近零功耗物聯網及其關鍵技術研究

盧寧寧，張海鵬，楊 悅，翟立君，劉 允，宋瑞良

(中國電子科技集團公司第五十四研究所 北京研發中心,北京 100070)

0 引言

隨著智慧城市、智慧農業、智慧醫療及智能可穿戴等概念的提出，物聯網越來越多地應用在社會生活中，是國內外重點發展的產業之一。微型智能嵌入模塊(物端節點)是物聯網的必要組成部分,屬于物聯網的感知層，處于物聯網拓撲結構的末端，一般嵌入到人體或物體中使用，充當客觀事物的感知器官和執行器官，是實現智慧網絡、構建網絡智能的關鍵一環。預計到2022年，全世界將有120億個微型智能嵌入模塊連接到互聯網[1]。

在物聯網中，供電有限、功耗過大及補能困難等問題一直沒有得到妥善解決，使得物端節點的生存期有限，嚴重制約微型智能嵌入模塊在更廣范圍、更多領域的應用。

本文提出了近零功耗物聯網的概念，旨在摒棄傳統的電池供電方式，將客觀環境中固有的電磁信號及電磁干擾等微能量轉化為直流功率，驅動物端節點的正常運轉；同時將物端節點的聯網功耗降低2～3個數量級，使其處于幾十微瓦水平，與環境電磁波提供的微弱能量供給相匹配，從而實現無需人工維護、可持續運轉的近零功耗無線智慧網絡。

近零功耗物聯網可以廣泛地應用于人類的社會活動： ① 可用于構建無需人工維護、長時間穩定運行的智慧物聯網絡，更好地滿足智慧城市、智慧農業、工業制造、環境監測及安全監控等需求；② 可為低功耗醫療設備、人體植入設備提供能源供給和通信網絡服務，不僅能夠維持它們的長期工作，而且還可以將它們組織成一個無線個域網；③ 可為智能可穿戴設備，以及智能手表、助聽器等低功耗移動設備提供無線充電和通信網絡服務。

1 問題分析

物端節點面臨的供電有限、功耗過大及補能困難等問題，嚴重制約著物聯網的發展。

1.1 供電有限

物端節點一般采用電池供電，電池的發展速度非常緩慢。由圖1可知，電池的能量密度在20年的時間里僅增長了4倍(每隔10年翻一番)，遠遠低于半導體的發展速度(摩爾定律)[2]。由于物端節點的體積較小，在電池能量密度沒有得到本質提升的前提下，其攜帶的電池能夠供給的電量非常有限。普通堿性電池的容量僅為1 200 mAh@1.5 V，約6.48 kJ。

圖1 鋰電池的能量密度

1.2 功耗過大

物端節點一般由傳感器、微處理器及無線收發信機等幾部分組成，每一部分都需要消耗電能，尤以無線收發信機的功率消耗以及待機狀態的功率消耗最為可觀，如圖2所示。

圖2 物端節點各部分的功率消耗

表1給出了ZigBee，Bluetooth，LoRa，NB-IoT等物聯網通信芯片的功耗情況，可見無線收發信機的發送功耗和接收功耗一般處于幾十毫瓦的水平，LoRa芯片的發送功耗甚至能夠達到349 mW[3-6]。相對物端節點攜帶的電池而言，幾十毫瓦的功率消耗顯得過大。以表1中功耗最低的CC2630為例，其發送功耗為19.3 mW，假設物端節點的數據采集頻率為10次/s，最短幀長為33 Byte，那么2塊1 200 mAh@1.5 V電池最多堅持70天。考慮到多節點組網時的接收功耗，以及節點待機時執行信道監聽操作產生的功耗，電池會在更短的時間內耗盡。

表1 常見物聯網通信芯片的收發功耗(均為貨架產品)

協議芯片型號發送功耗/mW接收功耗/mWZigBeeCC263019.317.7低功耗藍牙PAN1326C6834LoRaCMWX1ZZABZ349.875.9NB-IoTNLSWLTEQBG96≥216

在工程實踐上，通過犧牲實時性，換取更長的工作時間。有報道表明，將數據采集頻率降低到24小時/次，NB-IoT模塊(采用AA電池)的待機時間能夠達到10年。但是這種方法會嚴重限制物端節點的應用范圍。例如，載人航天中某些傳感器的數據采集頻率能夠達到30次/s，在智慧農業等應用中，傳感器采集數據的時間間隔也不會超過幾十分鐘。

