解锁千亿IoT连接，5G无源物联网呼之欲出，射频能量采集时代即将开启【物女心经】
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2021-10-09 22:55
作者：彭昭（物联网智库创始人&云和资本合伙人）
物联网智库 原创
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导 读
5G承载了千亿级物联网接入的愿景，对无源物联网支持必不可少。如果能够解锁基于5G的无源物联网，这些无源接入很可能会成为未来5G连接中规模最大的群体，将5G连接能力扩展到更大范围的物理世界中。因此，基于5G的无源物联网尤其值得关注。
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物女皇：5G就是能源
这是我在【物女心经】专栏写的第235篇文章。
知名科幻作家刘慈欣的《三体2：黑暗森林》中有这么一幕，主人公在未来醒来时，发现了人类拥有永远都用不完的能量，周围的物品全都是无线供电，不需要任何的有线连接就可以隔空获得电能。
那时“插头”已成为一种历史名词，地球实现了全方位无线供电，电像空气一样无处不在。
听上去是不是很酷？但其实，如今的我们离这个未来场景已经不再那么遥不可及。
在物联网智库往期文章《彻底抛弃电池，5G支持无源物联网，比NB-IoT影响更广泛的技术要来了？》中曾经提到：“一张蜂窝网络连接千亿级终端，关键点在无源物联网。”文章还介绍了基于蓝牙、WiFi、LoRa无源物联网的情况，但围绕5G无源物联网的突破却寥寥可数。
5G承载了千亿级物联网接入的愿景，对无源物联网支持必不可少。
如果能够解锁基于5G的无源物联网，这些无源接入很可能会成为未来5G连接中规模最大的群体，将5G连接能力扩展到更大范围的物理世界中。
因此，基于5G的无源物联网尤其值得关注。
不过这是一项极具挑战的课题，好在如今一些团队已经取得了明显进展。
本文将介绍基于5G的无源物联网最新信息。
01
汇聚5G赋形波束的能量
第一个方案由佐治亚理工学院的研究人员提出。
这是一种通过收集周围特定频段的5G射频能量来获得电能，以便让各种物联网传感器持续运行的方案，外观如同一张贴纸。
根据测试，该方案可以提供大约6微瓦的电力，最大可达180米的采集范围，比现有的能量采集技术提升了21倍。
通过这个方案，研究人员希望将5G网络不仅用于信号传输，同时还可作为一张无线供电网络，为小型物联网设备持续供电。
该技术可以让我们将无源物联网的范畴扩展到5G网络。
佐治亚理工学院本次提出的方案，其基本构想是最大限度的采集5G波束中的能量，并利用这些能量驱动物联网设备工作。
由于5G波束的方向为非常分散的状态，一个赋形波束朝着一个狭小的方向并且持续移动，而非从信号塔中散射出来的一层层的能量圈或者扇形面，因此准确采集5G波束的能量极为困难。
因此研究人员采用了罗特曼透镜，这是该方案背后的关键技术。
简单介绍，罗特曼透镜是最常用的多波束形成网络，具有宽频带、同时多波束、真时延、设计简单等突出优点。自1963年被提出以来，罗特曼透镜被广泛应用于诸如雷达、卫星、无线通信等军事领域与民用领域。
但是工程师们一般只用罗特曼透镜来发送信号，而不是接收信号，这也是本方案的突破之处。
基于罗特曼透镜，研究人员设计的整流天线方案看起来就像一只“狼蛛”，“张牙舞爪”的捕捉来自四面八方5G波束的能量，并将其汇聚。
蜘蛛状的“腿”从中央身体的两侧延伸出来。在一边，这些腿连接8个小天线；在另一边，它们连接6个波束端口。
小天线捕捉微波，并将它们聚焦到波束端口，当然方案中还包含将接收到的微波转化为电能的部分。
图(a) 通过在天线和整流器之间使用罗特曼透镜实现射频和电能的双组合
图(b) 模拟最大阵列因子和不同尺寸罗特曼透镜的角度覆盖图
图(c) 基于罗特曼透镜的整体方案
罗特曼透镜将能量汇聚的视野从20度扩展到120度以上，围绕28GHz左右波段的毫米波能量进行采集。
“即便是将贴纸型整流天线粘在小型无人机上，我们设想这个方案仍然可以可靠的从整座城市的5G基站收集能量，并支撑飞行。”研究人员提到。
为了更快的推进该技术的产业化，初创公司Atheraxon正在用其开发一款基于5G无源物联网的RFID产品。
02
提升射频能量采集的转化效率
无独有偶。
在“思科全球问题解决者挑战赛”中脱颖而出的初创公司Teratonix，也在探索通过拥有专利的射频能量采集器，捕捉周围环境中游荡的射频信号，并将其转换为电能。上图是该公司开发的一款基于采集射频能量供电的蓝牙信标。
这个方案是基于卡内基梅隆大学的研究成果。
从射频信号到直流电的转换过程，从天线从周围环境中捕捉到无线电波之时就已启动。
