با توجه به روند پیشرفت فناوری و معرفی موضوعاتی نظیر اینترنت اشیاء انبوه، تعداد دستگاههای بیسیم با افزایش چشمگیری مواجه شده است. این دستگاهها جهت تأمین توان مورد نیاز خود نیاز به باتری دارند. از طرفی، با توجه به کاربردهایی که برای نسلهای پنجم و ششم در نظر گرفته شده است، در بسیاری از این کاربردها امکان شارژ مجدد و یا تعویض این باتریها وجود ندارد. لذا نیاز است تا به یک راه حل جایگزین جهت تأمین توان دستگاههای نسل پنجم و ششم بیاندیشم. همچنین تحقق لینکهای پویا در شبکههای نسل ششم بسیار اهمیت دارد. در این لینکها باید بتوانیم حتی در صورتی که ارتباط مستقیم را از دست دادیم برای مدت مناسب کاربران را تحت پوشش قرار دهیم. در این راستا، در این مقاله با توجه به لزوم انتقال داده و همچنین اهمیت تأمین انرژی همزمان، انتقال بیسیم توان را بهعنوان یک راهکار تأمین انرژی ادوات کاربران در نسلهای پنجم و ششم مورد بررسی قرار میدهیم. در این مقاله نقاط ضعف و قوت یکسو کننده توان نیز بهعنوان یکی از رکنهای اساسی این فناوری بررسی میشود. از طرفی، با توجه به اهمیت وجود لینکهای پویا در نسلهای جدید شبکه، علاوه بر معرفی [1]RISها، یکی از راهکارهای ایجاد لینک پویا بهوسیله RIS و پهپادها (UAV[2]) را بررسی مینماییم. در نهایت با ترکیب لینکهای پویا معرفی شده و فناوری انتقال همزمان داده و توان بهصورت بیسیم راهکاری جهت افزایش طول عمر این لینکها معرفی میشود.
استقرار و استانداردسازی شبکههای بیسیم نسل پنجم (5G) بهسرعت در حال افزایش است. شبکههای 5G عملکردهای مختلفی مانند قابلیت اطمینان فوقالعاده[3]، تأخیر زیر میلیثانیهای، سرعت پیک داده چند گیگابیت بر ثانیه، اتصال / بهینهسازی بالا[4] برای اینترنت اشیا (IoT)، ظرفیت فوقالعاده[5]، بهبودهای بزرگ در استحکام لینک[6]، بهرهوری انرژی و انعطافپذیری / کارایی استفاده در تخصیص طیف را ممکن میسازد [1]. فناوریهای کلیدی در شبکههای 5G شامل سیستمهای چند ورودی چند خروجی (MIMO)، دسترسی چندگانه غیر متعامد (NOMA[7])، استقرار سلولهای کوچک بسیار متراکم، باندهای موج میلیمتری[8] و شبکههای رادیویی شناختی (CR[9]) میباشند. اما با وجود این فناوریهای انقلابی، 5G نمیتواند تمام الزامات را برآورده کند. با این امر، مفهومسازی شبکههای نسل ششم (6G) برای حفظ مزیت رقابتی شبکههای ارتباطات بیسیم آغاز شدهاست [1]و [2].
در حال حاضر پژوهشهای بسیاری درباره شبکههای 6G انجام شده و یا در حال انجام است. پیشبینی میشود تا سال 2028 استانداردها و آزمایشهای مربوط به این نسل تکمیل شوند. الزامات اصلی، دستهبندی خدمات و فناوریهای عرضهشده، آیندهایی انقلابی را برای شبکههای 6G نوید میدهند. مزیتهای فناورانه همچون استفاده نوآورانه، خدمات بیسابقه، کیفیت عالی خدمات ([10]QoS)، اتصال هوشمند همهجا حاضر راهحلهای فراگیری را برای سال 2030 و فراتر از آن ارائه میدهند. برای این منظور، فناوریها و راهحلهای کلیدی بالقوه فعالکننده شبکههای 6G شامل سیستمهای چند ورودی چند خروجی انبوه[11]، اشتراکگذاری طیف پویا با ارتباطات تمام دوبلکس (FD)[12] و یا دستگاه به دستگاه [13](D2D)، هوشمصنوعی (AI)، باند فرکانسی تراهرتز، ارتباطات غیرزمینی[14]، سطوح هوشمند قابل تنظیم مجدد (RIS) و انتقال همزمان اطلاعات و توان بهصورت بیسیم ([15]SWIPT) میباشند. بهطور خاص، RIS و SWIPT فناوریهای جدیدی هستند که بهرهوری انرژی و بهرهوری طیف را فعال میکنند و راهحلهای نوآورانهای را برای چالشهای ذاتی در توسعههای سیستمهای 6G ارائه میکنند [2] و [3].
