Ambient IoT device and communication system

Abstract

An Ambient Internet of Things (IoT) device includes an energy harvesting module, configured to harvest energy from an ambient energy source; a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module, powered by the energy harvested by the energy harvesting module, configured to secure user information; and a power management logic or module, electrically coupled to the UICC-based module, configured to control power consumption of the UICC-based module.

Description

AMBIENT IOT DEVICE AND COMMUNICATION SYSTEMTECHNICAL FIELD

[0001] The present application relates to wireless communication, and more particularly, to an Ambient Internet of Things (IoT) device and a communication system.BACKGROUND ART

[0002] Communication systems and networks have developed towards being a broadband and mobile system. In cellular wireless communication systems developed by the Third Generation Partnership Project (3GPP) , user equipment (UE) is connected by a wireless link to a radio access network (RAN) . The RAN includes a set of base stations (BSs) which provide wireless links to the UEs located in cells covered by the base station, and an interface to a core network (CN) which provides overall network control. As will be appreciated, the RAN and CN each conduct respective functions in relation to the overall network. The 3GPP has developed the so-called Long Term Evolution (LTE) system, namely, an Evolved Universal Mobile Telecommunication System Territorial Radio Access Network (E-UTRAN) , for a mobile access network where one or more macro-cells are supported by a base station known as an eNodeB or eNB (evolved NodeB) . Evolved from LTE, the so-called 5G or New radio (NR) systems where one or more cells are supported by a base station known as a gNB.

[0003] The 5G NR standard supports a multitude of different services each with very different requirements. These services include Enhanced Mobile Broadband (eMBB) for high data rate transmission, Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC) for devices requiring low latency and high link reliability and Massive Machine-Type Communication (mMTC) to support a large number of low-power devices for a long life-time requiring highly energy efficient communication.

[0004] The Universal Integrated Circuit Card (UICC) is a foundational component in mobile communication. At its core, the UICC is an integrated circuit card designed to securely store user-specific data, such as the international mobile subscriber identity (IMSI) along with the associated cryptographic key. These elements are essential for identifying and authenticating subscribers on mobile devices to ensure user’s communications over mobile networks remain private. UICC has evolved to support a variety of mobile communication systems, spanning from GSM, UMTS, LTE, to 5G and other emerging platforms.

[0005] UICC also serves as a hardware platform that hosts a range of applications. For instance, it supports the Universal Subscriber Identity Module (USIM) for LTE and 5G as specified in TS 31.102, and the IP Multimedia Services Identity Module (ISIM) , as specified in TS 31.103, for IP Multimedia Subsystem (IMS) contexts.

[0006] User Equipment (UE) , as articulated in TR 21.905, is essentially equipment that facilitates user access to network services. The UE can be split into distinct domains, demarcated by specific reference points. The primary subdivisions of the User Equipment are the UICC domain and the ME Domain. The latter can be further segmented into various components, particularly the Mobile Termination (MT) and Terminal Equipment (TE) . Existing technologies allows for UICCs to be either non-removable (embedded) or removable on the UE.

[0007] 3GPP, in TR 22.840, has introduced a new type of IoT devices. These devices are unique as they draw power from their surroundings, like sunlight, ambient RF, etc., instead of regular batteries. They might use simpler storage methods like capacitors. These Ambient IoT devices are designed to be simple, have fewer features compared to other 3GPP IoT devices, and can last very long, possibly over ten years without necessitating maintenance.

[0008] In the industry, there is a need to support integration of UICC module with Ambient power enabled IoT devices.SUMMARY

[0009] In a first aspect, an embodiment of the present application provides an Ambient Internet of Things (IoT) device, comprising: an energy harvesting module, configured to harvest energy from an ambient energy source; a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module, powered by the energy harvested by the energy harvesting module, configured to secure user information; and a power management logic or module, electrically coupled to the UICC-based module, configured to control power consumption of the UICC-based module.

[0010] In a second aspect, an embodiment of the present application provides a communication system, comprising: an Ambient Internet of Things (IoT) device, comprising an energy harvesting module configured to harvest energy from an ambient energy source; and an Ambient IoT reader, housed within a device distinct from the Ambient IoT device and wirelessly communicating with the Ambient IoT device, the Ambient IoT reader comprising a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module with an Ambient IoT Subscriber Identity Module (SIM) application residing on the UICC-based module, wherein the Ambient IoT SIM application enables the Ambient IoT device to access an Ambient IoT service over a cellular Network.DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0011] In order to more clearly illustrate the embodiments of the present application or related art, the following figures that will be described in the embodiments are briefly introduced. It is obvious that the drawings are merely some embodiments of the present application, a person having ordinary skill in this field can obtain other figures according to these figures without paying the premise.

[0012] Figure 1 is a block diagram illustrating an Ambient IoT device according to an embodiment of the present invention.

[0013] Figure 2 is a block diagram illustrating an Ambient IoT Device / UE with UICC-Lite module according to an embodiment of the present invention.

[0014] Figure 3 is a flowchart of adaptive power management for Ambient IoT Devices according to an embodiment of the present invention.