1.3 補能困難

可以通過更換電池等方法，為微型智能嵌入模塊補充電能，只是開銷很大。一方面，由于物端節點數量較多，分布地域較廣，更換電池會帶來巨大的人力開銷。專家預計，未來物端節點的部署密度有可能達到1 000 000/km2。以北京市為例，至少需要部署4億個物端節點，如果每個節點每隔70天(約2.4個月)更換一次電池，那么網絡維護將成為一項不可能完成的工作。另一方面，考慮到物端節點還有可能被部署到人體內部、高空、高寒、高輻射、叢林、島礁及建筑物內部等特殊位置，更換電池更不現實[7]。

為了解決上述問題，國內外的研究人員先后提出了一系列的技術方案，可以將這些方案劃分為2類。① 低功耗技術：主要通過能量管理、輕量化協議設計，降低物端節點的能量消耗，例如DVS[8]，DPM[9]，S-MAC[10]，T-MAC[11]等；② 傳統自供電技術：將環境中存在的某種能量(如光、熱、風等)轉化為電能，為物端節點提供電力供給，例如，基于太陽能的微型智能嵌入模塊[12]等。但這2種方案各有不足：低功耗技術并沒有從根本上解決物端節點生存期有限的問題，只是在一定程度上延長了物端節點的工作時間；雖然傳統自供電技術能夠將光、風等能量形式轉化為電能，但是這種轉化會受到較多的制約。例如，基于太陽光供電的物端節點，只有在白天、日光可見的地域才能獲得電能；基于風能供電的物端節點，由于必須安裝風扇，節點的總體尺寸不會太小，嚴重限制了它的使用范圍。

2 系統架構

圖3給出了近零功耗物聯網的系統架構，主要由能量源、物端節點和接入網關組成。能量源向外輻射電磁信號，信息交互在物端節點和接入網關之間進行。

圖3 近零功耗物聯網系統架構

2.1 能量源

主要包括2種能量源：① 環境中可以向外輻射電磁波的設備，如電視信號塔、蜂窩網中的基站、WIFI路由器、雷達信號、低軌衛星及高軌衛星等；② 在特殊情況下(如外太空基地及飛行器內部等)，還可以人為布置射頻源，為微型智能嵌入模塊提供電力供給。

由于電磁信號廣泛地存在于人類活動的絕大部分時間和空間中，并且電磁能量拾取技術以電路或芯片的方式實現，易于集成，因此非常適合用來為物端節點補充能量。

2.2 物端節點

物端節點具備三方面的能力：① 將環境中的電磁波轉化為直流功率，為節點提供微弱但源源不斷的能量供給；② 利用轉化得到的微弱供電，實現超低功耗點到點無線通信功能；③ 利用轉化得到的微弱供電，實現超低功耗動態組網功能，通過多個物端節點之間的協同工作，實現感知、監控及偵察等復雜任務，達到“個體簡單、整體智能”的目標。

2.3 接入網關

接入網關負責接收物端節點發送的數據，以圖形等直觀方式進行展示，或者對接收到的數據，執行封裝處理及協議轉化等操作，通過互聯網發送給遠方云端。

3 關鍵技術

近零功耗物聯網主要涉及電磁能量高效拾取和超低功耗無線通信組網2項關鍵技術。

3.1 電磁能量高效拾取技術

3.1.1 基本電路

使用電磁能量拾取技術將環境中固有的電磁信號、電磁干擾轉化為直流功率，為物端節點提供電能。圖4給出了電磁能量拾取的基本電路，主要由接收天線、阻抗匹配單元、RF/DC整流器和負載組成。其技術特征包括：① 由于采用阻抗匹配，允許相對獨立的天線和整流器設計。RF/DC整流器除了實現整流功能之外，還需提高輸出電壓，因而多采用電壓倍增電路，如圖5所示的Dickson倍壓電路；② 相對其他電路結構，由于圖4所示方案具有系統簡單、成本低廉及入射功率靈敏度較高等優勢，因此特別適用于低輸入功率的場景。

