什么是無源物聯(lián)網(wǎng)？一文看懂！

作者 / 蜉蝣采采

在我們身邊，能量無處不在。隨處可見的光、熱、風(fēng)、浪、聲、電磁輻射、機械震動等都是能量。

如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能擺脫電源和電池的限制，完全靠收集這些環(huán)境中的能量來進行通信，將實現(xiàn)真正的泛在連接。

這個構(gòu)想就叫做：無源物聯(lián)網(wǎng)。它將在5G-A時代變?yōu)楝F(xiàn)實。

下面我們來一起探討下具體無源物聯(lián)網(wǎng)是什么，有哪些應(yīng)用場景，標準化進程如何等問題。

????為什么需要無源物聯(lián)網(wǎng)？

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)主體不是“人”而是各式各樣的“物”，也就是攝像頭、傳感器、機器人之類的設(shè)備。基于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)就叫做蜂窩物聯(lián)網(wǎng)。

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展源遠流長。從2G開始，GPRS開始支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，自然也就廣泛地用于物聯(lián)網(wǎng)。時至今日，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也還在頑強生存。3G自然也不例外，也可用于物聯(lián)網(wǎng)。

到了4G時代，專為物聯(lián)網(wǎng)而制定的技術(shù)標準開始出現(xiàn)，Cat 0、Cat 1和Cat M（LTE-M，又叫eMTC）都是專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的。NB-IoT（Cat NB）更是樹立了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的典范。

到了5G時代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加細分。eMBB、mMTC和uRLLC這三大場景都適用于物聯(lián)網(wǎng)。eMBB可用于高速率的物聯(lián)網(wǎng)，mMTC專為海量的低速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，uRLLC則用于超低時延高可靠的確定性物聯(lián)網(wǎng)。

為了彌補中速物聯(lián)網(wǎng)標準的缺失，在5G-A階段又引入了RedCap（又叫輕量化5G），目標是取代4G的中速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)eMTC。目前，運營商最大規(guī)模開通并積極打造應(yīng)用落地的5G-A技術(shù)，正是RedCap。

如此豐富的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，覆蓋了低速、中速、高速、低時延高可靠等如此廣泛的物聯(lián)網(wǎng)場景，想必蜂窩物聯(lián)網(wǎng)大廈的技術(shù)底座已經(jīng)構(gòu)建完成了吧？

非也！在目前的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)帝國中，仍有數(shù)量最大的一批需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，因成本問題無法實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

比如在智能工廠里、在物流倉儲中、在可穿戴設(shè)備上，依然存在大量仍未聯(lián)網(wǎng)的“啞終端”。5G-A通過無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把這些設(shè)備納入進來，才能實現(xiàn)“千億物聯(lián)”。

無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求極為簡單，就是單純的資產(chǎn)信息上報，或者發(fā)送極少的傳感器數(shù)據(jù)。它們需要極低的設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)成本，無法接受定期更換電池的維護支出，最好啥都不用管就可以一直運行。

這就需要為它們組建“無源物聯(lián)網(wǎng)”，不用連接電源，更無需配置電池，僅靠收集環(huán)境中的能量就能完成計算和通信，并且可以長期工作。

????怎樣從環(huán)境中獲取能量？

能量守恒定律告訴我們：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其它物體。

由于無源物聯(lián)網(wǎng)是通過收集環(huán)境中的能量驅(qū)動的，它英文名稱叫做Ambient IoT。Ambient的含義是環(huán)境的，周圍的，專指自然環(huán)境中某些不易察覺但對周圍產(chǎn)生影響的條件。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，Ambient指的就是環(huán)境供能。

相比之下，無源物聯(lián)網(wǎng)早期的名稱為Passive IoT，只表達了無需電源或者電池，對于能量的來源并沒有指出。3GPP從R19開始研究無源物聯(lián)網(wǎng)，用的名稱就是Ambient IoT，簡稱A-IoT。

那么，無源物聯(lián)網(wǎng)的終端可以收集哪些能量呢？

這其中最容易想到的就是光能（太陽能）。光能采集的核心技術(shù)原理是利用光電效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｋS著光伏材料研究的突破，光能采集和轉(zhuǎn)化的效率已達到較高水平。

太陽能收集可用的場景非常廣泛。比如室外環(huán)境監(jiān)控、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等等。甚至，在室內(nèi)只要一直有燈光，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也能收集能量用于通信。

此外還有熱能。熱能始終從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，也就是說，只要存在溫度差，就可以利用熱能。溫差能量采集主要是通過賽貝克效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為電能。

人體就是一個源源不斷的熱源，因此，溫差能量采集能用于可穿戴設(shè)備。此外在工廠里，持續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備也是熱源，可布置無源傳感器用于工業(yè)監(jiān)測。

