כמו האינטרנט של הדברים (IoT) ממשיך את ההתרחבות המהירה שלה לבתים חכמים, אוטומציה תעשייתית, חקלאות, בריאות, ניטור סביבתי, מספר המכשירים המחוברים צפוי לעלות על 30 מיליארד עד 2030. צוואר בקבוק קריטי בצמיחה זו הוא הצורך פתרונות תקשורת יעילה באנרגיה, שכן מכשירים IoT רבים מסתמכים על כוח סוללה או על קוצר אנרגיה משקעים וצריכים לפעול במשך שנים ללא התערבות.

הבנת טכנולוגיות MIMO ב-IoT

טכנולוגיית MIMO מעסיקה אנאנטות מרובות הן המשדר והן המקלט כדי לנצל ריבוי מערכות חד-לשוניות מסורתיות חד-אנטנה (SISO), קידוד והתערבות יכולים להפיג את הביצועים האלה באמצעות ריבוי רחב-לשוני (העברת מספר זרמי נתונים בו-זמנית), מגוון (שיפור איכות אותות באמצעות שילוב עותקים מרובים של האות), ומדורג (אנרגיה עקיפה בכיוונים ספציפיים), אך לעתים קרובות עם יעילות של אנרגיה נמוכה יותר, אך לא רק על פני אנטנות מאתגרת, אלא גם על פני אנטנות מאתגרת, אלא גם על פני אנטנות מאתגרת, אך ורק על פני אנטנות נמוכה).

צריכת החשמל של מערכת MIMO נובעת ממקורות מרובים: חזית RF (מיקסרים, מסננים, מגברי חשמל), עיבוד בסיס (התראות ערוצים, ⁇ / decoding), ואת אנלוגיה-לדיגיטלית / ספרותית / אלקטרונית-ל-ana-to-analogers, בתצורה טיפוסית 4x4 MIMO, צריכת החשמל הכוללת יכולה להיות מ"ל כמה מאות וואט לכדי כמה תאים לא יעילים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כדי להפחית את המורכבות של חומרת, על גבי חומרת, כלומר, כלומר, על גבי חומרת, על גבי חומרת, על גבי אנטנות, על גבי חומרת, על מנת להפחית את המורכבות של חומרת, על מנת לפתח לעתים קרובות, כלומר, על גבי חומרת חומרים לאנטנה יעילה של חומרת, על מנת לפתח את המורכבות של חומרת חומרים לא יעילה, כלומר, כלומר, על מנת לפתח את המורכבות של חומרת חומרים לאנטנסיבית, כלומר, על בסיס טיפוסית חומרים לאנטנה יעילה של חומרת חומרים לא יעילה, על בסיס 4x4 MIMO, על בסיס טיפוסית, כלומר, על בסיס קבוע, על בסיס קבוע, על בסיס 4x4 MIMO,

מחקרים אחרונים הראו כי על ידי אופטימיזציה קפדנית של פרמטרים MIMO - כגון מספר האנטנה פעילה, כוח שידור לזרם, ואת וקטורים beamforming - צריכת אנרגיה ניתן להפחית ב 40-60% תוך שמירה על שיעורי נתונים הנדרשים.מאזן זה חשוב במיוחד עבור פריסות IoT מסיבי (למשל, מ"מ חכם, חיישני סביבה) שבו אלפי מכשירים לתקשר spadly.

חידושים חדשים ב- Energy-Efficient MIMO Antennas

חידושים בעיצוב אנטנה ועיבוד אותות הם בחזית של הפיכת MIMO קיימא עבור נמוך כוח IoT.למטה, אנו בודקים ארבעה תחומי מפתח: מכוונן הסתגלות, עיצובים אנטנה קומפקטית, שימוש בחומר חכם ושילוב קציר אנרגיה.

המונחים: beamforming

עם זאת, beamforming מסורתי משתמש בשינויים קבועים בשלב כדי לנווט את דפוס הקרינה של מערך האנטנה.התאמה דינמית, עם זאת, להתאים את תבנית beam בהתבסס על תנאי ערוץ בזמן אמת, רמות התערבות, ואת המיקום של המקלט המיועד.טכניקה זו מצמצם אנרגיה קרינת בכיוון שבו אין מכשיר יעד קיים, צמצום צריכת החשמל והתערבות לאדונים אחרים.

