Sorry, you need to enable JavaScript to visit this website.

बिनतारी संदेशवहन यंत्रणेची ऊर्जा कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी नवीन अल्गोरिदम

Read time: १ मिनिट
बिनतारी संदेशवहन यंत्रणेची ऊर्जा कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी नवीन अल्गोरिदम

रेडिओ तरंग किंवा रेडिओ लहरी म्हणजे बिनतारी संदेशवहनासाठी वापरली जाणारी विद्युतचुंबकीय प्रारणे (electromagnetic radiations). रेडिओ लहरींद्वारे माहिती बरोबरच अंगभूत विद्युत ऊर्जेचेही प्रसारण होते. एका अभिनव तंत्रज्ञानाच्या आधारे हीच विद्युत ऊर्जा वापरून विस्तृत क्षेत्रातील बिनतारी संदेशवहन उपकरणांना (ज्यांना नोड्स असे म्हणतात) ती प्रदान करता येते. उदाहरणार्थ वैद्यकीय प्रत्यारोपणक्षेत्र किंवा वस्तूंचे आंतरजाल (Internet of Things) इत्यादी.

रेडीओ लहरीतील ऊर्जा (आरएफ ऊर्जा) एकतर आजूबाजूच्या वातावरणातून जमवली जाते किंवा त्यासाठी असणाऱ्या विशिष्ठ ऊर्जा स्रोताच्या माध्यमातून प्राप्त केली जाते. अशी प्रणाली वापरून नोड्सची बॅटरी सतत प्रभारित (चार्ज) करता येते. यामुळे बॅटरीचे आयुष्यमान वाढते व वारंवार बॅटरी बदलण्याची गरजही कमी होते. बॅटरीवर चालणाऱ्या पारंपारिक बिनतारी उपकरणांना सहसा मर्यादित ऊर्जा उपलब्ध असते पण या पद्धतीने त्यावर मात करता येते. केवळ व्यावहारिक आणि आर्थिक दृष्टीकोनातूनच नाही तर या प्रणालीच्या आधारे धोकादायक वातावरणात देखील नोड्स वापरणे सोपे होते. परंतु ऊर्जा आणि माहितीच्या प्रसारणासाठी आरएफ ऊर्जा प्राप्ती यंत्रणेची ऊर्जेची गरज खूपच जास्त असते. म्हणूनच भविष्यातील बिनतारी संदेशवहन यंत्रणा अधिक कार्यक्षम करण्यासाठी ऊर्जेचा अपव्यय टाळणे अत्यंत निकडीचे आहे. त्यामुळे या विषयावरील संशोधन ही काळाची नितांत गरज आहे.

बिनतारी उपकरणे ऊर्जा प्राप्तीवर लक्ष ठेवून वेळोवेळी त्याचा अहवाल (फीडबॅक) ऊर्जेच्या स्रोताकडे पाठवतात. या माहितीच्या आधारे, ऊर्जेची मागणी पूर्ण करण्यासाठी आणि विजेचा अपव्यय टाळण्यासाठी ऊर्जा स्रोताद्वारे देय ऊर्जेची सुयोग्य पातळी नियंत्रित केली जाते. देय ऊर्जेची इष्टतम पातळी ठरवण्याची प्रक्रिया स्वयंचलित(ऑटोमेट) करण्यासाठी संशोधक कृत्रिम बुद्धिमत्तेवर(आर्टिफिशिअल इंटलिजन्स) आधारित सांख्यिकी(स्टॅटिस्टीकल) अल्गोरिदम (क्रमवार कार्यसूची) वापरतात.