機械振動中照樣蘊藏著能量。有一些遙控器，在受到按壓的時候，通過機械力產(chǎn)生材料形變，動能變成電能，驅(qū)動設(shè)備工作。此外還有自供能開關(guān)、自供能門鈴等。人每走一步也都會產(chǎn)生振動，可以收集起來驅(qū)動可穿戴設(shè)備。

在工廠中，電動機、變速箱、泵等設(shè)備在工作過程中都在持續(xù)產(chǎn)生振動，通過壓電材料可以對這些微動能量進行采集和儲存，就可以得到用于計算和通信的能量。

無線通信系統(tǒng)中，電磁波被用于攜帶信息。與此同時，電磁波也蘊含著能量。無線電射頻能量采集可以通過接收特定頻段的電磁波，將射頻能量轉(zhuǎn)換為直流能量，從而驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行低功耗計算和低功耗通信。

射頻能量收集通信在日常生活中廣泛存在。RFID 和 NFC技術(shù)都是基于近距離射頻能量采集運行的，它們在公交卡、ETC、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、無線供電手持設(shè)備、可穿戴低功耗設(shè)備等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。

收集到了能量，就可以直接用于計算和通信嗎？

實際上，這些能量雖然廣泛存在，但往往十分微弱，并且很不穩(wěn)定。在收集之后可能需要存儲起來，一是把能量攢夠了再用，二是控制用量，讓能量平穩(wěn)釋放。

這里說的能量存儲并不是電池，而是更簡單的電容或者超級電容。電容可以被視為無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在保障供電穩(wěn)定和連續(xù)的基本儲能單元，可有限地存儲能量。

? ? 怎么進行低功耗計算？

環(huán)境能量密度本來就低，能量收集的轉(zhuǎn)化率也不是很高。比如，射頻能量收集的轉(zhuǎn)化效率往往不足 10%。無源物聯(lián)網(wǎng)終端運行時可利用的能量非常有限，這決定了數(shù)據(jù)處理（計算）的功耗要非常低才行。

首先，無源物聯(lián)網(wǎng)終端需要采用低功耗芯片（MCU微控制單元，或者傳感器芯片）。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，終端芯片的功耗已實現(xiàn)降低到微瓦（百萬分之一瓦）級甚至更低的奈瓦（十億分之一瓦）級。當然，低功耗芯片無法支撐復(fù)雜的計算，只能進行簡單編碼、調(diào)制和加密處理。

由于無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少，且時延的要求也不高，無需追求極致的頻譜效率，簡化編碼調(diào)制以降低功耗是重中之重。簡單編碼和調(diào)制可以最小化計算功耗，相應(yīng)的電路設(shè)計也可以大幅簡化。低功耗接收機降低了終端設(shè)備的復(fù)雜度，也助力實現(xiàn)功耗降低。

低功耗加密也非常重要。例如在家庭場景中，個人物品的位置信息不應(yīng)該暴露給不可信設(shè)備。無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要支持低功耗的安全機制，以確保通信的保密性和可靠性。目前正在評估WiFi中常用的AES128加密算法是否可以重用。

????怎么進行低功耗通信？

傳統(tǒng)的通信過程包括信號的接收和發(fā)射兩條鏈路。其中信號發(fā)射需要在變頻之后通過功率放大器把功率放大之后發(fā)射，功放往往是最耗電的單元。這對于完全靠環(huán)境功能的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說是很難接受的。

因此，無源物聯(lián)網(wǎng)引入了一種全新的低功耗通信方式：反向散射通信。

電磁波在傳播過程中遇到物體，必然會向周邊反射或者散射。所謂反向散射通信，就是無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不配備任何主動的信號放大單元，僅僅靠反射或者散射自身接收到的信號就可以完成低速率、低功耗通信。

那么，怎樣在信號反射的過程中，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制進去呢？

目前，負載調(diào)制是最經(jīng)常使用的傳輸數(shù)據(jù)方法。負載調(diào)制通過對無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電阻或電容進行調(diào)節(jié)，使反射信號的振幅和相位隨之改變，從而完成調(diào)制的過程。

以電阻調(diào)制實現(xiàn) ASK（Amplitude Shift Keying，振幅鍵控）為例，終端通過切換負載反射系數(shù)可以在吸收和反射這兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。兩種狀態(tài)，正好可以代表“0”和“1”。

具體來說，在吸收狀態(tài)，終端實現(xiàn)了阻抗匹配，射頻信號被完全吸收，沒有反射或者散射，接收側(cè)接收到的將是低電平信號，代表 “0”。在反射狀態(tài)下，終端經(jīng)過調(diào)整使得電路阻抗不匹配，部分信號被反射，接收側(cè)接收到的將是高電平信號，代表 “1”。

