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设计一个传感器驱动的世界:从零能耗设备的研究角度看

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  • 在6G时代,世界将充满数万亿个低成本、低计算的传感器,它们可以自我供电并实时共享数据。
  • 这些传感器将应用于各种场景,例如触觉服装,它们所采用的能量是从环境中收集而来,包括振动能、热能、光伏能和射频能。

高级无线网络专家

微波系统研究负责人

Designing a sensor-driven world: the research take on zero-energy devices

高级无线网络专家

微波系统研究负责人

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微波系统研究负责人

试想一下,你生活的城市里布满了数万亿个廉价的传感器,它们遍布在墙壁、天花板、地板和空中,无处不在。

试想一下,这些传感器甚至不需要电池,它们能够利用周围的环境能源自我供电,并通过无线网络实时传输收集到的数据。

这或许听起来像是反乌托邦的梦魇,对一些人来说也许是恐怖的,但是当你意识到数万亿个传感器能够为各个领域、社区和全球的可持续发展创造的巨大价值时,你就会发现这是一个具有颠覆性的前景。

推动能量收集技术的发展将是实现这一愿景的关键因素。接下来,我们将探讨环境能量和无线电波能量收集领域在未来几年将面临的一些最大的研究挑战。

零能耗设备与6G网络

我们的社会即将迎来一个新的时代,数万亿个简单、低成本、零能耗的传感器将实时地收集和传输数据,指导我们的社会运行和发展。这些传感器是一种新型的设备,我们称之为零能耗设备,它们是我们对未来6G系统的愿景之一。

这些设备与智能手机或移动宽带设备不同,它们的性能较低,成本低廉,能耗极低。为了实现可持续的大规模部署,我们需要6G网络来支持这些设备的连接和通信。

由于能量有限,这些设备大部分时间都处于深度睡眠状态,只有在收集到足够的能量后才能短暂地激活发送数据。

只谈物理世界是没有意义的,还要关注数字世界中的数据处理和分析。但本文不涉及数字世界,所以未展开。

上图:缩小与扩大--未来6G零能耗设备预期的计算和能量消耗情况。

上图:缩小与扩大--未来6G零能耗设备预期的计算和能量消耗情况。

目前的移动网络是为了支持可以持续通信的设备而设计的,它们需要不断地交换控制和管理数据。

而为了支持未来的零能耗设备,我们必须设计一个网络,可以快速地检测、控制并在需要时更新凭证,以实现与大量能量受限设备的安全通信。这也是我们对未来6G移动网络的愿景之一。

数量优于计算能力:数万亿零能耗设备的价值

我们先来探讨一个相关的问题:如果零能耗设备的计算能力和功能不强,那么为什么要选择部署它们,而不是在精心选择的位置部署更少的、更精确的、性能更好的传感器呢?

如果这个问题是在10-15年前提出的,答案可能是“没有理由”。但是,随着近年来大数据、机器学习和人工智能的飞速发展,我们今天可以利用大量简单的数据点实现几年前难以想象的事情。

一个例子是压力传感器——它们不是设备,而是我们人类皮肤上的一种细胞。我们身体上的每个压力传感器细胞都不太精确,也不能提供太多有用的信息,但是当这些细胞汇总起来时,它们就能提供比少数传感器(可能更灵敏)更深入的信息。

作为人类,我们一直在训练我们的大脑来解读这些细胞同时传递出的信息,并根据它们的含义做出复杂的判断。例如,我们脚上的压力传感器细胞能让我们实时感知我们是站在脚尖还是脚跟上,以及我们站在什么样的表面上,是光滑的、粗糙的还是锐利的。

零能耗设备的能量收集技术

零能耗设备可以小到一根纤维,里面包含的芯片只能通过显微镜才能看到。在电源供应方面,考虑到电池太昂贵和不实用,电力必须从环境能量源中自然获取。

在爱立信研究中心,我们确定了未来零能耗设备的四种主要环境能量来源:

  • 振动能,如电磁能和压电能
  • 热能,如热电能和热释电能
  • 光伏能,如太阳能电池收集的能量
  • 无线电波能,如无线信号的能量

每种能量收集方案有什么特点?它们对未来可能的零能耗设备使用场景的优缺点?我们在下面进行了更深入的探讨。

环境能量收集

在物理环境中,我们有多种能量收集方案可以选择。下图中显示了一些例子及其预期的功率范围。

目前最常用的环境能量源是太阳。每秒钟射向地球的总能量非常高,通过小型太阳能板转换为电力时,很容易达到瓦特级别。

振动是另一种常见的能量源。例如,如果我们想要持续监测铁路轨道的质量,一个振动驱动的传感器可以在火车经过时激活。它可以注册到网络,测量和传输轨道参数,在火车经过后再进入深度睡眠模式。

在环境能量源网格的另一端,有无线充电器、声音噪音和无线信号本身的能量。然而,利用无线信号为无线连接的设备供电并不是一个新想法。常见的RFID标签或无接触支付芯片就是基于这个思路。唯一的缺点是它们只能在短距离内工作。如果我们使用移动网络,我们理论上可以从无线基站获得更高的输出功率,从而支持更好的覆盖范围。然而,正如你在下图中看到的,实际上我们所谈论的是微瓦级别或更低的功率。这样的能量水平可以实际覆盖一个中等大小的房间或走廊,覆盖范围为20米,或者在有清晰视线的情况下最多达到50米。

事实上,对于给定应用最合适的能量源将取决于应用的需求,因情况而异。

上图:能量源及收集环境能量的设备的可用功率水平示例

上图:能量源及收集环境能量的设备的可用功率水平示例

触觉纺织品:未来零能耗设备的众多用例之一

在麻省理工学院(MIT)的一个研究项目中,研究人员利用微微压阻性的线编织出一个针织纺织品,模拟了皮肤中无数个压力传感器的功能,并在其中嵌入了数千个简单的压力传感器。他们用这种触觉纺织品制作了一些服装,如背心、袜子和手套。

研究人员通过监测和存储传感纺织品在受到不同压力模式时的反应,并用机器学习算法对传感器反应进行训练,从而模仿人类的学习过程,并建立了人工智能模型,来判断穿着纺织品的物体的动作。

该项目的成果令人印象深刻,但还有一个挑战没有解决:传感纺织品需要通过一组电缆来供电和连接,这在移动时很不方便。

如果我们能够通过无线连接来获取压力传感器的信息,那会怎样呢?在与MIT的第二次合作中,我们致力于解决这一挑战,设计了一个高能效的无线收发器,可以无线地为触觉纺织品提供电力并监测传感器信息。我们在2023年世界移动通信大会(MWC)上展示了这一成果,你可以在下面的视频中看到演示的一些亮点。

 

上图:与MIT合作,在2023年世界移动通信大会上展示了无线传感纺织品和零能耗设备的潜力

探索触觉纺织品的无线电波能量收集

无线电波能量虽然是一种弱的环境能量源,但它的优势在于无处不在,只要有移动网络覆盖的地方,就可以利用它。

为了解决如何设计一个能够传输触觉纺织品中传感器信息的无线收发器这一挑战,我们决定设计一个零能耗反向散射设备,能够从3.5 GHz 3GPP移动网络中收集能量。

无线电波能量收集的原理比较简单:

  1.  一个天线捕获信号并将其输入到整流器中。
  2. 整流器实际上是一个二极管,只允许正电压通过。
  3. 负电压被阻断,因此在整流器的输出端产生一个直流电压。
  4. 该电压连接到收发器电路,即负载,使收发器能够工作。

当标签被激活时,比特率在100 bps左右,以3.5ms的短包传输,每个包的比特率接近40 Mbps。

上图:使用整流器的无线电波能量收集器的原理

上图:使用整流器的无线电波能量收集器的原理

由于可用能量非常低,因此无线电波能量收集器必须具有高能效。在目前的工作中,我们选择了在三原子厚的二硫化钼(MoS2)层中实现整流器,而反向散射无线收发器则用硅制成。

弱能量源也使得我们无法储存任何能量,因此我们将零能耗设备实现为一个被动的、反向散射的设备。整流器能够支持高达10GHz的频率和高效的整流器设计。你可以阅读这篇研究文章,了解更多信息。

