2509
作者 / 蜉蝣采采
在我们身边，能量无处不在。随处可见的光、热、风、浪、声、电磁辐射、机械震动等都是能量。
如果物联网设备能摆脱电源和电池的限制，完全靠收集这些环境中的能量来进行通信，将实现真正的泛在连接。
这个构想就叫做：无源物联网。它将在5G-A时代变为现实。
下面我们来一起探讨下具体无源物联网是什么，有哪些应用场景，标准化进程如何等问题。
为什么需要无源物联网？
顾名思义，物联网的联网主体不是“人”而是各式各样的“物”，也就是摄像头、传感器、机器人之类的设备。基于无线蜂窝网络的物联网就叫做蜂窝物联网。
蜂窝物联网的发展源远流长。从2G开始，GPRS开始支持分组数据业务，自然也就广泛地用于物联网。时至今日，基于GPRS的物联网设备也还在顽强生存。3G自然也不例外，也可用于物联网。
到了4G时代，专为物联网而制定的技术标准开始出现，Cat 0、Cat 1和Cat M（LTE-M，又叫eMTC）都是专为物联网设计的。NB-IoT（Cat NB）更是树立了低功耗广域物联网的典范。
到了5G时代，物联网技术更加细分。eMBB、mMTC和uRLLC这三大场景都适用于物联网。eMBB可用于高速率的物联网，mMTC专为海量的低速物联网设计，uRLLC则用于超低时延高可靠的确定性物联网。
为了弥补中速物联网标准的缺失，在5G-A阶段又引入了RedCap（又叫轻量化5G），目标是取代4G的中速物联网技术eMTC。目前，运营商最大规模开通并积极打造应用落地的5G-A技术，正是RedCap。
如此丰富的蜂窝物联网技术，覆盖了低速、中速、高速、低时延高可靠等如此广泛的物联网场景，想必蜂窝物联网大厦的技术底座已经构建完成了吧？
非也！在目前的蜂窝物联网帝国中，仍有数量最大的一批需要联网的设备，因成本问题无法实现联网。
比如在智能工厂里、在物流仓储中、在可穿戴设备上，依然存在大量仍未联网的“哑终端”。5G-A通过无源物联网技术把这些设备纳入进来，才能实现“千亿物联”。
无源物联网设备的联网需求极为简单，就是单纯的资产信息上报，或者发送极少的传感器数据。它们需要极低的设备和联网成本，无法接受定期更换电池的维护支出，最好啥都不用管就可以一直运行。
这就需要为它们组建“无源物联网”，不用连接电源，更无需配置电池，仅靠收集环境中的能量就能完成计算和通信，并且可以长期工作。
怎样从环境中获取能量？
能量守恒定律告诉我们：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体。
由于无源物联网是通过收集环境中的能量驱动的，它英文名称叫做Ambient IoT。Ambient的含义是环境的，周围的，专指自然环境中某些不易察觉但对周围产生影响的条件。对于物联网来说，Ambient指的就是环境供能。
相比之下，无源物联网早期的名称为Passive IoT，只表达了无需电源或者电池，对于能量的来源并没有指出。3GPP从R19开始研究无源物联网，用的名称就是Ambient IoT，简称A-IoT。
那么，无源物联网的终端可以收集哪些能量呢？
这其中最容易想到的就是光能（太阳能）。光能采集的核心技术原理是利用光电效应，将光能直接转变为电能。随着光伏材料研究的突破，光能采集和转化的效率已达到较高水平。
太阳能收集可用的场景非常广泛。比如室外环境监控、农业、畜牧业等等。甚至，在室内只要一直有灯光，物联网设备也能收集能量用于通信。
此外还有热能。热能始终从温度高的物体向温度低的物体传递，也就是说，只要存在温度差，就可以利用热能。温差能量采集主要是通过赛贝克效应把热能转换为电能。