با توجه به اینکه فناوریهای SWIPT و RIS هر دو نقشی اساسی در تحقق لینکهای پویا دارند، در این مقاله این دو فناوری معرفی شدهاند و بعضی از تکنیکها و چالشهای تحقق آنها بررسی شده است. همچنین با ادغام این دو فناوری در انتهای این مقاله یک روش افزایش زمان عملیاتی لینکهای پویا معرفی و بررسی شده است.
انتقال توان بهصورت بیسیم (WPT)
نخستین ایدهها درباره انتقال توان بهصورت بیسیم[16] در اواخر قرن نوزدهم مطرح شد. در این زمان نیکولا تسلا با الهام از پژوهشهای ماهلون لومیس درباره وجود لایههایی با شارژ الکتریکی در جو زمین نخستین ایده را جهت انتقال بیسیم انرژی الکتریکی به خانهها و کارخانهها مطرح نمود. او جهت آزمایش طرح خود یک برج مخابراتی در شهر کلرادو اسپرینگز احداث نمود. اما این طرح با شکست مواجه شد و وی هرگز نتوانست آن را تجاری نماید. یکی از اساسیترین ایرادهای این طرح آسیبهای زیست محیطی آن بود. توان بالای منتقل شده توسط این برج میتوانست بر سلامتی موجودات زنده اطراف اثر منفی گذارد.
امروزه با توجه به رشد فناوری، تعداد دستگاههای قابلحمل مانند تلفنهای همراه و تبلتها رشد چشمگیری پیدا کرده است. پیش بینی میشود تا سال 2025 میلادی تعداد دستگاههای قابل حمل نسبت به سال 2020 میلادی 4.2 میلیارد افزایش یابد. علاوه بر این، کاربردهای جدیدی نیز برای نسل پنجم و شش مخابرات بیسیم معرفی شدهاند. از جمله این کاربردها میتوان
شکل 1: تنظیمات تست ایده انتقال توان بهصورت بیسیم تسلا در کلرادو اسپرینگز
به اینترنت اشیا، اینترنت اشیا در زیر دریا[17]، ارتباط وسیله نقلیه با وسیله نقلیه (V2V)[18] و… اشاره نمود [4]. همچنین کاربردهایی در حوزه سلامت نیز مانند دستگاههای قابل جاگذاری در داخل و روی بدن انسان و یا حیوانات معرفی شدهاند. در بسیاری از این موارد، دستگاههای مورد استفاده جهت تأمین توان مصرفی خود دارای باتری هستند. عمر این باتریها معمولاً محدود است و پس از زمانی نیاز به شارژ مجدد و یا تعویض دارند. در بسیاری موارد تعویض این باتریها بهصرفه و یا عملی نیست. لذا جهت تأمین توان مصرفی این دستگاه ناچار به یافتن یک راهکار مکمل میباشیم [5].
بر خلاف قرن نوزدهم، امروزه انتقال توان بهصورت بیسیم دیگر صرفاً در حد یک ایده نمیباشد. تاکنون طرحهای مختلف جهت پیادهسازی ایده انتقال توان بهصورت بیسیم معرفی شدهاند. اما در حالت کلی اساس اکثر آنها همانند هم میباشد.