[0015] Figure 4 is a block diagram illustrating an Ambient IoT reader equipped with UICC running AIoT SIM application according to an embodiment of the present invention.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0016] Embodiments of the disclosure are described in detail with the technical matters, structural features, achieved objects, and effects with reference to the accompanying drawings as follows. Specifically, the terminologies in the embodiments of the present application are merely for describing the purpose of the certain embodiment, but not to limit the disclosure.

[0017] In this document, a combination such as “at least one of A, B, or C, ” “one or more of A, B, or C, ” “at least one of A, B, and C, ” “one or more of A, B, and C, ” or “A, B, and / or C” may be A only, B only, C only, A and B, A and C, B and C, or A and B and C, where any combination may contain one or more members of A, B, or C.

[0018] It should be noted that in the following description, 5G system is used only for the purpose of illustration of the invention; however, the invention can be applied to any cellular communication system or network, including a next-generation cellular network or any newly developed cellular network, rather than limited to the 5G system.

[0019] The terminologies used in this document may be interpreted by the explanations listed in the following tables but are not limited thereto.

[0020] Ambient IoT devices are designed for applications in smart homes, cities, utilities, healthcare, and wearable technology. Given these contexts, there is a compelling demand for security. The Universal Integrated Circuit Card (UICC) plays a vital role in authenticating and verifying users, while also ensuring the confidentiality of their communications.

[0021] UICCs are designed for and commonly found in UE devices which are not subject to the same power constraints as Ambient IoT devices. Thus, integrating traditional UICC configurations into Ambient IoT devices becomes challenging, requiring thorough design and adaptive power management strategies.

[0022] The present invention provides an Ambient Internet of Things (IoT) device. Refer to Figure 1, which is a block diagram illustrating an Ambient IoT device 1 according to an embodiment of the present invention. The Ambient IoT device 1 includes a plurality of Ambient IoT components 11, 12, …, 13, and a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module 20, as shown in Figure 1.

[0023] The UICC-based module 20 is a module based on UICC. As well known, the UICC is a foundational component in mobile communication, which is designed to secure user information, for example, securely storing user-specific data, such as the IMSI along with the associated cryptographic key. The UICC-based module 20 may be a standard  UICC, eUICC, or more particularly, a UICC-Lite as defined above. When the UICC-based module 20 is the UICC-Lite, a more compact variant retaining only the indispensable components can be expected.

[0024] The plurality of Ambient IoT components 11, 12, …, 13 may specifically include an energy harvesting module 101 and a power management logic or module 102. The energy harvesting module 101 is configured to harvest energy from an ambient energy source. The Ambient IoT device 1 may include antennas for harvesting radio frequency (RF) energy from an ambient electromagnetic wave source and / or include a transducer for gathering energy from a renewal energy source. The UICC-based module 20 is powered by the energy harvested by the energy harvesting module 101. The power management logic or module 102 is electrically coupled to the UICC-based module 20 and is configured to control power consumption of the UICC-based module 20. That is, the power consumption of the Ambient IoT device 1 is controlled by the power management logic or module 102, including the power consumption of the UICC-based module 20. It should be noted that the plurality of Ambient IoT components 11, 12, …, 13 may be implemented by hardware, software, firmware or any combination of them, while the UICC-based module 20 serves as a hardware platform that can host one or more applications.

[0025] The present invention can achieve integration of UICC module with the Ambient power enabled IoT device.

[0026] Optionally, the UICC-based module is a UICC-Lite module.

[0027] Optionally, the UICC-based module comprises a processor, a memory and a communication interface.

[0028] Optionally, the Ambient IoT device further comprises:

[0029] an Ambient IoT Subscriber Identity Module (SIM) application residing on the UICC-based module, wherein the Ambient IoT SIM application enables an Ambient IoT service over a cellular Network.

[0030] Optionally, the Ambient IoT device further comprises:

[0031] antennas, used for at least one of harvesting radio frequency (RF) energy or performing data transmission; and

[0032] an RF controller, coupled to the antennas, configured to control the antennas.

[0033] Optionally, the RF controller is configured to determine which antenna is used to harvest RF energy and which antenna is used to transmit data.

[0034] Optionally, the RF controller controls multiple antennas for RF energy harvesting or controls multiple antennas for data transmission.

[0035] Optionally, the ambient energy source from which the energy harvesting module harvests energy comprises an ambient electromagnetic wave source.

[0036] Optionally, the energy harvesting module is coupled to a multi-antenna array with beamforming or directional antennas to perform the energy harvesting.

[0037] Optionally, the ambient energy source comprises an RF-power transmitter with a frequency band dedicated to the Ambient IoT device.

[0038] Optionally, the ambient energy source comprises a wireless power transmitter equipped on a wireless router, customer premise equipment (CPE) or gateway with a frequency band dedicated to the Ambient IoT device.

[0039] Optionally, the ambient energy source from which the energy harvesting module harvests energy comprises a renewal energy source.

[0040] Optionally, the energy harvesting module combines RF energy harvesting with a renewal form of energy harvesting.

[0041] Optionally, the RF energy harvesting and the renewal form of energy harvesting work in parallel or concurrently.