这家初创公司的思路是创造一种具有高增益的多频带天线，能够同时接收水平与垂直的极化波，这也是该技术能够商用的关键。
简单介绍原理，由于无线电波在天线上形成了不断变化的电势差，从而导致整流电路中电荷的移动，这些电能暂存于特制电容中，并最终驱动物联网设备等负载工作。
我们每天都被各种射频信号包围，除了收音机、电视，还有2G/ 3G/ 4G/ 5G/ NB-IoT等蜂窝网络，以及WiFi、ZigBee等局域网络…借助这些射频信号能够进行能量收集，虽然获取的只有非常少的电量。
随着射频能量发射器用户的增加，平均收集到的能量也逐步增多，通过使用最大功率点追踪的方法，并通过提高能量的转换效率，可以应用的场景不断拓宽。
由于受到现有二极管技术的实际限制，只能捕获单一频率的射频信号，而且转换效率很低。
卡内基梅隆大学的研究人员研发的高响应度金属-半导体-金属MSM二极管改变了这种状况。
如下图所示，MSM超高速二极管的能量采集范畴涵盖了米波、分米波和厘米波，能够发挥从广播与电视、3G、4G、5G、WiFi等广泛频谱中，采集宽带信号的潜力。
据称该方案的采集速度最高可达单一频率二极管采集速度的1000倍，能量供应比现有的能量采集技术提升了十余倍。并经Teratonix公司验证，在不依赖电池的情况下，该方案可以为传感器、可穿戴设备和植入式医疗设备供电。
03
5G射频能量采集时代即将开启
海量物理终端由于本身条件的限制，可能连小型电池供电的条件都不具备，或者受限于廉价成本的限制，比如一些快消品、物流包裹、产品外包装、仓库货物盘点等，这些构成了千亿级无源物联网节点。
我们常常提到的无源物联网，按照字面理解，其实就是没有“能量源”的物联网。
无源，就是不通过插头连接外部电源、不带电池。无源物联网，不是网络无源，而是终端节点无源。
无源，并不是终端节点不需要电能，而是换了一种获取能量的方式。
现在大家热议的“无源物联网”，主要是指基于无线电磁能量捕捉技术的物联网。也就是说，是指物联网终端通过采集网络侧发射过来的无线电波，捕捉和收集能量的物联网技术。
随着5G的大规模推广，这些无源物联网节点不知不觉中拥有了一个可以广泛覆盖的无线供电网络，就此也可能开辟一个射频能量采集的新时代。
我们都知道，可见光谱介于紫外光和红外光之间，波长范围在400和700纳米之间。上图是频谱分布的示意图，从右到左，波长变得越来越短，频率和能量随之增加。
5G的特色之一是传输更高带宽的数字信号，这意味着5G网络必须选择更高的通信频率。基于目前通信频率的实际使用情况来看，能够提供这样高带宽的空闲频段，往往在24GHz以上，这个频段的载波波长是毫米级，所以5G在这个频段的通信也被称为毫米波通信。
前文提到的佐治亚理工学院的研究人员，他们恰恰是利用毫米波采集能量。
当然，毫米波通信的实现也伴随着一定的代价。
首先，在发射功率不变的情况下，频率越高的信号，衰减的速度越快，传输距离越短。因此为了覆盖相同面积的区域，5G网络需要建设比4G数量更多、分布更密集的基站。
其次，毫米波信号的穿透能力较低，基本上不能穿透任何固体，尤其进行室内覆盖时，5G的部署方案就必须采用超密集网络的形式进行。
一枚硬币总有两面，5G密集部署的网络设施为射频能量采集提供了得天独厚的条件。正如佐治亚理工学院的研究人员所说：“从技术上讲，5G就是能源。”
当然5G无源物联网的能源采集不会仅局限于毫米波，而是将会扩展到整个5G。既有低频、中频、还有毫米波高频，5G频段分布较广的特性，保证了广泛的射频能量来源。
与此同时，随着半导体技术的进步，终端芯片的功耗降低到毫瓦级甚至更低，再加上能量转换技术的不断升级，通过采集射频能量，无源物联网的应用领域预计也将越来越广。
参考资料：
1. 彻底抛弃电池，5G支持无源物联网，比NB-IoT影响更广泛的技术要来了？，作者：赵小飞，来源：物联网智库
2.到底什么是“无源物联网”？，来源：鲜枣课堂
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，来源：onio.com
5.Teratonix: Meet the Team Harvesting Ambient RF Energy to Power IoT Devices and Benefit the Environment，来源：finance.yahoo.com
6.5G as a wireless power grid，作者：Aline Eid, Jimmy G. D. Hester, Manos M. Tentzeris，来源：nature.com/scientificreports
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