科普：到底什么是“无源物联网”

继Cat.1之后，2021年的物联网行业，又“喜提”了一个新的“风口”。这个“风口”的名字，叫做“无源物联网”。无源物联网，到底是个啥东东？它和现有的物联网技术之间，有什么区别？它是真的有黑科技？还是资本又在炒作？通过本文，小枣君将带领大家一探究竟。█什么是无源物联网无源物联网，顾名思义，就是没有“源”的物联网。“源”，就是电源、能量源。搞过承载网的童鞋，对“无源”肯定非常熟悉。我们常说的无源光网络（PON）、无源波分（WDM），都涉及到“无源”。说白了，无源，就是不接外部电源、不带电池。无源物联网，不是网络无源，而是终端节点无源。也就是说，网络没啥变化，而连入网络的终端节点设备，不带电源线，也没有内置电池。那么，问题来了。终端节点设备，有传感器需要产生数据，有芯片需要计算，有模组需要收发信号。没有电源，谁来提供干活的能量呢？其实，所谓“无源”，并不是终端节点不用电，而是换了一种获取电（能量）的方式。大家应该很快会想到，太阳能，就是一种获取电（能量）的常用方式。太阳能路灯通过光伏面板，将太阳能转化成电能，储备使用。除了太阳能之外，还有动能和热能。例如，有的共享单车，就带有发电模块。你踩踏板的时候，就给智能车锁充了电。还有一些遥控器，采用按压式发电。你按的时候，通过机械力产生材料形变，动能变成电能，驱动设备工作。注意！上述所说的太阳能、动能、热能，都不是我们今天“无源物联网”的讨论重点。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。大家想到了啥？我觉得，很多人一定想到了RFID，也就是RadioFrequencyIdentification（射频识别）。RFID我们俗称的电子标签，就采用了RFID技术。RFID的原理很简单，当标签靠近阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，产生感应电流，获得能量。通过这点能量，标签发送信息，实现与阅读器的通信。除了RFID之外，我还想到了一个技术。那就是小米去年推出的隔空无线充电技术。当时特别火，数米半径内，单设备5W隔空充电。其实，RFID，就是一种无源物联网。现在，在RFID的基础上，无源物联网希望进一步延伸，扩展基于Wi-Fi、蓝牙、3G、4G甚至5G通信技术的无源互联。█无源物联网的技术挑战大家都知道，RFID是非常成熟的技术。RFID之所以能够正常工作，最关键一点在于，标签和阅读器的距离很近。距离越远，电磁能量的密度越低，获取能量的难度越大。RFID属于感应耦合，天线的形状是线圈，电磁能量的传送，是在感应场区域内完成的，距离很短。线圈Wi-Fi、蓝牙工作距离远大于RFID，3G/4G/5G更远。这就不是感应场，而是辐射场。辐射场采用的天线技术，主要是偶极子天线或微带天线。想要在辐射场中，借助这些天线完成电磁能量的传送，难度极大。微带阵列天线在以前，这都是不可想象的事情。现在，随着半导体技术的进步，终端芯片的功耗降低到mW级甚至更低，再加上能量转换技术的不断升级，才让远距离通信技术的能量捕获和使用成为一种可能性。无源物联网，还有几个典型的特性：能量震荡性无源物联网节点的能量不再是单一的由高至低的静态变化趋势，由于能量来自于环境，其呈现出的将是时高时低的动态状态。节点失衡性无源物联网节点中能源获取存在随机性和不稳定性，整个网络中能量分布可能并不均衡，也会导致每个节点的差异。能源受限性无源物联网获取能量的方式不同，且所采集的环境能量非常微弱，一般在纳瓦（nW）到微瓦（μW）级，且受到节点蓄电能力的影响。连接脆弱性无源物联网的网络连通性直接受各节点能量的影响。当某些节点的能量低于一定程度时，这些节点则成为孤立节点，导致网络不连通。由于能量的震荡性，网络的连通性是脆弱的，时断时续，难以保持一直连通。大家都看出来了，这些都不是什么好特性，都是缺点。这些缺点，制约了无源物联网的应用。█无源物联网的研究进展人们基于RFID的成功，产生了对无源物联网的美好憧憬。但是，我们仍需注意到，目前我们在媒体上可以看到的无源物联网应用，还是处于初级阶段。今年新冒出来的几个无源物联网明星企业及其研究成果，基本上以NFC和蓝牙为主。关于Wi-Fi的，目前看到一篇关于“美国华盛顿大学电子工程学院”的报道。他们的研究人员提出，通过对射频信号的反射调制技术，可以实现无源设备供电和传输数据。他们正在研发除了PassiveWiFi的无源技术，并进一步将该技术用于LoRa中，实现数百米长距离无源节点传输。至于4G/5G的无源物联网，好像是没有看到任何应用。上个月，华为常务董事、ICT产品与解决方案总裁汪涛在5G-Advanced创新产业峰会上，提出了面向5.5G的无源物联网设想，希望5G网络能够实现无源物联网。但是，3GPP是否会在R18中加入无源物联网的内容，目前好像还没有明确的消息。█无源物联网的意义无源物联网为什么会火？说白了，还是因为它背后的庞大市场价值。小枣君之前就和大家说过，蜂窝物联网的应用场景，分为高速、中速、低速。“631”结构低速物联网的主流技术，是NB-IoT、LoRa等。在原定的发展规划，NB-IoT已经算是最“low”的蜂窝物联网技术了。它的速度最低，功耗最低、成本最低，电池待机时间号称10年。结果，人们发现，想要实现千亿级别的物联网连接，NB-IoT仍然不够。NB-IoT对能量（电池）的依赖，增加了自身成本，限制了更广泛的普及。例如，我们可以给中国所有的电表、水表安装NB-IoT模组，但是，我们可以给所有的衣服、所有的商品、所有的快递包裹安装NB-IoT模组吗？不可以。所以说，人们就提出了“无源物联网”，把物联网的网，撒得更大。又加了一级无源物联网的最大优势，就是完全不需要电池。NB-IoT每10年换一次电池（理想情况下），无源物联网终身不需要。这不仅减少了换电池的人力成本，也减少了电池组件成本。目前的通用型UHFRFID标签，价格可以做到2-3毛钱。NB-IoT模组，价格大概是十几块，差距有几十倍。第二，不用电池，有利于环保。单个电池虽然很小，但千亿级的数量规模，环保影响不容小觑。第三，没有电池，终端的体积可以进一步缩小。例如像RFID那样，就是一个小贴片，将大大有利于终端设计。总而言之，无源物联网是一个非常不错的发展思路。然而，想要把这条路真正走通，我们可能还需要很长的时间。