[0042] Optionally, the RF energy harvesting and the renewal form of energy harvesting work separately in different time durations.

[0043] Optionally, the power management logic or module is configured to:

[0044] obtain a maximum power consumption;

[0045] monitor a current power state of the Ambient IoT device, which is represented by a current energy level and a current power consumption level; and

[0046] determine a session execution time level based on the current energy level and the current power consumption level.

[0047] Optionally, the power management logic or module is further configured to:

[0048] obtain a potential action route based on the current power consumption level, the current energy level or the session execution time level.

[0049] Optionally, the power management logic or module obtains the potential action route to execute an operation comprising one of the followings:

[0050] maintaining power supply solely for certain UICC functions;

[0051] shutting down the Ambient IoT device;

[0052] allowing the Ambient IoT device to function in a passive mode, deactivating the UICC-based module; or

[0053] suspending an ongoing application session.

[0054] Optionally, the session execution time level is used by the UICC-based module to determine a security algorithm or an authentication procedure during a handshake operation.

[0055] Optionally, the power management logic or module is further configured to:

[0056] relay the session execution time level to a network, allowing a device in the network to optimize an energy-aware operation.

[0057] Optionally, the power management logic or module receives directives from a network to perform a power management function.

[0058] Optionally, the power management function comprises initiating or halting power supply to one or more modules or components of the Ambient IoT device.

[0059] Optionally, following initial registration stage, the power management logic or module directs the UICC-based module to either shut down or transitioned into a power-saving mode.

[0060] Optionally, the Ambient IoT SIM application contains credentials and identifiers for securing the Ambient IoT service over the cellular Network.

[0061] Optionally, the Ambient IoT SIM application contains at least one of the following files:

[0062] Ambient IoT identity, Ambient IoT certificate, Ambient IoT service provider ID, Ambient IoT service provider Domain Name, Home operator’s network Domain Name, Ambient IoT access rule reference, Ambient IoT SIM service table, Ambient IoT service provider information, Ambient IoT bootstrapping parameters, Ambient IoT key management system address, Ambient IoT short message service information, Ambient IoT configuration data or Ambient IoT UE Route Selection Policy (URSP) .

[0063] Optionally, the Ambient IoT SIM application recognizes at least one of the following commands:

[0064] AUTHENTICATE, GET CHALLENGE, GET IDENTITY, SUSPEND or SHUTDOWN.

[0065] Optionally, the Ambient IoT SIM application recognizes a shutdown command, which is used to power down the UICC-based module.

[0066] The present invention further provides a communication system, comprising:

[0067] an Ambient Internet of Things (IoT) device, comprising an energy harvesting module configured to harvest energy from an ambient energy source; and

[0068] an Ambient IoT reader, housed within a device distinct from the Ambient IoT device and wirelessly communicating with the Ambient IoT device, the Ambient IoT reader comprising a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module with an Ambient IoT Subscriber Identity Module (SIM) application residing on the UICC-based module,

[0069] wherein the Ambient IoT SIM application enables the Ambient IoT device to access an Ambient IoT service over a cellular Network.

[0070] Further details on the invention are provided below.

[0071] Ambient IoT devices (e.g., 5G AIoT devices) are a category of Internet of Things (IoT) devices that predominantly harness ambient power through energy harvesting. They are typically:

[0072] - Operate either without batteries or with minimal energy storage, like capacitors.

[0073] - Exhibit a reduced complexity.

[0074] - Have lower power consumption than their 3GPP IoT counterparts, such as NB-IoT / eMTC / RedCap devices.

[0075] - Potentially function without maintenance for more than a decade.

[0076] These devices cater to use cases demanding secure communication over a 3GPP network. As such, they require a UICC for secure network access Non-Access Stratum (NAS) signaling support.

[0077] The requirements for a 5G Ambient IoT device may include:

[0078] - Data storage units like non-volatile memory, RAM, or ROM.

[0079] - A tamper-proof cryptographic block to securely house root keys.

[0080] - A System on Chip (SoC) or Processor for NAS signaling.

[0081] - A UICC to ensure secure network access, communication and data storage.

[0082] Given the compact nature and power constraints of Ambient IoT devices, integrating components efficiently is paramount. In some embodiments of the invention, by allowing these devices to share storage, cryptographic functions, and I / O with the UICC, redundant modules on the Ambient IoT device are minimized. This not only ensures power conservation but also guarantees compatibility with existing 3GPP UICC operations.

[0083] Standard UICCs comprise a microprocessor working in conjunction with ROM, RAM, and EEPROM. Together, they manage data storage, processing, and I / O functionalities.

[0084] In some embodiments of the invention, Ambient IoT devices necessitate a more streamlined UICC. Thus, a compact variant may be proposed, retaining only the indispensable components while maintaining power consumption below 10mW. This design ensures data is securely stored, with communication between devices and the UICC facilitated by a standardized interface.

