無源物聯(lián)網(wǎng)為LPWAN開辟新機(jī)遇！

導(dǎo)讀

無源物聯(lián)網(wǎng)已成為業(yè)界關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，隨著5G Advanced和6G研究和討論不斷深入，無源物聯(lián)網(wǎng)也作為未來升級(jí)版5G和6G的重點(diǎn)研究課題，并承載著蜂窩網(wǎng)絡(luò)支撐海量節(jié)點(diǎn)乃至千億級(jí)連接的任務(wù)。對(duì)于無源物聯(lián)網(wǎng)的研究，重點(diǎn)集中在能量獲取、低功耗通信、低功耗計(jì)算、低功耗傳感等方向，其中前兩項(xiàng)是無源物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)，相應(yīng)的主流的技術(shù)是環(huán)境能量采集和反向散射通信技術(shù)。

隨著環(huán)境能量采集技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該技術(shù)不僅能夠?yàn)閮H需微瓦級(jí)別功耗的反向散射通信節(jié)點(diǎn)提供能量來源，也能夠在一定場(chǎng)景下為NB-IoT、LoRa等低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）終端提供能量支持，讓此前依賴于電池工作的節(jié)點(diǎn)可以徹底擺脫電池，實(shí)現(xiàn)更長生命周期。

低功耗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一條主線

降低終端節(jié)點(diǎn)功耗一直是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的核心主題之一，過去十余年產(chǎn)生了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗有明顯的作用，目前也已發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界最受關(guān)注的領(lǐng)域，可以說低功耗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一條主路徑。

以蜂窩物聯(lián)網(wǎng)為例，早在2009年，3GPP在其R8版本標(biāo)準(zhǔn)中，就對(duì)低功耗的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入終端定義了LTE Cat.1的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多年發(fā)展，Cat.1已成為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的主力之一；更吸引業(yè)界目光的NB-IoT在2016年推出首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其最大的賣點(diǎn)也是進(jìn)一步降低了功耗，在特定場(chǎng)景電池供電5-10年也能驅(qū)動(dòng)其工作；近期，5G R17凍結(jié)在即，其中RedCap（縮減能力終端）備受關(guān)注，也是在很大程度上降低了5G物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗。

在非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，最為典型的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LoRa也是近年來物聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)，支持了大量傳感器終端低功耗接入；局域物聯(lián)領(lǐng)域也將降低功耗作為其核心技術(shù)路徑之一，如藍(lán)牙每推出一代新技術(shù)都會(huì)將低功耗作為其重要亮點(diǎn)，WiFi聯(lián)盟推出專門的低功耗標(biāo)準(zhǔn)WiFi Halow來支持海量節(jié)點(diǎn)通過WiFi接入。

以上各類低功耗的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)大大擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)連接的范疇。近年來，物聯(lián)網(wǎng)新增的連接節(jié)點(diǎn)中，采用低功耗技術(shù)的連接占比最大，可以說低功耗已成為物聯(lián)網(wǎng)連接的絕對(duì)主力。不過，現(xiàn)有低功耗技術(shù)支持的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)依然需要各種形式主動(dòng)供電，雖然大部分僅需普通電池或紐扣電池，但很多場(chǎng)景并不具備電池供電的條件，或者場(chǎng)景生命周期大于電池壽命會(huì)產(chǎn)生較高維護(hù)成本，這些是無源物聯(lián)網(wǎng)需要支持的場(chǎng)景。

目前大規(guī)模商用的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)主要以NB-IoT、LoRa為代表，相關(guān)節(jié)點(diǎn)通過電池驅(qū)動(dòng)工作。不過，業(yè)界已經(jīng)開始探索對(duì)其無源化升級(jí)，通過環(huán)境能量采集技術(shù)，為NB-IoT、LoRa節(jié)點(diǎn)提供能量支持，做到免電池、免維護(hù)并永久供能，在很多場(chǎng)景擴(kuò)大了NB-IoT、LoRa的應(yīng)用范圍和降低成本。

NB-IoT、LoRa無源化正在進(jìn)行中

從公開資料看，針對(duì)NB-IoT、LoRa的無源化工作已經(jīng)在探索中，也有小范圍落地，這方面主要集中在環(huán)境能量采集技術(shù)與NB-IoT、LoRa結(jié)合形成的自供能模塊，其中環(huán)境能量采集方案主要由一些初創(chuàng)型公司提供。

