零功耗物联网深度报告发布!(IoT重要演进方向、技术、挑战和应用)
作者 | 物联网智库2022-01-28

零功耗通信技术使用射频能量采集、反向散射和低功耗计算等关键技术,通过采集空间中的无线电波获得能量以驱动终端工作,因此零功耗通信有望实现免电池终端,满足超低功耗、极小尺寸和极低成本的物联网通信需求。

现有物联网技术如 MTC、NB-IoT 等技术虽然实现了物联网终端的低成本、低功耗和大连接,进而满足了众多场景下的物联网通信需求,但仍有较多的物联网通信场景需要超低功耗甚至零功耗、超低成本、极小尺寸等特性的物联网终端形态才能满足。

零功耗通信技术使用射频能量采集、反向散射和低功耗计算等关键技术,通过采集空间中的无线电波获得能量以驱动终端工作,因此零功耗通信终端可不使用常规电池。进一步地,零功耗通信技术还可采用反向散射和低功耗计算技术使得终端实现极其简单的射频和基带电路结构,从而极大降低了终端的成本、尺寸和电路能量功耗。因此,零功耗通信有望实现免电池终端,满足超低功耗、极小尺寸和极低成本的物联网通信需求。

相对于现有的 MTC、NB-IoT 以及 RedCap 等技术,零功耗通信在终端的功耗、终端尺寸以及终端成本等方面优势尽显。例如,从功耗上有望将终端功耗从 NB-IoT 终端的数十毫瓦降低至几十微瓦甚至数微瓦;从成本上有望将终端通信模组成本从上述技术中最便宜的 NB-IoT 终端的十几元降低至 1 元甚至更低。

因此,基于上述与其他物联网技术明显的差异化特性,零功耗通信技术有望成为下一代物联网技术的重要候选技术,实现与现有物联网通信技术的良好互补,从而满足多层次多维度的物联网通信需求。

本文将推荐OPPO的报告《零功耗通信》,揭秘零功耗通信的概念、技术原理和总体架构、关键技术和挑战,以及与6G关键技术的融合。如果想要收藏本文的报告,可以在关注物联网智库(公众号:iot101),并在后台回复关键词“无源物联网001”获取。

零功耗通信趋势明显自供电“黑科技”解析

零功耗设备主要结合射频能量采集技术、反向散射技术和低功耗运算技术,以实现设备节点不携带供电电池的优势。终端通过能量采集方式获得驱动自身工作的能量。采用低功耗计算和反向散射技术实现信号的解调和调制。

零功耗通信基本原理图

零功耗通信基本原理图

其中,射频能量采集的核心是将射频能量转化为直流,能量可以存储在储能单元(如电容)里,也可以采集后直接用于驱动逻辑电路、数字芯片或传感器件等,完成对反向散射信号的调制和发射以及传感信息的采集与处理等功能。

射频能量采集

射频能量采集的基本原理是通过电磁感应实现对空间电磁波能量的采集。射频能量采集的本质就是将射频能量转化为直流电压(RF-DC)。应用于零功耗通信中,射频采集能量的核心需求是将采集到的能量有效地用于对负载电路的驱动(低功耗运算、传感器等),以实现免电池的通信。

能量采集电路一半波整流器/能量采集电路一单级电压倍增器

输入功率与能量转换效率的关系图

射频能量采集电路的研究经历了很多年的发展探索,提升效率一直是电路设计中最关注的问题。从射频能量到直流电源的转换,不同电路设计和工艺对效率的影响较大。整流器的恰当使用可以让射频能量更好地转化为稳定的直流电压(RF-DC),而一般输出电压较低时还需要进一步地直流转换升压(DC-DC),以产生可供驱动数字逻辑电路的电压水平。电压调节器和电压监控器也是常用到帮助升压和稳压的器件,常使用级联二极管 - 电容器的方式将电压升至可用水平。基于二极管的整流电路(diode-based rectififier circuits)是最基本的能量采集方法。采用分离式器件和 CMOS 工艺的设备对射频输入功率的要求差别很大。CMOS 工艺的定制电子设备与微控制器或其他外部数字设备相比,往往效率更高、工作电压更低,所以输入信号的能量可以做到 -20dBm 甚至更好。

