نظام نقل بيانات المستشعر باستخدام بروتوكولات الاتصالات المزدوجة

تعتمد العمليات المتعلقة بنظام (SWIPT) على طاقة التردد اللاسلكي المحصودة من البيئة المحيطة ولا تتوفر دائماً الطاقة اللازمة لتشغيل نظام (SWIPT)، وتعتمد على طاقة التردد اللاسلكي المتاحة في البيئة المحيطة وطاقة التردد اللاسلكي المرسلة من مرسل (SWIPT) والمسافة من المرسل وظروف القناة.

أساسيات نظام نقل بيانات المستشعر باستخدام بروتوكولات الاتصالات المزدوجة

يلزم وجود بروتوكول تحكم واتصال فعال يمكنه التحكم في نظام (SWIPT) لتطبيقات المستشعرات التي تتكون أساساً من جهاز إرسال وجهاز استقبال، وتُستخدم هياكل إطارات البيانات المتعددة لتحسين تبادل البتات من أجل الاتصال والتحكم في نظام (SWIPT)، ويستطيع كل من مرسل ومستقبل (SWIPT) استخدام أنظمة تعديل متعددة يمكن تبديلها اعتماداً على حالة القناة وطاقة التردد اللاسلكي المتاحة في البيئة المحيطة.

يوفر هذا دعماً للتبديل التلقائي بين مخطط تبديل الوقت ونظام تقسيم الطاقة لتوزيع طاقة التردد اللاسلكي المستقبلة في مستقبل (SWIPT)، ويقوم أيضاً بضبط تردد الساعة الرقمية في مستقبل (SWIPT) وفقاً لمستوى الطاقة المحصودة لتحسين استهلاك الطاقة، ويتم تنفيذ وحدة تحكم مستقبل (SWIPT) مع (ACCP) بتقنية (CMOS) مع (180 نانومتر).

أمّا تردد التردد اللاسلكي لعملية (SWIPT) هو (5.8 جيجاهرتز) ويمكن ضبط تردد الساعة الرقمية في مستقبل (SWIPT) بين (32 كيلو هرتز) و(2 ميجاهرتز)، ممّا يوفر معدلات بيانات من (8 كيلو بايت في الثانية) إلى (500 كيلو بايت في الثانية)، واستهلاك الطاقة واستخدام المنطقة هي (12.3 ميجاواط) و(0.81 ملم²).

مع تطور 5G تم زيادة استخدام أجهزة الاتصال اللاسلكي بشكل كبير لجعل الحياة أكثر راحة وتحسين جودة الخدمة، وينتج عن هذا تطوير أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) التي يتواصل فيها عدد هائل من الأجهزة اللاسلكية بما في ذلك أجهزة الاستشعار مع بعضها البعض بمعدلات بيانات أعلى بكثير، وتتطلب تصميماً منخفض الطاقة للغاية لتشغيل طويل الأمد.

تعمل نقاط الاستشعار على البطاريات وتعتمد على التطبيق مثل البيئة السامة أو داخل جسم الإنسان أو الجدار، حيث يصعب استبدال البطاريات وبالإضافة إلى ذلك فهي تتطلب موارد كبيرة لصيانة بلايين من أجهزة إنترنت الأشياء، وتوفير البطاريات للتشغيل والتخلص المناسب من البطارية وبالتالي يلزم وجود آلية فعالة لحصاد وتوفير الطاقة؛ لتقليل استهلاك الطاقة الإجمالي لأجهزة إنترنت الأشياء وحصاد الطاقة بذكاء لتقليل الاعتماد على البطاريات للتشغيل.

يتم التقاط العديد من مصادر الطاقة التي يتم إهدارها في البيئة المحيطة وتحويلها إلى طاقة كهربائية وقد تكون مصادر تجميع الطاقة لجهاز إنترنت الأشياء، هي الطاقة الشمسية أو الاهتزازات أو الحرارة أو الرياح أو ترددات الراديو، زيركز النقل اللاسلكي للطاقة (WPT) بشكل أساسي على نقل الطاقة لمسافات قصيرة أكثر من نقل الطاقة لمسافات طويلة، زتوجد قيود متعددة لتكنولوجيا (WPT) مثل التكلفة الأولية العالية وقيود المسافة والحفاظ على شدة المجال ضمن حدود الأمان واستخدام تردد عالٍ لنقل الطاقة.

• “SWIPT” هي اختصار لـ “Simultaneous-Wireless-Information-and-Power-Transfer”.

• “IoT” هي اختصار لـ “Internet-of-Things”.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor”.

• “ACCP” هي اختصار لـ “Army-Contingency-Communications-Package”.

مبدأ نظام نقل بيانات المستشعر باستخدام بروتوكولات الاتصالات المزدوجة

نظراً لأنّ العقد اللاسلكية عادة ما تكون على مسافات كبيرة من المحطة الأساسية فيجب تحسين تقنيات اتصالات البيانات والطاقة لمسافات طويلة، ويعد تجميع طاقة الترددات الراديوية (RF) من الإشارة المستقبلة بديلاً جذاباً لحل مشاكل بطارية أجهزة إنترنت الأشياء، زتسمح المعلومات اللاسلكية المتزامنة ونقل الطاقة (SWIPT) بنقل الطاقة والمعلومات من خلال نفس إشارة التردد اللاسلكي.