人体就是一个源源不断的热源，因此，温差能量采集能用于可穿戴设备。此外在工厂里，持续运转的设备也是热源，可布置无源传感器用于工业监测。
机械振动中照样蕴藏着能量。有一些遥控器，在受到按压的时候，通过机械力产生材料形变，动能变成电能，驱动设备工作。此外还有自供能开关、自供能门铃等。人每走一步也都会产生振动，可以收集起来驱动可穿戴设备。
在工厂中，电动机、变速箱、泵等设备在工作过程中都在持续产生振动，通过压电材料可以对这些微动能量进行采集和储存，就可以得到用于计算和通信的能量。
无线通信系统中，电磁波被用于携带信息。与此同时，电磁波也蕴含着能量。无线电射频能量采集可以通过接收特定频段的电磁波，将射频能量转换为直流能量，从而驱动物联网设备进行低功耗计算和低功耗通信。
射频能量收集通信在日常生活中广泛存在。RFID 和 NFC技术都是基于近距离射频能量采集运行的，它们在公交卡、ETC、工业设备监测、无线供电手持设备、可穿戴低功耗设备等领域已有广泛应用。
收集到了能量，就可以直接用于计算和通信吗？
实际上，这些能量虽然广泛存在，但往往十分微弱，并且很不稳定。在收集之后可能需要存储起来，一是把能量攒够了再用，二是控制用量，让能量平稳释放。
这里说的能量存储并不是电池，而是更简单的电容或者超级电容。电容可以被视为无源物联网设备在保障供电稳定和连续的基本储能单元，可有限地存储能量。
怎么进行低功耗计算？
环境能量密度本来就低，能量收集的转化率也不是很高。比如，射频能量收集的转化效率往往不足 10%。无源物联网终端运行时可利用的能量非常有限，这决定了数据处理（计算）的功耗要非常低才行。
首先，无源物联网终端需要采用低功耗芯片（MCU微控制单元，或者传感器芯片）。随着半导体技术的进步，终端芯片的功耗已实现降低到微瓦（百万分之一瓦）级甚至更低的奈瓦（十亿分之一瓦）级。当然，低功耗芯片无法支撑复杂的计算，只能进行简单编码、调制和加密处理。
由于无源物联网设备发送的数据量非常少，且时延的要求也不高，无需追求极致的频谱效率，简化编码调制以降低功耗是重中之重。简单编码和调制可以最小化计算功耗，相应的电路设计也可以大幅简化。低功耗接收机降低了终端设备的复杂度，也助力实现功耗降低。
低功耗加密也非常重要。例如在家庭场景中，个人物品的位置信息不应该暴露给不可信设备。无源物联网设备需要支持低功耗的安全机制，以确保通信的保密性和可靠性。目前正在评估WiFi中常用的AES128加密算法是否可以重用。
怎么进行低功耗通信？
传统的通信过程包括信号的接收和发射两条链路。其中信号发射需要在变频之后通过功率放大器把功率放大之后发射，功放往往是最耗电的单元。这对于完全靠环境功能的无源物联网设备来说是很难接受的。
因此，无源物联网引入了一种全新的低功耗通信方式：反向散射通信。
电磁波在传播过程中遇到物体，必然会向周边反射或者散射。所谓反向散射通信，就是无源物联网设备不配备任何主动的信号放大单元，仅仅靠反射或者散射自身接收到的信号就可以完成低速率、低功耗通信。
那么，怎样在信号反射的过程中，把要发送的数据调制进去呢？
目前，负载调制是最经常使用的传输数据方法。负载调制通过对无源物联网设备的电阻或电容进行调节，使反射信号的振幅和相位随之改变，从而完成调制的过程。
以电阻调制实现 ASK（Amplitude Shift Keying，振幅键控）为例，终端通过切换负载反射系数可以在吸收和反射这两个状态之间转换。两种状态，正好可以代表“0”和“1”。
