无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展.pdf
《无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展.pdf(18页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展郑黎明*刘培国王宏义吴建飞(国防科技大学电子科学学院长沙410073)摘要:近年来,随着物联网(IoT)部署范围不断扩大,数以千亿计的智能设备将接入物联网,对网络接入能力、能量供应、成本等提出了极大挑战,无源物联网呼之欲出。该文梳理了无源物联网相关概念并给出其定义,首次系统研究了无源物联网面临的能量密度低、转化效率低、后向散射通信距离有限、能量信息同时传输兼顾难等4大挑战,详细分析了问题原因并对研究进展进行综述:针对能量密度低挑战,从波束成形、能量收集天线设计、智能反射表面3个方面综述;针对能量转换效率低挑战,从接收机架构优化、波形设计、阻抗匹配优化、整流
2、器优化4个方面综述;针对后向散射通信距离有限挑战,从新的调制方式、频移型后向散射新机制、MIMO增强、新的信道编码机制、新的信号检测方法、智能反射表面增强以及半有源模式7个方面综述;针对能量信息同时传输兼顾难问题,从能量信息同时传输架构优化、能量信息兼容信道编码2个方面综述。针对每个优化方向,对比分析了各类方法的优劣并指出了未来研究方向。关键词:无源物联网;射频能量收集;后向散射;能量信息同时传输中图分类号:TN915;TP393文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)07-2293-18DOI:10.11999/JEIT221219Passive Internet of Thi
3、ngs:Background,Concept,Challenges and ProgressZHENGLimingLIUPeiguoWANGHongyiWUJianfei(College of Electronic Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)Abstract:Inthepastdecades,thescopeofInternetofThings(IoT)isexpandedcontinuously.Withhundredsofbillionsofs
4、martdevicesconnecttoIoT,hugechallengesarearisenfromseveralaspectssuchasdevicecost,connectivitycapability,andpowersupplies.Fortunately,thenewparadigm-passiveIoTiscomingwhichisoneoftheeffectivesolutionsforthesechallenges.SomerelatedconceptsareanalyzedandthedefinitionofpassiveIoTisproposed.Forthefirstt
5、ime,thefourchallengesfacedbypassiveIoT,suchaslowenergydensity,lowconversionefficiency,limiteddistanceofbackscattercommunication,anddifficultyintransmissionofpowerandinformationsimultaneous,arestudied.Theproblemsareanalyzedindeeplyandtheresearchprogressaresurveyed.Forthechallengeoflowenergydensity,th
6、eresearchprogressisreviewedfromthreeaspects:beamforming,antennadesignforenergyharvesting,andintelligentreflectingsurface.Forthechallengeoflowenergyconversionefficiency,fromreceiverarchitectureoptimization,waveformdesign,impedancematching,rectifieroptimization.Forthechallengeoflimiteddistanceofbacksc
7、attercommunication,theresearchprogressisreviewedfromsevenaspects:newmodulationscheme,newfrequency-shiftedbackscatteringscheme,MIMO,newchannelcodingscheme,newsignaldetectionmethod,intelligentreflectingsurfaceenhancing,andsemi-activemode.Consideringthedifficultyintransmissionofpowerandinformationsimul
8、taneous,theresearchprogressisreviewedfromtwoaspects:optimizationofthereceiverarchitectureandtheenergyinformationcompatiblesignalcodingscheme.Foreachaspect,theadvantagesanddisadvantagesofvariousmethodsareanalyzedandthefutureresearchdirectionsarepointedout.Key words:PassiveInternetofThings(IoT);Radiof
