Giriş: Kablosuz İletişimdeki Enerji Verimliliği Challenge

Kablosuz cihazlar her yerdedir - akıllı ev sensörleri, endüstriyel IoT düğümleri ve tıbbi implantlar. Hepsi ortak bir kısıtlama paylaşıyor: sınırlı batarya kapasitesi.Geçmiş 20 milyardan fazla, düşük güç tüketimine sahip olmadan, düşük güç seviyelerinin yayılmasına izin veriyor.Bu makale, enerji verimliliğine neden olan tekniklerin kritik bir şekilde ulaştığını açıklıyor.

Spectrum nedir?

Telgraf, işgal edilmiş bant genişliğinin bilgiyi taşımak için gerekli olan minimumdan daha geniş bir iletidir.The signal is spread using a once-random code or frequency umutping pattern, make it sensitive to dar müdahalesi ve zorlama.The two primary forms:END:0Frequency Hopping Spectrum (FHSS)) ve [[Döneticileri yayıcısı ile genişletilen birçok yönteme göre,[FONTS)[FONTS)[FONTS)[değiştir | kaynağı değiştir]

Frekans Hopping Spectrum (FHSS)

FHSS, taşıyıcı frekansının birçok kanal arasında hem verici hem de alıcı tarafından bilinen bir piçin arasına hızla geçer.Her frekansta kişi başı kısadır, tipik olarak yüzlerce milisaniyeye izin verir. Bluetooth klasik bir örnektir: ikinci başına 79 kanal arasında umut eder. çünkü sinyal sürekli hareket eder, herhangi bir dar bant müdahaleci yalnızca bu verilerin bir kısmını bozar ve daha düşük güç düzeltmesine izin verir.

Doğrudan Sequence spread Spectrum (DSSS)

DSSS, yüksek yaygın bir yayılma kodu ile veri akışını (örneğin, IEEE 802.11b'daki Barker kodu), sinyal bant genişliğini genişleterek, alıcının sinyale, etkili bir şekilde geri dönmesine izin vermek için kullanılan sinyal kaynağı. CDMA (Komi Birden fazla erişim) işleme artışına yardımcı olmak için birçok kullanıcı aynı frekans bandı paylaşmasına izin verir.

OFDM ve onun Spectrum'u yaymak için İlişki

OFDM, mevcut spektrumu birçok veyatogonal altkarriere bölüyor, her biri düşük seviyeli bir veri akışı taşıyor. geleneksel anlamda, OFDM benzer avantajları elde ediyor: çok fazla sempati ve dar bant müdahalesine karşı optimize etmek için her altta bir modulation kullanabilir. Modern Wi-Fi (802.11ac/ax) ve 4G/5G hücresel sistemler, OFDM'yi yaymakla birleştirir: çok enerji verimliliğine karşı dayanıklı bir şekilde optimize etmek için.

Spectrum Güç Tüketimini Nasıl Azaltırır

Kablosuz transceiver'in güç tüketimi, güç, aktif zaman ve analog ve dijital işlemenin verimliliğinin bir fonksiyonudur.Grup teknikleri tüm üç faktörü etkiler. Aşağıda temel mekanizmaları etkiler.

Geliştirilmiş Signal Robustness Lowers Required Transmit Power

Darband sisteminde, zayıf bir müdahale bile tüm sinyali yok edebilir. verici ya da FHS'nin kırmızı oranını aşarak, bataryayı boşaltan geri yükleme oranını geri almak anlamına gelir.Görüntü, bu yüzden bir müdahale sadece küçük bir sinyalin gücünü etkileyebilir.Intness, veya FHS'nin kırmızısını kullanarak, alıcının mesajının düşük bir sinyalle çalıştırabilmesi için mesajı geri çevirebileceği anlamına gelir.

Azaltılmış Retransmissions Conserve Energy

Packet hatası (PER) doğrudan güç tüketimine bağlıdır. Her bir yeniden yükleme hem veri paketi hem de acknowatedgment.Gruplama direncini müdahale etmek ve gürültüyü dramatik şekilde altüst etmek için PER'yi genişleterek, tipik bir kapalı Wi-Fi ortamında, DSSS tabanlı bir 802.11b, bir transistasyonda% 10-20'lik paket kaybı deneyimleyecek şekilde% 10-20'u daha düşük maliyetli hale getirecek.

