到底什么是“無源物聯(lián)網(wǎng)”？

時間：2021-09-24 16:13:35

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 無源

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[導(dǎo)讀]繼Cat.1之后，2021年的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，又“喜提”了一個新的“風(fēng)口”。這個“風(fēng)口”的名字，叫做“無源物聯(lián)網(wǎng)”。無源物聯(lián)網(wǎng)，到底是個啥東東？它和現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間，有什么區(qū)別？它是真的有黑科技？還是資本又在炒作？通過本文，小棗君將帶領(lǐng)大家一探究竟。█什么是無源物聯(lián)網(wǎng)無源物聯(lián)網(wǎng)，...

繼Cat.1之后，2021年的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，又“喜提”了一個新的“風(fēng)口”。

這個“風(fēng)口”的名字，叫做“無源物聯(lián)網(wǎng)”。

無源物聯(lián)網(wǎng)，到底是個啥東東？它和現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間，有什么區(qū)別？它是真的有黑科技？還是資本又在炒作？

通過本文，小棗君將帶領(lǐng)大家一探究竟。

█ 什么是無源物聯(lián)網(wǎng)

無源物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是沒有“源”的物聯(lián)網(wǎng)。

“源”，就是電源、能量源。

搞過承載網(wǎng)的童鞋，對“無源”肯定非常熟悉。我們常說的無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）、無源波分（WDM），都涉及到“無源”。

說白了，無源，就是不接外部電源、不帶電池。

無源物聯(lián)網(wǎng)，不是網(wǎng)絡(luò)無源，而是終端節(jié)點無源。

也就是說，網(wǎng)絡(luò)沒啥變化，而連入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點設(shè)備，不帶電源線，也沒有內(nèi)置電池。

那么，問題來了。終端節(jié)點設(shè)備，有傳感器需要產(chǎn)生數(shù)據(jù)，有芯片需要計算，有模組需要收發(fā)信號。沒有電源，誰來提供干活的能量呢？

其實，所謂“無源”，并不是終端節(jié)點不用電，而是換了一種獲取電（能量）的方式。

大家應(yīng)該很快會想到，太陽能，就是一種獲取電（能量）的常用方式。

太陽能路燈

通過光伏面板，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，儲備使用。

除了太陽能之外，還有動能和熱能。

例如，有的共享單車，就帶有發(fā)電模塊。你踩踏板的時候，就給智能車鎖充了電。

還有一些遙控器，采用按壓式發(fā)電。你按的時候，通過機(jī)械力產(chǎn)生材料形變，動能變成電能，驅(qū)動設(shè)備工作。

注意！上述所說的太陽能、動能、熱能，都不是我們今天“無源物聯(lián)網(wǎng)”的討論重點。

現(xiàn)在大家熱議的“無源物聯(lián)網(wǎng)”，主要是指基于無線電磁能量捕捉技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。

也就是說，是指物聯(lián)網(wǎng)終端通過采集網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)射過來的無線電波，捕捉和收集能量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

大家想到了啥？

我覺得，很多人一定想到了RFID，也就是Radio Frequency Identification（射頻識別）。

RFID

我們俗稱的電子標(biāo)簽，就采用了RFID技術(shù)。

RFID的原理很簡單，當(dāng)標(biāo)簽靠近閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲得能量。通過這點能量，標(biāo)簽發(fā)送信息，實現(xiàn)與閱讀器的通信。

除了RFID之外，我還想到了一個技術(shù)。那就是小米去年推出的隔空無線充電技術(shù)。

當(dāng)時特別火，數(shù)米半徑內(nèi)，單設(shè)備5W隔空充電。

其實，RFID，就是一種無源物聯(lián)網(wǎng)。

現(xiàn)在，在RFID的基礎(chǔ)上，無源物聯(lián)網(wǎng)希望進(jìn)一步延伸，擴(kuò)展基于Wi-Fi、藍(lán)牙、3G、4G甚至5G通信技術(shù)的無源互聯(lián)。

█ 無源物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

大家都知道，RFID是非常成熟的技術(shù)。RFID之所以能夠正常工作，最關(guān)鍵一點在于，標(biāo)簽和閱讀器的距離很近。

距離越遠(yuǎn)，電磁能量的密度越低，獲取能量的難度越大。

RFID屬于感應(yīng)耦合，天線的形狀是線圈，電磁能量的傳送，是在感應(yīng)場區(qū)域內(nèi)完成的，距離很短。

線圈

Wi-Fi、藍(lán)牙工作距離遠(yuǎn)大于RFID，3G/4G/5G更遠(yuǎn)。這就不是感應(yīng)場，而是輻射場。

輻射場采用的天線技術(shù)，主要是偶極子天線或微帶天線。想要在輻射場中，借助這些天線完成電磁能量的傳送，難度極大。

微帶陣列天線

在以前，這都是不可想象的事情。現(xiàn)在，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，終端芯片的功耗降低到mW級甚至更低，再加上能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷升級，才讓遠(yuǎn)距離通信技術(shù)的能量捕獲和使用成為一種可能性。

無源物聯(lián)網(wǎng)，還有幾個典型的特性：

能量震蕩性

無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的能量不再是單一的由高至低的靜態(tài)變化趨勢，由于能量來自于環(huán)境，其呈現(xiàn)出的將是時高時低的動態(tài)狀態(tài)。

