零功耗通信白皮书.pdf

零功耗通信目录01.引言0102.零功耗通信的典型应用场景0403.零功耗通信技术原理1704.零功耗通信系统总体设计2605.零功耗通信关键技术和挑战3606.零功耗通信与6G关键技术的融合5407.结语6701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功耗、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。01零功耗通信自 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，物 联 网 通 信 相 关 的 技 术 与 标 准 逐 步 得 以 发 展。其 中，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代移动通信标准化组织）标准化了 MTC(Machine Type Communications，机 器 类 通 信)、NB-IoT(Narrow Band IoT，窄 带 物 联 网)和RedCap（Reduced Capability UE，缩减能力终端）等一系列的物联网技术。其中，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（enhanced Discontinuous Reception，增强的非连续接收）、PSM（Power Saving Mode，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。物联网发展现状1.1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：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特性的物联网通信终端。现有的物联网通信技术难以满足这些需求，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。未满足的物联网通信需求1.202引言某些物联网场景，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。严苛的通信环境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。极小尺寸的终端形态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。极低成本的物联网通信需求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、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。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。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。零功耗通信的技术定位与发展愿景1.3图 1.3-2 物联网技术发展路线2010201520202025ZP loTRedCapMTC/NB-IoT03零功耗通信图 1.3-1 物联网技术对比ZP IoTRedCapMTCNB-IoT功耗0123456成本时延连接数吞吐量尺寸02零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。04 零功耗通信的典型应用场景工业传感网（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。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。工业传感网2.105零功耗通信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。轮胎管理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。铁路轨道测量在一些特殊环境（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。环境信息采集工业传感网的典型场景:图 2.1-1 零功耗技术在工业传感网中的应用示例终端需求：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集成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（Digital Indoor System，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。工业传感网的典型需求：06 零功耗通信的典型应用场景图 2.2-1 智慧物流和智慧仓储中的零功耗标签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。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。物流和仓储2.207零功耗通信图 2.2-2 零功耗技术在智慧仓储中的应用具体的，零功耗技术可以通过以下几个方面实现智慧仓储管理并提高仓库效率和生产力：支持更大的零功耗标签同时读取数目。当货物到达仓库时，可以批量读取贴在货物上的无线标签（例如每秒读取千级标签），以准确获取商品信息，例如尺寸/重量、制造商、有效期、序列号编号、生产线等，可以帮助提高物流仓储效率和准确性。批量读取支持更大的读写范围3。在仓库内，部署一个或少数个网络设备，即可实现整个仓库的零功耗标签通信覆盖。在货物或容器上贴的无线标签，会保存其基本信息和在仓库内的位置信息，通过在仓库内设置中心网络节点，能够及时快速的对仓库中所有的货物进行识别，帮助快速盘点，便于管理者及时了解库存分布和总量以及实现存储需求的快速预测。大范围读写能够对标签进行定位和信息更新4。