9、requencyenergyharvesting;Backscattercommunications;Simultaneouswirelessinformationandpowertransfer收稿日期:2022-09-19;改回日期:2023-02-17;网络出版:2023-02-21*通信作者:郑黎明基金项目:国家自然科学基金(52101391)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(52101391)第45卷第7期电子与信息学报Vol.45No.72023年7月JournalofElectronics&Info
10、rmationTechnologyJul.20231 引言随着可穿戴设备、智能家居、智能网联汽车、智慧城市等应用的不断普及,数以千亿计的设备将接入网络,实现真正的万物互联。然而现有物联网接入技术已经无法满足日益增长的接入需求,主要原因有:接入能力方面。目前以窄带物联网(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)、远距离无线电(Long-RangeRadio,LoRa)、SigFox为代表的低功耗广域网(LowPowerWideAreaNetwork,LP-WAN)技术能支持百亿级设备接入。但随着物联网应用朝着泛在化、大众化方向发展,即将面对千亿级海量设备,如何实现千亿
11、级设备的可靠接入与高效管理,已成为当前物联网研究领域亟需解决的关键问题。电源依赖方面。受限于分布的广泛性和位置的移动性,物联网设备通常采用电池供电,然而由于物联网设备部署环境通常比较恶劣,电池的寿命急剧减少,一般情况下,温度每升高10,电池使用寿命将减少50%,温度越高影响越大,极大限制了设备的部署范围,尤其是在工业制造、环境监测等物联网应用效益最明显的产业领域。此外,更换、回收电池成本很高,部分应用环境甚至不支持更换电池,如心脏起搏器、军用传感器等。成本方面。目前采用LPWAN接入技术的设备成本最低,仅包含供电电池、处理器芯片、射频收发芯片、天线等少数核心功能部件,但成本依然达百元。如中国移
12、动的NB-IoT无线传输模块销售价格就接近50元,传感器其他物料及制造成本也居高不下。随着物联网应用的深度普及,联网设备越来越多,成本问题必将进一步凸显。综上,支持海量设备接入、低成本、无源的网络接入技术成为当前制约物联网发展的关键问题,具有上述特征的无源物联网成为科技界和产业界近年来关注的焦点。为了叙述方便,下面给出缩写表,如表1所示。2 概念无源物联网的本质是物联网的终端节点无源,即终端节点自身不配置电池,也不采用有线方式从电网中获取电能,而是从环境中获取所需能量,支撑终端节点的感知、计算和无线传输。5G-Ad-vanced网络技术演进白皮书1给出了无源物联网的功能、优势及用途,“无源物联
13、网利用后向散射及环境能量采集等技术,实现目标节点在免电池且极低复杂度的情况下实现信息的高效传递,具有零功耗、低成本、易部署的显著优势,可广泛应用在智能仓储、智慧物流、智慧农业、工业无线传感网络、智慧交通、智慧医疗等领域,有望成为万物互联的基础性使能技术”。但迄今为止,无源物联网并没有形成统一认识,本文先阐述和无源物联网紧密相关的几个概念,对这些概念进行深入剖析,最后给出我们的定义。2.1 相关概念分析(1)RFEHRFEH是收集空间中传播的电磁波并将其转化为可供利用的电能的过程,可分为环境RFEH和专表 1 缩写表缩写英文内容中文内容缩写英文内容中文内容IoTInternetofThings物
14、联网NB-IoT NarrowBandInternetofThings窄带物联网LoRaLongRangeRadio远距离无线电LPWAN LowPowerWideAreaNetwork低功耗广域网RFEHRadioFrequencyEnergyHarvesting射频能量收集RFIDRadioFrequencyIdentification射频识别BCBackscatterCommunication后向散射通信SWIPTSimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer能量信号同时传输IRSIntelligentReflectingSurface智能
15、超表面WETWirelessEnergyTransmission无线能量传输WITWirelessInformationTransmission无线信号传输ASKAmplitude-shiftKeying幅移键控调制FSKFrequency-shiftKeying频移键控调制PSKPhase-shiftKeying相移键控调制BERBitErrorRatio误码率MIMO MultipleInputMultipleOutput多进多出MISOMultipleInputSingleOutput多进单出POWPowerOptimizedWaveforms最大功率波形OFDMOrthogonalFr
16、equencyDivisionMultiplexing正交频分复用DLIDirectLinkInterference直接传输干扰OOKOn-offKeying开关调制BPSKBinaryPhaseShiftKeying二进制相移键控QAMQuadratureAmplitudeModulation正交振幅调制MSKMinimumShiftKeying最小频移键控MOSMetal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor金属-氧化物半导体场效应管CMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化物半导体2294电子
17、与信息学报第45卷用RFEH,相关研究进展可参看综述文献24。环境RFEH可收集无线电广播、无线通信基站发射的电磁波,包括AM/FM、移动蜂窝网络、电视广播信号、Wi-Fi等。RFEH系统整体结构如图1所示,包括天线、阻抗匹配电路、整流器、能量管理电路及能量存储器。在图1中,天线耦合空间中的电磁波,将其转化为电信号。在实际能量传输过程中,天线及芯片端口会反射部分能量,通常被定义为反射系数,当天线阻抗与芯片阻抗共轭匹配时,实现最大功率输出,反射系数为0,当天线阻抗与芯片阻抗失配时,在天线和芯片之间会造成反射,为减少反射导致的功率损耗,需要在天线和芯片之间增加阻抗匹配电路。整流器将接收的交流电转换
