشرة

ويمكِّن الطيف المُنتشر المستخدمين المتعددين من تبادل نفس النطاق الترددي في وقت واحد، وهو مفهوم يُعرف باسم " الوصل المتعدد " في الشبكات الخلوية، وفي نظم الترددات اللاسلكية المنخفضة، تسمح أجهزة الترددات المتعددة بالتعايش دون اصطدام لأنها تقفز عبر نفس المجموعة من الترددات ولكن مع أنماط مختلفة من الضبطيات، وحتى في الوقت الذي تحدث فيه بيانات صغيرة عن السحب إلى القناة نفسها، فإن ذلك منخفض.

وهذا التقاسم الفعال ضروري في إطار النطاقات غير المرخص بها للإدارة الدولية للمواد الكيميائية، حيث يمكن أن تعمل عشرات الأجهزة من مختلف الجهات المصنعة في نفس الغرفة، وبدون طيف منتشر، فإن هذه الأجهزة ستتدخل باستمرار فيما بينها، مما يقلل من الناتج ويزيد من سوء الطاقات، كما أن معايير مثل تطبيق نظام " بلوتون " للترددات التكييفية التي تُقيِّد بفعالية التدخل في كل قناة وقوائم سوداء تحتل الترددات، مما يزيد من تحسين التعايش واستخدام الطيف.

:: الروبوت في البيئات الدينامية

وكثيرا ما تنتشر الأجهزة اللاسلكية المنخفضة الطاقة في البيئات التي تتغير فيها القناة الإذاعية بسرعة، فالناس الذين ينتقلون بين جهاز الاستشعار وقواعده أو فتح أبوابه أو إغلاقها أو التدخل من الأجهزة الإلكترونية الأخرى قد يتسببون في حدوث تغيرات مفاجئة في الإشارات أو في فقدان المسارات، وتعالج نظم الطيف هذه الظروف الدينامية بشكل واضح، وفي محطة الترددات الثابتة تعني أن الترددات العميقة على التردد الواحد تؤثر فقط على مجموعة صغيرة من قنوات النقل، وباقي الفوائد

وتترجم هذه القوة مباشرة إلى ارتفاع الموثوقية وانخفاض معدلات إعادة النقل، مما ينقذ الطاقة، وتعتمد التطبيقات مثل التشغيل الآلي للبناء اللاسلكي، وتتبع الأصول، ومراقبي الصحة القابلين للارتداء على هذا الاستقرار لتوفير بيانات متسقة حتى مع انتقال المستخدم من مبنى أو تغير البيئة طوال اليوم.

التطبيقات العملية في أجهزة توليد الطاقة المنخفضة

إن تكنولوجيا الطيف المتفرقة هي أساس كل بروتوكول حديث متدني الطاقة اللاسلكية، ففهم كيفية تطبيقه في معايير محددة يساعد على توضيح فوائده للعالم الحقيقي.

بلوتونوث وبلوتوث منخفض الطاقة

ويستخدم هذا النوع من السلك الخفيف في 79 قناة في مباعدة ميغاهيرتز، ويقفز بمعدل 1600 هوب في الثانية. ويحتفظ جهاز توليد الطاقة المنخفضة الفلورية بنهج مماثل في الترددات، ولكنه يستخدم 40 قناة، مع ثلاثة قنوات إعلانية مخصصة و 37 قناة بيانات.

Wi-Fi (IEE 802.11)

ويستخدم نظام " وي-فاي " أساساً نظام إدارة الدعم الميداني في معاييره السابقة (802.11ب) ثم انتقل بعد ذلك إلى نظام تضاعف الترددات المتحركة، وهو شكل من أشكال انتشار المركبات المتعددة، وينشر نظام إدارة العمليات بيانات عن طيفات ضيقة، ويخضع كل منها لمعدل بيانات منخفض، ويوفر مزايا مماثلة لمقاومة التدخل ومعالجتها، ويمكن أن تعمل أجهزة التصوير اللاسلكية ذات معدلات استهلاك عالية، مع الحفاظ على قدر معقول من الكفاءة في استخدام الطاقة.