節(jié)點失衡性

無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中能源獲取存在隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，整個網(wǎng)絡(luò)中能量分布可能并不均衡，也會導(dǎo)致每個節(jié)點的差異。

能源受限性

無源物聯(lián)網(wǎng)獲取能量的方式不同，且所采集的環(huán)境能量非常微弱，一般在納瓦（nW）到微瓦（μW）級，且受到節(jié)點蓄電能力的影響。

連接脆弱性

無源物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連通性直接受各節(jié)點能量的影響。當(dāng)某些節(jié)點的能量低于一定程度時，這些節(jié)點則成為孤立節(jié)點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通。由于能量的震蕩性，網(wǎng)絡(luò)的連通性是脆弱的，時斷時續(xù)，難以保持一直連通。

大家都看出來了，這些都不是什么好特性，都是缺點。這些缺點，制約了無源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

█ 無源物聯(lián)網(wǎng)的研究進(jìn)展

人們基于RFID的成功，產(chǎn)生了對無源物聯(lián)網(wǎng)的美好憧憬。

但是，我們?nèi)孕枳⒁獾?，目前我們在媒體上可以看到的無源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，還是處于初級階段。

今年新冒出來的幾個無源物聯(lián)網(wǎng)明星企業(yè)及其研究成果，基本上以NFC和藍(lán)牙為主。

關(guān)于Wi-Fi的，目前看到一篇關(guān)于“美國華盛頓大學(xué)電子工程學(xué)院”的報道。

他們的研究人員提出，通過對射頻信號的反射調(diào)制技術(shù)，可以實現(xiàn)無源設(shè)備供電和傳輸數(shù)據(jù)。他們正在研發(fā)除了Passive WiFi的無源技術(shù)，并進(jìn)一步將該技術(shù)用于LoRa中，實現(xiàn)數(shù)百米長距離無源節(jié)點傳輸。

至于4G/5G的無源物聯(lián)網(wǎng)，好像是沒有看到任何應(yīng)用。

上個月，華為常務(wù)董事、ICT產(chǎn)品與解決方案總裁汪濤在5G-Advanced創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)峰會上，提出了面向5.5G的無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，希望5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)無源物聯(lián)網(wǎng)。

但是，3GPP是否會在R18中加入無源物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容，目前好像還沒有明確的消息。

█ 無源物聯(lián)網(wǎng)的意義

無源物聯(lián)網(wǎng)為什么會火？

說白了，還是因為它背后的龐大市場價值。

小棗君之前就和大家說過，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，分為高速、中速、低速。

“631”結(jié)構(gòu)

低速物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)，是NB-IoT、LoRa等。

在原定的發(fā)展規(guī)劃，NB-IoT已經(jīng)算是最“l(fā)ow”的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)了。它的速度最低，功耗最低、成本最低，電池待機(jī)時間號稱10年。

結(jié)果，人們發(fā)現(xiàn)，想要實現(xiàn)千億級別的物聯(lián)網(wǎng)連接，NB-IoT仍然不夠。

NB-IoT對能量（電池）的依賴，增加了自身成本，限制了更廣泛的普及。

例如，我們可以給中國所有的電表、水表安裝NB-IoT模組，但是，我們可以給所有的衣服、所有的商品、所有的快遞包裹安裝NB-IoT模組嗎？不可以。

所以說，人們就提出了“無源物聯(lián)網(wǎng)”，把物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)，撒得更大。

又加了一級

無源物聯(lián)網(wǎng)的最大優(yōu)勢，就是完全不需要電池。

NB-IoT每10年換一次電池（理想情況下），無源物聯(lián)網(wǎng)終身不需要。這不僅減少了換電池的人力成本，也減少了電池組件成本。

目前的通用型UHF RFID標(biāo)簽，價格可以做到2-3毛錢。NB-IoT模組，價格大概是十幾塊，差距有幾十倍。

第二，不用電池，有利于環(huán)保。單個電池雖然很小，但千億級的數(shù)量規(guī)模，環(huán)保影響不容小覷。

第三，沒有電池，終端的體積可以進(jìn)一步縮小。例如像RFID那樣，就是一個小貼片，將大大有利于終端設(shè)計。

總而言之，無源物聯(lián)網(wǎng)是一個非常不錯的發(fā)展思路。然而，想要把這條路真正走通，我們可能還需要很長的時間。

以上就是今天文章的全部內(nèi)容，感謝大家的耐心觀看！

參考文獻(xiàn)：
1.《徹底拋棄電池，5G支持無源物聯(lián)網(wǎng)，比NB-IoT影響更廣泛的技術(shù)要來了？》，物聯(lián)網(wǎng)智庫2.《遠(yuǎn)低于NB-IoT功耗，無源物聯(lián)網(wǎng)才是實現(xiàn)千億級IoT連接的“殺器”！》，物聯(lián)網(wǎng)智庫3.《深度解析無源物聯(lián)網(wǎng)，它距離千億級的目標(biāo)還有多遠(yuǎn)？》，物聯(lián)傳媒4.《啟緯智芯周若谷：無源化開啟產(chǎn)品“新玩法”，物聯(lián)網(wǎng)傳感器領(lǐng)域市場前景廣闊 | 鎂客請講》，鎂客網(wǎng)5.《物聯(lián)網(wǎng)方興未艾，無源傳感器大行其道》，傳感器技術(shù)6.《物聯(lián)網(wǎng)的未來——無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》，卓信通信