零能耗物联网终端，让一劳永逸的部署成为可能

信观察

零能耗物联网（ZE-IoT）未来将为蜂窝物联网行业带来巨大的潜力，不但扩大物联网用例的应用范围，而且还会改变设备管理方式。但是这样的未来究竟会是什么样子，会面临什么挑战，我们还可以为之做些什么？本期信观察对物联网的现状，如何研发部署零能耗物联网以及爱立信在部署进程中的推动作用，做了细致的讨论。

• 零能耗物联网（ZE-IoT）有望通过扩大蜂窝物联网（即基于蜂窝移动通信技术来打造的物联网）可支持的用例数量，给物联网市场的应用范围带来新的维度。
• 如果蜂窝移动通信网络（包括公共和非公共网络）的生态系统能够将此类技术落地商用，那么这类“几乎可永久工作”的物联网终端将为服务提供商开辟新的收入机会。
• 到2028年，蜂窝物联网的连接数预计将达到55亿。

听一听零能耗物联网在未来会如何为蜂窝物联网行业创造巨大潜力。

零能耗物联网（ZE-IoT）未来将为蜂窝物联网行业带来巨大的潜力，不但扩大物联网用例的应用范围，而且还会改变设备管理方式。但是这样的未来究竟会是什么样子，会面临什么挑战，我们还可以为之做些什么？下面，让我们来看一下。

 

物联网现状

 

那么首先，我们来看一下物联网的现状是怎样的？除了增强型移动宽带（eMBB）之外，5G的主要目标之一是使用蜂窝移动通信技术来支持大规模物联网应用，这些应用通常对延迟具有比较高的容忍度、并且能够支持大量型态各异的传感器设备及控制器。

已经由低功耗广域(LPWA)物联网技术所支持的应用也被涵盖在内，例如用于农业、公用事业和物流部门的智能仪表和传感器。到目前为止，大规模物联网市场选择的是使用“继承自4G的Cat-M 和窄带物联网（NB-IoT）”来支持LPWA应用、室内物联网应用、和可穿戴设备。

即使3GPP制定的蜂窝移动通信标准涵盖了丰富多样的物联网选项，但《爱立信移动报告》仍然对蜂窝物联网和非蜂窝物联网市场进行了比较鲜明的对比。该报告指出，从设备数量持续增长的角度来看（2018年时约为10亿台， 到2028年预计会增长至约55亿台），蜂窝物联网的连接数的增长保持着健康的状态。

《爱立信移动报告》中用下表展示了蜂窝物联网在整个物联网市场中的比重。蜂窝物联网属于广域物联网，表格中这两者之间的连接数差异来自于其它的广域物联网技术（比如LoRA和Sigfox）的连接数贡献。短距物联网技术通常运行于非授权频谱上，主要用于可穿戴设备和室内物联网应用；在IEEE 802.15.4中，有针对常用于工业和自动化标准的短距离通信去制定相应的标准（例如Zigbee）。当然，短距物联网应用 其实也都可以由3GPP技术 （即蜂窝物联网技术）去给予支持。

上表中的增长数据表明，在未来数年内，服务提供商显然有机会通过在物联网市场引入大规模应用实现收入增长。

当然，在获得机会和拥有巨大发展潜力的同时，也会面临一些挑战（比如成本效益等问题）。要想在物联网市场成功地引入大规模的应用，非常关键的是物联网终端在“自身的能量供给”上的独立性，因为这将使得物联网终端更易普及且便于管理。蜂窝移动通信行业对此的答案是在本行业中增加针对短距物联网通信的潜在市场。ZE-IoT有望通过扩大蜂窝物联网在各种部署场景下可支持的用例数量，给物联网市场的应用范围带来新的维度。针对6G系统提出的ZE-IoT未来将会被纳入6G的国际标准，并且有望在未来几年开启商用。

 

什么是零能耗物联网（ZE-IoT）?

 

零能耗物联网（ZE-IoT）中的“零能耗”意味着此类物联网终端要么不需要电池，若配了电池也不需要对电池进行更换或人为充电；此类终端是基于从周边环境进行“能量采集”来为自身供能。爱立信研究部门特别关注既具有前述零能耗特点、又有能力与6G网络中的基站直接建立无线连接的物联网终端。

 

 

如何研发和部署ZE-IoT?

