تضمين المجال الكهربائي: بحث من 2023 حول بديل للبلوتوث

يُستخدم البلوتوث منذ عقود في الهواتف والسيارات ومكبرات الصوت. يتناول هذا المقال بحثاً من 2023 حول تقنية جديدة في جامعة ساسكس. وقد يتيح تضمين المجال الكهربائي توفير الطاقة في الاتصالات ذات المسافات القصيرة جداً وتصغير الدوائر.

فهم البلوتوث

لنبدأ بفهم طريقة عمل البلوتوث.

ما هو البلوتوث؟

البلوتوث تقنية لاسلكية لتبادل البيانات على مسافات قصيرة. جاء اسمه من هارالد بلوتوث، ملك القرن العاشر الذي وحّد الدنمارك والنرويج، رمزاً لربط الأجهزة المختلفة.

بدأت شركة إريكسون (ERIC ) السويدية للاتصالات تطويره عام 1994 بديلاً لكابلات RS-232. ونُشرت أول مواصفة للبلوتوث في 1999.

واجهت الإصدارات الأولى مشكلات في قابلية التشغيل البيني. لكن البلوتوث كان واسع الاستخدام قبل 2010. وأضاف الإصدار 4.0 في ذلك العام Bluetooth Low Energy، موسعاً خصوصاً تطبيقات الاستهلاك المنخفض للطاقة.

يُستخدم البلوتوث لنقل الملفات والصوت وربط أجهزة إنترنت الأشياء (IoT). وقد تظهر مشكلات في الاقتران والاتصال، بينما يعتمد استهلاك الطاقة على الإصدار والتطبيق ونمط التشغيل.

يلبي Wi-Fi Direct وNFC احتياجات مختلفة للسرعة والمدى والطاقة. ويضيف تضمين المجال الكهربائي اتجاهاً بحثياً للأجهزة المتقاربة. ولم يثبت أنه يستبدل البلوتوث في جميع التطبيقات.

كيف يعمل؟ التضمين الكهرومغناطيسي

التضمين يرمّز المعلومات بتغيير إشارة. ويستخدم البلوتوث موجات الراديو في نطاق ISM عند 2.4 غيغاهرتز.

فيما يلي ثلاثة أشكال عامة للتضمين. ولا يستخدم البلوتوث هذه الأشكال الثلاثة كلها بوصفها طرق إرسال مستقلة.

1. تضمين السعة (AM): تغيير سعة الموجة.
2. تضمين التردد (FM): تغيير تردد الموجة.
3. تضمين الطور (PM): تغيير طور الموجة.

• تعديل إزاحة التردد الغاوسي (GFSK): ترمّز تغييرات التردد البيانات الرقمية. ويستخدم Bluetooth Basic Rate وBluetooth Low Energy طريقة GFSK.
• معدل البيانات المحسّن (EDR): ظهر EDR مع Bluetooth 2.0. وتستخدم ترويسة الحزمة GFSK، بينما تستخدم الحمولة تضمين الطور π/4-DQPSK أو 8DPSK لزيادة معدل البيانات.
• القفز الترددي: يغيّر المرسل والمستقبل القناة بتنسيق مشترك. ويحد ذلك من أثر التداخل وتلاشي الإشارة. ويتطلب الأمان آليات منفصلة للمصادقة والتشفير.

ينقل البلوتوث البيانات إذاً بتضمين التردد أو الطور بحسب نمط التشغيل. ويساعد تغيير القناة على مقاومة التداخل.

فهم تضمين المجال الكهربائي

بناءً على ذلك يمكننا دراسة نهج المجال الكهربائي واستخداماته المحتملة.

ما هو تضمين المجال الكهربائي؟

يبحث تضمين المجال الكهربائي طريقة أخرى لإرسال البيانات لاسلكياً على مسافات قصيرة جداً.

قدّم باحثو ساسكس، ومنهم الأستاذان روبرت برانس ودانييل روجن، النهج بوصفه رابطاً محتملاً منخفض الطاقة بين أجهزة متقاربة. ويستخدم اقتران المجال الكهربائي بدلاً من رابط راديوي تقليدي يشع الموجات. وهذا أيضاً من الفيزياء الكهرومغناطيسية، وليس ظاهرة خارج الكهرومغناطيسية.

يمكن للدوائر المتقاربة تبادل البيانات عبر التحكم في تغيرات المجال الكهربائي. ونسب المقال الأصلي إلى النموذج الأولي نقل صوت أحادي بدقة 8 بت ومعدل أخذ عينات 16 كيلوهرتز، أي 128 كيلوبت في الثانية. وذكر نسبة خطأ بتات (BER) أقل من 10^−6.7 عند 50 سم، وأقل من 10⁻⁴ عند 75 سم. هذه نتائج منقولة لترتيب الاختبار المحدد، وليست أداءً مضموناً لكل جهاز.

قد يناسب المدى القصير الأجهزة الشخصية والقابلة للارتداء التي تُستخدم متقاربة. ويقدّر الباحثون أن الرابط الأقل استهلاكاً للطاقة يمكن أن يطيل مدة تشغيل البطارية.

يذكر إعلان ساسكس تبادل بيانات الاتصال بالمصافحة وفتح الباب بلمس المقبض بوصفهما استخدامين محتملين.

