تحسين الكفاءة الطاقية والمقارنة بين الإرسال ثنائي الاتجاه بمساعدة IRS والإرسال المباشر

إشارات أذكى للشبكات اللاسلكية المستقبلية

هواتفنا وأجهزة الاستشعار والأجهزة الذكية تضع ضغطًا كبيرًا على الشبكات اللاسلكية، التي يجب أن توفر اتصالات سريعة وموثوقة مع استهلاك طاقة منخفض قدر الإمكان. تستكشف هذه الدراسة طرقًا جديدة لتوجيه موجات الراديو في الهواء بحيث يتمكن مستخدمان من التبادل بكفاءة أعلى، مما يساعد أنظمة ما بعد 5G و6G المستقبلية على دعم مزيد من الأجهزة دون إهدار الطاقة.

ارتداد الإشارات عن جدار ذكي

فكرة رئيسية في هذا العمل هي السطح العاكس الذكي، لوحة مسطحة مصنوعة من العديد من العناصر الدقيقة التي يمكنها عكس موجات الراديو الواردة باتجاهات مختارة. على عكس محطة الترحيل التقليدية التي تستقبل الإشارات وتعيد إرسالها بنشاط، فإن هذا الجدار الذكي سلبي إلى حد كبير، ويضبط فقط كيفية انعكاس الإشارات. من خلال ضبط انعكاس كل عنصر صغير بعناية، يمكن للوحة تعزيز قوة الإشارة في المكان المطلوب، تمامًا كما يتم إمالة مرآة لتوجيه الضوء نحو هدف. هذا يوفر وسيلة لتحسين التغطية ومعدلات البيانات مع إضافة استهلاك طاقة بسيط نسبيًا إلى الشبكة.

طريقتان للتواصل في كلا الاتجاهين

يركز الباحثون على حالة يتبادل فيها مستخدمان البيانات في كلا الاتجاهين. يدرسون تصميمين رئيسيين. في الأول، المسمى الإرسال الثنائي الاتجاه عبر مرحل، يتواصل المستخدمان عبر عقدة مرْحِلة موضوعة بينهما، بمساعدة السطح العاكس. في الثاني، المسمى الإرسال الثنائي الاتجاه المباشر، يتبادل المستخدمان البيانات مباشرة مع بعضهما البعض، مع مساعدة السطح الذي يوجّه الإشارة. يستخدم كلا التصميمين فترتي زمن لتبادل البيانات، لكن في حالة واحدة يقوم المرحل بتكبير وإعادة إرسال الإشارات الممزوجة، بينما في الحالة الأخرى يتواصل المستخدمان دون مرحل. السؤال هو أي الترتيبين يستخدم الطاقة بكفاءة أكبر في ظروف واقعية.

ضبط الطاقة والانعكاسات معًا

لمقارنة التصميمين بعدالة، يأخذ المؤلفون في الحسبان الميزانية الطاقية الكاملة، بما في ذلك قدرة الإرسال لجميع العقد والطاقة الدائرية المستخدمة بواسطة الإلكترونيات والسطح العاكس. يعرفون الكفاءة الطاقية باعتبارها إجمالي معدل البيانات المحقق لكل وحدة من القدرة المستهلكة الكلية. بدلًا من معاملة قدرة المرحل والتحكم في السطح العاكس بشكل منفصل، يقومون بضبطهما معًا. باستخدام أدوات رياضية متقدمة، يصممون خوارزمية تبحث عبر مستويات الطاقة المسموح بها وإعدادات الطور لكل عنصر عاكس لإيجاد التركيبات التي تعطي أعظم كمية بيانات لكل واط. تُجرى هذه العملية لكل من الروابط المعتمدة على المرحل والمباشرة بحيث يُدفع كل منها قرب أقصى أداء ممكن له.

متى يتفوق المرحل

بمجرد العثور على الإعدادات المثلى، تقارن الدراسة التصميمين عبر نطاق واسع من مستويات قدرة الإرسال وظروف القناة باستخدام محاكيات حاسوبية. تظهر النتائج أنه عند قدرات إرسال كلية منخفضة جدًا، يميل الارتباط المباشر بمساعدة السطح العاكس لأن يكون أكثر كفاءة طاقية، جزئيًا لأن المرحل يضيف طاقة دائرية إضافية. ومع ذلك، بمجرد أن تتجاوز القدرة الكلية للإرسال حوالي -5 ديسيبل ملي واط، يقدم الرابط بمساعدة المرحل باستمرار بيانات أكثر لكل واط. في هذا النطاق، تفوق فائدة المرحل في تقوية الاتصال ثنائي الاتجاه تكلفته الإضافية من الأجهزة، ويساعد السطح العاكس كلا التصميمين، حيث يجلب وجود المزيد من العناصر كفاءة أعلى لنفس ميزانية الطاقة.

لماذا يهم ذلك للمستخدمين العاديين

للغير متخصصين، الخلاصة الرئيسية هي أن أنظمة الاتصالات المستقبلية يمكنها توفير الطاقة باستخدام ألواح عاكسة ذكية تعيد تشكيل مسارات الإشارات، وبمشاركة دقيقة للطاقة بين المستخدمين والمرحلات وهذه الألواح. توضح الدراسة أن المرحل مع السطح العاكس قد يكون الخيار الأفضل بمجرد أن تعمل الشبكة فوق مستوى طاقة متواضع، بينما قد تكون الاتصالات المباشرة الأبسط مفضلة عند طاقة منخفضة جدًا. يمكن أن توجه هذه الرؤى مخططي الشبكات عند اختيار بنى تحافظ على اتصال الأجهزة مع الحد من استهلاك الطاقة، ودعم أنظمة اتصال أكثر خُضُوعًا وقدرة.

الاستشهاد: Cai, C., Zhang, J., Zhong, F. et al. Energy-efficiency optimization and comparison for IRS-assisted bidirectional relay and direct transmissions. Sci Rep 16, 16429 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52438-2

الكلمات المفتاحية: سطح عاكس ذكي, كفاءة الطاقة, مرحلة ثنائية الاتجاه, الاتصال اللاسلكي, شبكات 6G