典型的能量采集电路包括:半波整流器、单并联整流天线、单级电压倍增器、
Cockcroft-Walton/Greinacher 电荷泵、Dickson 电荷泵和改进的 Cockcroft-walton/greinacher 电荷泵。

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能量采集电路一半波整流器/能量采集电路一单级电压倍增器

反向散射

反向散射技术是一种无需有源发射机而实现信号传输与编码的无线技术。类似于雷达原理,电磁波在到达物体表面时有一部分会被反射,被反射信号的强弱取决于此物体的形状,材 质 与 距 离,从 雷 达 的 角 度 讲 每 个 物 体 有 其 雷 达 截 面(RCS, Radar Cross-Section),标签(tag)通过改变其 RCS 实现对反射信号的调制。反向散射发射机调制接收到的 RF 信号以传输数据,而无须自己生成 RF 信号。

最近,环境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication,AmBC)已经成为使能低功耗通信的一项更有前途的技术,它可以有效地解决传统反向散射通信系统中的上述局限性使得 AmBC 技术在实际应用中得到更广泛采用。

环境反向散射通信系统一般包括三个部分:环境射频源(ambient radio-frequency (RF) source)、反向散射设备( backscatter device (BD))和读写器(reader)。在环境反向散射通信系统中,反向散射设备可以通过利用从环境 RF 源(例如电视塔、FM 塔、蜂窝基站和 Wi-Fi 接入点 (AP))广播的无线信号来相互通信。进一步地,通过分离载波发射器和反向散射接收器,反向散射设备的 RF 组件数量被最小化,并且设备可以主动运行,即反向散射发射器可以在从 RF 源采集足够能量时无需接收机启动即可发送数据。

AmBC系统示意图

AmBC系统示意图

零功耗设备(如反向散射标签)接收读写器发送的载波信号,通过 RF 能量采集模块采集能量,用于低功耗处理模块的供能。获取能量后,反向散射标签驱动相应电路对来波信号进行调制,并进行反向散射。

反向散射通信原理图

反向散射通信原理图

低功耗计算

零功耗通信技术的主要特点是通过调制来波信号实现反向散射通信,同时它还可以通过能量采集获得能量以驱动数字逻辑电路或芯片(如 MCU(Microcontroller Unit,微控制单元)或传感器芯片),实现对信号的编码,加密或简单计算等功能。

射频能量的转化效率往往不足 10%,决定了驱动数字逻辑电路或芯片用于计算的功耗要求不能太高。虽然随着工艺的改进和设计的优化有所提高,每微焦耳能量可使用于计算的次数增多,但是仍不能满足复杂的计算。

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计算能力向低功耗方向发展

针对不同的应用场景,零功耗通信可采用不同的工作频段。针对不同的通信需求,可以采用不同的网络部署形态。零功耗通信的部署也应考虑与现有通信系统的共存。

在部署零功耗通信系统时,需要考虑采用合适的通信频段。总体而言,零功耗通信可以使用非授权频段和授权频段。使用非授权频段工作,频谱资源在满足规范要求的情况下可以自由灵活使用,因此可以降低运营成本,扩展零功耗通信系统的应用。而使用授权频段工作,可以充分利用现有运营商的频谱资源,规范允许的授权频段上的系统发射功率较高,因此有利于实现蜂窝覆盖以及相对较远距离覆盖。运营商可以合理规划授权频段的使用,从而避免其他系统与零功耗系统之间的干扰,因而有利于构建相对可靠的零功耗通信网络。因此,在设计零功耗通信网络时,非授权频段和授权频段都需要考虑。

与传统通信一样,零功耗通信网络的网络覆盖受限于网络设备发射功率、工作频段、设备天线增益以及设备接收机灵敏度等多方面的影响。此外,特别需要指出的是,零功耗通信网络的覆盖与无线供能信号的功率水平密切相关。

零功耗通信利用终端获得的外部能源驱动终端进行工作。因此为了支持零功耗通信,网络设备首先需要为零功耗终端提供无线供能功能,进一步地,为了适配零功耗终端极简的硬件结构和极低的处理复杂度,还需要分析零功耗终端数据传输的挑战,包括潜在的调制方式、编码方式、多址方式和资源分配与时钟同步等方面。对无线供能的依赖以及终端极简的软硬件结构也要求支持轻量化的协议栈和轻量化的安全机制。最后,零功耗通信业对网络架构也提出新的需求,需要适配零功耗通信的简化网络架构。