معمولاً سیستمهای انتقال توان در بخش گیرنده از یک آنتن و یک یکسوکننده[19] تشکیل شده است که بهاختصار آن را رکتنا[20] مینامند. یکسوکنندهها معمولاً از ادوات مایکروویوی مانند دیودهای شاتکی و یا ترانزیستورها، یک فیلتر DC و یک شبکه تطبیق تشکیل شدهاند. شکل 2، ساختار یک دیود شاتکی را نمایش میدهد. معادله ولتاژ جریان این دیود را میتوان بهصورت زیر نوشت [6]:
که در آن Vd ولتاژ آند کاتد دیود شاتکی میباشد. چنانچه این ولتاژ بهصورت یک موج متناوب با فرکانس W0 به دیود اعمال شود، جریان این دیود را میتوان بهصورت زیر نوشت:
شکل 2: یک اتصال شاتکی [7]
که در آن Ii(x) چند جملهای بسل مرتبه iام هستند. همانگونه که از این معادله مشخص است جریان دیود در این حالت دارای مولفههای DC و هارمونیکهای W0 میباشد. معمولاً سه جمله اول این معادله دامنه بزرگتری نسبت به سایر جملات دارند و دیگر جملات قابل چشمپوشیاند. از آنجا که در انتقال توان بیسیم به جریان DC نیاز است لذا نیاز است تا جملات مرتبه بالا این معادله فیلتر شوند. معمولاً در انتهای یک رکتنا از یک خازن موازی استفاده میشود تا هارمونیکهای مرتبه بالاتر فیلتر شوند.
انتقال همزمان داده و توان بهصورت بیسیم (SWIPT)
همانگونه که تأمین انرژی دستگاههای 5G و 6G بسیار ضروری است حفظ نرخ داده و کیفیت تجربه ([21]QoE) نیز بسیار ضرورت دارد [5]. این ضرورت تأمین همزمان انرژی و داده در این نسلها موجب شد تا محققان به راهحلی جهت پاسخ به این ضرورت بیندیشند. درنهایت جهت پاسخ به این نیاز فناوری انتقال همزمان داده و توان بهصورت بیسیم معرفی شد. در این فناوری در سمت گیرنده با بهکارگیری یک تقسیمکننده توان[22] مسیر داده و انرژی از یکدیگر مجزا میشوند. وزن هریک از این مسیرها باتوجه به پارامترهای مختلفی تعیین میشود. از جمله این پارامترها میتوان به نسبت سیگنال به نویز، ظرفیت باتری دستگاه و حالت عملیاتی سیستم اشاره کرد. برای نمونه، زمانی که نسبت سیگنال به نویز از یک حد آستانه کمتر شود تمام توان دریافتی به بخش داده گیرنده منتقل میشود و عمل WPT انجام نمیشود. همانند WPT در SWIPT نیز در قسمت گیرنده یک یکسوکننده قرار دارد. شکل 3 ساختار کلی یک یکسوکننده را به نمایش گذاشتهاست [6[و [7].
شکل 3: ساختار کلی یکسوکننده [7]
شکل 4: چند طراحی معروف یکسوکننده بر پایه دیود شاتکی الف) نیم موج موازی ب) نیم موج سری پ) تمام موج دو برابرکننده ولتاژ ت) تمام موج پل[6]
شکل 5: طیف فرکانسی خروجی یک یکسوکننده از نوع دو برابر کننده ولتاژ [7]
معمولاً اولین بلوک از یک یکسوکننده یک فیلتر میانگذر جهت حذف سیگنالهای ناخواسته است. همچنین یکسوکنندههای مبتنی بر دیودهای شاتکی معمولاً از یک یا چند دیود شاتکی تشکیل شدهاند. شکل 4، چند طراحی معروف بر پایه دیود شاتکی را نمایش میدهد. یکی از اجزا مهم یکسوکنندهها فیلتر DC آنها است. این فیلتر با حذف هارمونیکهای فرکانس ورودی موجب میشود تا در خروجی یک ولتاژ DC با ریپل کم بهدست آید. در گذشته در فرکانسهای پایین از یک خازن موازی استفاده میشد تا این عمل فیلترینگ انجام شود. اما با حرکت این فناوری بهسمت فرکانسهای میلیمتری نیاز به فیلترهای پیچیدهتر بیش از پیش حس شد. شکل 5 طیف فرکانسی خروجی یک یکسو کننده از نوع دو برابر کننده ولتاژ را نمایش میدهد. فرکانس ورودی این یکسو کننده 35 گیگاهرتز بوده است. همان گونه که از این شکل مشخص است زمانی که از یک خازن موازی بهعنوان فیلتر پایین گذر استفاده شدهاست هارمونیک اول فرکانس ورودی در خروجی یکسو کننده دامنه قابل توجهی داشته است. اما زمانی که از استاب[23] استفاده شدهاست این هارمونیکها تا حد زیادی فیلتر شدهاند.