شبكة الاستشعار اللاسلكية وزيغبي

ويستخدم زيغبي، استنادا إلى IEEE 802.15.4، نظام خدمات الدعم والخدمات الصحية في مرحلة التحول الكمبي في إطار النطاق الترددي 2.4 GHz، ويحقق معدل بيانات يبلغ 250 كيلوبايت مع معدل رمزي قدره 62.5 كيلو غرام في الثانية، ويصل ارتفاع تجهيز خدمات الدعم الميداني إلى 9 كيلوغرامات، مما يسمح لشبكة زغبي التي تبث أكثر من 1020 مترا.

RFID and IoT

وتستخدم نظم تحديد الترددات اللاسلكية، ولا سيما أجهزة التردد العالي جداً، شكلاً من أشكال الانتشار يسمى الاتصال بالترددات، وتبث القارئة موجة مستمرة، وتضع علامة على انعكاسها باستخدام رمز واسع النطاق، مما يتيح قراءة العلامات المتعددة في آن واحد (مدى الاصطدام بالترددات) ويحسن نطاق الترددات والموثوقية.

الجوانب التجارية والنظر فيها

وعلى الرغم من مزاياه الكثيرة، فإن طيف الانتشار ليس بدون مقايضة، فالكلفة الأساسية هي النطاق الترددي: فالإشارة إلى الطيف الممتد تتطلب عددا من الطيف المائي المتوسط لمعدل بيانات منخفض نسبيا، وفي إطار النطاقات المزدحمة للإدارة المتكاملة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الازدحام، وبالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة المسارات من عوامل الانتشار والارتباط الحاد، مما يتطلب قدرا أكبر من التعقيدات في مجال الاستهلاك الإلكتروني.

ومن الاعتبارات الأخرى: في نظم خدمات الدعم الميداني، يمكن أن يؤدي الوقت المستغرق وإنتظار التردد الصحيح إلى حدوث تأخيرات تثير مشاكل في تطبيقات الرقابة في الوقت الحقيقي، كما أن نطاق البرمجيات يجعل من الصعب تنفيذ فترات زمنية محددة من الطيران، حيث أن النطاق الواسع النطاق يعقّد تزامن الساعة، ولكن بالنسبة للغالبية العظمى من تطبيقات جمع البيانات المنخفضة القدرة، فإن هذه المبادلات تفوقها الكفاءة.

مستقبل سبيريد سبيكتروم في لاسلكية السلطة المنخفضة

ويستمر تطور الطيف الممتد إلى الأمام، إذ تستخدم التقنيات الجديدة مثل النطاق الترددي فوق النطاق الترددي (UWB) نبضات قصيرة للغاية تنتشر على عدة وحدات من نوع GHz، مما يتيح تطبيقات تحديد المواقع على نطاق ضيق وتدني القدرة، ويجري بالفعل نشر معيار IEE 802.15.4z الخاص بشبكة المياه الجوفية في موقع آمن وتتبع الأصول.

ومع توسع شبكة الإنترنت لتشمل بلايين الأجهزة، فإن قدرة الطيف الممتد على التمكين من انخفاض الطاقة، والتواصل الموثوق به، ومقاومة التدخل، ستصبح أكثر أهمية، فالتقدم في تكنولوجيا العمليات شبه الموصلات تخفض قدرة وتكلف أجهزة نقل الطيف الموزعة، مما يجعل من الممكن إقامة وصلات سلكية لاسلكية في أجهزة الاستشعار القابلة للتصريف، والتغليف الذكي، والوصلات الطبية، المبادئ الأساسية التي جعلت من الممكن استخدامها في توليد طيفات العسكرية غير الفعالة.

For further reading on spread spectrum fundamentals and its applications in low power designs, see Wikipedia’s entry on spread spectrum], the ]IEE Communications Society] resources, and application notes from Texas Instruments.