5G技术方兴未艾,6G技术已然来到。目前多种6G候选通信技术已经得到产业界的广泛关注。零功耗通信作为一种新型通信技术,有望与其他6G候选技术深入融合,从而构建绿色节能、智能高效的下一代移动通信网络。

零功耗通信需求迸发典型场景揭秘

零功耗通信的突出技术优势是免电池通信。由于使用射频能量采集、反向散射和低功耗计算等关键技术,终端可以做到免电池,支持极低硬件复杂度,因此零功耗通信能够满足超低功耗、极小尺寸和极低成本的需求。可以预见,零功耗技术在广泛的应用领域将具有显著的应用优势。例如面向垂直行业的工业传感器网络、智能交通、智慧物流、智能仓储、智慧农业、智慧城市、能源领域等应用以及面向个人消费者的智能穿戴、智能家居以及医疗护理等方面的应用。

工业传感网

工业传感网(IWSN, Industrial Wireless Sensor Network)的应用范围非常广泛,包括建筑自动化、工业过程自动化、电力设施自动化、自动抄表和库存管理、环境传感、安全、生产线监控等。应用场景中往往会部署大量的传感器节点,这些节点用于温度、湿度、振动监测、生产线监测、工业自动化和数值化管理、危险事件监测等方面。紧凑、低成本的传感器设备是实现 IWSN 大规模部署的关键,为了应对技术挑战并满足各种 IWSN应用的需求,需要遵循低成本、小传感器节点的设计目标。

零功耗技术在工业传感网中的应用示例

零功耗技术在工业传感网中的应用示例

鉴于前述零功耗通信终端所具有的超低功耗、极小尺寸和极低成本的优点,零功耗通信在 IWSN 场景下将具有广泛的应用潜力。特别需要指出的是,零功耗终端免电池通信的特点,也可使得零功耗通信拓展到传统的物联网通信技术无法涉及的应用场景。例如,在某些 IWSN 应用中,工业传感器节点可能部署在恶劣的环境和特殊的位置空间,甚至是在极端危险环境中进行部署(例如高 / 低温、移动或旋转部件、高振动条件、高湿度环境等)。在这些应用场景下,一方面受限于工作环境,普通电池终端可能无法正常工作(受限于电池的理化特性对工作环境的要求)。另一方面使用传统电源终端时高昂的网络维护成本或工作环境的限制使得网络维护无法执行,因此使用常规电池终端无法满足这类应用场景下的使用需求。

在 IWSN 中应用零功耗通信技术,借助于能量采集和反向散射等技术,传感器节点可以做到免电池、超低功耗,这将极大程度解决传感器节点的生命周期问题,大大延长使用寿命。同时零功耗通信的免电池特性,也将大大降低传感器节点的维护成本甚至做到免维护。

因此,将零功耗通信技术与 IWSN 结合,能够极大的拓展工业传感网络的应用场景,增加传感器节点使用时间,降低部署、维护成本。

物流和仓储

物流是商品流通供应链中非常重要的环节,在国民经济中占据重要地位 , 而仓储

是现代物流的核心环节。在物流和仓储应用场景中,大量的包装 / 货物需要频繁的在物流站或仓库 ( 数万平方米 )进行转移、储存、装卸和盘存。伴随着仓库订货、货物入库、货物管理和货物出库的发生,会产生大量的仓储信息,这些信息一般具有数据读取操作频繁、数据量大等特点。

智慧物流和智慧仓储中的零功耗应用

智慧物流和智慧仓储中的零功耗应用

为了对物流包裹 / 货物进行数字化信息管理,提升物流和仓储的管理效率,通常需要将通信终端标识贴在包裹/货物的包装表面用于物流信息的获取和物流全流程管理。因此,小巧的终端尺寸更加有利于行业应用。同时,由于货物的数目巨大以及考虑使用的经济性和竞争力,快递或仓库供应商只能接受极低成本的通信终端。