از جمله برتریهای یکسوکنندههای مبتنی بر دیود شاتکی میتوان به راندمان تبدیل RF به DC نسبتاً بالا و همچنین سادگی طراحی و ساخت آنها اشاره کرد. اما معمولاً این دیودها در یکسوکنندهها مقاومت بالایی از خود نشان میدهند. از این رو مدار تطبیق این یکسوکنندهها معمولاً ابعاد بسیار بزرگی دارد. همین امر موجب میشود تا ابعاد این یکسوکنندهها جهت استفاده در کاربردهای نسل پنجم مناسب نباشد. از این رو در سالهای گذشته تحقیقات بسیاری جهت کاهش ابعاد یکسوکنندهها انجام شدهاست. بسیاری بهکارگیری ادوات دیگری مانند ترانزیستورها را جهت طراحی یکسوکنندهها پیشنهاد دادهاند. به نظر میرسد این راهحل در صنعت با اقبال بیشتری رو به رو شده است و در سالهای آینده شاهد نمونههای تجاری این فناوری خواهیم بود.
سطوح هوشمند باز شکلپذیر (RIS)
پهنای باند خالی موجود در فرکانسهای زیر 6 GHz بهتنهایی توانایی برآورده کردن نیازهای نسل پنجم و ششم را ندارد. لذا جهت برآورده کردن نیازهای این نسلها نیاز است تا به باند فرکانسی جدیدی بیاندیشیم [1]. همچنین با توجه به کاربردهای 5G و 6G نیاز است تا ادوات و تجهیزات مربوط به آنها تا جای ممکن کوچک طراحی شوند. با توجه به نیاز به
شکل 6: یک شبکه مبتنی بر RIS
پهنای باند خالی و همچنین ابعاد کوچک، باند موج میلیمتری یک گزینه مناسب جهت تحقق شبکههای 5G و 6G میباشد. چرا که از یک سو پهنای باند وسیعی در این باند خالی و قابل استفاده میباشد و از سوی دیگر با توجه به طول موج کوچک این باند ادوات طراحیشده در باند موج میلیمتری دارای ابعاد کوچکی میباشند. [7]
یک موج الکترومغناطیسی در باند موج میلیمتری جذب اتمسفر بسیار بالایی را تجربه میکند. علاوه بر جذب اتمسفر تلفات برآمده از درختان و دیگر موانع نیز در این باند نسبت به فرکانسهای پایینتر بسیار افزایش مییابد. در نتیجه میتوان نتیجه گرفت که تلفات مسیر در این باند بسیار زیاد است. همچنین بهدلیل این تلفات زیاد عملاً کانال یک لینک میلیمتری دارای خاصیت چند مسیری نمیباشد. این موضوع موجب این الزام میشود که در یک لینک میلیمتری، جهت بر قراری ارتباط حتماً گیرنده و فرستنده در دید یکدیگر (LoS[24]) باشند. این بدان معناست که چنانچه مانعی بین فرستنده و گیرنده قرار گیرد و یا زمانی که فاصله آنها از یکدیگر افزایش یابد ارتباط بین آنها مختل میشود. در سالهای اخیر چه در صنعت و چه در مقالات سطوح هوشمند باز شکلپذیر (RIS) توجهات زیادی را به خود جلب کردهاند[1] و [2]. این سطوح درواقع از شمار آنتنهای پچ کوچک بهصورت آرایه صفحهای، یک کنترل کننده دامنه و فاز و عناصری مانند دیود و ترانزیستور تشکیل شدهاند. معمولاً از RISها زمانی استفاده میشود که ارتباط LOS بین AP[25] و کاربر قابل حصول نباشد. RISها معمولاً بهروی ساختمانها و یا سازههای بلند قرار میگیرند. زمانی که بین AP و کاربر ارتباط LOS برقرار نباشد، AP پرتو خود را به RIS میتابد و کنترلر RIS با تنظیم دامنه و فاز المانهای آنتنی خود عمل شکلدهی پرتو[26] را انجام داده و بازتابش پرتو را بهسمت کاربر تنظیم مینماید. بهوسیله RISها میتوان پوشش شبکه را در نقاطی که پوششدهی رادیویی ضعیفی دارند تضمین کرد و ظرفیت انتقال را افزایش داد. به این شیوه میتوان هزینه پوشش یک منطقه را کاهش داد. چرا که همان گونه که گفته شد RISها از المانهای غیرفعال تشکیل شدهاند و هزینه ساخت آنها از هزینه ساخت APها بسیار کمتر است.