货物在仓库内移动时，网络设备能够及时识别并进行标签信息的更新。当需要挑拣相应货物时，在整个仓库范围内能够快速定位货物位置，大大提高货物的分拣效率。搬运管理08 零功耗通信的典型应用场景图 2.3-1 零功耗技术在智能家居中的应用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5来进行通信。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。智能家居2.3智慧物流和智慧仓储的典型需求：PASS终端需求：零功耗物联网终端形态一般为简单电子标签；由于一般是大规模应用（每件货物都会贴一个标签），其成本、尺寸、功耗等方面需要重点考虑。标签功耗：无源标签，不涉及更换电池等相关维护问题；标签成本：由于物流和仓储中的货物数目巨大，需要极低成本；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。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（Digital Indoor System，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：货物数量巨大，需要同时检测大量标签（如每秒千级）。09零功耗通信智能家居的典型需求：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集成传感器用于传感信息采集。家庭应用中，其成本、功耗、体积、防水和可折叠性都需要重点考虑。标签功耗：无源标签，不涉及更换电池等相关维护问题；通信时延：智能家用电器调节：十毫秒至百毫秒级别；家居定位：百毫秒至秒级别；标签类型：纸质标签和抗金属标签，支持清洗、具备灵活可折叠的外形；标签体积：极小体积，便于家庭中进行应用；通信距离：能够支持数十米到数百米范围的通信（室内）；连接数：支持数十到数百的设备连接。网络需求：灵活部署：使用智能终端作为网关设备，或者与基站直连；覆盖要求：单站的覆盖距离要求（室内 10-30m（与智能设备连接情况）室外 100m（与基站直连情况）；网络安全：基于授权的标签读取，保护隐私和数据安全；大连接需求：室内零功耗终端数目众多，数十到数百；激 励 信 号：将 家 庭 室 内 的 智 能 设 备 例 如 智 能 手 机、CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）、WIFI 的信号作为无源终端的能量激励信号，无需额外的激励信号，简化网络布局。智能家居的典型应用场景：极小体积、可清洗、灵活可折叠的零功耗设备，可以贴在家庭中一些容易丢失的物品上，例如钥匙、护照、银行卡、钱包等。当需要寻找这些物品时，可以快速定位、找到丢失的物品。物品寻找零功耗设备与传感器集成，用于监测房屋的温度、湿度等，也可以用于紧急情况如燃气泄漏时的告警。零功耗设备的免电池特性，可以极大增加设备的使用时间，实现免维护。环境监测、告警零功耗设备与传感器集成，可以实现家庭设备的智能控制。例如控制洗衣机、空调、电视、窗帘等的开关。也可以通过嵌在/贴在门和家具上的标签，为家庭机器人进行导航，提供更加精细的控制6。智能控制10 零功耗通信的典型应用场景图 2.4-1 零功耗技术在可穿戴领域中的应用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7、活动识别89、辅助生活10、移动感知11、智能服装12、室内定位13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。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。智能可穿戴2.411零功耗通信智能可穿戴场景的典型需求：智能可穿戴场景的典型应用：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集成传感器用于传感信息采集。从穿戴角度考虑，应该具备小尺寸、免电池、防水性、灵活可折叠的外形。标签功耗：无源标签，不涉及更换电池等相关维护问题；标签类型：纸质标签和抗金属标签，支持清洗、具备灵活可折叠的外形；标签体积：极小体积，便于穿戴；通信距离：能够支持数十米范围的通信；使用智能终端作为中继：12m 的通信距离；业务连续性要求：满足周期性的传输需求，业务周期为数秒至数分钟；连接数：支持数十到数百的设备连接。网络需求：灵活部署：对于可穿戴场景，由于使用者在大多使用场景同时携带可穿戴设备以及传统智能终端，因此可以考虑使用智能终端作为中继设备或网关设备用于收集和传输可穿戴设备采集的数据；或者与基站直连；网络安全：基于授权的标签读取，保护隐私和数据安全；激励信号：将用户携带的智能设备作为无源终端的能量激励信号，无需额外的激励信号，简化网络布局。零功耗设备与传感器集成，镶嵌在腕带14或者鞋子、袜子等佩戴产品上，进行健康监测，及时反馈人的身体状况，对睡眠状况、体重信息、心率、血压等数据进行监测和收集。健康监测零功耗设备可以与定位结合15，用于老人、儿童或者医院病人的监护，当发生走失时进行定位和追踪。更舒适的材质可以优化佩戴体验，同时无源超低功耗的特征能够极大的延长使用时间。定位、追踪与个人信息绑定，能够用于进行乘坐公交、地铁、购物等的便携支付。便携支付12 零功耗通信的典型应用场景图 2.5-1 零功耗技术在医疗健康领域中的应用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1617。医疗健康2.5医疗健康场景的典型应用：13零功耗通信零功耗终端的极小体积、极低功耗（免电池）特性，能够辅助特殊器械的监测，例如一些植入人体的设备，可以利用零功耗终端进行重要参数的监测，确保相关器械的正常运转，做到及时更换故障设备。由于是对人体内的器械进行监测，免电池的零功耗设备能够做到免维护，具有非常长的使用寿命，很好的完成器械监测的任务。特殊器械监测零功耗设备与传感器集成，可以用于健康数据采集。