[0085] 1 Lite UICC integration with Ambient IoT device

[0086] In this embodiment, a method for integrating a streamlined UICC-Lite module into Ambient IoT devices is disclosed. Designed for efficiency, the UICC-Lite retains only essential components. A dedicated power management module ensures that the UICC-Lite’s power consumption stays below the maximum threshold. And it allows for  energy harvesting sufficient to power the Ambient IoT device.

[0087] The UICC-Lite is optimized for minimalism, equipped only with indispensable components: a processor, memory, and the necessary communication interfaces, all supposedly to be geared to maintain power consumption under 10mW.

[0088] This "UICC-Lite" can host the Ambient IoT SIM (AIoT SIM) application, which is further elaborated in Section 1.8. When paired with AIoT SIM Application kit, it facilitates Over-the-Air (OTA) configuration and provisioning of the UICC-Lite.

[0089] In terms of compatibility, the UICC-Lite interface shall be a subset of specifications in ETSI TS 102 221. Although it supports a simplified data interface, its physical and electrical characteristics are somewhat distinct from the comprehensive UICC functions described in ETSI TS 102 221. These adaptations, combined with other Ambient IoT device components, ensure that the device’s total power consumption does not exceed 10mW.

[0090] As a hardware feature, the UICC-Lite shall be non-removable and is directly embedded into the Ambient IoT device.

[0091] The UICC-Lite shall omit support for the Inter-Chip USB interface as per ETSI TS 102 600 and is designed with a compact form factor for minimal space utilization.

[0092] As illustrated in Figure 2, the Ambient IoT device (or UE) encompasses various functional blocks:

[0093] 1.1 Antenna and RF Controller

[0094] The Ambient IoT device’s antennas are used for either drawing energy, or performing data transmission, or both with their design affecting range, frequency, and orientation. The RF controller, on the other hand, offers smart antenna control. In some designs, it determines which antennas harvest RF energy, and which transmit data. It can also enhance energy efficiency by controlling multiple antennas for RF energy harvesting or improve data throughput by managing multiple antennas for data transmission.

[0095] 1.2 Multi-Modal Energy Harvester

[0096] In one embodiment, energy harvester can exploit energy harvesting from various ambient electromagnetic wave sources, e.g., mobile base stations, digital TV broadcast stations, Wi-Fi routers, Bluetooth devices, and more. By leveraging the antenna units, especially, multi-antenna array, beamforming, and directional antennas can further enhance energy harvesting efficiency.

[0097] In another embodiment, dedicated local RF-power transmitter can be deployed to provide energy harvesting source for proximate Ambient IoT devices, likely with frequencies in the UHF Industrial, Scientific, and Medical (ISM) and short-range device (SRD) bands proving most effective due to their equilibrium between antenna dimensions and path loss considerations.

[0098] In another embodiment, a dedicated wireless power transmitter could be equipped on the home Wi-Fi router or 5G Fixed Wireless Access CPE (Customer Premise Equipment) , 5G-RG (5G Residential Gateway) , or FN-RG (Fixed Network Router Gateway) , and use them to provide power to the proximate smart home Ambient IoT devices.

[0099] In yet another embodiment, the multi-modal energy harvester could perform energy harvesting from renewal energy sources, e.g., wind, solar, aerothermal, geothermal, hydrothermal, ocean energy, hydropower, biomass, landfill gas, sewage treatment plant gas, biogases, and more.

[0100] In yet another embodiment, the multi-modal energy harvester could combine RF energy harvesting with renewal forms of energy harvesting, such as solar cells, creates an integrated power solution. It offers a cost-effective and environmentally friendly solution for battery-less devices, especially in situations where a single energy source might be limited or inconsistent. This paradigm also ensures a stable and resilient power influx, adeptly conforming to fluctuating environmental conditions.

[0101] There could be multiple combinations, but in one embodiment, this design allows certain Ambient IoT device / tag use solar energy at daytime when 5G systems are in busy hours and power consumption priority should be given to eMBB communication services. While at night, the multi-modal energy harvester could be switched to RF energy harvesting operations.

[0102] In another embodiment, the solar cell and RF energy harvesting can work in parallel allows devices to opportunistically exploit ambient electromagnetic waves whilst concurrently drawing from solar energy in daylight conditions.

[0103] 1.3 Power Storage, Management, Rectifier and Regulator

[0104] The Ambient IoT device may be equipped with a rectifier that transforms the Alternating Current (AC) power sourced from energy harvesting module into Direct Current (DC) power. This DC power fuels the Ambient IoT device’s internal circuitry. Moreover, a regulator may be incorporated to adjust the post-rectification DC to an optimal voltage, ensuring a steady power delivery.

[0105] The power storage / management module is responsible for storing and using the harvested energy efficiently.

[0106] The power management module efficiently distributes power to select components of a battery-less Ambient IoT device, guided by instructions from on-device power management logic. This logic operates either within the processor of the UICC-Lite or on a dedicated ultra-low-power circuitry, ensuring the seamless execution of the adaptive power management mechanism. Furthermore, the power management module or the power management  logic can receive directives from a base station or network via a secure communications channel, empowering it to initiate or halt the power supply to specific modules, or perform other power management functions.