עבור IoT, beamforming הסתגלות ניתן ליישם עם אנאנטנות של גלקסיות בשלב מבוסס CMOS או קווי עיכובים הניתנים להגדרה מחדש.התקדמות במערך השערים בעלי יכולת נמוכה (FPGAs) ועיגולים משולבים יישומים (ASICs) הפכו את זה אפשרי לבצע את החישובים הדרושים - כגון estimation ומשקל - עם μe -2xi) כדי להפעיל מעבדים טיפוסיים של 2 LT2x1x.

גישה מבטיחה נוספת היא beamforming היברידית, שבו רק תת-קבוצה של אנטנה משתמשים במשמרות שלב פעיל, בעוד השאר קבועים או עוברים.זה מקטין את מספר רכיבי כוח-hungry ללא הקרבה של ביצועים משמעותיים בסביבות רב-אפיות ספאריות נפוצות ב-IoT (למשל, מחסן או רשתות חיישן חיצוניות).

עיצובים קומפקטיים

מגבלות חלל במכשירי IoT (מניי הם קטנים יותר מכרטיס אשראי) דורשות פתרונות אנטנה קומפקטיים.אנטנות MIMO מסורתיות דורשות ספיגה בין-החל של לפחות חצי אורך גל למזער הפיכה הדדית ולשמור על ערוצי עיצוב.עבור להקות תת- 6 GHz (למשל, 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz), חצי גליגול יכול להיות עשרות סנטימטרים - סנטימטרים עבור מכשירים קטנים.

החוקרים פיתחו מספר טכניקות כדי להפחית את גודל האנטנה וגלישה תוך שמירה על ביצועי MIMO:

  • (FLT:0) אנטנות קטנות מבחינה אלקטרונית עם דיאלקטריות בעלות אישור גבוה: שימוש בשקעים קרמיקה או מטבוליים מתכווץ את טביעת הרגל האנטנה ב-30-50% ללא אובדן יעילות גדול.
  • (FLT:0) קווי ניטראליזציה (Neutralizationקווים):1: הוספת קו התנהגותי מתפתל בין רכיבי אנטנה סמוכים מבטלת הפיכה תגובתית, המאפשרת ספיגה קטנה כמו λ/20 ( ⁇ 1.5 ס"מ ב 2.4 GHz) תוך שמירה על רווח מגוון מעל 9 dB.
  • (ב) (ב):0) ,Quadrature היברידית בני זוג מזחלים 1:1: עבור עיצובים דו-אנטניים, היברידיות חד-תכליתיות יכולות לספק 90 מעלות שינויים שלב, המאפשרות מספר מצבי בידוד גבוה.
  • (FLT:0) תלת-ממדי וגמיש מצע: אנטנות מודפסות על סרטים גמישים דקים או משולבות בשקיקה המכשיר (למשל, דיור פלסטי) לחסוך נפח ולהפחית משקל הכולל, באופן עקיף להפחית את צריכת האנרגיה על ידי מתן סוללות קטנות יותר.

עיצובים קומפקטיים אלה חותכים עלויות חומר וגם להפחית את ההפסדים הוממיים ברשתות ההאכלה.לדוגמה, מחקר 2023 הראה מערך אנטנה 2×2 MIMO התופס רק 15×15 מ"מ2 שהשיג יעילות קרינה של 80% - בהשוואה לעיצובים גדולים בהרבה - הגדלים ב-20% משדרים כוח נמוך יותר עבור אותו טווח.

שימוש בחומרים חכמים

בחירת חומרי אנטנה משפיעה ישירות הן על הביצועים והן על צריכת החשמל.חידושים אחרונים כרוכים בחומרים עם תכונות אלקטרומגנטיות טונובל:

