Nesnelerin İnterneti (IoT) akıllı evler, endüstriyel otomasyon, tarım, sağlık ve çevresel izleme, bağlantılı cihazların sayısı 2030 yılına kadar 30 milyarı aştı. Bu büyümedeki kritik bir şişe değeri, kablosuz sistemlerde verimli iletişim çözümlerine ihtiyaç duyuyor, birçok IoT cihazı batarya gücü veya çevre enerji hasatına güveniyor ve müdahale etmeden yıllar boyunca faaliyet göstermelidir. Çoklu Çıkış (MIMO) Bu son derece verimli bir şekilde ölçüm sistemleri için temel bir temelsel ölçüm sistemi olarak ortaya çıkıyor.

IoT'de MIMO Teknolojisi Anlamak

MIMO teknolojisi hem de verici çoklu veri akışlarını kullanarak çok fazla yankıya sahip olan antenleri kullanmaktadır. Geleneksel tek-antenna sistemlerinde (SISO), fading ve müdahale, düşük güç bütçeleriyle zorlu ortamlarda çalışır. MIMO, bu etkileri uzaysal çoklu veri akışları ile azaltır (aynı anda birden fazla veri akışının) çeşitlilik (yalnızca sinyalin birden fazla kopyasını birleştirerek sinyal kalitesini artırmak için), ve kiriş (özellikle belirli yönlerde enerji yönlendirme)

Bir MIMO sisteminin güç tüketimi birden fazla kaynaktan ortaya çıkıyor: RF ön uç (köpekler, filtreler, güç yükselteçleri), bazband işleme (kanı tahminleri, kodlama/bölgesel/dijik-kanlog dönüştürücüler için, bu genellikle anten elementlerine bağlı olarak birkaç yüz miliwattlık bir donanıma odaklanabiliyor.

Son çalışmalar MIMO parametrelerini dikkatle optimize ederek göstermiştir - aktif antenlerin sayısı gibi, binlerce cihazın spora ilişkin iletişim kurma gücü – enerji tüketimi gerekli verileri oranlarının% 40-60 oranında azaltılabilir. Bu denge, büyük IoT dağıtımları için özellikle önemlidir (örneğin, akıllı metre, çevresel sensörler)

Enerji Yeterli MIMO Antenleri Son Yeni Yenilikler

Anten tasarımı ve sinyal işlemedeki yenilikler, düşük güç IoT için uygulanabilir MIMO'yu yapmanın ön saflarındadır: Adaptif bir kiriş, kompakt anten tasarımları, akıllı malzeme kullanımı ve enerji hasat entegrasyon.

Adaptif Kirlendirici

Geleneksel kirişleme, anten dizinin radyasyon modelini yönlendirmek için sabit faz geçişlerini kullanır. Adaptif bir kirişlenme, ancak gerçek zamanlı kanal koşullarına dayanan kiriş kalıbı dinamik olarak ayarlar, müdahale seviyeleri ve amaçlanan alıcının yerini azaltır.Bu teknik, hedef cihazın var olduğu yönlerde enerji yayılır, her iki güç tüketimine ve diğer düğümlere müdahale eder.

IoT için, uyarlanabilir kirişler, gerekli hesaplamaları gerçekleştirmek için fazlı antenler ile uygulanabilir - kanal tahminleri ve ağırlık güncellemeleri gibi - düşük güç alanında programlanabilir kapı dizileri (FPGA) ve uygulama-özel entegre devreler (ASIC) için mümkün kıldı.

Başka bir umut vaat eden yaklaşım, yalnızca antenlerin alt setinin aktif faz geçişlerini kullandığı, geri kalanlar sabit veya geçiş yaparken, bu, uzaktan kumandanlarda önemli performanstan ödün vermeden güç-hungry bileşenlerin sayısını azaltır (örneğin, depo veya açık sensör ağları).

Compact Antenna Designs

IoT cihazlarındaki uzay kısıtlamaları (bir kredi kartından daha küçük) kompakt anten çözümleri talep eder. Geleneksel MIMO antenleri, küçük cihazlar için karşılıklı darbe ve dekorasyona sahip olan kanalları en az yarım aklama işlemi gerektirir. alt-6 GHz bantları için (örneğin, 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz), yarı dalga uzunluğu aralığı - küçük cihazlar için karşılıklı olarak daraltılabilir.

