تراشه فرستنده انعطاف‌پذیر می‌تواند دستگاه‌های بی‌سیم را از نظر انرژی کارآمدتر کند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه MIT و سایر دانشگاه‌ها، تراشه فرستنده جدیدی طراحی کرده‌اند که به طور قابل توجهی بهره‌وری انرژی ارتباطات بی‌سیم را بهبود می‌بخشد و می‌تواند برد و عمر باتری یک دستگاه متصل را افزایش دهد.
رویکرد آنها از یک طرح مدولاسیون منحصر‌به‌فرد برای رمزگذاری داده‌های دیجیتال به یک سیگنال بی‌سیم استفاده می‌کند که میزان خطا در انتقال را کاهش می‌دهد و منجر به ارتباطات قابل اعتمادتری می‌شود.
این سیستم جمع و جور و انعطاف‌پذیر می‌تواند در دستگاه‌های اینترنت اشیا موجود گنجانده شود تا دستاورد‌های فوری را ارائه دهد، ضمن اینکه الزامات سختگیرانه‌تر بهره‌وری فناوری‌های آینده ۶G را نیز برآورده می‌کند.
تطبیق‌پذیری این تراشه می‌تواند آن را برای طیف وسیعی از کاربرد‌هایی که نیاز به مدیریت دقیق انرژی برای ارتباطات دارند، مانند حسگر‌های صنعتی که به طور مداوم شرایط کارخانه را رصد می‌کنند و لوازم خانگی هوشمند که اعلان‌های بلادرنگ ارائه می‌دهند، مناسب سازد.
موریل مدارد، استاد علوم و مهندسی نرم‌افزار دانشکده علوم NEC و استاد دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر (EECS) دانشگاه MIT می‌گوید: «با تفکر خارج از چارچوب، ما یک مدار کارآمدتر و هوشمندتر برای دستگاه‌های نسل بعدی ایجاد کردیم که حتی از پیشرفته‌ترین معماری‌های قدیمی نیز بهتر است. این تنها یک نمونه از چگونگی اتخاذ یک رویکرد ماژولار برای ایجاد سازگاری است که می‌تواند نوآوری را در هر سطحی هدایت کند.»
مدارد یکی از نویسندگان مقاله‌ای در مورد فرستنده جدید است که به عنوان بخشی از سمپوزیوم مدار‌های مجتمع فرکانس رادیویی IEEE ۲۰۲۵ (RFIC) منتشر شده است.
نویسندگان همکار مدارد عبارتند از تیمور زیرتیلوغلو، نویسنده اصلی و دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه بوستون؛ آرمان تان، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه بوستون؛ باساک اوزایدین، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT در EECS؛ کن دافی، استاد دانشگاه نورث ایسترن؛ و رابیا توگچه یازیجیگیل، دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه بوستون. این تحقیق اخیراً در سمپوزیوم مدار‌های فرکانس رادیویی IEEE (RFIC ۲۰۲۵) که از ۱۵ تا ۱۷ ژوئن در سانفرانسیسکو برگزار شد، ارائه شد.
بهینه‌سازی انتقال‌ها
در دستگاه‌های بی‌سیم، یک فرستنده، داده‌های دیجیتال را به سیگنال الکترومغناطیسی تبدیل می‌کند که از طریق امواج رادیویی به گیرنده ارسال می‌شود. فرستنده این کار را با نگاشت بیت‌های دیجیتال به نماد‌هایی که دامنه و فاز سیگنال الکترومغناطیسی را نشان می‌دهند، انجام می‌دهد، که به این فرآیند مدولاسیون می‌گویند.
سیستم‌های سنتی با ایجاد الگویی یکنواخت از نمادها، سیگنال‌هایی را که به طور مساوی در فواصل مساوی قرار دارند، ارسال می‌کنند که به جلوگیری از تداخل کمک می‌کند. اما این ساختار یکنواخت فاقد قابلیت انطباق است و می‌تواند ناکارآمد باشد، زیرا شرایط کانال بی‌سیم پویا است و اغلب به سرعت تغییر می‌کند.
به عنوان یک جایگزین، طرح‌های مدولاسیون بهینه از یک الگوی غیریکنواخت پیروی می‌کنند که می‌تواند با شرایط متغیر کانال سازگار شود و میزان داده منتقل شده را به حداکثر برساند و در عین حال مصرف انرژی را به حداقل برساند.