[0107] In one embodiment, following initial registration stage, the power management logic may direct the UICC-Lite module to either shut down or transitioned into a power-saving mode to conserve energy.

[0108] Figure 3 illustrates an embodiment pertaining to an adaptive power management mechanism for Ambient IoT device when P_max and T_sl are stored in EF_UMPC.

[0109] The EF_UMPC holds details about UICC-Lite maximum power consumption, which specifies the maxim power allocation for the UICC-Lite module.

[0110] After activating the UICC-Lite through a cold reset, the power management logic retrieves the maximum power consumption, P_max, from EF_UMPC. The power management logic continuously monitors the current power state of the Ambient IoT device and gathers data on the current energy level, E_current, in Microjoules (uJ) and the existing power consumption level, P_current, in uW. Using this information, the Power Management logic can predict the expected session execution time for UICC-Lite application. It then maps the value of the execution time with a level designated by e.g., a 4-bit value, T_sl, UICC-Lite Application Session Execution Time Level.

[0111] The EF_UMPC is a mandatory Elementary File (EF) on UICC. EF_UMPC is purposed to be used for UICC_Lite in this invention with the required changes to support the operations of the power management module on Ambient IoT devices. Bytes 4 to 5 in the EF_UMPC are currently Reserved for Future Use (RFU) on UICC. The file could serve the purpose of storing information related to the UICC-Lite Application Session Execution Time Level, T_sl. This specific information element could, e.g., take the form of 4-bit field. Different UICC-Lite application session execution time required when executing on this specific class or type of Ambient IoT devices could be mapped to one of 16 values represented by this 4-bit field.

[0112] After setting this 4-bit value in EF_UMPC, the power management logic can also relay the value to the AIoT Reader or the network, allowing them to optimize their energy-aware operations respectively.

[0113] In another embodiment, the T_sl could be a value represented by a shorter or longer bit length in a memory unit, while serving a similar purpose.

[0114] The logic for AIoT SIM application initialization might check the T_sl value to determine if there is adequate power to run the application.

[0115] Certain security mechanisms employed on the UICC-Lite might reference the T_sl value to determine appropriate security algorithm or authentication procedures during handshake operations.

[0116] Based on a comparison between the value P_current and the value of P_max, the value of E_current or the value of T_sl, the power management logic assesses potential action routes. If the value P_current closely approaches the value P_max based on operator-defined criteria, or the value of E_current is critically low, or the value of T_sl is critically low, the power management logic itself, or through power management module, execute certain internal and external operations to:

[0117] - Maintain power supply solely for vital UICC-Lite functions specified by the operator while simultaneously requesting energy harvesting. The power management module continuously monitors the values of P_current and E_current at set intervals T_interval.

[0118] - Or shut down Ambient IoT device until subsequent energy harvesting operations initiated by the AIoT reader or network.

[0119] - Or allow the Ambient IoT device to function in passive mode, deactivating the UICC-Lite module.

[0120] - Or suspend the ongoing application session while simultaneously requesting energy harvesting. If application session cannot be completed because E_current is critically low, the application session shall be suspended to wait for energy harvesting to provide the Ambient IoT device enough E_current to allow the application session to resume to operate.

[0121] In the other embodiment, should the application session has not concluded when the T_sl value reaches critically low levels, the session should be put on hold. This suspension will last until energy harvesting supplies the AIoT device to reach a sufficient E_current value, enabling the application session to resume operations.

[0122] 1.4 Sensor and Actuator

[0123] The Ambient IoT devices are often equipped with sensors, capturing environmental metrics like temperature, humidity, or luminosity, and so on. In one embodiment, these sensors play an indispensable role in applications that require both identification and real-time environmental data, for example, in the case of monitoring perishable goods during transport.

[0124] While sensors play a passive role in data collection, actuators take a more active approach. These elements are designed to execute pre-programmed tasks, thereby enhancing the device’s functionality, e.g., adjusting environmental conditions or triggering specific responses based on sensor data.

[0125] 1.5 Oscillator / clock

[0126] The oscillator generates a steady clock signal for synchronizing processes within the Ambient IoT device and ensuring precise data exchange with the other nodes.

[0127] In one embodiment, the clock signal can be extracted directly from the received carrier wave. This eliminates the need for an independent local oscillator, leading to further reductions in power consumption.

[0128] In the other embodiment, the clock signal cannot be extracted from incoming signals, the device must rely on an onboard oscillator to maintain synchronization.

[0129] 1.6 Encoder and Decoder

[0130] The encoder transforms raw data into a structured format suitable for modulation and ensuring it is optimized for RF transmission.

[0131] Upon receiving RF signals, the decoder processes signals from the demodulated data. After decoding, the data is sent to the UICC-Lite for further processing, interpretation, and appropriate actions.

[0132] 1.7 Modulator / Demodulator

[0133] The demodulator is responsible for detecting modulated signals from the AIoT reader node. For the sake of energy efficiency, simplicity and performance, envelope detection is typically the method of choice for demodulation.

[0134] The modulator prepares data for ambient backscatter communication. When the Ambient IoT device operates as an active RF transceiver, especially in wireless-powered communications, modulator may need to support specific modulation formats tailored to the communication protocol. For example, when deployed in 5G system, the Ambient IoT device might need to support certain 5G modulation / demodulation formats specified by 3GPP.