圖4 電磁能量拾取技術基本電路

圖5 Dickson倍壓電路

3.1.2 熱點問題

對于電磁能量拾取技術，當前的研究熱點主要表現在以下三方面：

① 射頻輸入功率、倍壓電路級數、二極管正向偏置電壓、二極管反向恢復時間以及負載阻抗都會對電磁能量拾取效率(定義為η=PowerDC/PowerRF，其中，PowerRF為射頻輸入功率，PowerDC為直流輸出功率)產生極大的影響，高效的電磁能量拾取技術必然是各種電路參數綜合權衡的結果，這需要開展大量的仿真實驗，發現其內在的數理模型和依賴關系。

② 環境輻射功率變化范圍較大，其低值在-100 dBm以下，高值超過-20 dBm，甚至達到0 dBm以上。對于電磁能量拾取技術，當入射功率值較低時，二極管的正向偏置電壓對能量轉化效率的影響最大；當入射功率值較高時，二極管的反向擊穿電壓對能量轉化效率的影響最大，2種情況分別表現出不同的工作機理，因此需要針對電路結構開展創新性研究工作，使得環境輻射功率在較大范圍變化時，一直能夠保持較高的能量轉化效率。

③ 輻射功率值較高的頻段是電磁能量拾取技術關注的重點，在不同的時間段和不同的地理區域，重點頻段也不同。由于物端節點的部署位置不能提前預知，因此如何適應復雜多變的客觀情況，使得物端節點總能從更多的重點頻段中拾取能量，需要開展大量的探索性研究。

3.1.3 研究現狀

從器件選擇和電路結構2個維度歸納總結現有電磁能量拾取技術。

(1) 器件選擇

整流二極管是電磁能量拾取電路中的核心器件，現有電磁能量拾取技術大多選擇使用CMOS，HSMS，SMS三種類型的整流二極管，其中CMOS整流二極管和HSMS整流二極管更為主流。① CMOS類電磁能量拾取技術，對入射功率的要求較低，即使在入射功率僅為-32 dBm的情況下，仍然能夠獲得1 V的輸出電壓[13]；但是其能量轉換效率相對較低，最大值不超過60%[14-15]，一般處于10%～30%的水平。② HSMS類電磁能量拾取技術，對入射功率的要求同CMOS類方案相似，最低值為-30 dBm[16]；其能量轉換效率相對較高，最大值可達70%，一般可達25%以上[17]，但其動態范圍不大，在20 dB左右。③ SMS類電磁能量拾取技術，僅在入射功率較高的情況下有效，例如，在40 dBm的入射功率下，能夠產生30 V的電壓[18]，不適于低入射功率應用場景。

為了獲得更高的靈敏度和電磁能量轉化效率，目前學術界更傾向于選擇使用HSMS整流二極管構建電磁能量拾取電路，常見的包括HSMS-285X，HSMS-282X，HSMS-286X等。

(2)電路結構

在電路結構方面，可以將現有電磁能量拾取技術劃分為單頻帶和多頻帶2類。

① 單頻帶電磁能量拾取技術：僅能從特定頻帶的電磁波中拾取電磁能量。例如，文獻[19]針對的頻帶為450 MHz，文獻[20]針對的頻帶為900 MHz，文獻[21]針對的頻帶為970 MHz，文獻[22]針對的頻帶為2.4 GHz，文獻[23]針對的頻帶為900 MHz。

② 多頻帶電磁能量拾取技術：能夠同時從多個頻帶的電磁波中拾取電磁能量。例如，文獻[24]提出了一種基于天線陣的電磁能量拾取技術，能夠從較大的頻帶范圍內采集電磁能量，但是隨著頻帶寬度的增加，天線陣列和整流電路之間的阻抗匹配效果，逐步降低，能量轉化效率相對較低；文獻[25]設計了一種可調諧的電磁能量拾取技術，在電路結構中包含了2個可調電容。在使用時，可以根據不同頻帶內電磁信號的強弱，調整這2個電容的取值，以選擇環境電磁波入射功率水平較高的頻段，相比電磁能量寬帶拾取技術，能量轉化效率較高，但是冷啟動問題制約著可調電磁能量拾取技術的實際應用。文獻[26]構建一種多頻帶電磁能量拾取技術，整個電路包含多個支路，每個支路都由天線、匹配網絡、倍壓電路及能量存儲等單元組成。每個支路對應一個頻段，不同頻段間相互正交。雖然該技術可以同時從多個頻段采集電磁能量，但是需要同時部署多個天線，增大了設備尺寸和系統復雜性，不利于實際應用。