اما اگرچه مدولاسیون بهینه می‌تواند از نظر مصرف انرژی کارآمدتر باشد، اما به ویژه در محیط‌های بی‌سیم شلوغ، بیشتر مستعد خطا است. وقتی سیگنال‌ها از نظر طول یکنواخت نباشند، تشخیص نمادها و نویز‌هایی که در انتقال فشرده شده‌اند، برای گیرنده دشوارتر می‌شود.
برای غلبه بر این مشکل، فرستنده MIT مقدار کمی لایه‌گذاری، به شکل بیت‌های اضافی بین نمادها، اضافه می‌کند تا طول هر انتقال یکسان باشد.
این به گیرنده کمک می‌کند تا ابتدا و انتهای هر ارسال را شناسایی کند و از تفسیر نادرست پیام جلوگیری کند. با این حال، این دستگاه از مزایای بهره‌وری انرژی ناشی از استفاده از یک طرح مدولاسیون غیر یکنواخت و بهینه بهره‌مند می‌شود.
این رویکرد به دلیل تکنیکی که محققان قبلاً با نام GRAND توسعه داده بودند، کار می‌کند. GRAND یک الگوریتم رمزگشایی جهانی است که با حدس زدن نویزی که بر انتقال تأثیر گذاشته است، هر کدی را رمزگشایی می‌کند.
در اینجا، آنها از یک الگوریتم الهام گرفته از GRAND برای تنظیم طول ارسال دریافتی با حدس زدن بیت‌های اضافی اضافه شده استفاده می‌کنند. به این ترتیب، گیرنده می‌تواند پیام اصلی را به طور موثر بازسازی کند.
مدارد می‌گوید: «حالا، به لطف GRAND، می‌توانیم فرستنده‌ای داشته باشیم که قادر به انجام این انتقال‌های کارآمدتر با مجموعه داده‌های غیریکنواخت است و می‌توانیم شاهد دستاورد‌های آن باشیم.»
یک مدار انعطاف‌پذیر
این تراشه جدید که معماری فشرده‌ای دارد و به محققان اجازه می‌دهد روش‌های افزایش راندمان بیشتری را در آن ادغام کنند، امکان انتقال داده را تنها با حدود یک چهارم خطای سیگنال روش‌هایی که از مدولاسیون بهینه استفاده می‌کنند، فراهم می‌کند.
جالب اینجاست که این دستگاه همچنین به میزان قابل توجهی نرخ خطای کمتری نسبت به فرستنده‌هایی که از مدولاسیون سنتی استفاده می‌کنند، دست یافته است.
مدارد می‌گوید: «رویکرد سنتی چنان ریشه دوانده بود که بازگشت به وضع موجود چالش‌برانگیز بود، به‌خصوص از آنجایی که ما در حال تغییر چیز‌هایی بودیم که اغلب بدیهی می‌پنداشتیم و مفاهیمی که دهه‌ها آموزش می‌دادیم.»
این معماری نوآورانه می‌تواند برای بهبود بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان دستگاه‌های ارتباطی بی‌سیم فعلی مورد استفاده قرار گیرد، ضمن اینکه انعطاف‌پذیری لازم برای ادغام در دستگاه‌های آینده که از مدولاسیون بهینه استفاده می‌کنند را نیز ارائه می‌دهد.
در مرحله بعد، محققان می‌خواهند رویکرد خود را برای استفاده از تکنیک‌های اضافی که می‌توانند کارایی را افزایش داده و نرخ خطا را در انتقال‌های بی‌سیم کاهش دهند، تطبیق دهند.
روکو تام، از اعضای NXP برای تحقیق و توسعه SoC اتصال بی‌سیم در شرکت NXP Semiconductors که در این تحقیق نقشی نداشته است، می‌گوید: «این مدار مجتمع فرکانس رادیویی فرستنده مدولاسیون بهینه، نوآوری متحول‌کننده‌ای نسبت به مدولاسیون سیگنال RF سنتی است. قرار است نقش مهمی در نسل بعدی اتصال بی‌سیم مانند ۶G و Wi-Fi ایفا کند.»