早在2019年，海思半導(dǎo)體就和荷蘭一家能源管理芯片公司Nowi合作，推出能源自給的NB-IoT平臺(tái)，并在2020年實(shí)現(xiàn)第二代升級(jí)。該平臺(tái)是基于海思的Hi2115 NB-IoT解決方案和Nowi的NH2能量收集電源管理芯片，通過能量收集供能為芯片和模組長期供電，支持NB-IoT傳輸。Nowi是一家專注于能量采集管理的初創(chuàng)公司，核心技術(shù)為環(huán)境能源收集管理，其目標(biāo)是為低功耗連接應(yīng)用提供“一插永逸”（Plug & Forget）的供電方案。

2021年1月，比利時(shí)一家名為e-peas的半導(dǎo)體初創(chuàng)公司與蜂窩芯片廠商Sequans合作，推出自供電的LTE-M/NB-IoT解決方案。該方案采用e-peas的能量收集管理IC和Sequans的Monarch LTE-M/NB-IoT芯片，e-peas的能量管理IC將能量從光伏接收電量傳輸?shù)絻?chǔ)存組件，然后供給Sequans的LTE-M/NB-IoT組件工作。雙方推出的示范套裝附帶一個(gè)小型的室內(nèi)光伏電池單元，該電池單元可使用室內(nèi)照明作為環(huán)境能量來源。

2021年4月，日本村田公司（Murata）與Nowi公司合作推出無電池LoRa方案參考平臺(tái)，該平臺(tái)使用村田的LoRa模塊，由Nowi的能量采集電源管理（PMIC）芯片，該電源管理芯片為Smtech的LoRa收發(fā)器以及意法半導(dǎo)體的MCU供給能量。在這一參考平臺(tái)下，一些場(chǎng)景可以大范圍部署無電池的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

在今年的MWC期間，村田公司、德國電信以及Nowi公司合作推出了“能源自主蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)解決方案”，這一方案被稱為NB-IoT自主開發(fā)方案（Autonomous NB-IoT Development Solution，ANDS），號(hào)稱全球最小的能源采集NB-IoT模塊。在這一方案中，村田提供其小尺寸的1YS NB-IoT模組，德國電信的nuSIM直接集成到村田公司的模組，Nowi提供其NH2能源采集芯片，該芯片體積為3x3mm，可為解決方案提供永久供能。這一方案涵蓋了無線通信、電源管理和SIM管理。

筆者了解到，國內(nèi)一家名為飛英思特的無源物聯(lián)網(wǎng)公司，也在和相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)模組廠商合作，通過其微能管理模塊，為NB-IoT模組提供能源，支持一些場(chǎng)景下NB-IoT免電池工作。

目前，NB-IoT、LoRa已經(jīng)形成上億級(jí)的連接規(guī)模，廣泛分布于多個(gè)場(chǎng)景。若無源化技術(shù)能夠成熟，則會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展NB-IoT、LoRa的應(yīng)用場(chǎng)景，為其打開新的市場(chǎng)空間。

進(jìn)一步破解NB-IoT、LoRa無源化的壁壘

目前，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)普遍采用電池供電來驅(qū)動(dòng)其工作，基本滿足了智能水表、智能燃?xì)獗?、智能煙感、智能追蹤定位等?chǎng)景終端生命周期供電的需求。不過，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)終端無源化依然有不少需求，在筆者看來，這些需求主要表現(xiàn)在以下兩方面：

（1）NB-IoT、LoRa等技術(shù)比較適合部分場(chǎng)景對(duì)通信技術(shù)的需求，但電池供電周期低于場(chǎng)景對(duì)終端節(jié)點(diǎn)生命周期的要求，由此產(chǎn)生更換電池等維護(hù)成本；

（2）反向散射通信技術(shù)目前還處于商業(yè)化早期，其通信距離、吞吐量、安全性等各方面尚不完善，能夠應(yīng)用的場(chǎng)景有限。

以NB-IoT為例，雖然NB-IoT相比LTE功耗大幅下降，而且引入了eDRX和PSM省電模式進(jìn)一步降低終端能耗來提升電池使用時(shí)間，但在實(shí)際部署場(chǎng)景中，具體環(huán)境和業(yè)務(wù)模型差別很大，普通電池不一定能夠支持所宣稱的5-10年的周期，用更大容量電池會(huì)造成成本提升和終端體積增大，不利于終端快速部署。例如，針對(duì)牛羊等牲畜的定位終端，尤其是對(duì)大量牲畜群或者散養(yǎng)牲畜，由于環(huán)境復(fù)雜，定位終端功耗大于理論功耗，往往需要在牲畜生長周期內(nèi)重新更換電池。