例如谷歌智能隐形眼镜18（Google Contact Lens），通过无线控制器采集射频能量，并将测得的血糖水平反向散射到无线控制器进行传输，从而免去糖尿病患者取血化验的痛苦；由于免电池、具有防水性、体积极小，甚至可以将零功耗设备植入人体，用于体内健康数据采集，例如胶囊内镜19，通过零功耗设备与传感器结合，可以记录胃肠道内部图像，用于医学诊断，在整个胃肠道的特定位置进行活组织检查和释放药物，在实现更精细检查的同时，也能避免患者做胃镜的痛苦。皮下/体内健康数据采集医疗健康场景的典型需求：终端需求：零功耗物联网终端形态为简单标签或者与传感器集成。标签功耗：无源标签，不涉及更换电池等相关维护问题；通信时延：百毫秒至秒级别；标签类型：纸质标签和抗金属标签，支持清洗、具备灵活可折叠的外形；标签体积：极小体积；通信距离：能够支持数米到数百米范围的通信；连接数：支持数百到数千的设备连接。网络需求：灵活部署：网络设备可部署于室外杆站，室内同 DIS 站间距部署，提供基础覆盖；可按需部署补盲或扩展覆盖；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。极小体积的零功耗设备，可以嵌在腕带或者衣服中，用于数据收集和校验。患者诊断、取药、治疗等过程中，可以在不打扰患者的情况下进行数据的收集，实现高效就医管理。也可以帮助确保患者在适当的时间服用适当剂量的药物、校验输液、注射药物的品名、规格是否正确、已完成过的治疗事项以及是否会有不良反应等等。患者数据收集校验零功耗设备体积极小，可以贴在器械、药品的瓶子上，用于药品和医疗器械的管理、追踪管制。大型医疗中心一般都拥有大批重要医用资产和医用物品存储基地，后勤人员每天都要根据订单从成千上万件物资中找出所需的物品。由于这些医用物品的外包装高度相似，用途差异很大，因此，医院后勤部门往往要耗费巨大的人力物力查找、核对这些物品。此外，在库房调整或腾挪过程中很可能会发生医用物品误置事件，导致物品大范围损坏或者流通到市场后产生药品事故。通过粘贴零功耗标签，能够便于进行管理，提高药品和医疗器械的管理效率和可靠性。药品、医疗器械的管理14 零功耗通信的典型应用场景1 Bharat P V,Sihna N,Pujitha K E.Tire pressure monitoring system using am-bient backscatter technology containing RF harvesting circuitryJ.International journal of advance engineering and research development,2014,1(6):1-11.2 Papp A,Wiesmeyr C,Litzenberger M,et al.A real-time algorithm for train position monitoring using optical time-domain reflectometryC/2016 IEEE International Conference on Intelligent Rail Transportation(ICIRT).IEEE,2016:89-93.3 Akbar M B,Morys M M,Valenta C R,et al.Range improvement of backscat-ter radio systems at 5.8 GHz using tags with multiple antennasC/Proceed-ings of the 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation.IEEE,2012:1-2.4 Liu W,Huang K,Zhou X,et al.Next generation backscatter communication:systems,techniques,and applicationsJ.EURASIP Journal on Wireless Commu-nications and Networking,2019,2019(1):1-11.5 Maselli G,Piva M,Stankovic J A.Adaptive communication for battery-free devices in smart homesJ.IEEE Internet of Things Journal,2019,6(4):6977-6988.6 J.J.Pomrico-Franquiz,Y.S.Shmaliy,Accurate self-localization in RFID tag information grids using FIR filtering.IEEE Trans.Ind.Informat.10(2),13171326(2014)7 A.Pantelopoulos and N.G.Bourbakis,A survey on wearable sensorbased systems for health monitoring and prognosis,IEEE Trans.Syst.,Man,Cybern.C,Appl.Rev.,vol.40,no.1,pp.112,Jan.2010.8 E.Sazonov,Wearable Sensors:Fundamentals,Implementation and Appli-cations.Amsterdam,The Netherlands:Elsevier,2014.9 O.D.Lara and M.A.Labrador,A survey on human activity recognition using 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and Techniques,2017,65(5):1751-1766.16 Vasisht D,Zhang G,Abari O,et al.In-body backscatter communication