सध्या उपलब्ध असलेले अल्गोरिदम हे चॅनेल स्टेट इन्फॉर्मेशन नावाच्या परिमाणानुसार तयार केले गेले आहेत. यामध्ये संदेशवहन तसेच ऊर्जेच्या देवाणघेवाणीसंबंधी ऊर्जाग्राहकाकडून मिळालेले फीडबॅक विचारात घेतले जातात. अशा अद्ययावत कार्यप्रणालीमध्ये, ऊर्जास्रोत प्रक्षेपक आणि ग्राहक अशा दुहेरी भूमिका पार पडतात. एखाद्या क्षेत्रातील सर्व नोड्सना त्यांच्या माहिती प्रक्षेपणासाठी किती ऊर्जा आवश्यक आहे आणि ती मिळण्यासाठी त्या ऊर्जास्रोताला सुरवातीलाच एकंदरीत किती ऊर्जा प्रसारित करावी लागेल याचे ज्ञान असावे लागते. परंतु, नोड्सना अधिक ऊर्जा मिळाली म्हणजे त्यांच्याद्वारे अधिक माहिती प्रसारित होईलच असे नाही. म्हणूनच आरएफ-ऊर्जा प्राप्ती यंत्रणेच्या एकूण ऊर्जा कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करणे महत्वाचे आहे.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) आणि मोनाश युनिव्हर्सिटी, ऑस्ट्रेलियातील संशोधकांच्या एका गटाने एक नवीन अल्गोरिदम विकसित केले आहे जे आरएफ-ऊर्जा प्राप्ती यंत्रणेची ऊर्जा कार्यक्षमता वाढवू शकेल व ऊर्जा शक्तीच्या आवश्यक पातळीची योग्य मात्रा ओळखू शकेल. त्यांचे अल्गोरिदम चॅनेल स्टेट इन्फॉर्मेशनच्या मापदंडावर अवलंबून नसलेली एक सांख्यिकीय पद्धत वापरते ज्याला मल्टी-आर्म्ड बॅंडिट पद्धत असे म्हणतात. तसेच या अल्गोरिदमच्या मदतीने संदेशवहनासाठी एकंदर किती इष्टतम ऊर्जेची गरज आहे याचेही ऊर्जा स्रोताला सहज आकलन होते. हे अल्गोरिदम विषयक संशोधन व निष्कर्ष आयइइइ वायरलेस कम्युनिकेशन्स लेटर्स (IEEE Wireless Communications Letters) या नियतकालिकात प्रकाशित केले गेले आहे.

या प्रकल्पाला विज्ञान व तंत्रज्ञान विभाग (डीएसटी) आणि विज्ञान व अभियांत्रिकी संशोधन मंडळ (एसईआरबी), इनोव्हेशन इन सायन्स पर्सूट फॉर इन्स्पायर्ड रिसर्च (इन्स्पायर) फॅकल्टी फेलोशिप आणि अर्ली करिअर रिसर्च अवॉर्ड (ईसीआरए) भारत सरकार, तसेच ऑस्ट्रेलियन रिसर्च कौन्सिल डिस्कव्हरी अर्ली करिअर रिसर्चर अवॉर्ड (डीइसीआरए) या योजनांद्वारे अर्थसहाय्य केले गेले.

"प्रत्यक्ष प्रक्षेपण प्रणाली म्हणजे एक जटिल जाळे असते ज्यामध्ये भिन्न ऊर्जा प्राप्ती असलेले अनेक ग्राहक उपस्थित असतात. या ग्राहकांना संदेशांची व्यवस्थित देवाणघेवाण करण्यासाठी आवश्यक असलेली ऊर्जेची पातळी देखील निरनिराळी असते,” असे या अभ्यासाचे प्रमुख लेखक प्राध्यापक मंजेश हनवळ म्हणतात. अनिश्चित पर्यावरणामुळे,अल्गोरिदमला सक्षम करण्यासाठी क्रमाक्रमाने निर्णय घेणारी पद्धत त्यात वापरली जाते. असे केल्याने ऊर्जा प्राप्तीच्या स्थितीची पटकन खात्री केली जाऊ शकते व प्रणालीची ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारते, असेही त्यांनी सांगितले. याउलट पारंपारिक इष्टतमीकरण (ऑप्टिमायझेशन) तंत्रे चॅनेल स्टेट इन्फॉर्मेशनच्या मापदंडानुसार कार्य करत असल्याने त्यांना बरीच संगणन प्रक्रिया लागते.

या अडथळ्यावर मात करण्यासाठी, संशोधकांच्या गटाने मल्टी-आर्म्ड बॅंडिट तंत्र या अल्गोरिदममध्ये ऊर्जा इष्टतमीकरण करण्याची एक अनुक्रमिक पद्धत वापरली. ही पद्धत संदेशग्राहकाकडून येणाऱ्या फीडबॅक संकेताची यशस्वीरित्या उकल झाली आहे की नाही या माहितीचा उपयोग करते(होय/नाही स्थिती). या तंत्राचे जुगार स्वरूप खेळांच्या स्लॉट मशीन (गॅम्बलिंग डिवाईसेस) मधील तर्कांशी साधर्म्य आहे. अशा मशीन मध्ये एकापेक्षा जास्त लिव्हर (तरफ) असतात आणि त्यातून एक एक ओढायच्या असतात. कुठली लिव्हर ओढली आहे त्यावर नफा/तोटा ठरतो. दिलेल्या वेळेत आढावा घेऊन स्लॉट मशीन मधील सर्वोत्तम लिव्हर पारखण्यासारखी ही पद्धत आहे. प्रथम, खेळाडू वेगवेगळ्या लिव्हर ओढून पाहतो. कदाचित सुरुवातीला काही प्रमाणात तोटाही सोसावा लागतो. पण त्यानंतर, अनुक्रमे योग्य लिव्हर खेचून, खेळाडू एकूण बक्षीस वाढवणाऱ्या लिव्हर ओळखायला शिकतो.