[0135] 1.8 Ambient IoT SIM

[0136] The Ambient IoT SIM, or AIoT SIM, is a specialized application residing on the UICC or UICC-Lite. Designed for 5G Ambient IoT system, this framework facilitates Ambient IoT services over the 5G Network. The AIoT SIM contains necessary credentials and identifiers which are vital for ensuring secure and seamless Ambient IoT services over 5G networks.

[0137] At the AIoT SIM’s MF (Master File) level, Elementary Files EF_DIR (Directory) , EF_ICCID (Integrated Circuit Card Identification) , EF_PL (Preferred Language) , and EF_UMPC are all mandatory. The support of EF_PL for language preference is optional.

[0138] Within the AIoT SIM’s ADF (Application Dedicated File) level, there exists a specific DF that contains all the Dedicated Files (DF) and Elementary Files (EF) . These files encompass service and network data essential for Ambient IoT device’s operation within an Ambient IoT system, enabling comprehensive support for Ambient IoT services. Some of these files include:

[0139] - Ambient IoT identity

[0140] - Ambient IoT certificate

[0141] - Ambient IoT service provider ID

[0142] - Ambient IoT service provider Domain Name

[0143] - Home operator’s network Domain Name

[0144] - Ambient IoT access rule reference

[0145] - Ambient IoT SIM service table

[0146] - Ambient IoT service provider information

[0147] - Ambient IoT bootstrapping parameters

[0148] - Ambient IoT key management system address

[0149] - Ambient IoT short message service information

[0150] - Ambient IoT configuration data

[0151] - Ambient IoT UE Route Selection Policy (URSP)

[0152] The AIoT SIM should recognize the following commands:

[0153] - AUTHENTICATE

[0154] - GET CHALLENGE

[0155] - GET IDENTITY

[0156] - SUSPEND

[0157] - SHUTDOWN

[0158] Notably, the SHUTDOWN command is a novel addition, granting the capability to power down the UICC or UICC-Lite, thereby conserving energy.

[0159] 2 AIoT reader equipped with UICC running AIoT SIM application

[0160] In this embodiment, as illustrated in Figure 4, the Ambient IoT components and the UICC-Lite are distinct and housed within two separate devices. While the Ambient IoT components reside within the Ambient IoT device, the UICC-Lite functions are located on the AIoT reader.

[0161] While most descriptions concerning functional modules in Section 1 remain applicable, there are a few exceptions:

[0162] The UICC residing on AIoT reader can adopt multiple form factors, which encompass various iterations of UICC, eUICC, or UICC-Lite as described in Section 1.

[0163] The AIoT SIM application, as disclosed in Section 1.8, should run on the aforementioned UICC module or various iterations of UICC, including eUICC, UICC-Lite or other emerging form factors.

[0164] The 5G CP / UP function is delegated to the AIoT reader in this context.

[0165] In this embodiment, the Ambient IoT device is equipped with on-device non-volatile memory, ROM, RAM, a tamper-free crypto unit (when necessary) , and digital logic to facilitate device operations.

[0166] The power management logic on the Ambient IoT device, as outlined in Section 1.3, should be implemented using ultra-low-power circuitry. This is to ensure the seamless execution of the adaptive power management logic, as elaborated upon in Section 1.3.

[0167] Advantages of the invention are described below.

[0168] The invention pertaining to the 5G Ambient IoT device integration with a lite version of on-device UICC module extends support for RFID-like battery-less devices to a wider 5G infrastructure coverage, opening up a plethora of applications and use cases.

[0169] More important, the disclosure implies that Ambient IoT device could be used for contexts where security is of significant importance.

[0170] The Ambient IoT landscape is expanding rapidly, with diverse applications across various industries. In the healthcare sector, Ambient IoT devices can be used for remote patient monitoring, asset tracking, and optimizing healthcare operations. These devices enable healthcare providers to deliver better patient care, reduce costs, and improve overall operational efficiency.

[0171] Manufacturing industries can leverage Ambient IoT devices for real-time monitoring and control of production processes, predictive maintenance, and supply chain optimization. By integrating Ambient IoT-enabled devices, manufacturing operations can achieve higher productivity, minimize downtime, and facilitate seamless operations integration.

[0172] Logistics and transportation companies can greatly benefit from Ambient IoT devices by utilizing them for asset tracking, shipment monitoring, route optimization, and overall fleet management. These applications lead to streamlined operations, reduced delivery times, and enhanced customer satisfaction.

[0173] In the agriculture sector, Ambient IoT devices play a crucial role in precision farming, environmental monitoring, and optimizing irrigation and fertilization. By leveraging Ambient IoT-enabled agriculture solutions, farmers can adopt sustainable practices, conserve resources, and achieve improved crop yield.