Araştırmacılar, MIMO performansını korumak için anten boyutunu ve spacing azaltmak için birkaç teknik geliştirdiler:

  • [FONT:0) Yüksek olasılıksal dielektrikler ile elektriksel olarak küçük antenler[[Dönetici: 1): Seramik veya metamalzeme substratları kullanarak anten ayak izi büyük verimlilik kaybı olmadan 30-50 azaltılır.
  • [FONT:0)Neutralizasyon hatları[[Dönetici:)[Döneticileri reaktif darbe iptal eden, ⁇ /20 ( ⁇ 1.5 cm, 2.4 GHz) olarak küçültme izin verilen, 9 dB'nin üzerinde çeşitlilik kazanır.
  • [FONT:0)Quadrature hibrit çiftler [Döntgen: 1) Çift-antenna tasarımları için, topaklanmış hibritler, yüksek izolasyonlu birden fazla mod sağlar.Bu yaklaşım, standart bir sensör içinde sığan bir IoT modülleri ).
  • [FONT:0] Üç boyutlu ve esnek substratlar [Dönetici: Cihazda baskılanmış veya cihazda entegre edilmiş antenler (örneğin, plastik konut) hacmini kurtarır ve genel ağırlığı azaltır, dolaylı olarak daha küçük bataryalara izin vererek enerji tüketimini azaltır.

Bu tür kompakt tasarımlar malzeme maliyetlerini azaltır ve aynı aralık için% 20 daha düşük aktarma gücü azaltılabilir. Örneğin, 2023 çalışması 2×2 MIMO anten serisi,% 15×15 mm2 işgal etti.

Akıllı Malzeme Kullanımı

Anten malzemeleri seçimi doğrudan performans ve güç tüketimine etkiler. Son yenilikler, tonable elektromanyetik özelliklerle malzemeler içerir:

  • [FONT:0]Ferrite bazlı substratlar[[Dönetici: İztivite ve permeability, dış manyetik bir önyargı ile ayarlanabilir, antenin ek RF anahtarları olmadan frekans grupları arasında geçiş yapmasına izin verir (bu da güç ve kaybı sağlar).
  • [FONT=0)Liquid kristal polimerler (LCP))[MTR substratları, milimetre dalga frekanslarında düşük kaybı sunar, gelecekte yüksek bant IoT için önemli (örneğin, 60 GHz).
  • [FONT=0]Graphene ve karbon nanotüpler [DÜT:1]: Bu nanomalzemeler olağanüstü iletkenlik ve yüksek yüzey alanı vardır.Onlar hafif ve cihaz paketine entegre edilebilir ultra film antenleri sağlar. Graphene antenleri göstermiştir. Graphene antenler% 70 800 MHz).
  • [FONT:0)Phase-change Malzemeler (PCMs))[T: Kullanım tipi dioksit (VO2) gibi malzemeler, oda sıcaklığının yakınında metal-insulator geçişine izin verir, ikili yeniden yapılandırmasına izin verir.Bu, birden fazla fiziksel element olmadan bir sanal MIMO serisini etkili bir şekilde yaratmanızı sağlar - aşırı miniaturizasyon için umut verici bir yol.

Akıllı malzemeleri benimsemeye göre, tasarımcılar, bileşenlerin sayısını azaltabilir, eşleşen ağları basitleştirebilir ve birleşik hale getirme için gereken gücü azaltırlar, bu faktörler RF zincirindeki net enerji tasarruflarına katkıda bulunur.

Enerji Bütünleşme

Belki de enerji öz yeterliliğine en doğrudan yol, MIMO antenlerini enerji hasatlarıyla (EH) bileşenleri ile entegre etmektir.The Ambient radyo-fret (RF) enerji Wi-Fi, hücresel ve yayın sinyalleri, batarya gücünü tamamlamak için hasat edilebilir ve yeniden tanımlanabilir. MIMO antenleri, birden çok limanları ile, iki rol hizmet etmek için tasarlanmıştır: sinyal iletimi / algılama ve RF enerji scavenging.

Anahtar entegrasyon stratejileri şunları içerir:

  • [FONT:0) ⁇ aperture antenler[Dönetici: Tek bir anten dizisi hem transceiver zincirine hem de bir diplexer veya geçiş yoluyla yeniden ayarlanabilir.Kaynaklar sırasında, dizin hasat etmeye adanmıştır.
  • [FONT:0]Dual-band veya geniş bant operasyonu[Dön-kandırı: MIMO antenleri IoT iletişim grubu (örneğin, 868 MHz) ve daha yüksek frekanslı enerji-zengin bantlar (örneğin, 2.4 GHz, 5 GHz) için 245 GHz'i kaplamak için tasarlanmıştır.
  • [FONT:0)Multi-port retennas[[Dönder: Her MIMO port ayrı bir retifier devresini besleyebilir veya DC çıktıları seçici olarak kullanılabilir. maksimum güç noktası izleme (MPPT) nanowatt hesaplamaları kullanarak düşük güçte uygulanabilir.
  • [FONT:0]Time-switching ([Dönetici: MIMO sistemi, tüm antenlerin çevre enerjisini toplamak için kullanıldığı bir hasat modunda periyodik olarak geçiş yapabilir, süper kapasiteli veya ince film bataryasında depolamak için kullanılır.