 

ZE-IoT的研发预计将遵循两种技术路线：第一种是无源解决方案，其采用反向散射通信技术，所致的通信距离比较短（约为10米）；另一种是有源解决方案，其可以获得明显更长的通信距离（约200-300米）。

若物联网终端可以直接与基站相连接，将促使物联网业务获得广泛的细分市场，从而使行业和社会都能从中受益。对于物联网终端与基站之间是间接连接的情况，我们也保持着关注；这种情况下，可以通过终端之间的直通链路或通过网络侧的中继节点来使物联网终端通过间接的方式连接上基站。

不论零能耗物联网终端与基站之间是直接连接还是间接连接，均存在着一些挑战，例如：

1. 零能耗物联网终端的开发不仅需要确保低能耗和相对较低的发射功率水平，还需要在覆盖范围、终端复杂度和外观样式之间取得良好的平衡；并且，更重要的是，要达成与NB-IoT终端的差异化。
2. 空口可能会基于非常简单的波形来设计；并且，至少在下行链路上，以能量检测作为信号检测的基础。将上述的简单波形集成到蜂窝移动通信系统中并不容易，但相应工作正在积极地开展中。这些零能耗物联网终端的引入将导致系统中传统业务的频谱效率的降低，这种负面影响必须通过在传统业务的负载比较低的时段进行物联网通信来尽量给予抵消 。零能耗物联网业务的数据包通常具有很小的载荷，从而在任何时候都能以更大的灵活性来提高网络效用。
3. 能量采集的来源可以是振动、热能、太阳能、照明、甚至无线电波。对于像可穿戴设备这样的低能耗的应用场景，可以考虑采用压电效应来驱动终端设备的工作。零能耗物联网终端通常将会在比较短的时间里积累电荷到一个量级，使得所拥有的能量足以为终端供电、与网络同步、并且收发信息。
4. 对于可以进行主动通信的有源解决方案来说，储能仍然非常重要；而爱立信对基于有源解决方案来实现零能耗物联网终端特别感兴趣。根据终端型态和用例的不同，可以考虑基于电池技术或超级电容器的方法来实现储能。终端在休眠和工作之间进行轮换的时间间隔，将取决于终端的储能容量、终端积累能量的方式、以及具体用例的需求（比如终端每次发射所需传输的信息量）。
5. 虽然绝大多数用例是将数据从零能耗物联网终端发送到网络，但下行链路上的数据传输也可能会存在，比如用于软件更新或能够容忍延迟的控制类应用。从基站到零能耗物联网终端的下行链路信息传输有一种可能的场景：在终端发起与其它终端的联系后，由基站采用存储转发操作来完成 。下行链路上的数据传输可以是对能耗有感知的和增量的，这样的话，相应的终端能耗就可以在基站的掌控中。
6. 终端间直通链路的同步将需要协调参与到直通链路的多个终端的活动周期。可选地，零能耗物联网终端可以不与基站直接相连接，而是连接到“参与终端间直通链路的某个能量不太受限的终端”或“某个网络侧的中继节点”上。
7. 安全保障方案需要足够简单。例如，像基于人工智能和机器学习（AI/ML）的签名分析解决方案、网络辅助的定位、以及其它的数据导向的技术，在这里都可能会比较有用。

 

爱立信为何要推动ZE-IoT?

 

研发ZE-IoT的目标是想要扩大蜂窝物联网可支持的用例数量。目前，使用NB-IoT和Cat-M 的物联网商业案例发展缓慢，蜂窝物联网的收入通常只占整个蜂窝移动通信市场的一小部分。我们还观察到，LPWA接入市场的发展受到很大 限制的一个重要原因是“部署和管理物联网终端的复杂性”。此外，长寿命电池也进一步增加了物联网终端的成本。

低容量电池或电容器将大大推动物联网的普及。能够采用“只在部署和回收时需要人为干预”的轻量级物联网终端，将改变物联网终端管理的现状。“部署后不再进行人为干预”的操作方式并不能免除终端所有者的如下责任：即，维护终端与业务支撑系统的连通、以及保证终端可以按需被网络监控。

就智慧城市这样的用例而言，ZE-IoT还为的公私合作开辟了机会，因为地方政府有能力利用物联网的过剩产能，并同时避免掉大部分后勤方面的负担。作为公共或专用网络产品的一部分，对这类用例的支持是爱立信很感兴趣的领域。此外，基于对能量采集技术的使用，ZE-IoT的应用场景还可包括智能交通、公用事业和楼宇管理等。尽管当前所考虑的ZE-IoT的用例被限制为使用简单波形的短距物联网应用；但是，随着时间的推移，没有理由去把ZE-IoT终端的发射功率限制在很低的水平（即应用类别将不会仅局限于短距物联网应用）。

 

接下来会面临哪些商业挑战和技术挑战?

