零功耗通信
零功耗通信 1.引言 历经10余年发展，3GPP标准化了多项物联网技术，实现了低成本、低功耗、大连接以及深覆盖的设计目标，较好满足了多样化的物联网通信场景需求。然而，仍有较多的物联网通信场景需要超低功耗甚至零能耗、超低成本、极小尺寸等特性的物联网终端形态。零功耗通信借助于能量采集、反向散射以及低功耗计算，可满足这些新的物联网通信需求。鉴于其优良特性，零功耗通信有望发展成为下一代物联网技术。 1.1物联网发展现状 自20世纪90年代以来，移动通信技术蓬勃发展。数字移动通信经历2G、3G、4G一直到当前的5G，很好的满足了人们在语音通信、数字移动通信和移动宽带互联网通信等方面的需求。然而，随着社会和经济的发展，物联网通信需求逐渐兴起。从2010年开始，满足物联网相关的技术与标准逐步得以发展。其中，3GPP （3rdGenerationPartnershipProject，第三代移动通信标准化组织）标准化了MTC（MachineTypeCommunications，机器类通信）、NB-IoT（NarrowBandIoT，窄带物联网）和RedCap（ReducedCapabilityUE，缩减能力终端）等一系列的物联网技术。MTC、NB-IoT采用小带宽、单天线、降低峰值速率、半双工、降低发射功率等技术显著降低了物联网终端的成本。进一步地，通过引入eDRX （enhancedDiscontinuousReception，增强的非连续接收）、PSM（PowerSavingMode，节能模式）极大降低了物联网终端的功耗。同时，MTC、NB-IoT可以支持大量物联网终端接入网络，从而满足大连接的需求。 其中，NB-IoT是一种低功耗广域网技术，具有低成本、低功耗、强覆盖、大连接4大关键特点。它在很大程度上基于非后向兼容的E-UTRA来制定，其覆盖目标是MCL为164dB，大大增强了室内覆盖，而且能支持大量低吞吐量、低延迟敏感度的设备。NB-IoT支持带内工作、独立工作、保护带工作三种工作模式，其上下行射频带宽都是180kHz，下行采用基于15kHz子载波间隔的OFDMA技 术，上行采用SC-FDMA技术，且支持单子载波（single-tone）和多子载波 （multi-tone）发送。增强版本的NB-IoT能支持多载波、定位、多播、唤醒信号、快速小数据传输等丰富功能，并能与LTE和NR系统共存。 eMTC是LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）的增强版本，是基于LTE演进的物联网技术。它也是一种低成本、低功耗的广域网技术。相比NB-IoT，eMTC覆盖能力略弱，目标是MCL156dB，但可以支持更高的传输速率、一定的移动性和语音业务。eMTC的上下行射频带宽都是1.4MHz，能支持最大1Mbps的峰值速率。 RedCap，全称ReducedCapability，它是基于5GNR的一种新技术标准，简单的说，RedCap就是轻量级的5G。在5G需求所描述的大规模工业无线传感器网络（IWSN）用例中，不仅包括要求非常高的URLLC服务，还要求设备外形尺寸较小、支持完全无线传输以及电池寿命数年的相对低端应用。这些应用的要求高于LPWA（即LTE-M/NB-IOT），但低于URLCC和eMBB。此外，5G需求的智能城市场景中的监控摄像机，以及以智能手表、电子健康相关设备和医疗监控设备为代表的可穿戴设备用例等，也都存在设备体积小、功能简化、且需要连接到5G无线接入网和核心网的特点，迫切需要引入更低成本的简化5GNR终端。为此5GNR在R17版本引入NRRedcap议题，预计2022年中可以完成所有标准化内容。 近些年来，基于NB-IoT和eMTC技术的物联网已得到广泛测试和商用，如智能电网、智慧停车、智能交通运输/物流、智慧能源管理系统等，涉及智慧城市、智慧家庭、智慧工厂等众多垂直领域，快速推动了传统行业的升级改造。 图1.1-1智慧停车场示意图图1.1-2智能电网系统示意图 如图1.1-1所示，智慧停车系统可以满足地下场景的深覆盖需求，基于多种类型传感器，可实现停车位查找、车场状况监控、分区信息显示等多种功能。如上图1.1-2所示，在智能电网系统中，可以实现智能抄表、自主故障上报等等功能。 基于eMTC技术的物联网系统则可以实现车辆跟踪，物品跟踪等等，因而可应用于交通运输/物流行业，共享单车行业等。如下图1.1-3所示： 图1.1-3智慧物流系统示意图 1.2未满足的物联网通信需求 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，但仍有很多场景下的物联网通信需求无法使用现有技术得到满足，例如： 严苛的通信环境 某些物联网场景，可能面临高温、极低温、高湿、高压、高辐射或高速运动等极端环境。如超高压电站、高速运动的列车车轨监测、高寒地带环境监测、工业产线等。在这些场景中，受限于常规电源的工作环境限制，现有物联网终端将无法工作。