随着物联网的发展,传感器会越来越多地分布到日常生活中。传感器分布在各个角落,通常需要保证至少能不跟换电池使用一年以上(尤其是对于植入人体的传感器更是如此,因此更换电池需要做手术成本和安全性都有问题);而且,出于传感器成本和尺寸的考虑,传感器内置电池的电量不可能太大。

另一方面,为了能传递传感器收集到的信息,传感器通常需要使用无线连接来与中心节点通信。然而,传统射频集成电路的功耗都不低,会过快消耗电池电量。因此,为了进一步普及物联网传感器,需要设计新的超低功耗射频电路。

信号传递真的需要发射射频信号吗?

如何设计超低功耗射频电路?我们不妨分析物联网射频电路中的功耗。首先,作为物联网中的传感器节点,以发送信息为主,接受端主要是一些控制信息,因此发射端的使用频率更频繁;其次,目前的主流无线协议至少要求发射功率达到0dBm,即1 mW,考虑到发射机整体10%左右的效率,即需要至少10mW的整体功耗,这样的功耗在物联网传感器应用中就太大了,必须想办法减小。

那么,如何降低发射端的功耗呢?除了常规的电路优化提升效率之外,有没有办法可以降低功耗呢?我们不妨先看看信息传递的物理基础。根据信息论和物理学,传递一比特信息需要消耗的能量是kTln2,在常温下大约为2.7510-21焦耳,远小于无线传输中每比特数据传输消耗大约110-12焦耳能量的数字。因此,限制我们的并非物理学基本定律,而是工程学上信号传递方式的设计。

我们不妨再想一想,无线传递信号,真的需要传感器端发射射频信号吗?在日常生活中,确实存在着不需要自己消耗能量就传递信号的方法。例如,用在航海和野外探险中的日光信号镜,就是通过不同角度的反射太阳光来传递信息。在这里,信号的载体是太阳光,但是太阳光能量并非传递信号的人发射的,而是作为第三方的太阳提供的。所以,我们完全可以实现由第三方提供能量来实现信号传输。

004ednc20170822 阳光信息镜,使用第三方(太阳)提供的能量作为信息载体,传递信息的人本身无需提供信息传输能量

无源WiFi-接近零功耗实现无线传输

之前提到了使用太阳光可以无需提供能量就传输信号的例子。事实上,太阳光和我们常规无线通讯使用的都是电磁波,因此我们完全可以把阳光反射镜移植到无线通讯中。

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最早这种方法使用在了卫星通讯中。由于卫星通讯中卫星和地面基站距离很远,信号衰减很大,因此需要非常强的信号发射功率,显然在地面发射大功率会比在卫星发射大功率要简单一些。因此,工程师们的解决办法就是在卫星上安装可以调制反射光的发射器(retro-reflector),而由地面来发射大功率信号(照射信号)。该发射器可以通过改变反射器角度来调制反射信号来传递信息。举例来说,当卫星完全反射地面发出的信号时表示1,而当完全没有反射时表示0,这样就可以实现卫星不发射无线信号的无线传输。在这里,地面的发射站就相当于日光反射镜例子里的太阳,而卫星上的反射器则相当于镜子。

随着物联网的普及,使用反射来传递信号的方法也开始进入了传感器领域。美国华盛顿大学计算机科学与工程系的教授Shyam GollakotaJoshua和R. Smith提出了Interscatter的概念,并将结果发表在了SIGCOMM上。Interscatter的思路与之前提到的阳光信息镜以及卫星反射通信相同,也是通过反射来传递信息。一个典型的应用例子如下图,Interscatter芯片是植入体内的传感器或类似RFID的需要超低功耗的芯片,外界的设备(如手表,蓝牙耳机)发射射频信号(照射信号),Interscatter芯片通过改变天线的阻抗来调制反射信号,该反射信号由手机接收并解调得到Interscatter芯片传递的信息。在整个过程中,Interscatter芯片并不发射射频信号,需要做的仅仅是将比特流转换为对于天线阻抗的调制,因此功耗可以极低。

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Interscatter芯片使用场景示意图,由外界设备发射射频信号而Interscatter芯片通过改变天线阻抗来调制反射信号完成信息传递。整个过程中Interscatter芯片并不产生射频信号。

在Interscatter之后,华盛顿大学的研究组更是将此概念扩展到了WiFi上,提出了无源WiFi,通过WiFi路由器来发射射频信号,而无源WiFi芯片只需要负责调制天线阻抗就能通过WiFi协议与路由器通信。由于省去了发射射频信号这一环节。芯片的功耗主要来源于频率综合器以及天线调制模块(见下图)。这样,无源WiFi可以实现高达11Mbps的通信速率,而其功耗仅仅只有50uW。

007ednc20170822 无源WiFi

在电路系统设计上,passive wifi的基本过程是中心射频源(路由器等)发射射频信号至passive wifi芯片,因此需要精确控制波束方向,否则如果多个passive wifi芯片同时反射的话会造成互相干扰,因此在射频源的部分需要用到波束成形技术。然而,由于波束不可能每次都对得非常准,于是另一个passive wifi系统的挑战是多路反射和环境反射。为了解决这个问题,UCLA电子工程系Frank Chang教授带领的实验室与NASA/JPL合作完成了一款芯片。这个项目实现了基于反射概念数据率高达54Mbps的芯片组(包括发射端和反射端)外,该芯片组同时还能使用equalization技术解决多路反射的问题。由此可见,无源WiFi不仅能实现低功耗通讯,在数据率方面与传统WiFi也不遑多让。具体论文“A 5.8 GHz 54 Mb/s Backscatter Modulator for WLAN with Symbol Pre-Distortion and Transmit Pulse Shaping”发表在了IEEE Microwave Wireless Component Letters上。

008ednc20170822 UCLA与JPL合作实现的芯片组,包括发射端和反射端两部分芯片

当然,无源WiFi也存在自己的局限性。目前,无源WiFi最适合的场景是点对点通信,这样即可最大化照射信号的利用效率,也能减小不同无源WiFi反射的互相干扰。因此,在需要多节点同时通讯的场合下,无源WiFi并不是最好的选择 。另外,无源WiFi并不能减小接收机的功耗。综上所述,无源WiFi最适合的应用场景还是发射端站最主要部分,且无需节点之间通信的物联网传感器。在未来,为了能让多个节点同时通信,可以使用类似CDMA的技术。

(来源:半导体科技评论)

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