يمكن أن تزيد هذه التقنية من عمر البطارية أو تلغي الحاجة إلى بطارية في أجهزة الاستشعار اللاسلكية ومن خلال إرسال كل من القدرة والمعلومات في (SWIPT)، يوفر هذا مكاسب كبيرة من حيث الكفاءة الطيفية وتأخير الإرسال وإدارة التداخل واستهلاك الطاقة، وتم اعتماد العديد من بروتوكولات نقل الطاقة اللاسلكية لشبكات الاستشعار اللاسلكية كـ (EA-MAC)، حيث يتحكم هذا في دورة عمل عقد المستشعر اعتماداً على وقت التنازع ومعدل تجميع الطاقة (EH) لكل عقدة.

كمت تم اعتماد بروتوكول آخر وهو (MAC) عند الطلب (ODMAC)، وفي هذا البروتوكول تقوم عُقد المستشعر بضبط دورة عملها للحصول على حالة طاقة محايدة (ENO)، حيث تكون الطاقة المحصودة أكبر من الطاقة المستهلكة، وتم تقديم بروتوكول (ERI-MAC) الذي تم تحصده للطاقة وتستشعر عقدة المستقبل القناة لمنع الاصطدامات ويستخدم المرسل القناة عندما يستقبل منارة من جهاز الاستقبال.

تبث المحطة الأساسية رسالة إعلام أثناء (NP) وتستعد الأجهزة النشطة لحصد الطاقة أثناء (HP) والأجهزة النشطة تحصد الطاقة أثناء (HP) وتشارك في التنافس أثناء (CP)، كما يمكن للأجهزة التي نجحت أثناء (CP) أن تنقل البيانات أثناء (TP)، وتأخذ البروتوكولات في الاعتبار مصادر الطاقة الخارجية التي لا تؤثر على أداء نقل البيانات.

كما تم اعتماد نظام شبكات استشعار لاسلكية (WSN) (RF-MAC)، حيث تم استخدام نفس النطاق اللاسلكي لنقل الطاقة والبيانات، وعندما تحتاج العقدة إلى طاقة فإنّها تبث حزمة طلب للطاقة (RFE) وبعد ذلك يبدأ المرسل في توفير نبضات الطاقة، ومع ذلك يتم تنفيذ عمليات نقل الطاقة والبيانات بشكل مستقل ممّا يؤثر على أداء كل منهما. للتعامل مع هذه المشكلة، وتم تقديم مخطط الحصاد ثم الإرسال حيث تجمع عقدة الاستشعار الطاقة من نقطة الوصول الهجينة (HAP) قبل نقل البيانات.

كما يزيد من كفاءة عقد الاستشعار التي تعمل بالطاقة اللاسلكية (WPSN) من خلال إدارة نقل طاقة التردد اللاسلكي ونقل البيانات، وفي (HE MAC) لا يحدث نقل الطاقة والبيانات بشكل متزامن في (HAP) أو العقدة، وعندما تحتوي عقدة المستشعر على طاقة مخزنة أقل يوفر البروتوكول مزيداً من الطاقة لعُقد المستشعر من خلال منارة الطاقة وتقلل عُقد المستشعر من دورة عملها لتقليل استهلاك الطاقة.

نظراً لأنّه يقوم بتحديث نسبة العمل في كل إطار فإنّه يجعله أقل كفاءة، وتم تقديم تصميم لمستقبل (SWIPT) ثنائي الوضع القائم على دورة العمل، ويستخدم بروتوكول للتبديل بين نغمة واحدة واستخراج بيانات متعددة بناءً على طاقة التردد اللاسلكي المستقبلة.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media-Access-Control”.

• “WSN” هي اختصار لـ “Wireless-Sensor-Networks”.

تطور عمل نظام نقل بيانات المستشعر باستخدام بروتوكولات الاتصالات المزدوجة

تأخذ البروتوكولات في الاعتبار في الغالب مخطط تبديل الوقت (TS) لـ (SWIPT)، وهذا المخطط مفيد فقط عندما لا تكون الطاقة المحصودة متاحة للتشغيل المتزامن لحصاد الطاقة وفك تشفير المعلومات، وعندما تكون الطاقة المحصودة في البيئة المحيطة كافية للتشغيل المتزامن لحصاد الطاقة وفك تشفير المعلومات يتم استخدام مخطط تقسيم الطاقة (PS) لتحسين أداء وكفاءة نظام (SWIPT).

نظرًا لمحدودية الطاقة المتاحة لنظام (SWIPT)، فمن الضروري وجود مخطط فعال لاستخدام الطاقة بالنظر إلى السيناريوهات الصعبة لنظام (SWIPT)، وتشترك (RFID) و(SWIPT) في أوجه التشابه الهيكلية مثل حصاد طاقة التردد اللاسلكي والاتصالات الرقمية، ويعتمد مصدر حصاد الطاقة لـ (RFID) على مرسل أو مصدر (RF) مخصص وعلى عكس (SWIPT)، حيث يعتمد مصدر حصاد الطاقة بشكل أساسي على طاقة RF في البيئة المحيطة.

ومع ذلك يرسل جهاز إرسال في (SWIPT) البيانات والطاقة إلى جهاز الاستقبال ويكون هذا مشابهاً لعملية (RFID)، كما يتم فحص أداء معدل خطأ البتات (BER) لمفتاح إزاحة الطور التفاضلي الثنائي (BDPSK) للإشارة باستخدام نموذج (EH) غير خطي لعقدة مستشعر، وكما يتم اقتراح خوارزمية توجيه (SWIPT) مدركة للطاقة لشبكة لاسلكية ذات طاقة متعددة القفزات، ويخصص المعلومات والطاقة فيما يتعلق بخوارزمية التخصيص أثناء عملية إيجاد المسار.

• “BER” هي اختصار لـ “Bit-error-rate”.

• “RFID” هي اختصار لـ “Radio-Frequency-Identification”.