解鎖千億IoT連接，5G無源物聯(lián)網(wǎng)呼之欲出，射頻能量采集時代即將開啟【物女心經(jīng)】
作者：彭昭（物聯(lián)網(wǎng)智庫創(chuàng)始人&云和資本合伙人）
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5G承載了千億級物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景，對無源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少。如果能夠解鎖基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)，這些無源接入很可能會成為未來5G連接中規(guī)模最大的群體，將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中。因此，基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)尤其值得關(guān)注。
全文字數(shù)：3000字，寫作用時：240分鐘，閱讀時間：10分鐘
物女皇：5G就是能源
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這是我在【物女心經(jīng)】專欄寫的第235篇文章。
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知名科幻作家劉慈欣的《三體2：黑暗森林》中有這么一幕，主人公在未來醒來時，發(fā)現(xiàn)了人類擁有永遠都用不完的能量，周圍的物品全都是無線供電，不需要任何的有線連接就可以隔空獲得電能。
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那時“插頭”已成為一種歷史名詞，地球?qū)崿F(xiàn)了全方位無線供電，電像空氣一樣無處不在。
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聽上去是不是很酷？但其實，如今的我們離這個未來場景已經(jīng)不再那么遙不可及。
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在物聯(lián)網(wǎng)智庫往期文章《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？》中曾經(jīng)提到：“一張蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接千億級終端，關(guān)鍵點在無源物聯(lián)網(wǎng)?！蔽恼逻€介紹了基于藍牙、WiFi、LoRa無源物聯(lián)網(wǎng)的情況，但圍繞5G無源物聯(lián)網(wǎng)的突破卻寥寥可數(shù)。
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5G承載了千億級物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景，對無源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少。
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如果能夠解鎖基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)，這些無源接入很可能會成為未來5G連接中規(guī)模最大的群體，將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中。
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因此，基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)尤其值得關(guān)注。
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不過這是一項極具挑戰(zhàn)的課題，好在如今一些團隊已經(jīng)取得了明顯進展。
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本文將介紹基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)最新信息。
01
匯聚5G賦形波束的能量
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第一個方案由佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出。
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這是一種通過收集周圍特定頻段的5G射頻能量來獲得電能，以便讓各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器持續(xù)運行的方案，外觀如同一張貼紙。
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根據(jù)測試，該方案可以提供大約6微瓦的電力，最大可達180米的采集范圍，比現(xiàn)有的能量采集技術(shù)提升了21倍。
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通過這個方案，研究人員希望將5G網(wǎng)絡(luò)不僅用于信號傳輸，同時還可作為一張無線供電網(wǎng)絡(luò)，為小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備持續(xù)供電。
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該技術(shù)可以讓我們將無源物聯(lián)網(wǎng)的范疇擴展到5G網(wǎng)絡(luò)。
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佐治亞理工學(xué)院本次提出的方案，其基本構(gòu)想是最大限度的采集5G波束中的能量，并利用這些能量驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作。
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由于5G波束的方向為非常分散的狀態(tài)，一個賦形波束朝著一個狹小的方向并且持續(xù)移動，而非從信號塔中散射出來的一層層的能量圈或者扇形面，因此準確采集5G波束的能量極為困難。
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因此研究人員采用了羅特曼透鏡，這是該方案背后的關(guān)鍵技術(shù)。
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簡單介紹，羅特曼透鏡是最常用的多波束形成網(wǎng)絡(luò)，具有寬頻帶、同時多波束、真時延、設(shè)計簡單等突出優(yōu)點。自1963年被提出以來，羅特曼透鏡被廣泛應(yīng)用于諸如雷達、衛(wèi)星、無線通信等軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域。
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但是工程師們一般只用羅特曼透鏡來發(fā)送信號，而不是接收信號，這也是本方案的突破之處。
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基于羅特曼透鏡，研究人員設(shè)計的整流天線方案看起來就像一只“狼蛛”，“張牙舞爪”的捕捉來自四面八方5G波束的能量，并將其匯聚。
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蜘蛛狀的“腿”從中央身體的兩側(cè)延伸出來。在一邊，這些腿連接8個小天線；在另一邊，它們連接6個波束端口。
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小天線捕捉微波，并將它們聚焦到波束端口，當然方案中還包含將接收到的微波轉(zhuǎn)化為電能的部分。
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圖(a) 通過在天線和整流器之間使用羅特曼透鏡實現(xiàn)射頻和電能的雙組合
圖(b) 模擬最大陣列因子和不同尺寸羅特曼透鏡的角度覆蓋圖
圖(c) 基于羅特曼透鏡的整體方案
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羅特曼透鏡將能量匯聚的視野從20度擴展到120度以上，圍繞28GHz左右波段的毫米波能量進行采集。
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“即便是將貼紙型整流天線粘在小型無人機上，我們設(shè)想這個方案仍然可以可靠的從整座城市的5G基站收集能量，并支撐飛行。”研究人員提到。
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為了更快的推進該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，初創(chuàng)公司Atheraxon正在用其開發(fā)一款基于5G無源物聯(lián)網(wǎng)的RFID產(chǎn)品。
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02
提升射頻能量采集的轉(zhuǎn)化效率
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無獨有偶。
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在“思科全球問題解決者挑戰(zhàn)賽”中脫穎而出的初創(chuàng)公司Teratonix，也在探索通過擁有專利的射頻能量采集器，捕捉周圍環(huán)境中游蕩的射頻信號，并將其轉(zhuǎn)換為電能。上圖是該公司開發(fā)的一款基于采集射頻能量供電的藍牙信標。
