近零功耗物联网及其关键技术研究

卢宁宁，张海鹏，杨 悦，翟立君，刘 允，宋瑞良

(中国电子科技集团公司第五十四研究所 北京研发中心,北京 100070)

0 引言

随着智慧城市、智慧农业、智慧医疗及智能可穿戴等概念的提出，物联网越来越多地应用在社会生活中，是国内外重点发展的产业之一。微型智能嵌入模块(物端节点)是物联网的必要组成部分,属于物联网的感知层，处于物联网拓扑结构的末端，一般嵌入到人体或物体中使用，充当客观事物的感知器官和执行器官，是实现智慧网络、构建网络智能的关键一环。预计到2022年，全世界将有120亿个微型智能嵌入模块连接到互联网[1]。

在物联网中，供电有限、功耗过大及补能困难等问题一直没有得到妥善解决，使得物端节点的生存期有限，严重制约微型智能嵌入模块在更广范围、更多领域的应用。

本文提出了近零功耗物联网的概念，旨在摒弃传统的电池供电方式，将客观环境中固有的电磁信号及电磁干扰等微能量转化为直流功率，驱动物端节点的正常运转；同时将物端节点的联网功耗降低2～3个数量级，使其处于几十微瓦水平，与环境电磁波提供的微弱能量供给相匹配，从而实现无需人工维护、可持续运转的近零功耗无线智慧网络。

近零功耗物联网可以广泛地应用于人类的社会活动： ① 可用于构建无需人工维护、长时间稳定运行的智慧物联网络，更好地满足智慧城市、智慧农业、工业制造、环境监测及安全监控等需求；② 可为低功耗医疗设备、人体植入设备提供能源供给和通信网络服务，不仅能够维持它们的长期工作，而且还可以将它们组织成一个无线个域网；③ 可为智能可穿戴设备，以及智能手表、助听器等低功耗移动设备提供无线充电和通信网络服务。

1 问题分析

物端节点面临的供电有限、功耗过大及补能困难等问题，严重制约着物联网的发展。

1.1 供电有限

物端节点一般采用电池供电，电池的发展速度非常缓慢。由图1可知，电池的能量密度在20年的时间里仅增长了4倍(每隔10年翻一番)，远远低于半导体的发展速度(摩尔定律)[2]。由于物端节点的体积较小，在电池能量密度没有得到本质提升的前提下，其携带的电池能够供给的电量非常有限。普通碱性电池的容量仅为1 200 mAh@1.5 V，约6.48 kJ。

图1 锂电池的能量密度

1.2 功耗过大

物端节点一般由传感器、微处理器及无线收发信机等几部分组成，每一部分都需要消耗电能，尤以无线收发信机的功率消耗以及待机状态的功率消耗最为可观，如图2所示。

图2 物端节点各部分的功率消耗

表1给出了ZigBee，Bluetooth，LoRa，NB-IoT等物联网通信芯片的功耗情况，可见无线收发信机的发送功耗和接收功耗一般处于几十毫瓦的水平，LoRa芯片的发送功耗甚至能够达到349 mW[3-6]。相对物端节点携带的电池而言，几十毫瓦的功率消耗显得过大。以表1中功耗最低的CC2630为例，其发送功耗为19.3 mW，假设物端节点的数据采集频率为10次/s，最短帧长为33 Byte，那么2块1 200 mAh@1.5 V电池最多坚持70天。考虑到多节点组网时的接收功耗，以及节点待机时执行信道监听操作产生的功耗，电池会在更短的时间内耗尽。

表1 常见物联网通信芯片的收发功耗(均为货架产品)

协议芯片型号发送功耗/mW接收功耗/mWZigBeeCC263019.317.7低功耗蓝牙PAN1326C6834LoRaCMWX1ZZABZ349.875.9NB-IoTNLSWLTEQBG96≥216

在工程实践上，通过牺牲实时性，换取更长的工作时间。有报道表明，将数据采集频率降低到24小时/次，NB-IoT模块(采用AA电池)的待机时间能够达到10年。但是这种方法会严重限制物端节点的应用范围。例如，载人航天中某些传感器的数据采集频率能够达到30次/s，在智慧农业等应用中，传感器采集数据的时间间隔也不会超过几十分钟。

