什么是無源物聯網？一文看懂！

作者 / 蜉蝣采采

文章字數 / 4200

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

如果物聯網設備能擺脫電源和電池的限制，完全靠收集這些環境中的能量來進行通信，將實現真正的泛在連接。

這個構想就叫做：無源物聯網。它將在5G-A時代變為現實。

下面我們來一起探討下具體無源物聯網是什么，有哪些應用場景，標準化進程如何等問題。

為什么需要無源物聯網？

顧名思義，物聯網的聯網主體不是“人”而是各式各樣的“物”，也就是攝像頭、傳感器、機器人之類的設備。基于無線蜂窩網絡的物聯網就叫做蜂窩物聯網。

蜂窩物聯網的發展源遠流長。從2G開始，GPRS開始支持分組數據業務，自然也就廣泛地用于物聯網。時至今日，基于GPRS的物聯網設備也還在頑強生存。3G自然也不例外，也可用于物聯網。

到了4G時代，專為物聯網而制定的技術標準開始出現，Cat 0、Cat 1和Cat M（LTE-M，又叫eMTC）都是專為物聯網設計的。NB-IoT（Cat NB）更是樹立了低功耗廣域物聯網的典范。

到了5G時代，物聯網技術更加細分。eMBB、mMTC和uRLLC這三大場景都適用于物聯網。eMBB可用于高速率的物聯網，mMTC專為海量的低速物聯網設計，uRLLC則用于超低時延高可靠的確定性物聯網。

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

如此豐富的蜂窩物聯網技術，覆蓋了低速、中速、高速、低時延高可靠等如此廣泛的物聯網場景，想必蜂窩物聯網大廈的技術底座已經構建完成了吧？

非也！在目前的蜂窩物聯網帝國中，仍有數量最大的一批需要聯網的設備，因成本問題無法實現聯網。

比如在智能工廠里、在物流倉儲中、在可穿戴設備上，依然存在大量仍未聯網的“啞終端”。5G-A通過無源物聯網技術把這些設備納入進來，才能實現“千億物聯”。

無源物聯網設備的聯網需求極為簡單，就是單純的資產信息上報，或者發送極少的傳感器數據。它們需要極低的設備和聯網成本，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“無源物聯網”，不用連接電源，更無需配置電池，僅靠收集環境中的能量就能完成計算和通信，并且可以長期工作。

怎樣從環境中獲取能量？

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

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

相比之下，無源物聯網早期的名稱為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開始研究無源物聯網，用的名稱就是Ambient IoT，簡稱A-IoT。

那么，無源物聯網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原理是利用光電效應，將光能直接轉變為電能。隨著光伏材料研究的突破，光能采集和轉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。比如室外環境監控、農業、畜牧業等等。甚至，在室內只要一直有燈光，物聯網設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把熱能轉換為電能。

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備。此外在工廠里，持續運轉的設備也是熱源，可布置無源傳感器用于工業監測。

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，通過機械力產生材料形變，動能變成電能，驅動設備工作。此外還有自供能開關、自供能門鈴等。人每走一步也都會產生振動，可以收集起來驅動可穿戴設備。

在工廠中，電動機、變速箱、泵等設備在工作過程中都在持續產生振動，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，將射頻能量轉換為直流能量，從而驅動物聯網設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、工業設備監測、無線供電手持設備、可穿戴低功耗設備等領域已有廣泛應用。

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網設備在保障供電穩定和連續的基本儲能單元，可有限地存儲能量。

怎么進行低功耗計算？

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

首先，無源物聯 網終端需要采用低功耗芯片（MCU微控制單元，或者傳感器芯片）。 隨著半導體技術的進步，終端芯片的功耗已實現降低到微瓦（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雜的計算，只能進行簡單編碼、調制和加密處理。

由于無源物聯網設備發送的數據量非常少，且時延的要求也不高，無需追求極致的頻譜效率，簡化編碼調制以降低功耗是重中之重。簡單編碼和調制可以最小化計算功耗，相應的電路設計也可以大幅簡化。低功耗接收機降低了終端設備的復雜度，也助力實現功耗降低。

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該暴露給不可信設備。無源物聯網設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？

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

因此，無源物聯網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，就是無源物聯網設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，把要發送的數據調制進去呢？

目前，負載調制是最經常使用的傳輸數據方法。負載調制通過對無源物聯網設備的電阻或電容進行調節，使反射信號的振幅和相位隨之改變，從而完成調制的過程。

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

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

類似地，無源物聯網終端也可以通過調整電路的電容，實現對電路調諧頻率的改變，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 FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）調制。

總而言之，反向散射通信實現了極低復雜度的信號調制和傳輸， 無需功率放大器、高精度晶振、雙工器、濾波器等復雜的射頻結構， 也不需要復雜的基帶處理， 使實現高度簡化的無源物聯網終端成為可能。

無源物聯網的終端類型？

應用的場景不同，對無源物聯網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的物聯網終端類似。終端在信號接收或者發射時的功耗在1毫瓦以下，或者10毫瓦以下。

無源物聯網怎么組網？

在無源物聯網中，如果通過收集電磁波能量來驅動終端，理論上就存在下面的幾種類型的設備：供能節點、信令/觸發節點、通信節點等。

一般來說，基 站的發射功率高，覆蓋范圍大，非常適合作為供能節點，作為觸發節點來發送信令觸發無源物聯網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/觸發及通信一體的節點。當然信息也可以上報給獨立的無源物聯網標簽讀取設備。

僅從通信的角度來看，還可以引入中間輔助節點，3GPP定義了4種無源物聯網組網拓撲。

拓撲1：無源物聯網終端直接與基站雙向通信。基站與無源物聯網終端之間的通信包括數據和/或信令，收發數據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：無源物聯網終端和基站之間通過中間節點來進行雙向通信。中間節點可以是中繼、IAB節點、普通終端、放大器等。中間節點在基站和無源物聯網終端之間傳輸數據和/或信令。

拓撲3：無源物聯網終端將數據/信令傳輸給基站，并從輔助節點接收數據/信令。反之，無源物聯網終端從基站接收數據/信令，并將數據/信令傳輸給輔助節點。輔助節點可以是中繼、IAB節點、普通終端、放大器等。

拓撲4：無源物聯網終端與普通終端進行雙向通信。普通終端與無源物聯網終端之間的通信包括環境物聯網數據和/或信令。這相當于完全獨立組網。

寫在后面

目前無源物聯 網標準還在制定中，產業鏈發展尚處于早期。然而無源物聯網的應用場景是非常明確的，業界對這個技 術期待已久。

近年來，在各個展會、論壇上，無源物聯網都作為5G-A的關鍵技術被廣泛宣傳，技術創新和應用試點成果也不斷涌現。

相信假以時日，無源物聯網技術將成為5G-A時代“千億物聯”的底座，依托其低功耗、低成本、小體積、易部署、免維護等優勢實現一切設備的應連盡連，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·摯物產業研究院：無源物聯網產業發展白皮書（2022）