المزايا المحتملة

دانييل روجن، أستاذ الهندسة والتصميم في ساسكس، شرح الإمكانات:

قد يقلل اقتران المجال الكهربائي بين الأجهزة المتقاربة استهلاك الطاقة ويتيح أساليب جديدة للتفاعل مع الأجهزة المنزلية.

تؤثر التكلفة وحجم الدوائر في إمكانات الانتشار. وروجن قدّر:

عند الإنتاج الواسع يمكن دمج الحل في شريحة واحدة بتكلفة بضعة بنسات بريطانية لكل جهاز.

تخص الفوائد المحتملة أساساً الروابط القصيرة جداً. ويجب تقييم التكلفة والطاقة وسهولة الاستخدام لكل تطبيق. وفي نوفمبر 2023 كانت الجامعة تبحث عن شركاء صناعيين لمواصلة تصغير التقنية.

يجعل احتمال دمج الحل في دائرة صغيرة النهج مثيراً للاهتمام للأجهزة القابلة للارتداء ومنتجات المنزل الذكي. لكنه لا يثبت تفوقاً شاملاً على البلوتوث أو جاهزية تجارية.

التطبيقات المحتملة

تشمل الاستخدامات المحتملة:

• التكنولوجيا القابلة للارتداء: قد تتواصل متتبعات النشاط والساعات الذكية مع الهواتف القريبة بطاقة أقل.
• التفاعل مع المنزل الذكي: يمكن التحكم في الإضاءة أو منظمات الحرارة باللمس.
• التواصل الاجتماعي والمهني: يمكن مشاركة بيانات الاتصال أو الملفات الشخصية بالمصافحة.
• تطبيقات الأمان: قد يفعّل لمس المقبض الدخول دون مفتاح مادي. ويظل الدخول الآمن بحاجة إلى المصادقة.

تجمع هذه الاستخدامات المقترحة بين الحركات الجسدية واتصال البيانات.

شركات القطاع

لم يُؤكد هنا أن الشركات التالية تتبنى طريقة ساسكس المحددة. إنها أمثلة لشركات تعمل في الاتصال اللاسلكي.

*تحتفظ الجداول بالأرقام التاريخية التي ذكرها مقال 2023، وليست تقييمات حالية. القيمة السوقية وربحية السهم بالدولار الأمريكي. وتسبق أرقام Broadcom لكل سهم تجزئة الأسهم 10 إلى 1 في يوليو 2024. ويخص مضاعف الربحية المتوقع لـIntel وربحية السهم التاريخية فترتين مختلفتين.*

1.  NXP Semiconductors

شركة NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI )، وهي شركة هولندية لأشباه الموصلات، تقدم منتجات واسعة للاتصال اللاسلكي. وتُستخدم Bluetooth Low Energy وWi-Fi وNFC وUltra-Wideband في السيارات وإنترنت الأشياء والمنازل الذكية. وتدعم تحديد المواقع بدقة والتحكم اللاسلكي ومعايير مثل Matter. واشترت NXP أعمال Marvell اللاسلكية في 2019. وتُستخدم الحلول في إنترنت الأشياء الصناعي والإلكترونيات الطبية والاستهلاكية.

2.  Broadcom Inc.

AVGO مخطط السعر

شركة Broadcom Inc. (AVGO ) شركة متعددة الجنسيات لأشباه الموصلات وبرمجيات البنية التحتية. وتخدم أسواق الاتصالات السلكية واللاسلكية وتخزين بيانات الشركات والصناعة. وتشمل المنتجات دوائر CMOS الرقمية ومختلطة الإشارة، ومنتجات III-V التناظرية، ومحولات التخزين ووحدات التحكم. وقطاعاها الرئيسيان حلول أشباه الموصلات وبرمجيات البنية التحتية. وتورد أيضاً مكونات للاتصال اللاسلكي.

3.  Intel Corporation

INTC مخطط السعر

شركة Intel (INTC ) Corporation شركة أمريكية لأشباه الموصلات تأسست في 1968. وساهمت في تطوير ذاكرة SRAM وDRAM، وقدمت أول معالج دقيق متاح تجارياً، 4004، في 1971. وعزز نمو الحواسيب الشخصية في الثمانينيات تركيزها على المعالجات الدقيقة. وفي العرض التاريخي لعام 2023 شملت أعمالها المعالجات ومجموعات الشرائح ووحدات التحكم بالشبكات والشرائح الرسومية. وأثرت المنافسة، ومنها AMD، في حصتها السوقية ودفعت تغييرات استراتيجية داخل قطاع أشباه الموصلات.

شركات مدرجة أخرى

أفكار ختامية

تضمين المجال الكهربائي اتجاه بحثي مثير للاهتمام لاتصالات المسافات القصيرة جداً. وتسعى مجموعة ساسكس إلى استهلاك أقل للطاقة وأساليب تفاعل جديدة. وفي الوقت نفسه يواصل البلوتوث خدمة أجهزة وتطبيقات كثيرة.

سيُظهر التطوير اللاحق والدمج في المنتجات أين يقدم هذا النهج فوائد عملية. ويصف عرض 2023 فرصة تطوير، لا بديلاً مكتملاً وجاهزاً للبلوتوث.