零功耗通信白皮书.pdfVIP

1.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。 1.1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 rd （3 Generation Partnership Project，第三代移动通信标准化组织）标准化 了MTC（MachineTypeCommunications，机器类通信）、NB-IoT（NarrowBandIoT， 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 （enhancedDiscontinuousReception，增强的非连续接收）、PSM （PowerSaving 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。 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1.4MHz，能支持最大1Mbps的峰值速率。 RedCap，全称ReducedCapability，它是基于5GNR 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