2024零功耗通信白皮书
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（3rdGeneration 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。 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 SavingMode， 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 180 kHz， 下行采用基于 15 kHz 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 MCL 156dB， 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. 4 MHz， 能支持最大 1Mbps 的峰值速率。RedCap， 全称 Reduced Capability， 它是基于 5G NR 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 5G NR 终端。 为此 5G NR在 R17 版本引入 NR Redcap 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。
- 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。