1.3 补能困难

可以通过更换电池等方法，为微型智能嵌入模块补充电能，只是开销很大。一方面，由于物端节点数量较多，分布地域较广，更换电池会带来巨大的人力开销。专家预计，未来物端节点的部署密度有可能达到1 000 000/km2。以北京市为例，至少需要部署4亿个物端节点，如果每个节点每隔70天(约2.4个月)更换一次电池，那么网络维护将成为一项不可能完成的工作。另一方面，考虑到物端节点还有可能被部署到人体内部、高空、高寒、高辐射、丛林、岛礁及建筑物内部等特殊位置，更换电池更不现实[7]。

为了解决上述问题，国内外的研究人员先后提出了一系列的技术方案，可以将这些方案划分为2类。① 低功耗技术：主要通过能量管理、轻量化协议设计，降低物端节点的能量消耗，例如DVS[8]，DPM[9]，S-MAC[10]，T-MAC[11]等；② 传统自供电技术：将环境中存在的某种能量(如光、热、风等)转化为电能，为物端节点提供电力供给，例如，基于太阳能的微型智能嵌入模块[12]等。但这2种方案各有不足：低功耗技术并没有从根本上解决物端节点生存期有限的问题，只是在一定程度上延长了物端节点的工作时间；虽然传统自供电技术能够将光、风等能量形式转化为电能，但是这种转化会受到较多的制约。例如，基于太阳光供电的物端节点，只有在白天、日光可见的地域才能获得电能；基于风能供电的物端节点，由于必须安装风扇，节点的总体尺寸不会太小，严重限制了它的使用范围。

2 系统架构

图3给出了近零功耗物联网的系统架构，主要由能量源、物端节点和接入网关组成。能量源向外辐射电磁信号，信息交互在物端节点和接入网关之间进行。

图3 近零功耗物联网系统架构

2.1 能量源

主要包括2种能量源：① 环境中可以向外辐射电磁波的设备，如电视信号塔、蜂窝网中的基站、WIFI路由器、雷达信号、低轨卫星及高轨卫星等；② 在特殊情况下(如外太空基地及飞行器内部等)，还可以人为布置射频源，为微型智能嵌入模块提供电力供给。

由于电磁信号广泛地存在于人类活动的绝大部分时间和空间中，并且电磁能量拾取技术以电路或芯片的方式实现，易于集成，因此非常适合用来为物端节点补充能量。

2.2 物端节点

物端节点具备三方面的能力：① 将环境中的电磁波转化为直流功率，为节点提供微弱但源源不断的能量供给；② 利用转化得到的微弱供电，实现超低功耗点到点无线通信功能；③ 利用转化得到的微弱供电，实现超低功耗动态组网功能，通过多个物端节点之间的协同工作，实现感知、监控及侦察等复杂任务，达到“个体简单、整体智能”的目标。

2.3 接入网关

接入网关负责接收物端节点发送的数据，以图形等直观方式进行展示，或者对接收到的数据，执行封装处理及协议转化等操作，通过互联网发送给远方云端。

3 关键技术

近零功耗物联网主要涉及电磁能量高效拾取和超低功耗无线通信组网2项关键技术。

3.1 电磁能量高效拾取技术

3.1.1 基本电路

使用电磁能量拾取技术将环境中固有的电磁信号、电磁干扰转化为直流功率，为物端节点提供电能。图4给出了电磁能量拾取的基本电路，主要由接收天线、阻抗匹配单元、RF/DC整流器和负载组成。其技术特征包括：① 由于采用阻抗匹配，允许相对独立的天线和整流器设计。RF/DC整流器除了实现整流功能之外，还需提高输出电压，因而多采用电压倍增电路，如图5所示的Dickson倍压电路；② 相对其他电路结构，由于图4所示方案具有系统简单、成本低廉及入射功率灵敏度较高等优势，因此特别适用于低输入功率的场景。

