Mtandao wa Washaaji Bila Waya: Misingi, Viwango, na Matumizi

1. Utangulizi

Ushaji bila waya huruhusu uhamishaji wa nguvu kupitia nafasi ya hewa kutoka kwa washaji hadi kwenye kifaa cha mkononi, ukitoa urahisi, uimara, na kubadilika. Teknolojia hii inakua kwa kasi kutoka nadharia hadi matumizi ya kibiashara, huku wazalishaji wakuu wa simu janja wakiitegemeza katika bidhaa zao. Utafiti wa soko unatabiri ukuaji mkubwa, ukikadiria soko la dola bilioni 4.5 hadi mwaka 2016 na dola bilioni 15 hadi mwaka 2020. Makala hii inachunguza misingi, viwango, na kuanzisha dhana mpya: Mtandao wa Washaaji Bila Waya.

2. Muhtasari wa Mbinu ya Ushaji Bila Waya

Dhana hii ilianza wakati wa majaribio ya Nikola Tesla mwaka 1899. Maendeleo ya kisasa yaliharakishwa na uvumbuzi wa magnetroni na rectenna, ukiruhusu uhamishaji wa nguvu wa microwave. Maendeleo ya hivi karibuni yanaongozwa na vyama vinavyounda viwango vya kimataifa.

3. Viwango vya Ushaji Bila Waya

Uwekaji wa viwango ni muhimu kwa ushirikiano na upitishaji mpana. Viwango viwili vya kuongoza ni Qi na A4WP.

4. Mtandao wa Washaaji Bila Waya

Mchango mkuu wa karatasi hii ni kupendekeza mtandao wa washaaji waliounganishwa, ukiondoka mbali na ushaji wa nukta-kwa-nukta.

5. Ufahamu Mkuu wa Mchambuzi

Ufahamu Mkuu: Karatasi ya Lu na wenzake ya 2014 sio tu ukaguzi; ni ramani ya uangalizi. Thamani yake ya msingi iko katika kutambua pengo muhimu kati ya mawasiliano ya kifaa-washaji (iliyotatuliwa na Qi/A4WP) na akili ya kiwango cha mfumo. Walitabiri kwa usahihi kwamba kikwazo halisi cha miundombinu ya nguvu bila waya inayoweza kuongezeka haingekuwa fizikia ya uhamishaji, bali uratibu wa mtandao uliosambazwa wa pointi za nishati. Hii inabadilisha dhana kutoka "vipande vya kijinga" hadi "mitandao ya umeme yenye akili kwa vifaa vya kibinafsi."

Mtiririko wa Mantiki na Nguvu: Karatasi hii inajenga kesi ya kulazimisha. Inaanza na misingi imara, inachambua viwango vinavyoshindana (ikionyesha kwa usahihi njia ya kuingiza ya Qi dhidi ya njia ya mwimuko ya A4WP na itifaki zao za mawasiliano), na kisha kuzindua uvumbuzi wake mkuu: dhana ya WCN. Matumizi kwa ugawaji wa mtumiaji-washaji ni uthibitisho wa dhana halisi na wenye akili. Inatumia mfumo rahisi wa uboreshaji (kupunguza utendakazi wa gharama $C_{total} = \sum (\alpha \cdot wait\_time + \beta \cdot energy\_cost)$) kuonyesha faida halisi. Mtiririko huu wa mantiki kutoka ukaguzi wa teknolojia hadi pendekezo la muundo hadi matumizi yanayoweza kupimika ndio nguvu kubwa ya karatasi hii.

Kasoro na Fursa Zilizopotea: Kwa karatasi ya maono ya 2014, ni nyepesi kushangaza juu ya athari za usalama na faragha za miundombinu ya ushaji iliyounganishwa—ukosefu mkubwa ukizingatia hali ya tishio ya IoT ya leo. Mfano wa ugawaji wa mtumiaji-washaji pia ni rahisi, ukipuuza mambo ya nguvu kama vile mifumo ya uhamaji wa watumiaji au mahitaji tofauti ya nishati ya vifaa. Zaidi ya hayo, ingawa inarejelea utabiri wa soko, haichambui kwa kina muundo wa biashara na changamoto za kufungwa kwa mfumo wa ikolojia ambazo tangu wakati huo zimewatesa tasnia (k.m., muunganiko wa polepole wa viwango hadi AirFuel).

