אתגר האנרגיה בתקשורת אלחוטית

מכשירים אלחוטיים נמצאים בכל מקום - טלפונים חכמים, לבישים, חיישני בית חכמים, צומת אינטרנט תעשייתי, ושתלים רפואיים.כולם חולקים מעצמה משותפת: יכולת סוללה מוגבלת. כמו מספר המכשירים המחוברים מ-20 מיליארד, צמצום צריכת החשמל ללא מקרי הקרבה, מאפשר לתקני חשמל אלחוטיים מתקדמים, כדי להפחית את רמת הפחתת ההשפעה של מערכת ההפעלה האלחוטית, כך שהם יכולים לפתח במקור עבור תקשורת צבאית נגד חרדה ומאובטחת, התפתחה כאמצעי לחץ על ידי צמצום אנרגיה.

מה זה Pros Spectrum?

(ה) ספקטרום התפשטות היא טכניקת שידור שבה רוחב הפס הכבוש רחב בהרבה מהמינימום הנדרש כדי לשאת את המידע.האות מתפשט באמצעות קוד פסאודו-ראן או תבנית הפחתת תדירות, מה שהופך אותו עמיד להפרעות פס צר וקשה ליירט.ישנם שני צורות עיקריות: FLT:0Fquency Hopping Spread Spectrum (FLT:1 ו-LTF:2Directure)

תדירות ההוגות להפיץ Spectrum (FHSS)

FHSS מתירה במהירות את תדירות המוביל בין ערוצים רבים על פי רצף פסאודודום הידוע גם משדר וגם מקלט.זמן הווה על כל תדירות הוא קצר, בדרך כלל עשרות עד מאות אלפי שניות. Bluetooth הוא דוגמה קלאסית: זה מוקרן בין 79 ערוצים ב-2.4 GHz להקה 1,600 פעמים לשנייה.

המונחים: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

DSSS מכפיל את זרם הנתונים עם קוד הפצה גבוה (למשל, קוד Barker ב IEEE 802.11b), הרחבת רוחב הפס האות. at the המקלט, אותו קוד משמש כדי לפענח את האות, ביעילות לשחזר את הנתונים המקוריים תוך התערבות מתפשטת ומסנן.הרווח של עיבוד - היחס של התפשטות רוחב פס מקורי - שיפור אות ליחסי רוחב פס להתאמה, המאפשר גישה להורדת (MA) לדרגה נמוכה יותר.

מערכת יחסים של DM ו-Surpe Spectrum

מ-DM מחלק את הספקטרום הזמין ל-Uthogonal subcarriers רבים, כל אחד נושא זרם נתונים נמוך-rate. בעוד לא רק שיטת ספקטרום מתפשט במובן המסורתי, שלDM משיגה יתרונות דומים: הוא חזק נגד התערבות מרובה-פתים ופרקים, והוא יכול להשתמש במודולציה הסתגלות על כל תת-מקלע כדי לחסוך כוח.

כיצד להפיץ Spectrum מפחית את צריכת החשמל

צריכת החשמל של עובר אלחוטי היא פונקציה של העברת כוח, זמן פעיל ויעילות של עיבוד אנלוגי ודיגיטלי להפיץ טכניקות ספקטרום משפיעות על כל שלושת הגורמים.

אותות משופרים של אות רובוסטנטיות נמוך יותר נדרש Transmit Power

במערכת פס צר, אפילו מפריע חלש יכול להרוס את האות כולו.הדר חייב להגביר את הכוח להתגבר על ההתערבות או לקבל שיעורי שגיאה גבוהה, המוביל לניתוק את הספקטרום להפיץ את האנרגיה על פני להקה רחבה, כך שמפריע רק משפיע על חלק קטן של האות (RBBLE) או על רווח של DSSS, או על אדמומיות של FHSS, כלומר המקלט עדיין יכול להפחית את עוצמת ה-FS להורדת יותר (R) באופן נמוך יותר, כמו גם אם הוא יכול לצמצם את רמת ה-RVVSVTVSER (R) עם השפעה נמוכה יותר, כמו גם כן, כמו אפקט DVVSERBBLE).

צמצום הרנסנסרים של אנרגיה

שיעור השגיאה Packet (PER) קשור ישירות לצריכת החשמל.כל רנסרציה צורכת אנרגיה הן עבור חבילת הנתונים והן את ההכרה.ספקטרום ההתנגדות להתערבות וקידוד מורידה באופן דרמטי את PER בסביבות רועשות. מחקרים הראו כי בסביבה Wi-Fi טיפוסית, DSSS-based 802.11b השיג גם את אחד מתחת ל-1% בטווחים שבהם מודולציה צרת ניסיון 10-20% הפסד של פחות מצמצם את צריכת החשמל.