 

电信行业过去在利用广域通信技术拓展物联网市场方面做得有所欠缺。要知道，芯片组和物联网终端必须被大量销售才能实现具有成本效益的定制化解决方案；并且，市场需要通过对这些技术的广泛支持才能兴起。

就爱立信的观点而言，挑战涉及三个方面：

• 首先，我们必须依靠有效的机制来设计出适用于首要应用场景的产品
• 其次，我们必须自动化地完成服务的提供
• 最后，我们必须让网络在全国范围内完成对物联网终端的管理（注意，物联网终端的数量可能会高达数十亿）

我们正在与Vonage合作定义首个全球网络能力开放平台（GNP），这将加强来自企业客户和第三方的应用开发者对开发新应用的参与度，并引入跨越不同技术领域的新商机。总而言之，这将成为拓展零能耗物联网市场（甚至是整个物联网市场）的重要推手。

确保通信保密性和数据完整性的传统方法非常复杂，因此很有必要去降低这些功能的复杂性和能耗。然而，当考虑去使用替代的技术手段来保障通信安全时，应该斟酌清楚是否会对网络带来别的负面影响。eSIM在身份验证和终端识别方面的作用也必须被重新审视，同时必须重新审视终端的寻址方式以防止网络攻击者轻易地识别并入侵终端。

需要去支持适用于低能耗运行的空口技术（例如对带有恒定包络的信号进行“开关键控”），不过在进行波形设计时需要与针对eMBB场景的设计相兼容。

零能耗通信的设计会规避对主流和重要应用场景的干扰。要做到在处理好接入控制和重要信令的同时保持住良好的定时和同步，相应的设计并非易事。与业内许多研究人员一样，爱立信的研究人员特别致力于在这些领域进行创新。

不可否认，IP协议栈是物联网实现的基础。同时，人们依旧可能会推测是否存在某种可以通过互联网来寻址的物联网终端，使得我们可以不必在系统边缘支持IP，从而换取对系统能效的提高。所有的设计选项都已赫然在列，在后续的研究过程中，我们将不可避免地排除掉一些不适宜的选项。
为了良好地支持ZE-IoT，网络需要借助智能化的设计来识别大量间歇性运行的物联网终端并与之通信。此外，ZE-IoT必须寻求以低开销来发起连接和传输信号。安全保障方案必须足够简单，这可以借助基于AI的解决方案来达成。支持在非授权频谱上进行部署，可以提升ZE-IoT的价值，因为这样做有助于拓宽应用场景。关于将ZE-IoT的市场逐步开拓到垂直行业中，也存在一些挑战。

 

还有什么需要去关注的地方?

 

为了更广泛地采用传感器技术进行大规模物联网部署，我们致力于开发可以到处部署并且无需考虑给电池充电的物联网终端。基于利用这种ZE-IoT终端去支持大量的物联网新应用，服务提供商很可能会显著提高物联网业务的运营效益。

ZE-IoT终端仍然需要由网络侧来进行管理和提供安全保障，相应的商业案例需要运营和业务支撑系统（OSS/BSS）的介入；当然，就这类终端的业务流量的支持而言，要求是比较低的。大量ZE-IoT终端的部署可以催生新的垂直行业，这些新兴垂直行业又会把信息处理所需的工作量推动到本地和边缘云中去完成，从而为服务提供商开辟出有别于传统收入来源的营收途径。

ZE -IoT终端所适用的物联网应用的数据传输模式是与这类终端的“几乎可以永久工作”的特点相匹配的。此外，考虑到对循环型经济的兼顾，当部署在某个地区的某个物联网应用终止了运营（比如这个物联网应用在该地区不再被需要），我们鼓励对其中所使用的ZE-IoT终端进行翻新和回收；因此，可以考虑使用对环境无害的、完全可回收利用的、甚至是能进行生物降解的材料来制造ZE-IoT终端。当然，网络也可以紧密追踪终端的位置，从而极大地简化回收流程。

ZE-IoT终端将以比大多数6G业务少得多的频率与属于数字世界的互联网进行交互。然而，从运行环境中采集能量的能力将使得这类终端有助于我们在物理世界和数字世界之间搭架互通的桥梁。社会进程由此可以与我们生存的星球及其环境紧密相连，指引我们对人类的存在和福祉去拥有共同的认知。

 

小结

 

通过扩大可支持的应用的范围，ZE-IoT可以为蜂窝 物联网行业的兴起提供助力。基于能量采集技术来为自身供能的ZE-IoT终端几乎可以永久工作，这种特点让一劳永逸的IoT终端部署成为了可能；爱立信研究部门正在致力于对ZE-IoT终端的研发。关于ZE-IoT终端是否能为服务提供商开辟新的收入机会，这将取决于蜂窝移动通信网络（包括公共和非公共网络）的生态系统对此类技术的商用节奏。

 

致谢

 

Mehrnaz Afshang、Andreas Höglund、Jan Höller、Bhushan Joshi和Eric Wang提供的有益建议和见解让我在撰写本文之时倍感愉快，远远好于我独自一人进行撰写。

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