تحقق لینکهای پویا با طول عمر بالا
همان گونه که قبلاً گفته شد، حفظ ارتباط LOS در ارتباطات بیسیم نسل پنجم و ششم بسیار اهمیت دارد. اما در شرایط خاصی ممکن است که این ارتباط قابل حصول نباشد. در این شرایط میتوان از ایده لینکهای پویا استفادهکرد. از لینکهای پویا میتوان در شرایط زلزله، سیل، و سایر شرایط بحرانی استفاده نمود تا همچنان بتوان پوشش رادیویی را حفظ کرد. همچنین از این ایده میتوان جهت پوشش ارتفاعات و درههای عمیق در شرایط بحران استفادهکرد. یکی دیگر از کاربردهای این لینکها پوشش مناطقی است که در زمانهای بسیار محدودی از سال بسیار پر تراکم میشوند و تعداد کاربران در آن مناطق و در آن زمانها بهشدت افزایش مییابد. یکی از کاربردهای جدید RISها نصب آنها بهروی وسایلنقلیه هوایی بیسرنشین (UAV) بهمنظور دستیابی به یک لینک پویا میباشد [2]. این ترکیب را میتوان سیستمهای RIS-UAV نامید. هرچند که این سیستمها در شرایط ذکر شده میتوانند نقش بسیار مؤثری را ایفا کنند اما یک چالش بسیار جدی در مسیر تحقق آنها وجود دارد. UAVها معمولاً بهوسیله یک باتری تغذیه میشوند و این باتری ظرفیت محدودی دارد. در اینجا میتوان از فناوری SWIPT استفاده کرد تا زمان عملیات دستگاههای RIS-UAV را افزایش داد.
شکل 7: یک سیستم RIS-UAV با بهکارگیری فناوری SWIPTا[2]
شکل 7، یک طراحی پیشنهادی از RIS-UAV با بهکارگیری فناوری SWIPT را نمایش میدهد. این سیستم پیشنهادی دارای دو فاز است. یکفاز WPT و یکفاز SWIPT. فازهای WPT و SWIPT بهترتیب در سمت چپ و راست شکل 7 نمایش دادهشدهاند. در فاز WPT تمام المانهای RIS جهت دریافت توان از AP و انتقال آن به یکسو کننده RIS مورد استفاده قرار میگیرند. و در فاز SWIPT بخشی از این المانها (سلولهای آبی) به دریافت توان و انتقال آن به یکسوکننده و بخشی دیگر (سلولهای نارنجی) به انتقال داده به کاربر اختصاص داده شدهاند. با این روش RIS همواره در حال دریافت توان RF جهت تبدیل آن به توان DC مورد نیاز خود میباشد. همچنین در این طرح پیشنهاد شده است تا زمانی که تعداد کاربران تحت پوشش RIS-UAV کم است، در فاز SWIPT، تنها بخشی از سلولهای نارنجی فعال باشند تا در مصرف انرژی UAV بیش از پیش صرفهجویی شود.