नेमून दिलेल्या कालावधीत ऊर्जा प्रसारित करण्यासाठी ऊर्जास्रोत ग्राहकांची सुयोग्य ऊर्जा प्राप्तीची पातळी निवडतो. नोड्स या ऊर्जेचा वापर करून, तशी माहिती स्रोताकडे परत पाठवतात (फीडबॅक). जर नोड्सना पुरेशी ऊर्जा मिळाली, तर ते चटकन संदेशवहन करु शकतील, अन्यथा संदेशवहन होणार नाही. या अभ्यासाच्या आद्यलेखिका देबमिता घोष स्पष्ट करतात, "नोड्स ज्या प्रमाणात माहिती प्रसारित करू शकतात त्याचा थेट संबंध एकूण ऊर्जा प्राप्तीशी जोडला जाऊ शकतो."

पारंपारिक इष्टतमीकरण पद्धतींमध्ये, स्रोताची ऊर्जाशक्ती आणि त्याद्वारे माहिती प्रसारणाचा दर हे दोन्ही एकमेकांच्या समप्रमाणात असतात. तथापि, काही भौतिक मर्यादांमुळे ऊर्जाग्राहक अमर्याद काळासाठी ऊर्जा वापरू शकत नाहीत आणि माहिती मिळण्याचा दर देखील ठराविक पातळीला येऊन थांबतो. यामुळे काही माहिती प्रसारित होऊ शकत नाही - काही माहिती हरवते आणि नुकसान होते. या सर्व कारणांमुळे यंत्रणेच्या ऊर्जा कार्यक्षमतेशी तडजोड होते.

संशोधकांनी नोड्समधील केवळ माहिती प्रसारणाच्या दराऐवजी माहिती प्रसारणाचा दर प्रति ऊर्जा प्राप्तीएकक, म्हणजे बिट्स/सेकंद/जूल्स, असा विचारात घेतला. "यंत्रणेमध्ये अनेक नोड्स असू शकतात. म्हणून आम्ही सर्व नोड्सचा मिळून एकंदर माहिती प्रसारणाचा दर प्रति ऊर्जा एकक असे परिमाण म्हणून विचारात घेत आहोत," असे देबमिता घोष म्हणतात. ऊर्जा प्रसारित करण्यासाठी स्रोत ठराविक कालावधीमधील प्रसारणाची क्षमता तपासतात जेणेकरून प्रति एकक खर्च केलेल्या ऊर्जेच्या योगे जास्तीत जास्त बिट्स प्राप्त होतील, असे त्या पुढे सांगतात. शिवाय, प्रत्येक ऊर्जा पातळीला प्रती ऊर्जा एककासाठी जो माहिती प्रसारणाचा दर मिळाला असेल त्या सर्वांची सरासरी काढून ती संख्या म्हणजेच संदेशवहनाचा दर प्रती ऊर्जा एकक या गणिताची वरची मर्यादा म्हणून अल्गोरिदम ग्राह्य धरते. ज्या ऊर्जा पातळीला उच्चतम अंदाज मिळतो ती ऊर्जा पातळी वापरली जाते.

अशाप्रकारे, सर्वोत्तम ऊर्जा पातळी ठरवण्यासाठी सुरुवातीला ऊर्जेचे थोडेफार नुकसान झाले असले तरी एकूणच, या अनुक्रमिक शिकत शिकत निर्णय घेण्याच्या पद्धतीमुळे झालेले नुकसान भरून काढता येते. याव्यतिरिक्त, संशोधकांनी अल्गोरिदम आउटपुटची नक्कल करून हे सिद्ध केले की स्रोताला ऊर्जा इष्टतमीकरण करण्यास अल्गोरिदमद्वारे मदत होते, ज्यामुळे सध्या वापरात असलेल्या संगणन पद्धतींच्या तुलनेत प्रणालीची ऊर्जा कार्यक्षमता सुधारते.