שינוי הסתגלות וקולינג עם Spectrum

מערכות ספקטרום מודרניות כוללות מודולציה הסתגלות וקידוד (AMC) תנאי הערוץ המעבירים והמקבל ובחירת שיעור הנתונים הגבוה ביותר שניתן להמשיך עם שגיאות נמוכות. בתנאים טובים, מודולציה גבוהה יותר (למשל, 256-QAM ב-Wi-Fi) משמש, אך כאשר התערבות או קידוד, המערכת נופלת בחזרה למצב יותר חזק, כמו למשל, של ערוץ 5D).

היתרונות הביטחוניים להפחית

ספקטרום מבוזר מספק רמה של אבטחה כי קוד הפצת או תבנית היגוי אינו ידוע כדי ל-Eavesdroppers. זה מקטין את הצורך הצפנה גבוהה יותר ואימות מעל פני השטח כי יהיה לצרוך כוח עיבוד נוסף. בעוד פרוטוקולים מודרניים עדיין ליישם הצפנה, אבטחה פיזית שכבות של ספקטרום התפשטות יכול להוריד את הנטל חישובי במכשירי IoT פשוטים.לדוגמה, חיישן זול באמצעות DSSS עשוי להימנע מהצפנה כבדה כי כבר פחות יעיל יותר מאשר קוד סוללות.

כוח יעיל מגביר את המבצע

מגברי חשמל (PAs) יעילים ביותר כאשר הם פועלים ליד ריצוף.עם זאת, back-off נדרש לעתים קרובות לשמור על לינאריות עבור תוכניות מודולציה מורכבות.פיזור אותות, במיוחד אלה באמצעות מודולציה קבועה (כמו FHSS עם GFSK), לאפשר ל- LTE לפעול קרוב יותר לנקודת היעילות שלה.

יישומים ב- Modern Wireless מכשירים

Wi-Fi (IEEE 802.11)

מוקדם Wi-Fi (802.11b) השתמש ב-DSSS עם קוד משלים מפתח (התקנים מאוחרים יותר (802.11a / g /n / Ax) מאומצת של DM, אך נשמר תכונות דומות לשימוש במספר רב של תת-קרירים וקידומי מחזוריים (Wi-Fi 6), Orthogonal Frequency Target Access (OFD) מאפשר גישה להפחתה משמעותית של מספר רזולוציה של כוח ×T) וחיסכון ב-T) באופן זמני (Verd) באופן זמני כדי להבטיח את מספר הפחתה של מספר הפחתה של מספר .

Bluetooth ו- Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Classic משתמשת ב-FHSS עם 79 ערוצים וקצב הופ של 1,600 הופ/s. BLE צר את הערוץ שנקבע ל-40 ערוצים ואימוץ קצב הופ איטי יותר כדי להפחית את צריכת החשמל.הספקטרום ההתפשטות של Bluetooth מאפשר לו לשתף את חיישנים של ה-IoT בדיוק עם Wi-Fi ומכשירים אחרים ללא הפרעה מתיחת כוח נמוך מאוד (כפי שפחות כמו HC2) כדי להבטיח את קצב ההצלחה של כמה זמן קצר.

תאים: CDMA, WCDMA, LTE ו-5G

CDMA (IS-95) הביא DSSS לרשתות סלולריות, המאפשרות ניתוק יד רך ועוצמה שידור נמוכה יותר עבור טלפונים סלולריים. WCDMA (UMTS) הרחיבו את זה עם גורמים להפצת משתנים, המאפשרים שיעורי הסתגלות ושליטה בכוח. LTE הציגה של DMA עבור מטה קישורים ו- SC-FDMA עבור uplink, האחרון ספקטרום מבוזר אשר מפחית את ה-FG במכשיר הנייד 5G חדש (R) שימושים גמישים ב-H) עם אנרגיה מוגבלת.

אינטרנט של דברים (IoT) ו- LPWAN

רשתות רחבות עוצמה נמוכה (LPWANs) כגון LoRaWAN ו- Sigfox להעסיק ספקטרום רחב כדי להשיג טווח ארוך מאוד כוח נמוך מאוד. LoRa (טווח ארוך) משתמש טכניקת ספקטרום מבוזר קנייני המבוסס על ספקטרום התפשטות צ'ייפ (CSS) אות ה-IoT חייב להיות בעל עוצמה גבוהה לחדור קירות ולהגיע לקילומטרים, אבל הרווח ההתפשטות של LoRa מאפשרת מתחת לקומה הנמוכה ביותר של עד כה-R.