Adaptasyon ve Kodlama ile Coding

Birçok modern yayılma spektrumu sistemleri, uyarlanabilir modülasyon ve kodlama (AMC) içerir ve alıcı hissi kanal koşulları ve düşük hata ile devam edilebilir en yüksek veri oranını seçebilir.İyi koşullar altında, daha yüksek bir sipariş modu (örneğin, 256-QAM, Wi-Fi) kullanılan, ancak LTE ve 5G'de kötüleşen bir şekilde, doğrudan bir şekilde yayılan bir güç için geri dönüş sağlar.

Güvenlik Faydaları Overhead

Genişleme spektrumu doğal olarak bir güvenlik seviyesi sağlar, çünkü yayılma kodu veya umut verici deseni basit IoT cihazlarında sabitlenebilir.Bu, daha yüksek katmanlı şifreleme ve doğrulama yüküne ihtiyacı azaltır çünkü sinyalin yayılması olmadan zaten son derece zor olur.Daha az işleme gücü uygularken, modern protokollerin fiziksel katmanlı güvenliği, basit IoT cihazlarında hesaplama yükünü azaltır. Örneğin, DSSS kullanan düşük maliyetli bir sensör, yüksek maliyetli bir kriptografi engelleyebilir.

Verimli Güç Ampirasyon Operasyonları

Power amplifikleri (PA'lar) en verimlidir, ancak, geri çekilme noktalarına göre, karmaşık modülasyon şemaları için lineerliği korumak için genellikle standartlaştırılmış veya yakın kullanım süresine göre, PA efficileri kullanarak% 40'ı bir araya getirin.In contrast, OFDM sinyalleri yüksek zirveye sahip olur (PAPR) ve DAHA FAZLASI'ya daha düşük güç tasarrufu sağlar.

Modern Kablosuz Cihazların Uygulamaları

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Erken Wi-Fi (802.11b) DSSS'yi tamamlayıcı kod anahtarlama ile kullandı. Daha sonra standartlar (802.11a/g/ac/ac/ak) aynı anda birden fazla cihazla entegre etti, çoklu alt taşıyıcı ve döngü önyüklemeleri kullanarak yayılmayı korudu.In 802.11ax (Wi-Fi 6), Orthogonal Frekans Bölümü Multi Access (OF) geçiş noktalarına sahip olmak için erişim noktasının aynı anda birden fazla cihaza ulaşmasını sağlar.

Bluetooth ve Bluetooth Low Energy (sol)

Bluetooth Classic, FHSS'yi 79 kanalla kullanıyor ve 1,600 umut /s. BLE kanallarını daraltıp güç tüketimini azaltmak için daha yavaş bir umut oranını benimsemeye olanak sağlıyor.Görüntü spektrumu Bluetooth'un doğası, birkaç milisaniye ile 2.4 GHz ISM bandı paylaşmasına izin veriyor, hatta çok düşük güçle aktarmaya devam ediyor (bazı modlarda -20 dBm olarak) yüksek çözünürlükte.

Hücreler: CDMA, WCDMA, LTE, ve 5G

CDMA (IS-95) DSSS'yi cep telefonları için yumuşak elofflara ve daha düşük aktarma gücüne izin verdi. WCDMA (UMTS) bunu değişken yayılma faktörleri ile genişleterek, uyarlanabilir oranları ve güç kontrolü sağlar. LTE, yüksek frekanslı ve SC-FDMA'yi küçük bir bağlantı için tanıttı, ikincisi ise cep telefonuna yayılan güçlendirici bir aradan geçerken, çok sayıdaki güçlendirici veri toplama ve yüksek çözünürlükte olan bir ağ oluşturmada enerji azaltımı sağlar.