  • (FLT:0) substratesFreaLT:1 ; Permittivity and Permeability ניתן להתאים על ידי הטיה מגנטית חיצונית, המאפשר האנטנה לעבור בין להקות תדר ללא מתגי RF נוספים (שצורכים כוח ולהציג אובדן).
  • (FLT:0) ליקוויד פולימרים גבישיים (LCP)BuildFLT:1: LCP substrates מציעים הפסד נמוך בתדרים מילימטריים, חשוב עבור בעתיד גבוה פס IoT (למשל, 60 GHz) הגמישות שלהם גם מאפשרת אנאנטנות קונפורמיות שניתן לעטוף סביב נושונים IoT, צמצום הצורך עבור לוחות אנטנה נפרדים.
  • (ב) [ה]: [החומרים] האלה הם בעלי מוליכות יוצאת דופן ושטח פני השטח הגבוה, הם מאפשרים אנאנטנות קולנוע אולטרה-ת'ין קל משקל וניתן לשלב אותן בחבילת המכשיר.
  • (FLT:0) חומרי שינוי (PCMs)BuildFLT:1): חומרים כמו נדריום דו חמצני (VO2) עוברים מעבר מתכת-מהפכה ליד טמפרטורת החדר, המאפשרים שחזור בינארי של צורת אנטנה או עומס.זה מאפשר אנטנה אחת לפעול כמו דפוסים מרובים, ביעילות יצירת מערך MIMO וירטואלי ללא אלמנטים פיזיים מרובים - נתיב מבטיח עבור מיניאורציה קיצונית.

על ידי אימוץ חומרים חכמים, מעצבים יכולים להפחית את מספר הרכיבים, לפשט רשתות התאמה, ולצמצם את הכוח הדרוש להחלפת וכוונון.בשילוב, גורמים אלה תורמים לחיסכון באנרגיה נטו בשרשרת RF.

אנרגיה קצירת אינטגרציה

אולי הדרך הישירה ביותר לאנרגיה עצמית היא שילוב אנאנטנות MIMO עם קציר אנרגיה (EH) רכיבים. ⁇ רדיו ⁇ (RF) אנרגיה מ Wi-Fi, סלולרי, וסימנים שידור ניתן לקצור ולהחלים כדי להשלים או להחליף את כוח הסוללה.

אסטרטגיות שילוב מפתח כוללות:

  • (FLT:0) אנטנות אספררטומיות 1 (FLT:1): מערך אנטנה יחיד יכול להיות מחובר הן שרשרת transceiver ו a rectifier דרך diplexer או מתג. במהלך תקופות של idle, המערך מוקדש לקציר. במהלך שידור, הוא משתמש בחלק קטן של האנרגיה המנוסחת כדי להגביר את האות.
  • (FLT:0)Dual-band או הרחבה פס הפעולה של LT:1; אנטנות MIMO ניתן לתכנן כדי לכסות את קבוצת התקשורת של IoT (למשל, 868 MHz) כמו גם להקות עשירות באנרגיה גבוהה יותר (למשל, 2.4 GHz, 5 GHz, 5 GHz). לדוגמה, אנטנה חד-פעמית חד-פעמי יכול לספק נתיב של 2.45GHz עבור כביש מ"מ"מ הרץ עבור 915 נתונים.
  • (FLT:0) Multi-port RetennasFLT:1; כל נמל MIMO יכול להאכיל מעגל מאמת נפרד, ואת הפלט DC ניתן לשלב או להשתמש בו באופן סלקטיבי מעקב אחר נקודת כוח מקסימלי (MPPT) ניתן ליישם בעוצמה נמוכה באמצעות צינורות ננואט.
  • (FLT:0 ,Time-switching תוכניות מכופות:1): מערכת MIMO יכולה מעת לעת לעבור למצב קציר שבו כל האנטנה משמשים כדי לאסוף אנרגיה מכוננת, לאחסן אותה בסופרcapacitor או סוללה פילמה דקת-סרט.המכשיר מתקשר באמצעות התפרצויות של אנרגיה מאוחסנת זו.זה מאפשר ניתוח מאוד נמוך של חובה.

תוצאות ניסיוניות מראות כי 2×2 MIMO קציר יכול לאסוף עד 100 מיקרו-W בסביבה טיפוסית במשרד, מספיק כדי לכפות חיישן טמפרטורה משדר כל 10 שניות.על ידי שימוש בגיוון MIMO, הכוח המקצר יציב יותר מאשר מכשירים חד-נטניים, צמצום הצורך במגפי אחסון רבים.

שיטות אופטימיזציה של אנרגיה מערכתית

שיפור יעילות האנרגיה אינו רק בחומרה אנטנה; אלגוריתמים ופרוטוקולים ברמה המערכת ממלאים תפקיד חשוב באותה מידה.