Deneysel sonuçlar, bir 2×2 MIMO hasat cihazının tipik bir ofis ortamında 100 μW'ye kadar toplayabileceğini gösteriyor, her 10 saniyede bir sıcaklık sensörüne kadar enerjik için yeterli. MIMO çeşitliliği kullanarak, hasat edilen güç tek kullanımlık cihazlardan daha istikrarlı, yüksek kapasiteli depolama kapasitesi için ihtiyacı azaltır.

Sistem-Level Energy Optimizasyon Teknikleri

Enerji verimliliğini geliştirmek sadece anten donanımı hakkında değildir; sistem düzeyinde algoritmaları ve protokolleri eşit derecede önemli bir rol oynar. Aşağıda üç belirgin yaklaşım vardır.

Dinamik MIMO Konsülasyon Anahtarlama

Sürekli tam MIMO modunda (tüm antenler ve akışları kullanarak), bir IoT cihazı, bağlantı kalitesine ve trafik yüklerine dayanan MIMO konfigürasyonları arasında uyum sağlayabilir. Örneğin:

  • [FONT:0) Tek-input single- ⁇ (SISO)[Dönetici: Kanal koşulları iyi ve düşük veri oranı yeterli olduğunda (örneğin, bir saat boyunca bir sıcaklık okuması), sadece bir anten aktiftir.
  • [FONT:0]Spatial multiplexing (full MIMO))[değiştir | kaynağı değiştir]: Sadece büyük bir veri patlaması gerekli olduğunda (örneğin, bellekler ve akışlar) cihazı etkinleştirir.
  • [[Döneticileri[[Dönlendirmeler için)[0)Deamform Diversity[[Dönlendirmeler için: Güvenilir uzun menzilli bağlantılar için, bir alt antenler, alıcının bir araya gelme kullandığında kirişi iletmeleri için kullanılabilir.

modlar arasında geçiş hafif bir kanal kalitesi estimatörü gerektirir. Araştırma, alınan sinyal gücü (RSSI) ve paket hata oranı (PER) eşleri, sadece birkaç tane ekin ile yakın optimize edilebilir.Bu teknik, her zamankinden daha 30-70% azaltılabilir.

Low-Power Devrery ve Uyku Moduları

Yarı iletken yapımdaki ilerlemeler, RF transceivers'in gücünü büyük ölçüde azaltmıştır. MIMO için anahtar her bireysel anten zincirinin ultra-düşük-güç eyaletleri olması için tasarlanmıştır. Örneğin, ön uç modülden yararlanabilir:

  • [FONT:0]Zero-bias Schottky diyotlar[Dönetici tespit ve enerji tespiti için, zamanın çoğu için tam aktif bir alıcı için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
  • [FONT:0]Duty-cycled yerel oscillators[[Dönetici: kristal osilatörleri hızlı uyanma süreleri ( birkaç mikrosaniye) ve düşük fazlı-noise, bu da birden fazla antenle paylaşılan bir geçiş ağıyla paylaşılabilir.
  • [FONT=0)Power-gating[[Dönetici: MOSFET, aktif zincirlerin tam performansını korumak için nanowatt seviyelere kadar olan sızıntıları azaltmaktadır.

Bazı ticari IoT fişleri (örneğin, Bluetooth 5.2 Long Range) destekleyenler şimdi çoklu-antenna cephesi için donanım desteği dahil edebilir, bu çipler bilgisayar zamanlama ile bir araya gelir, bu çipler ortalama akım).