零功耗设备本身具有成本极低、体积小、免维护、耐用、寿命长等特点。在物流和仓储中,利用零功耗设备来记录、保存、更新货物的信息,构建基于零功耗物联网的物流、仓储系统,能够进一步降低运营成本,显著提高物流和仓储管理的效率,有助于智慧物流和智慧仓储的实现。

智能家居

智能家居以住宅为平台,通过物联网将家中的各种设备连接到一起,构建高效的宜居系统,智能家居利用家电的自动控制、照明控制、温度控制、防盗和报警控制等多种功能和手段,使家居环境更加安全、便利、舒适。智能家居中的传感器和小型设备可以基于反向散射技术来进行通信。

零功耗技术在智能家居中的应用

零功耗技术在智能家居中的应用

零功耗通信可以实现免电池,不需要充电,能够极大增加智能家居中相应设备的使用时间,降低维护成本。同时由于其超低成本、极小体积、可清洗、灵活 / 折叠的外形因素等特点,可以在智能家居中非常灵活的进行部署,例如嵌在墙壁、天花板和家具中,或者贴在钥匙、护照、衣服、鞋子上。基于上述优点,零功耗通信能够扩展智能家居场景的应用,对智能家居领域有着极大吸引力。

智能可穿戴

智能可穿戴场景以消费者为中心,通过物联网技术将消费者所穿戴的各种设备进行无线连接,在多个领域中(例如健康监测、活动识别、辅助生活、移动感知、智能服装、室内定位等)均得到了应用。目前主流的产品形态有以手腕为支撑的手表类(包括手表和腕带等产品),以脚为支撑的鞋子类(包括鞋、袜子或者将来的其他腿上佩戴产品),以头部为支撑的眼镜类(包括眼镜、头盔、头带等)。此外还有智能服装、书包、拐杖、配饰等各类非主流产品形态。

零功耗技术在可穿戴领域中的应用

零功耗技术在可穿戴领域中的应用

由电池驱动的智能可穿戴设备,续航时间往往比较短。如果开启更多功能,耗电量会进一步增加,使用者往往需要频繁的进行充电才能保证设备的正常使用。这将极大程度上影响用户的使用体验。

零功耗物联网终端具有极低成本、极小体积、极低功耗(免电池)、柔性可折叠、可水洗等优良的特性,特别适合智能可穿戴场景,易于为消费者相关行业(如幼儿园,服装厂等)所接受。一方面,零功耗设备通过能量采集的方式获取能量,不需要电池,这将从根本上解决智能可穿戴设备需要频繁充电的问题;另一方面,零功耗设备成本低,体积小,并且材质柔软,可水洗可折叠,极大的提升了佩戴的舒适度和用户体验。

医疗健康

医疗健康领域涉及病患信息管理、健康数据监测和管理、医疗急救管理、药品存储、血液信息管理、药品制剂防误、医疗器械与药品追溯、信息共享互联等方方面面。在就医过程中,需要确保病人使用正确的药物、正确的剂量、在正确的时间使用正确的用药方法,同时临床医疗过程中需要全程高质量的监控及管理。

零功耗技术在医疗健康领域中的应用

零功耗技术在医疗健康领域中的应用

零功耗物联网终端具有极低成本、极小体积、极低功耗(免电池)、柔性可折叠、可水洗等优良的特性,能够帮助医院实现对人的智能化医疗和对物的智能化管理工作,支持医院内部医疗信息、设备信息、药品信息、人员信息、管理信息的数字化采集、处理、存储、传输、共享等。此外,零功耗技术的优良特性使得体内通信、植入治疗等成为可能,业界在基于反向散射的体内通信上也有相关研究。

智库总结:在物联网的推进过程中,“无源化”一定会是一个重要的演进方向,无论是基于蓝牙、WiFi、Lora,还是基于蜂窝的NB-IoT,甚至5G/6G,都与之产生了交集。但目前相关技术还并不成熟,接下来可能会经过百家争鸣阶段,随着商用落地,部分技术会形成事实标准,在此之后推动无源物联网规模快速扩展。从目前看,无源物联网发展还是非常分散,正如LPWAN发展历程一样,这一过程也需要很长时间,建立产业生态更为关键。


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