نتیجهگیری
در این مقاله سعی شد تا دو فناوری اساسی در مخابرات نسل پنجم و ششم معرفی و بازبینی شوند. در ابتدا به بررسی فناوری ارسال توان بیسیم و همچنین اهمیت آن در سیستمهای نسل پنجم و ششم پرداختیم. سپس با توجه به اهمیت داده در شبکههای نوین مخابراتی، سیستمهای مبتنی بر ارسال همزمان داده و توان را معرفی نمودیم. در این مقاله بخشی از ادوات مورد نیاز سیستمهای SWIPT مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین بهعنوان نمونه نتایج یک یکسو کننده توان مورد بررسی قرار گرفت. این سیستمها در حال حاضر دارای ابعاد نسبتاً بزرگی میباشند و رقابت جهت تجاری سازی آنها بسیار داغ است. همچنین به معرفی سیستمهای RIS پرداختیم. مشاهده شد که این سیستمها در نسلهای پنجم و ششم شبکههای مخابراتی نقش مهمی در ایجاد ارتباط LOS دارند. همچنین میتوان با ترکیب آنها و UAVها به لینکهای پویا دستیافت. در تحقق لینکهای پویا مسئله اساسی افزایش مدت زمان فعالیت آنها است. از طرفی با توجه به اینکه UAVها توسط باتری تغذیه میشوند، پس از مدت کوتاهی نیاز به شارژ مجدد دارند و در نتیجه تا مدتی نمیتوان از آنها استفادهکرد. افزایش زمان عملیات این لینکها یکی از چالشهای اساسی تحقق آنها میباشد. با بهکارگیری همزمان فناوریهای RIS و SWIPT در این لینکهای پویا میتوان زمان انجام وظیفه آنها را افزایش داد.
منابع
[1] W. Khalid, H. Yu, J. Cho, Z. Kaleem, and S. Ahmad. “Rate-energy tradeoff analysis in RIS-SWIPT systems with hardware impairments and phase-based amplitude response.” IEEE Access Vol. 10 pp. 31821-31835. 2022
[2] H. Peng, L.C. Wang, G.Y. Li, and A.H. Tsai. “Long-lasting UAV-aided RIS communications based on SWIPT”. In 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) (pp. 1844-1849). IEEE. (2022)
[3] Y. Fang,, Y. Tao, H. Ma, Y. Li, and M. Guizani. “Design of a reconfigurable intelligent surface-assisted FM-DCSK-SWIPT scheme with non-linear energy harvesting model.” IEEE Transactions on Communications Vol. 71, no. 4, pp. 1863-1877. (2023)
[4] K. G. Omeke, M. Mollel, S. T. Shah, L. Zhang, Q. H. Abbasi, and M. A. Imran. “Towards a Sustainable Internet-of-Underwater-Things based on AUVs, SWIPT, and Reinforcement Learning.” arXiv preprint arXiv:2302.10368 (2023).
[5] [D. Kim, M. Choi, and D.W. Seo. “Optimal Power Allocation and Power Splitting Ratio Assignments for SWIPT-Enabled Orthogonal Multiple Access with Distributed Antenna Systems”. Electronics, Vol. 12, no. 9, pp.1995. (2023)
[6] Colinge, J.P. and Colinge, C.A., 2005. Physics of semiconductor devices. Springer Science & Business Media.
[7] Ladan, Shabnam. “Simultaneous wireless power transmission and data communication.” PhD diss., École Polytechnique de Montréal, 2014.
پینوشت
[1] Reconfigurable Intelligent Surface
[2] Unmanned aerial vehicle
[3] Ultra reliability
[4] High connectivity/optimization
[5] Ultra capacity
[6] Order-of-magnitude improvements in the link Robustness
[7] Non orthogonal multiple access
[8] mmWave
[9] Cognitive radio
[10] Quality of service
[11] Massive MIMO
[12] Full Duplex
[13] Device to device communication
[14] Non-terrestrial communication
[15] Simultaneous Wireless Information and Power Transfer
[16] wireless power transmit
[17] Internet-of-underwater-things
[18] Vehicle-to-Vehicle communication in wireless communication
[19] Rectifi
[20] Rectena
[21] Quality of Experience
[22] Power divider
[23] Stub
[24] Line of Sight
[25] Access point
[26] Beamforming