דינמי MIMO Configuration Switching

במקום לפעול כל הזמן במצב MIMO מלא (באמצעות כל האנאנטנות והזרמים), מכשיר IoT יכול לעבור באופן אדפטי בין הגדרות MIMO המבוססות על איכות קישורים ועומס תנועה.

  • (FLT:0) ,input יחיד- ⁇ (SISO)FLT:1: כאשר תנאי ערוצים הם טוב ונמוך אחוזי נתונים מספיקים (למשל, קריאה טמפרטורה אחת לשעה), רק אנטנה אחת פעילה.
  • (FLT:0) מספרי כפליים (מלאים MIMO)veFLT) 1:1: רק כאשר התפרצות נתונים גדולה נדרשת (למשל, עדכון קושחה או תמונה ברזולוציה גבוהה) עושה את המכשיר להפעיל את כל האנאנטנות והזרמים.
  • (FLT:0)Beamforming VarialFLT:1: עבור קישורים אמינים לטווח ארוך, תת-קבוצה של אנטנה ניתן להשתמש עבור שידור beamforming בעוד המקלט משתמש בבחירה משלבת - מתן רווח ללא עיבוד בסיס מלא.

מעבר בין מצבי דורש מכשיר איכות ערוץ קל משקל.מחקר הראה כי באמצעות כוח אות (RSSI) ושער שגיאות החבילה (PER) יכול להשיג ביצועים כמעט-אופטימיים עם רק כמה עולי ראש.טכניקה זו יכולה להפחית את צריכת החשמל הממוצעת על ידי 30–70% בהשוואה תמיד על MIMO.

מתחמי שומן ושינה

ההתקדמות בייצור Semiconductor הפחיתה באופן דרסטי את צריכת החשמל של Transceivers RF.עבור MIMO, המפתח הוא לעצב כל שרשרת אנטנה אינדיבידואלית שיש לה מדינות אולטרה-עוצמה.לדוגמה, מודול החזית יכול למנף:

  • (ב) ⁇ 0)Zero-bias Schotky diodesFLT 1:1 עבור גילוי מעטפה וגילוי אנרגיה, ביטול הצורך מקלט פעיל מלא רוב הזמן.
  • (FLT:0) oscillators המקומי ממוחזר (Douty-cycleed Local oscillators) 1:1: באמצעות oscillators קריסטל עם זמני התעוררות מהירים (כמה מיקרו-שניות) ושפל-phase-noise, אשר ניתן לשתף בין אנאנטנות מרובות באמצעות רשת הפצה מגובשת.
  • (FLT:0) Power-gating-gatingFLT:1: מתגי MOSFET מבודדים שרשראות אנטנה לא פעיל, צמצום זרם הדלפה לרמות ננווואט תוך שמירה על ביצועים מלאים של רשתות פעיל.

כמה צ'יפסי IoT מסחריים (למשל, אלה התומכים ב- Bluetooth 5.2 Long Range) משלבים כעת תמיכה בחומרה עבור מטרות מרובות-אנטנה שניתן להשתמש בהן באופן פרטני.שילוב עם לוחמת קושחה, השבבים האלה משיגים FLT:0sub-1 מ'A ממוצע (ראה FLT:1 להודעות תקופתיות).

AI / ML לניהול כוח

למידת מכונה (ML) ואינטליגנציה מלאכותית (AI) משמשים יותר ויותר לחיזוי תנאי ערוצים ודפוסי תנועה, המאפשרים ניהול אנרגיה פרואקטיבי.

  • (FLT:0) סוכני למידה כוח אדם (Reinforcement Learning Agent) יכול ללמוד את התצורה האופטימלית MIMO (מספר האנטנה, משקלי מגבת, לשדר כוח) על ידי אינטראקציה עם הסביבה ולקבל פרס המבוסס על יעילות אנרגיה (באמצעות וואט).
  • (FLT:0) רשתות עצביות נורמטיביות (CNN) החלים על מידע מצב ערוצים יכולים לסווג את הסביבה (בדלת/דלתות, סטטי/סלול) ולהמליץ על מצב של חיסכון בכוח ללא עיכוב מפורש.
  • (FLT:0) על קצה ההיקף של ה- ferenceFLT:1: עם דגמים חדשים קטנים (למשל, TinyML), ה-ML inference ניתן להפעיל על מיקרו-בקר שצרכו רק 10-50 μJ לחיזוי.

