零能耗设备——6G的新机遇

总结

想象一下未来，电池永远不需要充电或更换。听起来好得令人难以置信？也许不是。爱立信和麻省理工学院联手研究零能耗设备如何利用周围环境的能源，并在此过程中改变行业。

当今的大规模机器类型通信可提供高达每秒数百千比特的数据速率。窄带物联网 (NB-IoT) 和机器 LTE (LTE-M) 是两种密切相关的技术，在当今的商用 4G 和 5G 网络中用于处理远程抄表等应用。尽管NB-IoT/LTE-M设备的电池寿命在某些情况下可以长达十年，但电池更换或充电限制了这些设备的适用性。在考虑数万台设备的大规模部署时尤其如此。此外，电池寿命取决于传输和接收占空比，如果 NB-IoT/LTE-M 设备每隔几分钟发送或接收数据。

快进十年后，想象类似的用例，但无需更换或充电电池的麻烦。进入零能耗设备时代，从最终用户的角度来看，这些设备无需电池即可运行。相反，通信所需的能量是从周围环境的振动、光、温度梯度甚至射频波本身中获取的。

仓库中的包裹可以通过使用低成本、零能耗的设备进行跟踪，这些设备可能直接打印在盒子上——即使盒子位于其他盒子后面，这也可以工作，从而避免使用光学条形码。盒子甚至可以提供盒子内的温度或湿度等信息，这是被动条形码无法实现的。环境监测是小型化、低成本、零能耗设备可以发挥作用的另一个场景。

未来，无处不在的零能耗设备将帮助我们监测污染、天气甚至疾病的流行。零能耗设备也可以改变零售业。想象一下您在一家百货商店购买一件衬衫。一旦您从货架上拿起一件衬衫，嵌入衬衫标签中的零能耗设备就会告诉商店网络您对该特定衬衫款式或型号感兴趣。有了这些信息，您附近的电视屏幕就可以为您提供类似衬衫和配饰的更多选择。所有这一切，用户无需费心为周围数千甚至数百万个零能耗设备充电或更换电池！

尽管这令人难以置信，但在这成为现实之前，还有许多研究挑战需要解决。这些挑战跨越多个领域，从能量收集到通信，再到处理大量设备的整体系统设计。 因此，爱立信和麻省理工学院联手解决这些挑战。通过将爱立信在通信系统方面的专业知识与麻省理工学院在设备和能量收集方面世界领先的知识相结合，我们可以更接近零能耗设备的愿景。让我们首先讨论能量收集。

能量收集

不用说，从微型能源（包括热源、振动源和光伏源）中获取的电力通常非常低。射频 (RF) 能量收集是更具挑战性的场景之一，也是爱立信与麻省理工学院合作的重点，收集的功率通常低至几微瓦 (μW)。相比之下，射频收发器电路的输出功率可能在毫瓦范围内，这要高得多（但与 NB-IoT 等相比仍然非常小）。

因此，零能耗设备有必要储存能量。此外，零能量设备中的电子电路需要最小输入电压 t操作时的电压通常比天线输出处的电压大许多数量级。如何有效地将输入电压升频至电子器件可以运行的值是另一个关键挑战。零能耗设备当然会消耗能源，但它们的能源供应受到上述两个挑战的极大限制。这导致了可能传输的数据量的上限，在许多情况下低至几个字节，尽管这在很大程度上取决于距离和无线电条件。节约能源的一个技巧是以循环方式操作设备。然而，在这种情况下，由于能量可用性的变化、泄漏、暂时阻塞传输路径的物体等，它们的通信可用性将受到某种程度的随机性的影响。综上所述，严格的功耗限制和零能耗设备的零星可用性给移动公司带来了新的问题。通讯技术。例如，由于传统的传输方案可能不可行，因此需要新的物理层设计。

移动处理也需要重新考虑。目前的方法是设备不断搜索候选小区并向网络报告测量结果，最终决定是否执行切换，该方法适用于当前的蜂窝系统，但会很快耗尽零能耗设备中非常小的能源。需要新的、更加节能的方法。然而，在其他场景中，例如箱子（和设备）主要静止不动的仓库，移动处理不成问题。

安全性

一如既往，安全和信任很重要，需要从系统设计过程的一开始就解决。当今的蜂窝网络大量使用身份验证和加密，从而实现了非常高的安全级别。然而，举个例子，e作为当今 NB-IoT 设备中连接建立的一部分，使用身份隐私机制 (IPM) 加密 IMSI 设备身份的能源成本约为 5J。与 μW 范围内的收集功率相比 - 仅收集足够的能量用于当前加密可能需要几天的时间！可能需要新的、更节能的安全机制。

所有这些都是需要解决的有趣且具有挑战性的问题，我们将在未来的博客文章中更详细地解决其中一些问题。当然，我们面前还有很多工作要做，但我们——爱立信和麻省理工学院——相信，我们可以共同大力推进零能耗设备领域，并展示它们如何集成到未来的蜂窝网络中！

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