具体来说，在吸收状态，终端实现了阻抗匹配，射频信号被完全吸收，没有反射或者散射，接收侧接收到的将是低电平信号，代表 “0”。在反射状态下，终端经过调整使得电路阻抗不匹配，部分信号被反射，接收侧接收到的将是高电平信号，代表 “1”。
类似地，无源物联网终端也可以通过调整电路的电容，实现对电路调谐频率的改变，使得反射或者散射的信号频率随着电容的变化而变化，从而实现 FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）调制。
总而言之，反向散射通信实现了极低复杂度的信号调制和传输，无需功率放大器、高精度晶振、双工器、滤波器等复杂的射频结构，也不需要复杂的基带处理，使实现高度简化的无源物联网终端成为可能。
无源物联网的终端类型？
应用的场景不同，对无源物联网终端的需求也有差异。3GPP在TR38.848中考虑了不同终端的能量储存能力以及信号发射能力，定义了三类终端。
终端类型A：没有能量存储能力，没有独立的信号生成及放大能力。这是最低成本的终端类型，只能依靠反向散射进行通信。终端在信号接收或者发射时的功耗在1微瓦以下，或者10微瓦以下。
终端类型B：有能量存储能力，但没有独立的信号生成能力。由于可以储能，终端在收集到足够的电能之后，可以对反向散射的信号进行放大，覆盖距离更远。终端在信号接收或者发射时的功耗介于类型A和类型B之间。
终端类型C：既有能量存储能力，也有独立的信号生成及放大能力。这种终端的通信能力跟传统的物联网终端类似。终端在信号接收或者发射时的功耗在1毫瓦以下，或者10毫瓦以下。
无源物联网怎么组网？
在无源物联网中，如果通过收集电磁波能量来驱动终端，理论上就存在下面的几种类型的设备：供能节点、信令/触发节点、通信节点等。
一般来说，基站的发射功率高，覆盖范围大，非常适合作为供能节点，作为触发节点来发送信令触发无源物联网终端的信息上报也非常合适。
信息上报到哪里呢？ 如果上报给基站，那基站就是集供能、信令/触发及通信一体的节点。当然信息也可以上报给独立的无源物联网标签读取设备。
仅从通信的角度来看，还可以引入中间辅助节点，3GPP定义了4种无源物联网组网拓扑。
拓扑1：无源物联网终端直接与基站双向通信。基站与无源物联网终端之间的通信包括数据和/或信令，收发数据和信令的基站既可以是同一个，也可以是不同的基站。
拓扑2：无源物联网终端和基站之间通过中间节点来进行双向通信。中间节点可以是中继、IAB节点、普通终端、放大器等。中间节点在基站和无源物联网终端之间传输数据和/或信令。
拓扑3：无源物联网终端将数据/信令传输给基站，并从辅助节点接收数据/信令。反之，无源物联网终端从基站接收数据/信令，并将数据/信令传输给辅助节点。辅助节点可以是中继、IAB节点、普通终端、放大器等。
拓扑4：无源物联网终端与普通终端进行双向通信。普通终端与无源物联网终端之间的通信包括环境物联网数据和/或信令。这相当于完全独立组网。
写在后面
目前无源物联网标准还在制定中，产业链发展尚处于早期。然而无源物联网的应用场景是非常明确的，业界对这个技术期待已久。
近年来，在各个展会、论坛上，无源物联网都作为5G-A的关键技术被广泛宣传，技术创新和应用试点成果也不断涌现。
相信假以时日，无源物联网技术将成为5G-A时代“千亿物联”的底座，依托其低功耗、低成本、小体积、易部署、免维护等优势实现一切设备的应连尽连，缔造“零功耗通信”帝国。
参考资料：
OPPO：零功耗通信
3GPP TR38.848 Study on Ambient IoT (Internet of Things) in RAN
智次方·挚物产业研究院：无源物联网产业发展白皮书（2022）
下载ECAD模型