דוגמה מהספרות: לוח זמנים מבוסס למידה של MIMO ל-IoT תעשייתי הפחית את צריכת האנרגיה ב-45% תוך שמירה על אמינות 99%, בהשוואה לתצורה קבועה של 2×2.

היתרונות של יעילות אנרגיה משופרת

ההשפעה המצטברת של חידושים אלה היא מעבר לחיסכון פשוט באנרגיה.יתרונות מרכזיים כוללים:

  • (FLT:0)Extended Battery Life:FLT:1 הפחתה של 50% בזרם הממוצע יכולה להכפיל את החיים התפעוליים של מכשיר המופעל על ידי תא מטבע CR2032 - בין שנתיים לארבע שנים - ללא עלייה בנפח הסוללה.
  • (FLT:0) אמינות העדר: דור החום הפנימי התחתון של ה- 1 (FLT: 1) מקטין את הלחץ התרמי על רכיבים, שיפור זמן ממוצע בין כישלונות (MTBF) זהו קריטי עבור מכשירים IoT שמופצים במקומות מרוחקים או קשים לגישה.
  • (FLT:0) חיסכון: 1FLT (צריכת אנרגיה מופחתת) מאפשר סוללות קטנות וזולות יותר או אפילו פעולה ללא סוללות.תחזוקה (החלפת כלי רכב) עבור רשת של 10,000 חיישנים יכול לרדת באלפי דולרים מדי שנה.
  • (FLT:0) ההשפעה של אנרגיה מתחדשת: FLT:1) צריכת אנרגיה נמוכה יותר לניתוק מכפילה על פני מיליארדי מכשירים, ותורמים למטרות קיימות הכוללות. טביעת הרגל של רשת ה-IoT ניתן להפחית עד 40% כאשר כולל חיסכון בייצור סוללות קטנות יותר.
  • (FLT:0) עידוד מקרים חדשים של שימוש: FIRLT:1 חסכוני באנרגיה MIMO הופך את זה אפשרי לפרוס יישומים גבוהים (למשל, הזרמת וידאו מרחפנים, ניטור בזמן אמת במפעלים) שהיו בעבר יעיל כוח עבור IoT אלחוטי.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההתקדמות, מכשולים נשארים.המורכבות המוגברת של אלגוריתמים הסתגלותיים יכולה למתח את המשאבים החישוביים המוגבלים של המיקרו-בקרים של IoT.הפחתת הפחתת ההפחתה בפריסות MIMO צפופות דורש תיאום מתוחכם שעשוי להתנגש עם פעולה בעוצמה נמוכה.עלות היא גורם נוסף: חומרים מתקדמים ושינויים בשלב עשויים להיות יקרים מדי עבור חיישנים בעלי ערך נמוך.

מחקר עתידי חוקר:

  • (FLT:0) Reconfigurable Surfaces (RIS)BuildFLT) 1:1: מגוון גדול של אלמנטים פסיביים שיכולים לשקף ולמקד אותות, ביעילות יצירת מסר MIMO ללא רכיבים פעילים של כוח-hungry.
  • (FLT:06G ו Terahertz MIMOOVAFLT:1): בתדרים גבוהים יותר (100+ GHz), אנטנות מערכי אנטנות הופכות קטנות מאוד (מילימטרים), המאפשרות מסיבי MIMO (מאות של אלמנטים) על שבב יחיד יעילות אנרגיה בתדרים אלה נשאר אתגר, אך מבוסס תמונה ואנטנות מטבוליות להראות הבטחה.
  • (FLT:0) אנטנות מובנות ומונעות עצמית (FLT):1: שילוב אנרגיה קציר עם חומרים ידידותיים לסביבה כדי ליצור מכשירים IoT אוטונומיים לחלוטין, סביבתיים שפירים שניתן לפרוס במערכות אקולוגיות רגישות.

לסיכום, החיפוש אחר אנטנה יעילה באנרגיה MIMO ב-IoT הוא מאמץ רב תחומי המשתרע על פני חומרים מדע, עיצוב אנטנה, הנדסה מעגלית ולמידה של מכונות. פריצות דרך האחרונות - החל מלהיותמדן הסתגלות ואנטנות קומפקטיות לחדשנות חומרית ותזמון מונע על ידי AI - הם סוגרים בהתמדה את הפער בין ביצועים אלחוטיים אולטרה-עוצמה תפעולית גבוהה.