Güç Yönetimi için AI/ML

Makine öğrenimi (ML) ve yapay zeka (AI) daha fazla kanal koşullarını ve trafik modellerini tahmin etmek için kullanılır, proaktif enerji yönetimine izin verir. Örneğin:

  • [FONT=0)Reinforcement learning agents[Dönetici:0)En iyi MIMO konfigürasyonunu ( antenlerin sayısı, kirişlerin ağırlığı, enerjiyle etkileşime girerek enerji verimliliğine dayalı bir ödül elde edebilir (fotoğrafta).
  • [FONT:0)Convolutional sinir ağları (CNNs)) kanal durumu bilgilerini sınıflandırmak için uygulanan (kapı/kapı, statik/mobil) ve açık devre gecikme gecikmesi ile bir güç tasarrufu modu önerebilir.
  • [FONT=0]On-device kenar ([Dönetici)[[Dönetici: Son küçük ayak izi modelleri (örneğin, TinyML), ML inference, sadece 10-50 μJ'yi tahmin etmek için mikro kontrol altında çalıştırılabilir. Bu, gereksiz MIMO operasyonlarından kaçınmak için kurtarılabilir.

Literatürden bir örnek: Endüstriyel IoT için takviyeli bir MIMO programı, %45 oranında enerji tüketimini azalttı, ancak sabit 2×2 yapılandırma ile karşılaştırıldı.

Geliştirilmiş Enerji Verimliliği Faydaları

Bu yeniliklerin genel etkisi basit güç tasarrufunın ötesine geçer. Anahtar avantajlar şunları içerir:

  • [FONT:0)Extended Battery Life:[[Dönetici: 1 ) Ortalama mevcut bir% 50 azalma, CR2032 para hücresi tarafından desteklenen bir cihazın operasyonel ömrünü ikiye katlayabilir - iki yıldan dört yıla kadar - artan batarya büyüklüğü olmadan.
  • [FONT:0)Enhanced Reliability: Aşağı iç ısı nesli, bileşenler üzerinde ısı stresi azaltır, başarısızlıklar (MTBF) arasındaki zamanı geliştirmek, uzaktan veya sert ulaşılan yerlerde kullanılan IoT cihazları için kritiktir.
  • [FONT:0]Cost Tasarrufları: [Döntilmiş enerji tüketimi daha küçük, daha ucuz bataryalara veya hatta aküsüz bir operasyona izin verir. 10.000 sensör ağı için bakım maliyetleri yıllık binlerce dolar azaltılabilir.
  • [FONT:0)Environmental Etkisi: Düşük per-device enerji kullanımı milyarlarca cihazda çok fazla sayıda, genel sürdürülebilir hedeflere katkıda bulunabilir. Bir IoT ağının karbon ayak izi, daha küçük bataryalardan üretim tasarrufları dahil olmak üzere% 40 azaltılabilir.
  • [FONT:0] Yeni Kullanım Vakalarını inkar etmek: Enerji verimli MIMO yüksek kodlu uygulamaları (örneğin, fabrikalarda video akışı, daha önce kablosuz IoT için güçlendirici olan gerçek zamanlı izleme.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

İlerlemeye rağmen, engeller kalır. Adaptif algoritmaların artan karmaşıklığı, IoT mikrokontrolörlerinin sınırlı hesaplama kaynaklarını azaltabilir. Yoğun MIMO dağıtımlarında müdahale etmek, düşük güç işlemiyle çatışmaya yol açan sofistike bir koordinasyon gerektirir. Maliyet başka bir faktör: gelişmiş malzemeler ve faz kaymaları düşük uç sensörleri için çok pahalı olabilir.

Future araştırma araştırıyor:

  • [FONT:0)Reformurable Akıllı Yüzeyler (RIS))[değiştir | kaynağı değiştirebilen ve odak sinyalleri etkili bir şekilde, aktif güç içermeyen bir M rIMO oluşturmak için, IoT node to the environment.
  • [FONT:0)6G ve Terahertz MIMO): Daha yüksek frekanslarda (100+ GHz), anten dizileri son derece küçük (millimeters), büyük MIMO (kurdreds of elements) tek bir çip üzerinde. Enerji verimliliği bir meydan okuma kalır, ancak fotonik tabanlı kirişler vaat eder ve metasurface antenler vaat eder.
  • [FONT:0)Biodegradable ve kendini güçlü antenler[[Dönetici: Enerji, çevre dostu malzemelerle tamamen bağımsız, çevreli benign IoT cihazlarıyla birlikte, hassas ekosistemlerde konuşlandırılabilecek enerji üretimi.

Sonuç olarak, IoT'deki enerji verimli MIMO antenleri arayışı, yüksek performanslı kablosuz ve ultra-düşük-güçlü bir operasyonla ilgili olarak, bu teknolojiler olgun ve standartlaşmış, uzun süreli IoT dağıtımlarından yararlanarak, gezegenin enerji kaynaklarını yükle bağlantıya sokmak için cihazlara yönelik olarak tasarlanmıştır.