5G 物联网芯片新突破：低功耗、抗干扰的未来之星

麻省理工学院研究人员设计的一种新型芯片组件，有望为物联网的发展带来重大变革，将物联网的覆盖范围拓展至 5G 领域。这一发现意味着基于 5G 的物联网技术将得到更广泛的推广与应用，能够充分利用 5G 电信标准的低延迟、高能效以及海量设备连接能力等优势。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 的前景十分广阔。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。不过，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不断拓展其覆盖范围和规模，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，麻省理工学院电气工程和计算机科学博士生 Soroush Araei 澄清，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，拥有一个可以重复用于不同应用的单一无线电接收器，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。”Araei 说道。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。

目前，物联网开发商采用 5G 的速度一直较慢，这凸显了硬件挑战的艰巨性。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。” 同时，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），干扰问题也日益突出。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。”

Araei 表示，使用 5G 标准有可能解决电源效率和干扰这两个问题。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，即 “5G RedCap”。“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。

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。麻省理工学院团队的芯片将大量的硬件和软件智能集成在微小的芯片中，其核心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。不过，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，将这些技巧集成到片上系统中，以低成本高效地实现射频跳频的小型化。他们在电路前端集成了所有频率滤波技术，能够高效地屏蔽干扰。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。

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，由于该电路采用主流 CMOS 技术实现，不会遇到太大障碍。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，探索利用环境中现有的电磁波来发电的可能性。同时，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。Giannini 表示，如果这些障碍能够被克服，一系列应用很可能在短期内出现，该技术非常适合 “工业传感器、一些可穿戴设备和智能相机” 等领域。麻省理工学院的这项研究为 5G 物联网芯片的发展带来了新的希望和方向，有望推动物联网在 5G 时代实现更广泛的应用和发展。