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來源：內容編譯自IEEE。

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網的覆蓋范圍拓展至5G。這一發現代表著基于5G的物聯網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網朝著更小、低功耗的 健康監測器、智能相機和工業傳感器等應用邁出了重要一步。

更廣泛地說，將物聯網遷移到 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據傳輸速度和更低的電池消耗。這也意味著，在數據流背后，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網絡，這意味著物聯網正在拓展其覆蓋范圍和規模。它正在從相對中等規模的物聯網部署，邁向擁有數百個甚至更多節點潛力的更廣闊網絡。

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 并不意味著網絡中的每個節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。”

使用 5G標準而不是5G 無線網絡可以讓物聯網設備跳頻、節省電池電量，并使用大規模連接技巧，每平方公里最多可容納一百萬臺設備。

如何制作 5G 物聯網芯片

另一方面，物聯網開發商迄今為止采用 5G 的速度一直很慢，這凸顯了硬件挑戰有多么困難。

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

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

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網和其他應用開發的精簡版 5G。它被稱為“5G 精簡容量”（或 5G RedCap）。

他說：“5G RedCap 物聯網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。”

相比之下，使用Wi-Fi的最簡單的物聯網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，該硬件可以按照網絡指示在頻道之間快速切換，然后確保跳頻與網絡指令和時間一致。

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中，從而以低成本高效地實現射頻跳頻的小型化。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，與傳統的物聯網接收器相比，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物聯網接收器電路。那么，誰能設計出同樣巧妙的發射器呢？

Klumperink 表示，如果兩者都做到，總有一天會有人從中獲利。“物聯網在 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，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，基本上利用環境中現有的電磁波來發電？”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。“在這個原型中，我們能夠實現從 250 兆赫到 3 GHz 的低頻，”他說。“那么，是否有可能將該頻率范圍擴展至 6 GHz，從而覆蓋整個 5G 頻段呢？”

Giannini 表示，如果這些即將出現的障礙能夠被克服，一系列應用很可能在短期內出現。“它在中距離和中等帶寬場景中，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 物聯網適應性可以使該技術非常適合“工業傳感器、一些可穿戴設備和智能相機”。

https://spectrum.ieee.org/internet-of-things-5g-mit

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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