MoS2整流器被沉积在用硅制成的低能量无线收发器芯片上。这样我们就可以同时利用MoS2和硅生态系统制造的无线收发器芯片的优势,这是异构集成的好处之一。你可以阅读这篇研究文章,了解更多信息。

这项工作中异构集成的原理如下图所示,图中从左到右分别是:

  1. 用标准CMOS硅技术设计和处理的无线收发器电路,
  2. 在硅上沉积一层三原子厚的MoS2层,
  3. 在MoS2层中处理整流器电路的晶体管,
  4. 添加连接器,将收集到的电压转发到收发器电路中。
上图:异构集成无线电波能量收集器与硅芯片的原理

上图:异构集成无线电波能量收集器与硅芯片的原理

零能耗设备的网络研究挑战

零能耗设备不仅在设备层面上具有挑战性,而且在网络层面上也是一个有意思的研究课题。

在传统的蜂窝网络中,有一个基本的假设,就是设备基本上“随时”可以被接触到。这意味着设备的移动性可以基于设备的测量报告。寻呼也是可行的,因为设备会定期唤醒,检查是否有寻呼消息。此外,许多无线网络协议假设设备能够记住之前的操作结果——原则上,发送给设备的消息可以假设之前的消息中包含的操作已经执行了。

然而,对于零能耗设备来说,这些假设可能都不成立。所有的消息都需要是完整的和独立的,不能依赖于之前的消息,因为不能保证那些消息被正确接收。移动性需要重新考虑,物理层的属性,如波形、编码和调制,需要根据许多零能耗场景中极低的可用能量来选择。

零能耗设备的未来:只有我们想不到的

在巴塞罗那举行的世界移动通信大会上,我们展示了一些未来6G网络能够提供零能耗连接时可能实现的情景。

使用零能耗设备无线连接大量传感器可以开辟一个巨大的新机遇领域,没有做不到,只有想不到的。

例如,如果把MIT开发的传感器集成到高尔夫球手的袜子里,用数据来练习高尔夫挥杆呢?或者想象一下一支足球队员穿着带有传感器的衣服,球迷们会从额外的统计数据和信息中获得怎样的增强体验?如果老年人穿着触觉纺织品服装,当他们摔倒时可以触发报警和求助,这样他们可以更多地享受家庭时光?

这个列表还可以再长一些,但这些是我们在2023年2月底在为期四天的巴塞罗那世界移动通信大会上展示零能耗传感器时,向8000多名参观者提到过的一些例子。零能耗设备是展示的四大6G技术组成之一,爱立信在展区内的一个未来主义圆顶里展示了所有四大技术。

上图:爱立信与MIT合作,在2023年世界移动通信大会上展示触觉服装

上图:爱立信与MIT合作,在2023年世界移动通信大会上展示触觉服装

我们介绍的传感器和零能耗设备的故事引起了参观者的巨大兴趣。我们收到了大量的问题——最常见的一个是“这种毛衣可以洗吗?”(可以洗,虽然这不是研究原型关注的重点)。

展示传感器(以毛衣为例)以及零能耗设备原型,在参观者中激发了很多想象力,他们发表了诸如“哇,这是真正的研究!”,“……令人难以置信……”,“……真正面向未来……”,“我没有学位,但这个我完全明白。”等评论。参观者还提出了一些新的用例,例如警察在暴乱情况下穿着毛衣,如果他们摔倒了,就可以得到帮助,或者作为一种预防婴儿早夭的方法,如果孩子睡的地方比较危险的话。

经过四天激烈但非常刺激的展示,我们回到了自己的研究办公室,活力满满,准备迎接新的6G挑战!

Learn more

Read the Imagine Possible Perspectives article: Powering our world with harvested ambient energy

Read the blog post: Zero-energy devices – a new opportunity in 6G

Read the blog post: Near-immortal devices and a sustainable deploy-and-forget future

Read the blog post: All data, everywhere, all at once: Can 5G and zero-energy devices create the perfect future workspace?

Read the press release: Ericsson and MIT enter into collaboration agreements to research next generation of mobile networks

Read more on energy sharing: Energy from everywhere

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