考慮到不同頻段電磁信號的強弱、有無，會隨著物端節點部署位置及周邊地理環境的不同而不同，多頻帶電磁能量拾取是未來技術探索的主流方向。

目前，中國電子科技集團公司第五十四研究所正在圍繞該方向開展創新研究，設計了一種單天線多頻段電磁能量高效拾取技術，包括大動態高效率微波整流電路以及多頻段電磁信號復合利用等核心內容，通過全新的電路結構設計和電路參數優化，能夠支持基于多頻段電磁信號(主要包括500，900，1 800 MHz等電磁能量豐富的頻段)環境自主補能，電磁能量轉化效率的高值在50%以上，低值不小于30%。

3.2 超低功耗通信組網技術

由于電磁能量拾取技術能夠提供的能量供給非常微弱，一般處于幾十微瓦到幾百微瓦的水平，由表1可知，傳統的通信網絡技術(例如，ZigBee，Bluetooth，LoRa，NB-IoT等)在這樣的供電條件下不能工作。因此需要設計全新的無線通信組網技術，使其功率消耗降低2～3個數量級，處于幾十微瓦水平，同電磁能量拾取技術能夠提供的直流功率相匹配。

3.2.1 技術難點

在設計過程中，超低功耗無線通信組網技術應滿足以下三方面的要求：① 必須避免振蕩器及混頻器等大功耗器件的使用，這要求收、發信機不能自己產生載波(頻率、相位、幅度和波形可控)，必須以環境電磁信號為載波，但是由于在AM/FM廣播、電視、蜂窩網及WiFi等環境電磁信號中已經包含了大量的調制比特信息，對于物端節點而言，它們的幅度、相位、波形和頻率均處于高速變化，且不可控的狀態，這進一步增加了調制、解調、編碼和解碼技術的設計難度；② 無線通信機制應該具有較低的技術復雜度，不僅應當避免使用ADC等大功耗器件，而且應當盡量減少復雜的數字邏輯處理(如矩陣變換、信道估計及碼元同步等計算密集型操作等)，這限制了MIMO及碼分多址等先進通信技術的直接使用；③ 由于直流供電功率有限，微型智能嵌入模塊的通信能力、計算能力較弱，既不能完成復雜的信道監聽、信道接入算法，又不能執行復雜的協議交互流程，因此傳統的用戶接入技術難以直接使用，需要開展創新性研究工作，滿足微型智能嵌入模塊的多點協同要求。

3.2.2 主流思路

目前學術界的主流方法是利用電磁波后向散射原理，設計超低功耗調制解調技術。圖6給出了一種基于電磁波后向散射的超低功耗ASK調制解調技術。圖中，A為天線，天線阻抗為Za，B為射頻源(環境固有或特意部署)，C為射頻開關，ZL為負載，且ZL=Za。

圖6 基于電磁波后向散射的超低功耗ASK調制解調技術

物端節點通過信道編碼等基帶處理方法，將采集到的數據變換為方波信號，然后使用方波信號控制射頻開關C的狀態(開或閉)實現信號調制，具體為：①如圖6(a)所示，當需要傳輸比特位1時，CTRL處出現高電平，使得開關K1閉合，天線A和負載ZL導通，因為ZL=Za，所以射頻電路同天線匹配，反射系數為0，理想情況下，這時電磁信號被全部吸收，反射信號的功率為0；② 如圖6(b)所示，當需要傳輸比特位0時(CTRL處出現低電平，使得開關K1打開，天線A和負載ZL不連通，此時對天線而言，負載阻抗為無窮大，反射系數為1。理想情況下，電磁信號被全部反射，反射信號的功率最大。

接收端通過辨別反射信號的幅度，可獲得物端節點發送的比特數據，具體方法為：抽樣判決接收到的反射信號，當反射信號符號周期內的能量大于閾值時，表明物端節點發送的數據為比特0，當反射信號符號周期內的能量小于閾值時，表明物端節點發送的數據為比特1。