and localizationC/Proceedings of the 2018 Conference of the ACM Special Interest Group on Data Communication.2018:132-146.17 Voigt T,Rohner C,Yan W,et al.Towards secure backscatter-based in-body sensor networksC/Proceedings of the 18th Conference on Embedded Net-worked Sensor Systems.2020:741-742.18 https:/en.wikipedia.org/wiki/Google_Contact_Lens19 https:/en.wikipedia.org/wiki/Capsule_endoscopy16 零功耗通信的典型应用场景17零功耗通信03零功耗通信技术原理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。如图3-1所示，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。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。图 3-1 零功耗通信基本原理图18零功耗通信技术原理在基于反向散射的零功耗通信系统中，反向散射发射机调制和反射接收到的 RF（Radio Frequency，射频）信号以传输数据，而不是自己生成 RF 信号。该技术已在实践生产中得到了广泛的应用，例如 RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）1、跟踪设备、远程开关、医疗遥测和低成本传感器网络等。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。随着技术的发展，射频能量采集的工艺和效率都有所提升，但是仍面临几个方面的挑战：1）由于电磁波多径传播效应、能量在空间和时间上不均匀分布以及各种干扰，无线环境中能够采集到的射频能量密度极低（小于 10nW/cm2），真正能够有效采集的射频能量需要满足一定的输入功率。2）为驱动逻辑电路或芯片等运算单元，一般采集到能量后转化的直流电压，需要满足最低输出电压要求，并转化为稳定的直流电压。如何提升能量采集效率，特别是在低输入电压的条件下，采集到的能量仍能驱动电路是需要着重解决的问题。3）采集或储存的能量如何合理管理，用于驱动终端工作。低功率下 RF 能量采集转化为 DC 能量的效率是零功耗设备设计的挑战。目前很多实验研究结果表明，一般系统输入功率（input power）低于-30dBm 的射频信号很难有效的采集并整流为可用的直流电压。而不同的输入功率和能量采集电路设计下的射频能量转化效率有所差别2，如-20dBm 的低输入功率下的能量转化效率往往都不足 10%，-1dBm 左右的输入功率下转化效率接近 50%。而基于目前的工艺实现驱动低功耗计算电路的功率需要 10uw 左右，为满足最简单的低功耗的计算和反向散射通信需求，在低输入功率的情况下提升能量采集效率是零功耗通信系统研发中最重要的工作之一。射频能量采集3.1网络设备能量采集反向散射通信低功耗计算零功耗终端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 rectifier 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（如图 3.1-1 所示）、单并联整流天线、单级电压倍增器（如图3.1-2 所示）、Cockcroft-Walton/Greinacher 电荷泵、Dickson 电荷泵和改进的 Cockcroft-wal-ton/greinacher 电荷泵。表 3.1-1 输入功率与能量转换效率的关系图2 0.25-m CMOS 转换器10-22.690690-m CMOS 转换器11-149150.18-m CMOS,CoSi2-Si Schottky12.8-19.59000.35-m CMOS 转换器13-14.79000.35-m CMOS 转换器16.4-99630.5-m CMOS 转换器18-198690.18-m CMOS 转换器26.5-11.19000.35-m CMOS 转换器36.6-69630.18-m CMOS 转换器47-891549-1900Skyworks SMS7630 Si Schottky能量转换效率（%）输入功率（dBm）中心频率（MHz）整流单元CloadRloadVoutD1D1RF图 3.1-1 能量采集电路半波整流器CloadRloadD2C1RFVout图 3.1-2 能量采集电路单级电压倍增器19零功耗通信图 3.2-1 AmBC 系统示意图 6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)3，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。反向散射技术（Back Scattering）于 1948 年由 Stockman 首次提出4。但由于如下一些限制，传统的反向散射通信不能广泛应用于数据密集型无线通信系统：1)首先，传统的反向散射通信需要将反向散射发射器放置在其射频源附近，从而限制了设备的使用和覆盖区域。2)其次，在传统的反向散射通信中，反向散射接收器和射频发射发射源位于同一设备中，即阅读器（reader），这会导致接收和发射天线之间的自干扰，从而降低通信性能。3)此外，传统的反向散射通信系统是被动操作的，即反向散射发射机仅在反向散射接收机询问时才传输数据。最近，环境反向散射通信（Ambient Backscatter Communication，AmBC）5 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。反向散射3.