18、为可供其他电路直接使用的直流电。能量存储器主要是采用电容阵列或者超级电容将收集的能量进行高效存储,供其他电路使用。(2)RFIDRFID是一种非接触式自动识别技术,可分为低频、高频、超高频、微波等,低频和高频RFID传输距离较短,微波RFID一般需要电池供电,本文关注应用最为广泛的超高频RFID,后文中RFID都特指超高频RFID,其原理如图2所示。读写设备通过发射电磁波给电子标签供电并读写电子标签内存储的信息,电子标签通过天线耦合读写设备发射的电磁波来获取工作能量,通过后向散射方式反射或吸收读写设备发送的电磁波进行信息传输。(3)BCBC指散射体利用接收到的外部射频信号作为载波,通过调节阻抗
19、或基带信号的频率等方式实现幅值、频率、相位的改变,将信息调制到反射载波上,实现无线通信5。最简单的BC系统如图3所示,散射体接收外部已有正弦波信号,依据需要发送的信息来调节阻抗,当需要发射信号1时,调整成电阻相等电抗相反,载波完全反射,当需要发射信号0时,阻抗精确匹配,载波完全被吸收,无反射;接收机接收到散射体反射的信号,通过包络检波区分出0和1,再通过解码还原出原始信息。相关研究进展可参看综述文献6,7。BC最大的优势是不需要自己产生载波,这样就不需要频率综合器、锁相环、功率放大器等高功耗模块。从综述文献7中可知,大量的BC芯片功耗低至微瓦级别,非常适合超低功耗无线传输。但受限于直射干扰、调
20、制解调方式、反射损耗等制约,其传输距离短、传输数据率偏低。(4)SWIPT从上述概念可知,RFEH技术的发展为远程射频能量传输奠定了基础,BC为超低功耗无线通信提供了一种新的技术方案,在此基础上将两者融合就形成了SWIPT系统,现已成为广大研究者和产图1射频能量收集系统框图图2RFID系统框图第7期郑黎明等:无源物联网:背景、概念、挑战及研究进展2295业界关注的重点,文献8,9对相关研究进行了全面综述,RFID系统是一种典型的SWIPT系统。随着5G标准的不断演进及6G研究工作的开启,SWIPT成为无线接入网络的新热点,同时也面临能量传输和信息传输折中问题,如重新设计天线、编码、波形及处理自
21、干扰等问题。2.2 无源物联网概念无源物联网内在驱动力是解除传感器对电池的依赖,降低成本、尺寸及部署要求,为海量、低价值物体接入网络提供一种新的可能,本质上是一个产业概念。本文将无源物联网定义为:“针对泛在、海量、低成本连接需求,充分利用环境能量收集技术从环境中获取能量,利用BC等技术手段实现超低功耗无线通信,无限延长电池寿命并最终摆脱对电池依赖的特种物联网。”从本质上看各种环境能量收集技术都可用于无源物联网,如太阳能、风能、机械能等,只是射频能量收集具有空间时间上相对稳定、可远距离收集、与无线通信共用电路能降低成本减少体积、适用条件广等优势,现有研究多聚焦射频能量收集,本文定义无源物联网时强
22、调采用环境能量收集技术,在反向散射通信距离有限章节介绍了利用收集太阳能、机械能的方式增加后向散射通信距离的成果。所提概念还突出了无源物联网是一个产业概念,最大的驱动力来源于能为海量的低价值物体提供超低成本、泛在的接入能力。最后,所提概念强调收集环境能量来延长电池寿命,为了提高系统的可用性,很长一段时间内,无源物联网可能还需要超级电容类电能存储器,实现含电容等储能元件的一体化芯片设计是未来重要发展方向,由于篇幅限制不展开讨论。3 面临的挑战及研究进展以RFID为代表的无源物联网技术,为新一代无线通信技术提供了一种接入能力强、成本低、无需电池供电的无线接入方式,但也面临着一系列技术挑战,其影响因素
23、、影响程度各异10,11。从它的两大关键技术上看,RFEH存在功率密度低、能量转化效率低等难题12,BC存在通信距离有限问题,此外,两者之间还存在兼容难问题。3.1 功率密度低3.1.1 问题及原因分析环境中的射频信号功率谱密度普遍较低,文献13是在加拿大蒙特利尔市中心测量的环境中射频信号平均功率密度曲线,整个频谱上最高功率密度城市最大仅为35.5dBm,郊外最大仅为47.68dBm。国内情况类似,文献14在广州佛山市顺德区多个地点测试了功率谱密度,城市地区处于3830dBm,郊外平均值为38.99dBm。主要原因分析如下:(1)发射功率受限。为减少多个基站信号之间的干扰及避免对人体的辐射伤害
24、,国际组织及各个国家严格限定各个频段的最大辐射功率,以超高频RFID为例,美国FCC规定EI-RP(EffectiveIsotropicRadiatedPower)为36dBm,欧洲国家普遍规定ERP(EffectiveRadiatedPower)为33dBm,我国无线电管理委员会规定ERP为33dBm。(2)对在自由空间传播的电磁波而言,可接收功率随着传输距离呈负指数幂衰减。另外,在电磁波传输过程中,地表障碍物会对信号传播形成遮挡与多径效应,将进一步降低功率传输质量。(3)现有环境中绝大部分电磁波设计为传递信号,随着无线通信技术的进步,接收机的灵敏度越来越低,如5G小基站灵敏度通常为94dB
25、m、LoRa灵敏度则达149dBm,同等情况下极大减少了需要发射的功率,也减少了环境中射频信号的功率密度。3.1.2 优化研究进展(1)波束成形波束成形应用于无源物联网主要是在阵列天线工作时,通过控制不同天线阵元上的馈电和天线阵元排列的空间结构,调整信号的相位、振幅,使得最终形成的无线信号功率集中于指定的方向上,在其他方向上无线信号功率很小。它能极大提升无源图3后向散射系统框图2296电子与信息学报第45卷物联网各项性能,如减少多径效应提升传输效率、增大覆盖范围、减少各种干扰等,但不可避免的也有覆盖角度有限、复杂度高、功耗高、成本高、体积大等弊端15。相关研究主要聚焦于波束成形系统的设计,对整
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无源 联网 背景 概念 挑战 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。