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這個方案是基于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究成果。
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從射頻信號到直流電的轉(zhuǎn)換過程，從天線從周圍環(huán)境中捕捉到無線電波之時就已啟動。
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這家初創(chuàng)公司的思路是創(chuàng)造一種具有高增益的多頻帶天線，能夠同時接收水平與垂直的極化波，這也是該技術(shù)能夠商用的關(guān)鍵。
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簡單介紹原理，由于無線電波在天線上形成了不斷變化的電勢差，從而導(dǎo)致整流電路中電荷的移動，這些電能暫存于特制電容中，并最終驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等負載工作。
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我們每天都被各種射頻信號包圍，除了收音機、電視，還有2G/ 3G/ 4G/ 5G/ NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以及WiFi、ZigBee等局域網(wǎng)絡(luò)…借助這些射頻信號能夠進行能量收集，雖然獲取的只有非常少的電量。
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隨著射頻能量發(fā)射器用戶的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通過使用最大功率點追蹤的方法，并通過提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應(yīng)用的場景不斷拓寬。
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由于受到現(xiàn)有二極管技術(shù)的實際限制，只能捕獲單一頻率的射頻信號，而且轉(zhuǎn)換效率很低。
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卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員研發(fā)的高響應(yīng)度金屬-半導(dǎo)體-金屬MSM二極管改變了這種狀況。
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如下圖所示，MSM超高速二極管的能量采集范疇涵蓋了米波、分米波和厘米波，能夠發(fā)揮從廣播與電視、3G、4G、5G、WiFi等廣泛頻譜中，采集寬帶信號的潛力。
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據(jù)稱該方案的采集速度最高可達單一頻率二極管采集速度的1000倍，能量供應(yīng)比現(xiàn)有的能量采集技術(shù)提升了十余倍。并經(jīng)Teratonix公司驗證，在不依賴電池的情況下，該方案可以為傳感器、可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療設(shè)備供電。
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03
5G?射頻能量采集時代即將開啟
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海量物理終端由于本身條件的限制，可能連小型電池供電的條件都不具備，或者受限于廉價成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、產(chǎn)品外包裝、倉庫貨物盤點等，這些構(gòu)成了千億級無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。
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我們常常提到的無源物聯(lián)網(wǎng)，按照字面理解，其實就是沒有“能量源”的物聯(lián)網(wǎng)。
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無源，就是不通過插頭連接外部電源、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。
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無源，并不是終端節(jié)點不需要電能，而是換了一種獲取能量的方式。
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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)。
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隨著5G的大規(guī)模推廣，這些無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點不知不覺中擁有了一個可以廣泛覆蓋的無線供電網(wǎng)絡(luò)，就此也可能開辟一個射頻能量采集的新時代。
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我們都知道，可見光譜介于紫外光和紅外光之間，波長范圍在400和700納米之間。上圖是頻譜分布的示意圖，從右到左，波長變得越來越短，頻率和能量隨之增加。
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5G的特色之一是傳輸更高帶寬的數(shù)字信號，這意味著5G網(wǎng)絡(luò)必須選擇更高的通信頻率?；谀壳巴ㄐ蓬l率的實際使用情況來看，能夠提供這樣高帶寬的空閑頻段，往往在24GHz以上，這個頻段的載波波長是毫米級，所以5G在這個頻段的通信也被稱為毫米波通信。
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前文提到的佐治亞理工學(xué)院的研究人員，他們恰恰是利用毫米波采集能量。
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當然，毫米波通信的實現(xiàn)也伴隨著一定的代價。
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首先，在發(fā)射功率不變的情況下，頻率越高的信號，衰減的速度越快，傳輸距離越短。因此為了覆蓋相同面積的區(qū)域，5G網(wǎng)絡(luò)需要建設(shè)比4G數(shù)量更多、分布更密集的基站。
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其次，毫米波信號的穿透能力較低，基本上不能穿透任何固體，尤其進行室內(nèi)覆蓋時，5G的部署方案就必須采用超密集網(wǎng)絡(luò)的形式進行。
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一枚硬幣總有兩面，5G密集部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施為射頻能量采集提供了得天獨厚的條件。正如佐治亞理工學(xué)院的研究人員所說：“從技術(shù)上講，5G就是能源?！?/strong>
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當然5G無源物聯(lián)網(wǎng)的能源采集不會僅局限于毫米波，而是將會擴展到整個5G。既有低頻、中頻、還有毫米波高頻，5G頻段分布較廣的特性，保證了廣泛的射頻能量來源。
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與此同時，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，終端芯片的功耗降低到毫瓦級甚至更低，再加上能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷升級，通過采集射頻能量，無源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)計也將越來越廣。
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參考資料：
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？，作者：趙小飛，來源：物聯(lián)網(wǎng)智庫
2.到底什么是“無源物聯(lián)網(wǎng)”？，來源：鮮棗課堂
3.We Could Really Have a Wireless Power Grid That Runs on 5G，作者：COURTNEY LINDER
4.Batteryless IoT - Using 5G as Wireless Power Grids，作者：Runar Finanger，來源：onio.com
5.Teratonix: Meet the Team Harvesting Ambient RF Energy to Power IoT Devices and Benefit the Environment，來源：finance.yahoo.com
6.5G as a wireless power grid，作者：Aline Eid, Jimmy G. D. Hester, Manos M. Tentzeris，來源：nature.com/scientificreports
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