图4 电磁能量拾取技术基本电路

图5 Dickson倍压电路

3.1.2 热点问题

对于电磁能量拾取技术，当前的研究热点主要表现在以下三方面：

① 射频输入功率、倍压电路级数、二极管正向偏置电压、二极管反向恢复时间以及负载阻抗都会对电磁能量拾取效率(定义为η=PowerDC/PowerRF，其中，PowerRF为射频输入功率，PowerDC为直流输出功率)产生极大的影响，高效的电磁能量拾取技术必然是各种电路参数综合权衡的结果，这需要开展大量的仿真实验，发现其内在的数理模型和依赖关系。

② 环境辐射功率变化范围较大，其低值在-100 dBm以下，高值超过-20 dBm，甚至达到0 dBm以上。对于电磁能量拾取技术，当入射功率值较低时，二极管的正向偏置电压对能量转化效率的影响最大；当入射功率值较高时，二极管的反向击穿电压对能量转化效率的影响最大，2种情况分别表现出不同的工作机理，因此需要针对电路结构开展创新性研究工作，使得环境辐射功率在较大范围变化时，一直能够保持较高的能量转化效率。

③ 辐射功率值较高的频段是电磁能量拾取技术关注的重点，在不同的时间段和不同的地理区域，重点频段也不同。由于物端节点的部署位置不能提前预知，因此如何适应复杂多变的客观情况，使得物端节点总能从更多的重点频段中拾取能量，需要开展大量的探索性研究。

3.1.3 研究现状

从器件选择和电路结构2个维度归纳总结现有电磁能量拾取技术。

(1) 器件选择

整流二极管是电磁能量拾取电路中的核心器件，现有电磁能量拾取技术大多选择使用CMOS，HSMS，SMS三种类型的整流二极管，其中CMOS整流二极管和HSMS整流二极管更为主流。① CMOS类电磁能量拾取技术，对入射功率的要求较低，即使在入射功率仅为-32 dBm的情况下，仍然能够获得1 V的输出电压[13]；但是其能量转换效率相对较低，最大值不超过60%[14-15]，一般处于10%～30%的水平。② HSMS类电磁能量拾取技术，对入射功率的要求同CMOS类方案相似，最低值为-30 dBm[16]；其能量转换效率相对较高，最大值可达70%，一般可达25%以上[17]，但其动态范围不大，在20 dB左右。③ SMS类电磁能量拾取技术，仅在入射功率较高的情况下有效，例如，在40 dBm的入射功率下，能够产生30 V的电压[18]，不适于低入射功率应用场景。

为了获得更高的灵敏度和电磁能量转化效率，目前学术界更倾向于选择使用HSMS整流二极管构建电磁能量拾取电路，常见的包括HSMS-285X，HSMS-282X，HSMS-286X等。

(2)电路结构

在电路结构方面，可以将现有电磁能量拾取技术划分为单频带和多频带2类。

① 单频带电磁能量拾取技术：仅能从特定频带的电磁波中拾取电磁能量。例如，文献[19]针对的频带为450 MHz，文献[20]针对的频带为900 MHz，文献[21]针对的频带为970 MHz，文献[22]针对的频带为2.4 GHz，文献[23]针对的频带为900 MHz。

② 多频带电磁能量拾取技术：能够同时从多个频带的电磁波中拾取电磁能量。例如，文献[24]提出了一种基于天线阵的电磁能量拾取技术，能够从较大的频带范围内采集电磁能量，但是随着频带宽度的增加，天线阵列和整流电路之间的阻抗匹配效果，逐步降低，能量转化效率相对较低；文献[25]设计了一种可调谐的电磁能量拾取技术，在电路结构中包含了2个可调电容。在使用时，可以根据不同频带内电磁信号的强弱，调整这2个电容的取值，以选择环境电磁波入射功率水平较高的频段，相比电磁能量宽带拾取技术，能量转化效率较高，但是冷启动问题制约着可调电磁能量拾取技术的实际应用。文献[26]构建一种多频带电磁能量拾取技术，整个电路包含多个支路，每个支路都由天线、匹配网络、倍压电路及能量存储等单元组成。每个支路对应一个频段，不同频段间相互正交。虽然该技术可以同时从多个频段采集电磁能量，但是需要同时部署多个天线，增大了设备尺寸和系统复杂性，不利于实际应用。