ניתוח השוואתי: Spectrum vs. Narrowband Modulation

כדי להעריך את החיסכון בכוח, מומלץ להשוות מערכת ספקטרום מבוזר עם קישור דומה פס צר.אסיום שניהם חייב להשיג שיעור נתונים של 1 kbps עם שיעור שגיאה של 10-3 במרחק של 100 מטרים בסביבה ביתית טיפוסית עם הפרעה מתונה של Wi-Fi תנורי מיקרוגל.

  • (FLT:0)Narrowband:FLT:1 A פשוט FSK או OOKter משדר יהיה צורך לייצר בערך +10 dBm כדי להתגבר על ההתערבות הצרה לאצ'. pet הפסד בשל להפריע יכול להיות גבוה כמו 15%, הדורש ממוצע של 1.18 שידורים לחבילה (כולל ACKs) כוח ממוצע של כ- +10.7 dBm.
  • (FLT:0DSSS (מעבדת רווח 11 dB): ההרחבה 1 (בדומה ל- 1 kbps נתונים, ניתן להפחית את הכוח המועבר ל-0 dBm כי רווח העיבוד מספק 11 dB של הפרעה. pet הפסד טיפות פחות מ-1%, כך ש-Retransmission Overhead הוא מינימלי.
  • (FLT:0)FHSS (100 ערוצים, 20 msbed): 1 המדר יכול להשתמש 0 dBm כל עוד דפוס ההיגוי מונע את המפריע רוב הזמן.אם ערוץ אחד הוא דחוס, רק 1% של חבילות אבדו, הדורשות מעט מאוד הפסקות שידור ממוצע.

ההבדל של 10 dB תואם גורם של 10 צריכת חשמל - חיסכון דרמטי עבור מכשיר מופעל סוללות. יתר על כן, הרנסנסרים מופחתים גם לקצץ זמן פעיל המקלט, חיסכון אנרגיה נוספת.

אתגרים ומסחר

ספקטרום מבוזר הוא לא כדור קסם.תהליך ההפצה עצמו צורב כוח - עיבוד בסיס דיגיטלי עבור DSSS צריך קוקלטורים מהירים במהירות גבוהה, ו FHSS דורש סינתזנטים בתדר מהיר.במכשירים פשוטים מאוד אולטרה-נמוכים, ראש הספקטרום עשוי לעלות על פני גורמים אלחוטיים - למרות זאת, עבור קישורים לטווח קצר מאוד (למשל, תקשורת ליד שדה בכמה סנטימטרים), יכול להיות יותר יעיל עבור רמות גבוהות יותר של אנרגיה (בנוסף, בעיקר עבור טיפול לטווח הארוך), כי יש צורך של צריכת אנרגיה נמוכה יותר של זמן מוגבל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר, בעיקר עבור טיפול לטווח ארוך טווח גבוה יותר של טיפול לטווח ארוך טווח גבוה יותר, כי הוא יעיל יותר, כי הוא יעיל יותר עבור טיפול יעיל יותר של טיפול לטווח ארוך טווח גבוה יותר, עבור טיפול.

כיוונים עתידיים: Spectrum in 6G ומעבר

ככל שהמכשירים האלחוטיים מתפתחים לקראת 6G, מושגי ספקטרום מתפשטים בהקשר של terahertz (THz) תקשורת ותקשורת אור גלויה (VLC) בתדרים THz, רוחב פס גדול מאוד (multi-gigahertz) זמינים, מה שהופך את הספקטרום אטרקטיבי עבור שיתוף פעולה עם שירותים אחרים.

מסקנה

טכנולוגיית ספקטרום מבוזרת - בין אם ייושמה כ- FHSS, DSSS, שלDM, או CSS - הפכה אבן הפינה של תקשורת אלחוטית יעילה באנרגיה - על ידי שיפור אינטנסיביות, צמצום הניתנותנות, המאפשרת התאמה הסתגלות, ומאפשרת לשדר כוח נמוך יותר, להפיץ את חיי הסוללה באופן ישיר במכשירים אלחוטיים החל מסמארטפונים זעירים לחיישנים.

(ב) ראו את הסקירה של הספקטרום התפוצהי של הלהקות הבלתי מורשה (FLT:2IEEE) בנוגע לצריכת חשמל במערכות ספקטרום מבוזרות (FLT) 3, ו-FLT:4 Bluetooth Technology ReviewFLT:5 לפרטים על FHSS ב-BLE נוספים על תובנות של מערכות DM, ויעילות הכוח ניתן למצוא במסמכים 6LTF-WiFi.