Nesnelerin İnterneti (IoT) ve LPWAN

LoRaWAN ve Sigfox kullanımı çok düşük güçte uzun menzile ulaşmada geniş çaplı ağ (LPWANs) gibi özel bir yay aracı tekniği kullanır (CSS) ancak yüksek bir cep telefonuna nüfuz etmek için yüksek bir güç gerekir, ancak LoRa'nun yayılması, son derece düşük SNR'de satın alma imkanı sağlar. LoRaWAN end cihazları, +14 dBm (25 mW) ilet üzerinden en yüksek seviyedeki düşük maliyetli bir şekilde hıza kadar uzanır.

Karşılaştırmalı Analiz: Spectrum vs. Narrowband Modulation

Güç tasarrufunu takdir etmek için, eşdeğer bir dar bant bağlantı ile bir spread sistemi karşılaştırmak faydalı. Assume her ikisinde de 10.3'ün biraz hata oranı ile 10.3'ün düşük bir mesafede, Wi-Fi ve mikrodalga fırınlardan gelen tipik bir iç ortamdaki bir müdahale ile 1 kbps veri oranı elde etmek gerekir.

  • [FONT=0)Narrowband:[Dönetici:[Dönetici: 0,8 $ 1,0) Basit bir FSK veya OOK vericisi, +10 dBm'in dar bant müdahalesini ortadan kaldırmak için, kontraseptiflerin% 15 kadar yüksek olabileceğini, paket başına ortalama 118 iletim gerektiren ( ACKs dahil) Toplam ortalama güçle aktarması gerekir: +0.7 dBm.
  • [FONTNT=0]DSSS (işlemler 11 dB kazanır): Aynı 1 kbps verilerle, bu aradaki güç 0 dBm'ye indirgenebilir, çünkü işlem kazancı% 11 dB'ye daha az bir müdahale kaybı sağlar.
  • [FONTS 100 kanal, 20 ms oturma): vericinin en çok zaman müdahale edenlerden 0 dBm'i kullanması gerekir.Eğer bir kanal rektöreyse, sadece paketlerin% 1'i kaybedilir, çok az retransmisyon gerektirir.

10 dB'nin farkı, 10'un güç tüketiminde bir faktöre karşılık gelir - bir batarya destekli cihaz için dramatik bir tasarruf. Dahası, azaltılan geri alımlar da alıcıyı aktif bir zaman ayırıyor, ek enerji tasarrufu sağlıyor.

Meydanlar ve Ticaret-offs

Genişleme spektrumu sihirli bir mermi değildir.Gürücükler için dijital bazband işlemeye ihtiyaç duyar ve FHSS hızlı frekans sentezleyicileri gerektirir. Çok basit ve yüksek yayılmalı cihazlar, bazı yayılma spektrumu yöntemleri güç tasarrufuna son derece kısa menzilli bağlantılar (örneğin, birkaç santimetreye yakın), dar bantlar daha fazla enerji verimliliğine sahip olabilir, çünkü yol kaybı düşük ve yüksek yayılmalı kazanç elde edilir.

Future: Spectrum in 6G ve Beyond

6G'ye kadar kablosuz evrim, yay spektrumu kavramları diğer hizmetlerle birlikte yeniden gözden geçiriliyor. Ancak, yüksek frekanslı parçaların gücü tüketimi bir meydan okumadır (VLC) ve Frekans Bölümü Multi-Carrier (FBMC) gibi yeni dalgalamalar keşfeder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Gürültülü teknoloji – FHSS, DSSS, OFDM veya CSS olarak uygulanmak – akıllı sensörler için uygulama temelleri haline gelir. sinyale dayanıklı, yeniden yüklemelerini sağlayarak, kablosuz bağlantı için talep etmeye devam eder ve düşük aktarma gücü, spektrumu doğrudan akıllı sensörlere kadar uzanan cihazlarda batarya yaşamı genişletir.

Daha fazla okuma için, [[GÜŞÜNÜ:0)FCC'nin genişletilmiş bantlarda yay spektrumu genel bakışını gör[DÜT:1), aİLFLT:2.IEEE article on power consumption in spread systems) ve )Mavitooth Technology Genel Bakış[DÜSÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.