麻省理工學院研究人員設計的一種新型芯片組件有望將物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍拓展至5G。這一發(fā)現(xiàn)代表著基于5G的物聯(lián)網(wǎng)技術將得到更廣泛的推動——利用該電信標準的低延遲、高能效以及海量設備連接能力。這項新研究也標志著物聯(lián)網(wǎng)朝著更小、低功耗的 健康監(jiān)測器、智能相機和工業(yè)傳感器等應用邁出了重要一步。

更廣泛地說，將物聯(lián)網(wǎng)遷移到5G的前景意味著更多設備能夠以更快的速度連接，從而可能帶來更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的電池消耗。這也意味著，在數(shù)據(jù)流背后，需要更復雜、更棘手的電路來支撐。

所有這些均采用5G標準，而非同等水平的4G/LTE或Wi-Fi網(wǎng)絡，這意味著物聯(lián)網(wǎng)正在拓展其覆蓋范圍和規(guī)模。它正在從相對中等規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署，邁向擁有數(shù)百個甚至更多節(jié)點潛力的更廣闊網(wǎng)絡。

然而，需要澄清的是，麻省理工學院電氣工程和計算機科學博士生Soroush Araei表示，IoT-over-5G 并不意味著網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都會突然獲得自己的電話號碼。

“我們的主要目標是，你擁有一個可以重復用于不同應用的單一無線電接收器，”Araei說，“你擁有一個靈活的單一硬件，并且可以通過軟件在很寬的頻率范圍內進行調諧?！?/span>

使用5G標準而不是5G無線網(wǎng)絡可以讓物聯(lián)網(wǎng)設備跳頻、節(jié)省電池電量，并使用大規(guī)模連接技巧，每平方公里最多可容納一百萬臺設備。

如何制作5G物聯(lián)網(wǎng)芯片

另一方面，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)商迄今為止采用5G的速度一直很慢，這凸顯了硬件挑戰(zhàn)有多么困難。

荷蘭恩斯赫德特溫特大學集成電路設計副教授Eric Klumperink 表示：“對于物聯(lián)網(wǎng)而言，電源效率至關重要。你希望以極低的功耗實現(xiàn)良好的無線電性能——[使用]小型電池，甚至能量收集?！?/span>

但隨著越來越多的設備連接到越來越多的網(wǎng)絡（5G或其他網(wǎng)絡），其他問題也隨之出現(xiàn)。

位于德克薩斯州奧斯汀的L&T半導體技術公司技術研究員維托·詹尼尼 (Vito Giannini)表示：“在一個無線信號日益飽和的世界里，干擾是一個主要問題。”（詹尼尼和克倫佩林克均未參與麻省理工學院研究小組的研究。）

Araei表示，使用5G標準有可能解決這兩個問題。具體來說，他表示，麻省理工學院團隊的新技術依賴于已為物聯(lián)網(wǎng)和其他應用開發(fā)的精簡版5G。它被稱為“5G精簡容量”（或5GRedCap）。

他說：“5G RedCap物聯(lián)網(wǎng)接收器可以跨頻率跳變。但它們不需要像頂級5G應用（包括智能手機）那樣低延遲?！?/span>

相比之下，使用Wi-Fi的最簡單的物聯(lián)網(wǎng)芯片將依賴單一頻段（可能是2.5或5千兆赫），并且如果太多其他設備使用同一信道，則可能會出現(xiàn)卡住的情況。

然而，跳頻需要強大的無線電通信硬件，該硬件可以按照網(wǎng)絡指示在頻道之間快速切換，然后確保跳頻與網(wǎng)絡指令和時間一致。

這顆微小的芯片中集成了大量的硬件和軟件智能，而這顆芯片可能只是整個倉庫托盤上數(shù)百個微塵中的一個。

但Araei表示，這樣的功能只是開胃菜而已。

任何可行的5G RedCap芯片的核心都是能夠在各種頻率范圍內靈活工作的硬件，同時仍保持極低的功耗和適中的設備總成本。（麻省理工學院團隊的技術只能用于接收傳入信號；要實現(xiàn)同樣寬的頻率范圍傳輸，則需要其他芯片組件。）

研究人員借鑒了模擬電路和電力電子領域的一些技巧。但這項研究并非像陶瓷電容器那樣采用層層疊放的塊狀元件，而是將這些技巧集成到片上系統(tǒng)中，從而以低成本高效地實現(xiàn)射頻跳頻的小型化。研究人員上個月在舊金山舉行的IEEE射頻集成電路研討會上展示了他們的研究成果。

“這有點像開關電容網(wǎng)絡，”Araei說，“你周期性地依次打開和關閉這些電容，這被稱為‘N路徑結構’。這通常會形成一個低通濾波器。”

這意味著，該團隊不是在電路中使用單個電容器，而是使用微型電容器組來根據(jù)電路接收的頻率范圍的需要打開和關閉。

由于他們將所有這些頻率濾波技術都集成到電路前端，即放大器接觸信號之前，因此該團隊報告稱，其能夠高效地屏蔽干擾。他們報告稱，與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)接收器相比，他們的電路可以濾除30倍以上的干擾，而功耗僅為個位數(shù)毫瓦。

換句話說，該團隊似乎設計了一些相當有效的低功耗5G物聯(lián)網(wǎng)接收器電路。那么，誰能設計出同樣巧妙的發(fā)射器呢？

Klumperink 表示，如果兩者都做到，總有一天會有人從中獲利?！拔锫?lián)網(wǎng)在5G（或6G）上的應用是有爭議的，”他說，“因為相比臨時Wi-Fi連接，頻譜的分配和管理更加便捷。”

這是未來5G IoT芯片的本質嗎？

Klumperink表示，麻省理工學院研究小組的電路可以在主流芯片廠生產。

Klumperink表示：“由于該電路采用主流CMOS技術實現(xiàn)，我認為不會遇到太大障礙。”（該團隊的電路僅需 22 納米制造工藝，因此根本不需要采用尖端代工廠。）

Araei表示，該團隊的下一步目標是消除對電池或其他專用電源的需求。

“是否有可能擺脫電源，基本上利用環(huán)境中現(xiàn)有的電磁波來發(fā)電？”Araei問道。

他說，他們還希望擴展接收器技術的頻率范圍，使其覆蓋整個 5G 信號頻率范圍?！霸谶@個原型中，我們能夠實現(xiàn)從250兆赫到3GHz的低頻”他說。“那么，是否有可能將該頻率范圍擴展至6GHz，從而覆蓋整個5G頻段呢？”

Giannini表示，如果這些即將出現(xiàn)的障礙能夠被克服，一系列應用很可能在短期內出現(xiàn)?！八谥芯嚯x和中等帶寬場景中，為移動性、可擴展性和安全的廣域覆蓋提供了優(yōu)勢，”他談到麻省理工學院團隊的工作時說道。他還補充道，新電路的 5G 物聯(lián)網(wǎng)適應性可以使該技術非常適合“工業(yè)傳感器、一些可穿戴設備和智能相機”。