無源物聯(lián)網(wǎng)為LPWAN開辟新機遇！

導讀

無源物聯(lián)網(wǎng)已成為業(yè)界關注的一個熱點，隨著5G Advanced和6G研究和討論不斷深入，無源物聯(lián)網(wǎng)也作為未來升級版5G和6G的重點研究課題，并承載著蜂窩網(wǎng)絡支撐海量節(jié)點乃至千億級連接的任務。對于無源物聯(lián)網(wǎng)的研究，重點集中在能量獲取、低功耗通信、低功耗計算、低功耗傳感等方向，其中前兩項是無源物聯(lián)網(wǎng)的重點，相應的主流的技術是環(huán)境能量采集和反向散射通信技術。

隨著環(huán)境能量采集技術的進一步發(fā)展，該技術不僅能夠為僅需微瓦級別功耗的反向散射通信節(jié)點提供能量來源，也能夠在一定場景下為NB-IoT、LoRa等低功耗廣域網(wǎng)絡（LPWAN）終端提供能量支持，讓此前依賴于電池工作的節(jié)點可以徹底擺脫電池，實現(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)生了多項技術創(chuàng)新，對降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點功耗有明顯的作用，目前也已發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界最受關注的領域，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版本標準中，就對低功耗的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入終端定義了LTE Cat.1的標準，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年推出首個標準，其最大的賣點也是進一步降低了功耗，在特定場景電池供電5-10年也能驅動其工作；近期，5G R17凍結在即，其中RedCap（縮減能力終端）備受關注，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)領域，最為典型的低功耗廣域網(wǎng)絡技術LoRa也是近年來物聯(lián)網(wǎng)的熱點，支持了大量傳感器終端低功耗接入；局域物聯(lián)領域也將降低功耗作為其核心技術路徑之一，如藍牙每推出一代新技術都會將低功耗作為其重要亮點，WiFi聯(lián)盟推出專門的低功耗標準WiFi Halow來支持海量節(jié)點通過WiFi接入。

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

目前大規(guī)模商用的低功耗廣域網(wǎng)絡主要以NB-IoT、LoRa為代表，相關節(jié)點通過電池驅動工作。不過，業(yè)界已經(jīng)開始探索對其無源化升級，通過環(huán)境能量采集技術，為NB-IoT、LoRa節(jié)點提供能量支持，做到免電池、免維護并永久供能，在很多場景擴大了NB-IoT、LoRa的應用范圍和降低成本。

NB-IoT、LoRa無源化正在進行中

從公開資料看，針對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)境能量采集技術與NB-IoT、LoRa結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，并在2020年實現(xiàn)第二代升級。該平臺是基于海思的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，核心技術為環(huán)境能源收集管理，其目標是為低功耗連接應用提供“一插永逸”（Plug & Forget）的供電方案。

2021年1月，比利時一家名為e-peas的半導體初創(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Υ娼M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小型的室內光伏電池單元，該電池單元可使用室內照明作為環(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，該平臺使用村田的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)器以及意法半導體的MCU供給能量。在這一參考平臺下，一些場景可以大范圍部署無電池的低功耗廣域網(wǎng)絡節(jié)點。

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，國內一家名為飛英思特的無源物聯(lián)網(wǎng)公司，也在和相關物聯(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，支持一些場景下NB-IoT免電池工作。

目前，NB-IoT、LoRa已經(jīng)形成上億級的連接規(guī)模，廣泛分布于多個場景。若無源化技術能夠成熟，則會進一步擴展NB-IoT、LoRa的應用場景，為其打開新的市場空間。

進一步破解NB-IoT、LoRa無源化的壁壘

目前，低功耗廣域網(wǎng)絡終端節(jié)點普遍采用電池供電來驅動其工作，基本滿足了智能水表、智能燃氣表、智能煙感、智能追蹤定位等場景終端生命周期供電的需求。不過，低功耗廣域網(wǎng)絡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等技術比較適合部分場景對通信技術的需求，但電池供電周期低于場景對終端節(jié)點生命周期的要求，由此產(chǎn)生更換電池等維護成本；

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

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省電模式進一步降低終端能耗來提升電池使用時間，但在實際部署場景中，具體環(huán)境和業(yè)務模型差別很大，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，針對牛羊等牲畜的定位終端，尤其是對大量牲畜群或者散養(yǎng)牲畜，由于環(huán)境復雜，定位終端功耗大于理論功耗，往往需要在牲畜生長周期內重新更換電池。

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

筆者曾在《遠低于NB-IoT功耗，無源物聯(lián)網(wǎng)才是實現(xiàn)千億級IoT連接的“殺器”！》一文中對環(huán)境能量采集進行總結，這一技術可以驅動物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點擺脫電池困擾，實現(xiàn)長期供能。不過，環(huán)境能量采集技術對于NB-IoT、LoRa節(jié)點的支持面臨巨大的挑戰(zhàn)，集中體現(xiàn)在環(huán)境能量采集技術獲取的能量非常微弱，需要通過大量技術優(yōu)化才能滿足NB-IoT、LoRa節(jié)點通信需求。

中國科學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術論文中總結了典型的環(huán)境能量采集技術能夠獲取的能量密度如下：

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

因此，環(huán)境能量采集技術并非僅僅聚焦于能量采集，采集后對其微弱能量的管理、存儲等也非常重要，尤其是能量管理異常重要，因為通過太陽能、溫差、振動、射頻采集轉換形成的能量比較微弱且不穩(wěn)定，需要能源管理相關技術有效整合起來，才能為節(jié)點供電或存儲到能量儲能單元中形成連續(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，不斷提升對采集的微弱能量管理的效率，比如采用采用優(yōu)化的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking）算法等手段。筆者曾和飛英思特團隊交流，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，實現(xiàn)七種模塊組合的低功耗微能管理架構。

能量采集技術尤其是微能管理技術的進展，為NB-IoT、LoRa的無源化提供了解決方案。微能管理領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)的半導體廠商如德州儀器、安美森等也非常重視微能管理技術和產(chǎn)品的提升。當然，還有一個老生常談的因素就是成本，當能量采集系列技術支撐的自供能方案能夠顯著低于現(xiàn)有電池供電的方案，相信在很多場景能夠得到NB-IoT、LoRa方案商的青睞，也就能大幅擴展NB-IoT、LoRa的市場空間。

審核編輯 ：李倩