另外，极端的工作环境也不利于物联网的维护，如更换电池。 极小尺寸的终端形态需求 某些物联网通信场景，如食品溯源、商品流通以及智能可穿戴等要求终端具备极小的尺寸以方便在这些场景下使用。例如，用于流通环节上商品管理的物联网终端通常使用电子标签的形式，以非常小巧的形态嵌入到商品包装。再例如，轻巧的可穿戴设备可以在满足用户需求的同时提升用户使用体验。 极低成本的物联网通信需求 众多的物联网通信场景要求物联网终端的成本足够低廉，从而提升相对于其他可替代的技术的竞争力。如物流或仓储场景，为了便于管理大量流通的物品，可以将物联网终端附着在每一件物品上，从而通过该终端与物流网络之间的通信完成物流全过程、全周期的精确管理。这些场景要求物联网终端价格具备足够竞争力。 因此，以上述场景为代表的物联网通信场景要求支持具备免电池、超低功耗、极小尺寸和极低成本的物联网通信终端。现有的物联网通信技术还难以满足这些需求，如何解决这些未满足的物联网通信需求，更好服务经济与社会发展，是一个值得探讨和研究的问题。 1.3零功耗通信的技术定位与发展愿景 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。零功耗通信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，可采用反向散射和低功耗计算技术使得零功耗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终端成本、终端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。正是基于终端免电池的优良特性，我们称之为零功耗终端，对应的通信过程称之为零功耗通信。 图1.3-1物联网技术对比 如图1.3-1所示，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将具有显著优势。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。 图1.3-2物联网技术发展路线 综上，零功耗通信将致力于满足现有的物联网通信技术仍无法满足的通信场景，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。 2.零功耗通信的典型应用场景 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。本节我们将选取其中部分典型场景说明零功耗通信在这些领域的应用潜力。 2.1工业传感网 工业传感网（IWSN,IndustrialWirelessSensorNetwork）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等、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。 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。一些典型用例如下: 轮胎管理：在轮胎中嵌入零功耗标签（或搭载相应传感器），利用标签收集和记录轮胎的基本信息[1](如轮胎气压、轮胎寿命、品牌、工厂等)，便于轮胎的生产、售后和使用管理。使用零功耗终端的显著优势是可以做到在不破坏轮胎、不移除轮胎的情况下进行数据收集和记录。 铁路轨道测量：在铁轨下部署零功耗设备[2]，配备相应的传感器，用来进行铁路轨道诸如压力、温度和其他信息的监测和采集。 环境信息采集：在一些特殊环境（例如高温、高压、极寒、辐射等）下进行信息收集。例如特高压电站、变电站等应用环境。 图2.1-1零功耗技术在工业传感网中的应用示例工业传感器网络场景下的典型需求如下： 终端需求： 零功耗物联网终端形态为电子标签，可集成存储器用于数据存取或传感器用于传感信息采集。由于一般是大规模应用（每个资产或者设备都会贴一个标签），其成本、功耗都需要重点考虑。 -标签功耗：终端功耗小于1mw，无源免电池，免维护。 -工作环境：能够匹配特殊环境，在高温、高压、极寒、辐射等特殊环境 下正常工作； -标签体积：极小体积，便于大规模应用； -通信距离：能够支持数十米到数百米范围的通信； -标签类型：纸质标签和抗金属标签。 网络需求： -基于蜂窝网基础设施，灵活部署：网络设备可部署于室外杆站，室内同DIS（DigitalIndoorSystem，室内数字系统）站间距部署，提供基础覆盖；可按需部署补盲或扩展覆盖； -覆盖要求：单站的覆盖距离要求（室内>30m室外>100m）； -网络安全：基于授权的标签读取，保护隐私和数据安全； -连接需求：支持足够的系统容量，支持大量终端的数据读取。 2.2物流和仓储 随着中国经济的持续稳定发展，经济体量越来越大，随之而来的便是物流规模的进一步扩大。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