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wasimamizi wa bidhaa na wapangaji wa miundombinu, karatasi hii bado inafaa sana. Kwanza, weka kipaumbele akili ya nyuma. Usiwasilishe washaaji tu; wasilisha jukwaa la usimamizi. Pili, tengeneza kwa data. Washaaji wanapaswa kuwa vihisi, wakiripoti matumizi na afya. Tatu, angalia zaidi ya simu. Malipo halisi ya WCN yako katika kuwasha mitandao ya vihisi ya IoT, roboti, na magari ya umeme katika mazingira yaliyozuiwa, kama inavyoonekana katika utafiti unaofuata juu ya mitandao ya kuvuna nishati ya RF. Muundo uliopendekezwa wa karatasi hii ni mchoro wa msingi wa dhana za "Nguvu juu ya Wi-Fi" na kuvuna nishati ya RF ya mazingira zilizochunguzwa baadaye na taasisi kama Chuo Kikuu cha Washington. Kimsingi, somo la kudumu la karatasi hii ni: Mshindi katika nguvu bila waya hatakuwa yule aliye na ufanisi bora wa kuunganisha, bali yule aliye na mfumo bora wa uendeshaji wa mtandao.

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Tatizo la ugawaji wa mtumiaji-washaji linaweza kutengenezwa kama tatizo la uboreshaji. Acha $U$ iwe seti ya watumiaji na $C$ iwe seti ya washaaji. Lengo ni kupunguza gharama ya jumla:

$\min \sum_{i \in U} \sum_{j \in C} x_{ij} \cdot c_{ij}$

Chini ya vikwazo:
$\sum_{j \in C} x_{ij} = 1, \quad \forall i \in U$ (Kila mtumiaji anapewa washaji mmoja)
$\sum_{i \in U} x_{ij} \cdot p_i \leq P_j, \quad \forall j \in C$ (Kikwazo cha uwezo wa nguvu wa washaji)
$x_{ij} \in \{0, 1\}$ (Tofauti ya uamuzi ya binary)

Ambapo:
- $x_{ij}=1$ ikiwa mtumiaji $i$ amepewa washaji $j$.
- $c_{ij}$ ni gharama ya kumpa mtumiaji $i$ washaji $j$, ambayo inaweza kuwa utendakazi wa umbali, muda unaokadiriwa wa kusubiri $t_{ij}^{wait}$, na bei ya nishati $e_j$: $c_{ij} = f(t_{ij}^{wait}, e_j)$.
- $p_i$ ni hitaji la nguvu la kifaa cha mtumiaji $i$.
- $P_j$ ni uwezo wa pato la nguvu wa washaji $j$.

WCN huruhusu ukusanyaji wa wakati halisi wa vigezo $t_{ij}^{wait}$ na $P_j$, na kufanya uboreshaji huu uwezekane.

7. Matokeo ya Majaribio & Maelezo ya Chati

Ingawa sehemu ya PDF haina grafu za kina za majaribio, matumizi yaliyoelezwa yanaashiria matokeo ambayo yanaweza kuonekana.