[0174] Moreover, the emerging market for Ambient IoT devices powered by ambient energy sources presents significant opportunities. Devices that can harness energy from ambient sources like solar, kinetic, or thermal energy eliminate the need for traditional power sources or frequent battery replacements. This opens up possibilities for deploying Ambient IoT devices in remote or inaccessible locations where power infrastructure is limited. Environmental monitoring, asset tracking, and smart infrastructure are just a few areas that can greatly benefit from the use of IoT devices powered by ambient energy.

[0175] In addition, considering a large number of items in the store, a huge demand for Ambient IoT tags can be expected in the retail chain market.

[0176] In conclusion, the invention pertaining to 5G Ambient IoT device presents vast market opportunities across various industries and sectors. The expanding IoT landscape, combined with the emerging market for IoT devices powered by ambient energy, further enhances the potential for innovative applications and widespread adoption of IoT technologies.

[0177] The idea of the invention relates to:

[0178] - The framework to integrate UICC-Lite on Ambient IoT.

[0179] - The mechanism to put an active Ambient IOT device into passive mode to continue operate but saving power.

[0180] - The mechanism for adaptive power management logic.

[0181] - The method to have smart RF controller to control data transmission and RF energy harvesting. And to use one or multiple antennas to improve efficiency.

[0182] - The multi-modal mechanism to support stable energy harvesting.

[0183] - Use UICC as Ambient IoT computing and storage platform, to store 5G network credentials and to run network security and access applications in a secured and trusted environment.

[0184] - Ambient IoT SIM as one of the UICC application.

[0185] - A new shutdown command to allow UICC to be shut down to conserve power available on Ambient IoT devices.

[0186] - The mechanism to store Ambient IoT relevant policies on the AIoT SIM resident on the UICC mounted on the Ambient IoT device.

[0187] - The list of information of the AIoT SIM.

[0188] - The mechanism to run AIoT SIM application, in collaboration with USIM application on the UICC resident on the UE.

[0189] - The mechanism to use a subset of existing UICC interfaces to support communication between Ambient IOT reader and Ambient IoT device.

[0190] - The mechanism to allow UICC or Ambient IoT SIM to operate by utilizing harvested energy from ambient  environment.

[0191] - The embodiment to shut down the AIoT SIM application to conserve power consumption.

[0192] Although not shown in detail any of the devices or apparatus that form part of the network may include at least a processor, a storage unit and a communications interface, wherein the processor unit, storage unit, and communications interface are configured to perform the method of any aspect of the present invention. Further options and choices are described below.

[0193] Furthermore, the inventive concept can be applied to any circuit for performing signal processing functionality within a network element. It is further envisaged that, for example, a semiconductor manufacturer may employ the inventive concept in a design of a stand-alone device, such as a microcontroller of a digital signal processor (DSP) , or application-specific integrated circuit (ASIC) and / or any other sub-system element.

[0194] It will be appreciated that, for clarity purposes, the above description has described embodiments of the invention with reference to a single processing logic. However, the inventive concept may equally be implemented by way of a plurality of different functional units and processors to provide the signal processing functionality. Thus, references to specific functional units are only to be seen as references to suitable means for providing the described functionality, rather than indicative of a strict logical or physical structure or organization.

[0195] Aspects of the invention may be implemented in any suitable form including hardware, software, firmware or any combination of these. The invention may optionally be implemented, at least partly, as computer software running on one or more data processors and / or digital signal processors or configurable module components such as field programmable gate array (FPGA) devices.

[0196] Thus, the elements and components of an embodiment of the invention may be physically, functionally and logically implemented in any suitable way. Indeed, the functionality may be implemented in a single unit, in a plurality of units or as part of other functional units. Although the present invention has been described in connection with some embodiments, it is not intended to be limited to the specific form set forth herein. Rather, the scope of the present invention is limited only by the accompanying claims. Additionally, although a feature may appear to be described in connection with particular embodiments, one skilled in the art would recognize that various features of the described embodiments may be combined in accordance with the invention. In the claims, the term ‘comprising’ does not exclude the presence of other elements or steps.

[0197] Furthermore, although individually listed, a plurality of means, elements or method steps may be implemented by, for example, a single unit or processor. Additionally, although individual features may be included in different claims, these may possibly be advantageously combined, and the inclusion in different claims does not imply that a combination of features is not feasible and / or advantageous. Also, the inclusion of a feature in one category of claims does not imply a limitation to this category, but rather indicates that the feature is equally applicable to other claim categories, as appropriate.

[0198] Furthermore, the order of features in the claims does not imply any specific order in which the features must be performed and in particular the order of individual steps in a method claim does not imply that the steps must be performed in this order. Rather, the steps may be performed in any suitable order. In addition, singular references do not exclude a plurality. Thus, references to ‘a’ , ‘an’ , ‘first’ , ‘second’ , etc. do not preclude a plurality.

[0199] While the present application has been described in connection with what is considered the most practical and preferred embodiments, it is understood that the present application is not limited to the disclosed embodiments but is intended to cover various arrangements made without departing from the scope of the broadest interpretation of the appended claims.