類似地，無源物聯(lián)網(wǎng)終端也可以通過調(diào)整電路的電容，實現(xiàn)對電路調(diào)諧頻率的改變，使得反射或者散射的信號頻率隨著電容的變化而變化，從而實現(xiàn) FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）調(diào)制。

總而言之，反向散射通信實現(xiàn)了極低復(fù)雜度的信號調(diào)制和傳輸，無需功率放大器、高精度晶振、雙工器、濾波器等復(fù)雜的射頻結(jié)構(gòu)，也不需要復(fù)雜的基帶處理，使實現(xiàn)高度簡化的無源物聯(lián)網(wǎng)終端成為可能。

????無源物聯(lián)網(wǎng)的終端類型？

應(yīng)用的場景不同，對無源物聯(lián)網(wǎng)終端的需求也有差異。3GPP在TR38.848中考慮了不同終端的能量儲存能力以及信號發(fā)射能力，定義了三類終端。

終端類型A：沒有能量存儲能力，沒有獨立的信號生成及放大能力。這是最低成本的終端類型，只能依靠反向散射進行通信。終端在信號接收或者發(fā)射時的功耗在1微瓦以下，或者10微瓦以下。

終端類型B：有能量存儲能力，但沒有獨立的信號生成能力。由于可以儲能，終端在收集到足夠的電能之后，可以對反向散射的信號進行放大，覆蓋距離更遠。終端在信號接收或者發(fā)射時的功耗介于類型A和類型B之間。

終端類型C：既有能量存儲能力，也有獨立的信號生成及放大能力。這種終端的通信能力跟傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端類似。終端在信號接收或者發(fā)射時的功耗在1毫瓦以下，或者10毫瓦以下。

????無源物聯(lián)網(wǎng)怎么組網(wǎng)？

在無源物聯(lián)網(wǎng)中，如果通過收集電磁波能量來驅(qū)動終端，理論上就存在下面的幾種類型的設(shè)備：供能節(jié)點、信令/觸發(fā)節(jié)點、通信節(jié)點等。

一般來說，基站的發(fā)射功率高，覆蓋范圍大，非常適合作為供能節(jié)點，作為觸發(fā)節(jié)點來發(fā)送信令觸發(fā)無源物聯(lián)網(wǎng)終端的信息上報也非常合適。

信息上報到哪里呢？?如果上報給基站，那基站就是集供能、信令/觸發(fā)及通信一體的節(jié)點。當然信息也可以上報給獨立的無源物聯(lián)網(wǎng)標簽讀取設(shè)備。

僅從通信的角度來看，還可以引入中間輔助節(jié)點，3GPP定義了4種無源物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)拓撲。

拓撲1：無源物聯(lián)網(wǎng)終端直接與基站雙向通信。基站與無源物聯(lián)網(wǎng)終端之間的通信包括數(shù)據(jù)和/或信令，收發(fā)數(shù)據(jù)和信令的基站既可以是同一個，也可以是不同的基站。

拓撲2：無源物聯(lián)網(wǎng)終端和基站之間通過中間節(jié)點來進行雙向通信。中間節(jié)點可以是中繼、IAB節(jié)點、普通終端、放大器等。中間節(jié)點在基站和無源物聯(lián)網(wǎng)終端之間傳輸數(shù)據(jù)和/或信令。

拓撲3：無源物聯(lián)網(wǎng)終端將數(shù)據(jù)/信令傳輸給基站，并從輔助節(jié)點接收數(shù)據(jù)/信令。反之，無源物聯(lián)網(wǎng)終端從基站接收數(shù)據(jù)/信令，并將數(shù)據(jù)/信令傳輸給輔助節(jié)點。輔助節(jié)點可以是中繼、IAB節(jié)點、普通終端、放大器等。

拓撲4：無源物聯(lián)網(wǎng)終端與普通終端進行雙向通信。普通終端與無源物聯(lián)網(wǎng)終端之間的通信包括環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和/或信令。這相當于完全獨立組網(wǎng)。

????寫在后面

目前無源物聯(lián)網(wǎng)標準還在制定中，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚處于早期。然而無源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景是非常明確的，業(yè)界對這個技術(shù)期待已久。

近年來，在各個展會、論壇上，無源物聯(lián)網(wǎng)都作為5G-A的關(guān)鍵技術(shù)被廣泛宣傳，技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用試點成果也不斷涌現(xiàn)。

相信假以時日，無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為5G-A時代“千億物聯(lián)”的底座，依托其低功耗、低成本、小體積、易部署、免維護等優(yōu)勢實現(xiàn)一切設(shè)備的應(yīng)連盡連，締造“零功耗通信”帝國。

參考資料：

OPPO：零功耗通信

3GPP TR38.848?Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN

智次方·摯物產(chǎn)業(yè)研究院：無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2022）