不過，NB-IoT、LoRa等技術(shù)是目前成熟的大連接、長距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，在這些場(chǎng)景中非常適合支持感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳。目前成熟的反向散射通信技術(shù)的距離僅有10米級(jí)，傳輸速率也非常低，相關(guān)性能替代NB-IoT、LoRa技術(shù)，所以NB-IoT、LoRa依然是一些低功耗廣域場(chǎng)景的首選。此時(shí)就需要采用免電池供電的技術(shù)，支持NB-IoT、LoRa終端節(jié)點(diǎn)更長時(shí)間、更低成本運(yùn)行，因此環(huán)境能量采集技術(shù)就派上用場(chǎng)。

筆者曾在《遠(yuǎn)低于NB-IoT功耗，無源物聯(lián)網(wǎng)才是實(shí)現(xiàn)千億級(jí)IoT連接的“殺器”！》一文中對(duì)環(huán)境能量采集進(jìn)行總結(jié)，這一技術(shù)可以驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)擺脫電池困擾，實(shí)現(xiàn)長期供能。不過，環(huán)境能量采集技術(shù)對(duì)于NB-IoT、LoRa節(jié)點(diǎn)的支持面臨巨大的挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)在環(huán)境能量采集技術(shù)獲取的能量非常微弱，需要通過大量技術(shù)優(yōu)化才能滿足NB-IoT、LoRa節(jié)點(diǎn)通信需求。

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所專家張小涵等人在一篇學(xué)術(shù)論文中總結(jié)了典型的環(huán)境能量采集技術(shù)能夠獲取的能量密度如下：

可以看出，典型的環(huán)境能量采集技術(shù)如太陽能、溫差能、射頻能、振動(dòng)能等所能獲取的能量密度大部分在微瓦級(jí)別，而NB-IoT、LoRa的模組的發(fā)射和接收功率都在毫瓦級(jí)別，尤其是發(fā)送數(shù)據(jù)的最大功率達(dá)到數(shù)百毫瓦。環(huán)境能量采集獲取的能量微弱性、隨機(jī)性使其驅(qū)動(dòng)NB-IoT、LoRa模組工作面臨巨大挑戰(zhàn)。

因此，環(huán)境能量采集技術(shù)并非僅僅聚焦于能量采集，采集后對(duì)其微弱能量的管理、存儲(chǔ)等也非常重要，尤其是能量管理異常重要，因?yàn)橥ㄟ^太陽能、溫差、振動(dòng)、射頻采集轉(zhuǎn)換形成的能量比較微弱且不穩(wěn)定，需要能源管理相關(guān)技術(shù)有效整合起來，才能為節(jié)點(diǎn)供電或存儲(chǔ)到能量儲(chǔ)能單元中形成連續(xù)供能。

目前，很多新興的無源物聯(lián)網(wǎng)廠商都將能量管理作為其核心技術(shù)，不斷提升對(duì)采集的微弱能量管理的效率，比如采用采用優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking）算法等手段。筆者曾和飛英思特團(tuán)隊(duì)交流，獲知其為了獲得較好的微能量管理效率，嘗試過數(shù)百種組合，實(shí)現(xiàn)七種模塊組合的低功耗微能管理架構(gòu)。

能量采集技術(shù)尤其是微能管理技術(shù)的進(jìn)展，為NB-IoT、LoRa的無源化提供了解決方案。微能管理領(lǐng)域也吸引了大量廠商入局，除了新興的無源物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，一些傳統(tǒng)的半導(dǎo)體廠商如德州儀器、安美森等也非常重視微能管理技術(shù)和產(chǎn)品的提升。當(dāng)然，還有一個(gè)老生常談的因素就是成本，當(dāng)能量采集系列技術(shù)支撐的自供能方案能夠顯著低于現(xiàn)有電池供電的方案，相信在很多場(chǎng)景能夠得到NB-IoT、LoRa方案商的青睞，也就能大幅擴(kuò)展NB-IoT、LoRa的市場(chǎng)空間。

審核編輯 ：李倩