Claims

1.An Ambient Internet of Things (IoT) device, comprising:an energy harvesting module, configured to harvest energy from an ambient energy source;a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module, powered by the energy harvested by the energy harvesting module, configured to secure user information; anda power management logic or module, electrically coupled to the UICC-based module, configured to control power consumption of the UICC-based module.2.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the UICC-based module is a UICC-Lite module.3.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the UICC-based module comprises a processor, a memory and a communication interface.4.The Ambient IoT device of claim 1, further comprising:an Ambient IoT Subscriber Identity Module (SIM) application residing on the UICC-based module, wherein the Ambient IoT SIM application enables an Ambient IoT service over a cellular Network.5.The Ambient IoT device of claim 1, further comprising:antennas, used for at least one of harvesting radio frequency (RF) energy or performing data transmission; andan RF controller, coupled to the antennas, configured to control the antennas.6.The Ambient IoT device of claim 5, wherein the RF controller is configured to determine which antenna is used to harvest RF energy and which antenna is used to transmit data.7.The Ambient IoT device of claim 5, wherein the RF controller controls multiple antennas for RF energy harvesting or controls multiple antennas for data transmission.8.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the ambient energy source from which the energy harvesting module harvests energy comprises an ambient electromagnetic wave source.9.The Ambient IoT device of claim 8, wherein the energy harvesting module is coupled to a multi-antenna array with beamforming or directional antennas to perform the energy harvesting.10.The Ambient IoT device of claim 8, wherein the ambient energy source comprises an RF-power transmitter with a frequency band dedicated to the Ambient IoT device.11.The Ambient IoT device of claim 8, wherein the ambient energy source comprises a wireless power transmitter equipped on a wireless router, customer premise equipment (CPE) or gateway with a frequency band dedicated to the Ambient IoT device.12.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the ambient energy source from which the energy harvesting module harvests energy comprises a renewal energy source.13.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the energy harvesting module combines RF energy harvesting with a renewal form of energy harvesting.14.The Ambient IoT device of claim 13, wherein the RF energy harvesting and the renewal form of energy harvesting work in parallel or concurrently.15.The Ambient IoT device of claim 13, wherein the RF energy harvesting and the renewal form of energy harvesting work separately in different time durations.16.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the power management logic or module is configured to:obtain a maximum power consumption;monitor a current power state of the Ambient IoT device, which is represented by a current energy level and a current power consumption level; anddeterminie a session execution time level based on the current energy level and the current power consumption level.17.The Ambient IoT device of claim 16, wherein the power management logic or module is further configured to:obtain a potential action route based on the current power consumption level, the current energy level or the session execution time level.18.The Ambient IoT device of claim 17, wherein the power management logic or module obtains the potential action route to execute an operation comprising one of the followings:maintaining power supply solely for certain UICC functions;shutting down the Ambient IoT device;allowing the Ambient IoT device to function in a passive mode, deactivating the UICC-based module; orsuspending an ongoing application session.19.The Ambient IoT device of claim 16, wherein the session execution time level is used by the UICC-based module to determine a security algorithm or an authentication procedure during a handshake operation.20.The Ambient IoT device of claim 16, wherein the power management logic or module is further configured to:relay the session execution time level to a network, allowing a device in the network to optimize an energy-aware operation.21.The Ambient IoT device of claim 1, wherein the power management logic or module receives directives from a network to perform a power management function.22.The Ambient IoT device of claim 21, wherein the power management function comprises initiating or halting power supply to one or more modules or components of the Ambient IoT device.23.The Ambient IoT device of claim 1, wherein following initial registration stage, the power management logic or module directs the UICC-based module to either shut down or transitioned into a power-saving mode.24.The Ambient IoT device of claim 4, wherein the Ambient IoT SIM application contains credentials and identifiers for securing the Ambient IoT service over the cellular Network.25.The Ambient IoT device of claim 4, wherein the Ambient IoT SIM application contains at least one of the following files:Ambient IoT identity, Ambient IoT certificate, Ambient IoT service provider ID, Ambient IoT service provider Domain Name, Home operator’s network Domain Name, Ambient IoT access rule reference, Ambient IoT SIM service table, Ambient IoT service provider information, Ambient IoT bootstrapping parameters, Ambient IoT key management system address, Ambient IoT short message service information, Ambient IoT configuration data or Ambient IoT UE Route Selection Policy (URSP) .26.The Ambient IoT device of claim 4, wherein the Ambient IoT SIM application recognizes at least one of the following commands:AUTHENTICATE, GET CHALLENGE, GET IDENTITY, SUSPEND or SHUTDOWN.27.The Ambient IoT device of claim 4, wherein the Ambient IoT SIM application recognizes a shutdown command, which is used to power down the UICC-based module.28.A communication system, comprising:an Ambient Internet of Things (IoT) device, comprising an energy harvesting module configured to harvest energy from an ambient energy source; andan Ambient IoT reader, housed within a device distinct from the Ambient IoT device and wirelessly communicating with the Ambient IoT device, the Ambient IoT reader comprising a Universal Integrated Circuit Card (UICC) -based module with an Ambient IoT Subscriber Identity Module (SIM) application residing on the UICC-based module,wherein the Ambient IoT SIM application enables the Ambient IoT device to access an Ambient IoT service over a cellular Network.

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