考虑到不同频段电磁信号的强弱、有无，会随着物端节点部署位置及周边地理环境的不同而不同，多频带电磁能量拾取是未来技术探索的主流方向。

目前，中国电子科技集团公司第五十四研究所正在围绕该方向开展创新研究，设计了一种单天线多频段电磁能量高效拾取技术，包括大动态高效率微波整流电路以及多频段电磁信号复合利用等核心内容，通过全新的电路结构设计和电路参数优化，能够支持基于多频段电磁信号(主要包括500，900，1 800 MHz等电磁能量丰富的频段)环境自主补能，电磁能量转化效率的高值在50%以上，低值不小于30%。

3.2 超低功耗通信组网技术

由于电磁能量拾取技术能够提供的能量供给非常微弱，一般处于几十微瓦到几百微瓦的水平，由表1可知，传统的通信网络技术(例如，ZigBee，Bluetooth，LoRa，NB-IoT等)在这样的供电条件下不能工作。因此需要设计全新的无线通信组网技术，使其功率消耗降低2～3个数量级，处于几十微瓦水平，同电磁能量拾取技术能够提供的直流功率相匹配。

3.2.1 技术难点

在设计过程中，超低功耗无线通信组网技术应满足以下三方面的要求：① 必须避免振荡器及混频器等大功耗器件的使用，这要求收、发信机不能自己产生载波(频率、相位、幅度和波形可控)，必须以环境电磁信号为载波，但是由于在AM/FM广播、电视、蜂窝网及WiFi等环境电磁信号中已经包含了大量的调制比特信息，对于物端节点而言，它们的幅度、相位、波形和频率均处于高速变化，且不可控的状态，这进一步增加了调制、解调、编码和解码技术的设计难度；② 无线通信机制应该具有较低的技术复杂度，不仅应当避免使用ADC等大功耗器件，而且应当尽量减少复杂的数字逻辑处理(如矩阵变换、信道估计及码元同步等计算密集型操作等)，这限制了MIMO及码分多址等先进通信技术的直接使用；③ 由于直流供电功率有限，微型智能嵌入模块的通信能力、计算能力较弱，既不能完成复杂的信道监听、信道接入算法，又不能执行复杂的协议交互流程，因此传统的用户接入技术难以直接使用，需要开展创新性研究工作，满足微型智能嵌入模块的多点协同要求。

3.2.2 主流思路

目前学术界的主流方法是利用电磁波后向散射原理，设计超低功耗调制解调技术。图6给出了一种基于电磁波后向散射的超低功耗ASK调制解调技术。图中，A为天线，天线阻抗为Za，B为射频源(环境固有或特意部署)，C为射频开关，ZL为负载，且ZL=Za。

图6 基于电磁波后向散射的超低功耗ASK调制解调技术

物端节点通过信道编码等基带处理方法，将采集到的数据变换为方波信号，然后使用方波信号控制射频开关C的状态(开或闭)实现信号调制，具体为：①如图6(a)所示，当需要传输比特位1时，CTRL处出现高电平，使得开关K1闭合，天线A和负载ZL导通，因为ZL=Za，所以射频电路同天线匹配，反射系数为0，理想情况下，这时电磁信号被全部吸收，反射信号的功率为0；② 如图6(b)所示，当需要传输比特位0时(CTRL处出现低电平，使得开关K1打开，天线A和负载ZL不连通，此时对天线而言，负载阻抗为无穷大，反射系数为1。理想情况下，电磁信号被全部反射，反射信号的功率最大。

接收端通过辨别反射信号的幅度，可获得物端节点发送的比特数据，具体方法为：抽样判决接收到的反射信号，当反射信号符号周期内的能量大于阈值时，表明物端节点发送的数据为比特0，当反射信号符号周期内的能量小于阈值时，表明物端节点发送的数据为比特1。

