麻省理工学院研究人员设计的一种新型芯片组件有望将物联网的覆盖范围拓展至5G。这一发现代表着基于5G的物联网技术将得到更广泛的推动——利用该电信标准的低延迟、高能效以及海量设备连接能力。这项新研究也标志着物联网朝着更小、低功耗的 健康监测器、智能相机和工业传感器等应用迈出了重要一步。

更广泛地说，将物联网迁移到5G的前景意味着更多设备能够以更快的速度连接，从而可能带来更高的数据传输速度和更低的电池消耗。这也意味着，在数据流背后，需要更复杂、更棘手的电路来支撑。

所有这些均采用5G标准，而非同等水平的4G/LTE或Wi-Fi网络，这意味着物联网正在拓展其覆盖范围和规模。它正在从相对中等规模的物联网部署，迈向拥有数百个甚至更多节点潜力的更广阔网络。

然而，需要澄清的是，麻省理工学院电气工程和计算机科学博士生Soroush Araei表示，IoT-over-5G 并不意味着网络中的每个节点都会突然获得自己的电话号码。

“我们的主要目标是，你拥有一个可以重复用于不同应用的单一无线电接收器，”Araei说，“你拥有一个灵活的单一硬件，并且可以通过软件在很宽的频率范围内进行调谐。”

使用5G标准而不是5G无线网络可以让物联网设备跳频、节省电池电量，并使用大规模连接技巧，每平方公里最多可容纳一百万台设备。

如何制作5G物联网芯片

另一方面，物联网开发商迄今为止采用5G的速度一直很慢，这凸显了硬件挑战有多么困难。

荷兰恩斯赫德特温特大学集成电路设计副教授Eric Klumperink 表示：“对于物联网而言，电源效率至关重要。你希望以极低的功耗实现良好的无线电性能——[使用]小型电池，甚至能量收集。”

但随着越来越多的设备连接到越来越多的网络（5G或其他网络），其他问题也随之出现。

位于德克萨斯州奥斯汀的L&T半导体技术公司技术研究员维托·詹尼尼 (Vito Giannini)表示：“在一个无线信号日益饱和的世界里，干扰是一个主要问题。”（詹尼尼和克伦佩林克均未参与麻省理工学院研究小组的研究。）

Araei表示，使用5G标准有可能解决这两个问题。具体来说，他表示，麻省理工学院团队的新技术依赖于已为物联网和其他应用开发的精简版5G。它被称为“5G精简容量”（或5GRedCap）。

他说：“5G RedCap物联网接收器可以跨频率跳变。但它们不需要像顶级5G应用（包括智能手机）那样低延迟。”

相比之下，使用Wi-Fi的最简单的物联网芯片将依赖单一频段（可能是2.5或5千兆赫），并且如果太多其他设备使用同一信道，则可能会出现卡住的情况。

然而，跳频需要强大的无线电通信硬件，该硬件可以按照网络指示在频道之间快速切换，然后确保跳频与网络指令和时间一致。

这颗微小的芯片中集成了大量的硬件和软件智能，而这颗芯片可能只是整个仓库托盘上数百个微尘中的一个。

但Araei表示，这样的功能只是开胃菜而已。

任何可行的5G RedCap芯片的核心都是能够在各种频率范围内灵活工作的硬件，同时仍保持极低的功耗和适中的设备总成本。（麻省理工学院团队的技术只能用于接收传入信号；要实现同样宽的频率范围传输，则需要其他芯片组件。）

研究人员借鉴了模拟电路和电力电子领域的一些技巧。但这项研究并非像陶瓷电容器那样采用层层叠放的块状元件，而是将这些技巧集成到片上系统中，从而以低成本高效地实现射频跳频的小型化。研究人员上个月在旧金山举行的IEEE射频集成电路研讨会上展示了他们的研究成果。

“这有点像开关电容网络，”Araei说，“你周期性地依次打开和关闭这些电容，这被称为‘N路径结构’。这通常会形成一个低通滤波器。”

这意味着，该团队不是在电路中使用单个电容器，而是使用微型电容器组来根据电路接收的频率范围的需要打开和关闭。

由于他们将所有这些频率滤波技术都集成到电路前端，即放大器接触信号之前，因此该团队报告称，其能够高效地屏蔽干扰。他们报告称，与传统的物联网接收器相比，他们的电路可以滤除30倍以上的干扰，而功耗仅为个位数毫瓦。

换句话说，该团队似乎设计了一些相当有效的低功耗5G物联网接收器电路。那么，谁能设计出同样巧妙的发射器呢？

Klumperink 表示，如果两者都做到，总有一天会有人从中获利。“物联网在5G（或6G）上的应用是有争议的，”他说，“因为相比临时Wi-Fi连接，频谱的分配和管理更加便捷。”

这是未来5G IoT芯片的本质吗？

Klumperink表示，麻省理工学院研究小组的电路可以在主流芯片厂生产。

Klumperink表示：“由于该电路采用主流CMOS技术实现，我认为不会遇到太大障碍。”（该团队的电路仅需 22 纳米制造工艺，因此根本不需要采用尖端代工厂。）

Araei表示，该团队的下一步目标是消除对电池或其他专用电源的需求。

“是否有可能摆脱电源，基本上利用环境中现有的电磁波来发电？”Araei问道。

他说，他们还希望扩展接收器技术的频率范围，使其覆盖整个 5G 信号频率范围。“在这个原型中，我们能够实现从250兆赫到3GHz的低频”他说。“那么，是否有可能将该频率范围扩展至6GHz，从而覆盖整个5G频段呢？”

Giannini表示，如果这些即将出现的障碍能够被克服，一系列应用很可能在短期内出现。“它在中距离和中等带宽场景中，为移动性、可扩展性和安全的广域覆盖提供了优势，”他谈到麻省理工学院团队的工作时说道。他还补充道，新电路的 5G 物联网适应性可以使该技术非常适合“工业传感器、一些可穿戴设备和智能相机”。