Maelezo ya Chati ya Kubuni (Kulingana na Madai ya Karatasi):
Kichwa cha Chati: Ulinganisho wa Gharama ya Jumla ya Mtumiaji: Uteuzi wa Papo Hapo dhidi ya Ugawaji Ulioboreshwa na WCN
Aina ya Chati: Chati ya baa au chati ya mstari juu ya msongamano unaoongezeka wa watumiaji.
Shoka: Shoka-X: Idadi ya Watumiaji Wakati Huo / Mzigo wa Mfumo. Shoka-Y: Gharama ya Jumla ya Ugawaji (bila vitengo au katika vitengo vya gharama vilivyosanifishwa).
Mfululizo wa Data: Mfululizo mbili zingeonyeshwa: 1) Uteuzi wa Papo Hapo: Gharama huongezeka kwa kasi na kwa njia isiyo ya mstari watumiaji wanapochagua washaaji kwa nasibu, na kusababisha msongamano kwa wengine na matumizi duni ya wengine. 2) Ugawaji Ulioboreshwa na WCN: Gharama huongezeka kwa kiwango cha polepole zaidi, cha mstari zaidi. Kidhibiti husawazisha mzigo, kupunguza muda wa kusubiri, na kuzingatia gharama za nishati, na kusababisha gharama ya jumla ndogo zaidi, hasa katika msongamano wa wastani hadi wa juu wa watumiaji. Pengo kati ya mistari miwili inaonyesha kwa macho faida ya njia ya mtandao.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Duka la kahawa linaweka washaji 4 bila waya (2 ya nguvu ya juu ya Qi, 2 ya nguvu ya kawaida ya A4WP).
Bila WCN: Wateja wanapata pad kwa mikono. Mtumiaji aliye na simu iliyokaribia kufa anaweza kuchukua pad ya kawaida, huku mtumiaji anayetaka kujaza haraka akitumia pad ya nguvu ya juu kwa ufanisi mdogo. Watumiaji wawili wanaweza kujipanga kwenye pad moja inayoonekana huku nyingine ikiwa huru kwenye kona.
Kwa WCN:
1. Kidhibiti cha mtandao kinajua: Washaji A (Qi, nguvu ya juu, mzigo 80%), B (Qi, nguvu ya juu, huru), C (A4WP, kawaida, mzigo 50%), D (A4WP, kawaida, huru).
2. Mtumiaji mpya anaingia, na simu yake inatangaza hali yake ya kuchaji (5%), viwango vinavyosaidiwa (Qi & A4WP), na nishati inayohitajika.
3. Kidhibiti kinafanya hesabu rahisi ya gharama:
- Kumpa A: Gharama kubwa ya muda wa kusubiri.
- Kumpa B: Muda mdogo wa kusubiri, kiwango cha juu cha uhamishaji wa nguvu. BORA.
- Kumpa C/D: Kiwango cha chini cha nishati, muda mrefu wa kuchaji.
4. Programu ya mtumiaji inaelekezwa kwa Washaji B, na kuongeza ufanisi wa mfumo na uzoefu wa mtumiaji.

9. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

• Kuchaji Kwa Nguvu ya Magari ya Umeme (EV): Kanuni za WCN zinarekebishwa kwa kuchaji bila waya kwa nguvu ya EV kwenye barabara, kusimamia ugawaji wa nguvu katika sehemu nyingi za kuchaji.
• IoT ya Viwanda na Robotiki: Katika viwanda vya akili, roboti huru na vihisi vinaweza kuchajiwa bila waya katika maeneo yaliyowekwa na yanayosimamiwa na mtandao, na kuondoa muda wa kusimama kwa ajili ya kuchaji kwa mikono.
• Unganishaji na 5G/6G na Kompyuta ya Ukingo: WCN za baadaye zinaweza kuunganishwa kwa karibu na mitandao ya mawasiliano, kwa kutumia seva za ukingo kusimamia kuchaji kama huduma, kwa kuzingatia eneo la mtumiaji, msongamano wa mtandao, na hali ya mtandao wa nishati.
• Mitandao ya Kuvuna Nishati ya RF ya Mazingira: Kupanua dhana hii kwa mitandao ya wavunaji wa nishati ya mazingira ambao hukusanya ishara za RF kutoka kwa Wi-Fi, minara ya simu, na matangazo, na kuhitaji mtandao wa kisasa kwa ajili ya kusanyiko na usambazaji wa nishati, kama ilivyochunguzwa na DARPA na maabara za kitaaluma.
• Umoja wa Viwango na API Wazi: Baadaye inahitaji kiwango cha umoja (zaidi ya AirFuel) na API wazi kwa usimamizi wa mtandao, na kuruhusu wasanidi programu wa nje kuunda programu juu ya miundombinu ya kuchaji.

10. Marejeo

1. Brown, W. C. (1964). The History of Power Transmission by Radio Waves. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
2. Wireless Power Consortium. (2023). The Qi Standard. https://www.wirelesspowerconsortium.com
3. AirFuel Alliance. (2023). AirFuel Resonant Standard. https://www.airfuel.org
4. Sample, A. P., Meyer, D. T., & Smith, J. R. (2011). Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics.
5. Talla, V., Kellogg, B., Gollakota, S., & Smith, J. R. (2017). Battery-Free Cellphone. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies (IMWUT). (Mfano wa kuvuna wa hali ya juu ya RF).
6. Ripoti za Utafiti wa IMS / Pike juu ya masoko ya nguvu bila waya (2013-2014).