由图6可见，物端节点的整个发信机仅存在射频开关一个有源器件。以AD公司的射频开关ADG901为例，其工作功耗≤2.75 mV，低于电磁能量拾取技术能够提供的功率。

此外，通过调整方波信号的频率，可以实现FSK,MSK,OFDM,Chirp调频等调制方式；还可以通过调整方波信号的起始时间，产生相位[0，π]、[0，π/2，π，3π/4]，从而实现BPSK,QPSK或DBPSK,DQPSK调制。接收信噪比相同时，不同的调制解调方式具有不同误码率，在通信速率和通信距离上表现出差异，可以满足多样化的物联网应用需求。

第二，教育经费困难。虽然战时福建的教育经费每年都在增加，但教育的资金需求量却很大，建校、训练师资、招生、教育设备等等都需要资金的投入，而政府的教育经费的投入并不能满足小学教育的需要。

3.2.3 研究现状

按照网络结构的不同，可将现有超低功耗无线通信组网方案划分为2类。

(1)分布式网络

多个物端节点形成自组织通信网络，单向通信链路的收、发两端分别处于不同的物端节点上，每个物端节点都采用电磁能量拾取的方式提供电能，由于电力供给微弱，无论发送端，还是接收端都不能使用大功耗器件和复杂的数字运算。文献[28]第一次在2个物端节点之间实现了短距离低速通信，通信速率1 kbps，通信距离45～76 cm。在文献[28]的基础上文献[29]开展了2项工作：使用多天线技术提高了通信速率，当通信距离为1.2 m时，通信速率能够达到1 Mbps；使用编码机制提高了通信距离，当通信速率为333 bps时，通信距离能够达到12 m。目前，这已经是公开可查的最高技术水平。

(2)集中式网络

网络中有物端节点和接入网关2种网元，物端节点向接入网关发送数据，物端节点之间不存在通信链路。虽然物端节点仍然使用电磁能量拾取技术提供电能，但是接入网关可以使用普通的交流电供电，由于接收端电力供应充足，可以使用低噪放、ADC等大功耗器件以及复杂的数字运算，因此通信速率相对较大、通信距离相对较远。文献[30]设计了一种远距离后向散射通信方案，通信距离的典型值为75 m。文献[31]分析了后向散射的信道特征，设计了一种基于匹配滤波器的通信方案，理想情况下通信距离能够达到130 m。文献[32]利用蓝牙传输数据时产生的电磁波，生成了WiFi信号和ZigBee信号。文献[33]同样利用电磁波后向散射原理，将声音寄生调制在环境中已有的FM信号上，使用手机或汽车上的收音机就可接收，已实现的通信速率为3.2 kbps，通信距离为1.5～18 m。

相对而言，集中式网络通信距离更长，通信速率更高，发展潜力大，是当前研究的热点。

目前，中国电子科技集团公司第五十四研究所正在开展集中式超低功耗组网技术研究，主要包括两方面的技术创新：① 设计了一种基于后向散射的超低功耗无线通信技术，提出了以高速变化的环境电磁信号为载波的超低功耗调制解调方法和抗干扰编解码方法，在通信功耗小于130 μW的前提下，室内通信距离≥20 m(测试时选择了一个400 m2的室内场地，该测量值主要是受试验场地限制，实际有可能更远，目前正在准备开展室外试验)，通信速率≥1 kbps。② 设计了一种基于边沿检测的超低功耗无授权接入技术，包括边沿检测以及数据流归并等核心内容，不增加物端节点能量消耗和计算、存储负担的前提下，支持不少于20个物端节点的并发接入，且不需要在物端节点和接入网关之间执行任何信令交互。

4 结束语

针对物端节点面临的供电有限、功耗过大、补能困难等问题，提出了近零功耗物联网的概念，能够实现无需人工维护、可持续运转的无线智慧网络，可以为分布式侦察、智能可穿戴、智慧城市、先进制造，乃至载人航天等行业应用提供必要的技术支撑。分析了电磁能量高效拾取、超低功耗通信组网等两大关键技术的难点与国内外最新研究现状，指出多频带电磁能量拾取、基于后向散射的集中式组网是未来技术探索的主流方向。