由圖6可見，物端節點的整個發信機僅存在射頻開關一個有源器件。以AD公司的射頻開關ADG901為例，其工作功耗≤2.75 mV，低于電磁能量拾取技術能夠提供的功率。

此外，通過調整方波信號的頻率，可以實現FSK,MSK,OFDM,Chirp調頻等調制方式；還可以通過調整方波信號的起始時間，產生相位[0，π]、[0，π/2，π，3π/4]，從而實現BPSK,QPSK或DBPSK,DQPSK調制。接收信噪比相同時，不同的調制解調方式具有不同誤碼率，在通信速率和通信距離上表現出差異，可以滿足多樣化的物聯網應用需求。

第二，教育經費困難。雖然戰時福建的教育經費每年都在增加，但教育的資金需求量卻很大，建校、訓練師資、招生、教育設備等等都需要資金的投入，而政府的教育經費的投入并不能滿足小學教育的需要。

3.2.3 研究現狀

按照網絡結構的不同，可將現有超低功耗無線通信組網方案劃分為2類。

(1)分布式網絡

多個物端節點形成自組織通信網絡，單向通信鏈路的收、發兩端分別處于不同的物端節點上，每個物端節點都采用電磁能量拾取的方式提供電能，由于電力供給微弱，無論發送端，還是接收端都不能使用大功耗器件和復雜的數字運算。文獻[28]第一次在2個物端節點之間實現了短距離低速通信，通信速率1 kbps，通信距離45～76 cm。在文獻[28]的基礎上文獻[29]開展了2項工作：使用多天線技術提高了通信速率，當通信距離為1.2 m時，通信速率能夠達到1 Mbps；使用編碼機制提高了通信距離，當通信速率為333 bps時，通信距離能夠達到12 m。目前，這已經是公開可查的最高技術水平。

(2)集中式網絡

網絡中有物端節點和接入網關2種網元，物端節點向接入網關發送數據，物端節點之間不存在通信鏈路。雖然物端節點仍然使用電磁能量拾取技術提供電能，但是接入網關可以使用普通的交流電供電，由于接收端電力供應充足，可以使用低噪放、ADC等大功耗器件以及復雜的數字運算，因此通信速率相對較大、通信距離相對較遠。文獻[30]設計了一種遠距離后向散射通信方案，通信距離的典型值為75 m。文獻[31]分析了后向散射的信道特征，設計了一種基于匹配濾波器的通信方案，理想情況下通信距離能夠達到130 m。文獻[32]利用藍牙傳輸數據時產生的電磁波，生成了WiFi信號和ZigBee信號。文獻[33]同樣利用電磁波后向散射原理，將聲音寄生調制在環境中已有的FM信號上，使用手機或汽車上的收音機就可接收，已實現的通信速率為3.2 kbps，通信距離為1.5～18 m。

相對而言，集中式網絡通信距離更長，通信速率更高，發展潛力大，是當前研究的熱點。

目前，中國電子科技集團公司第五十四研究所正在開展集中式超低功耗組網技術研究，主要包括兩方面的技術創新：① 設計了一種基于后向散射的超低功耗無線通信技術，提出了以高速變化的環境電磁信號為載波的超低功耗調制解調方法和抗干擾編解碼方法，在通信功耗小于130 μW的前提下，室內通信距離≥20 m(測試時選擇了一個400 m2的室內場地，該測量值主要是受試驗場地限制，實際有可能更遠，目前正在準備開展室外試驗)，通信速率≥1 kbps。② 設計了一種基于邊沿檢測的超低功耗無授權接入技術，包括邊沿檢測以及數據流歸并等核心內容，不增加物端節點能量消耗和計算、存儲負擔的前提下，支持不少于20個物端節點的并發接入，且不需要在物端節點和接入網關之間執行任何信令交互。

4 結束語

針對物端節點面臨的供電有限、功耗過大、補能困難等問題，提出了近零功耗物聯網的概念，能夠實現無需人工維護、可持續運轉的無線智慧網絡，可以為分布式偵察、智能可穿戴、智慧城市、先進制造，乃至載人航天等行業應用提供必要的技術支撐。分析了電磁能量高效拾取、超低功耗通信組網等兩大關鍵技術的難點與國內外最新研究現狀，指出多頻帶電磁能量拾取、基于后向散射的集中式組網是未來技術探索的主流方向。