知名科幻作家劉慈欣的《三體2：黑暗森林》中有這么一幕,，主人公在未來(lái)醒來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)擁有永遠(yuǎn)都用不完的能量,，周?chē)奈锲啡际菬o(wú)線供電,，不需要任何的有線連接就可以隔空獲得電能。

　　那時(shí)“插頭”已成為一種歷史名詞,，地球?qū)崿F(xiàn)了全方位無(wú)線供電,，電像空氣一樣無(wú)處不在。

　　聽(tīng)上去是不是很酷,？但其實(shí),，如今的我們離這個(gè)未來(lái)場(chǎng)景已經(jīng)不再那么遙不可及。

　　在物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù)往期文章《徹底拋棄電池,，5G支持無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),，比NB-IoT影響更廣泛的技術(shù)要來(lái)了？》中曾經(jīng)提到：“一張蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接千億級(jí)終端,，關(guān)鍵點(diǎn)在無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),。”文章還介紹了基于藍(lán)牙,、WiFi,、LoRa無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的情況，但圍繞5G無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的突破卻寥寥可數(shù),。

　　5G承載了千億級(jí)物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景,，對(duì)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少。

　　如果能夠解鎖基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),，這些無(wú)源接入很可能會(huì)成為未來(lái)5G連接中規(guī)模最大的群體,，將5G連接能力擴(kuò)展到更大范圍的物理世界中。

　　因此，基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)尤其值得關(guān)注,。

　　不過(guò)這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的課題,，好在如今一些團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了明顯進(jìn)展。

　　本文將介紹基于5G的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)最新信息,。

　　01

　　匯聚5G賦形波束的能量

　　第一個(gè)方案由佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出,。

　　這是一種通過(guò)收集周?chē)囟l段的5G射頻能量來(lái)獲得電能，以便讓各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器持續(xù)運(yùn)行的方案,，外觀如同一張貼紙,。

　　根據(jù)測(cè)試，該方案可以提供大約6微瓦的電力,，最大可達(dá)180米的采集范圍,，比現(xiàn)有的能量采集技術(shù)提升了21倍。

　　通過(guò)這個(gè)方案,，研究人員希望將5G網(wǎng)絡(luò)不僅用于信號(hào)傳輸,，同時(shí)還可作為一張無(wú)線供電網(wǎng)絡(luò)，為小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備持續(xù)供電,。

　　該技術(shù)可以讓我們將無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的范疇擴(kuò)展到5G網(wǎng)絡(luò),。

　　佐治亞理工學(xué)院本次提出的方案，其基本構(gòu)想是最大限度的采集5G波束中的能量,，并利用這些能量驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作,。

　　由于5G波束的方向?yàn)榉浅７稚⒌臓顟B(tài)，一個(gè)賦形波束朝著一個(gè)狹小的方向并且持續(xù)移動(dòng),，而非從信號(hào)塔中散射出來(lái)的一層層的能量圈或者扇形面,，因此準(zhǔn)確采集5G波束的能量極為困難。

　　因此研究人員采用了羅特曼透鏡,，這是該方案背后的關(guān)鍵技術(shù),。

　　簡(jiǎn)單介紹，羅特曼透鏡是最常用的多波束形成網(wǎng)絡(luò),，具有寬頻帶,、同時(shí)多波束、真時(shí)延,、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn),。自1963年被提出以來(lái)，羅特曼透鏡被廣泛應(yīng)用于諸如雷達(dá),、衛(wèi)星,、無(wú)線通信等軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域。

　　但是工程師們一般只用羅特曼透鏡來(lái)發(fā)送信號(hào),，而不是接收信號(hào),，這也是本方案的突破之處,。

　　基于羅特曼透鏡，研究人員設(shè)計(jì)的整流天線方案看起來(lái)就像一只“狼蛛”,，“張牙舞爪”的捕捉來(lái)自四面八方5G波束的能量,，并將其匯聚。

　　蜘蛛狀的“腿”從中央身體的兩側(cè)延伸出來(lái),。在一邊,，這些腿連接8個(gè)小天線；在另一邊,，它們連接6個(gè)波束端口,。

　　小天線捕捉微波，并將它們聚焦到波束端口,，當(dāng)然方案中還包含將接收到的微波轉(zhuǎn)化為電能的部分,。

　　圖（a） 通過(guò)在天線和整流器之間使用羅特曼透鏡實(shí)現(xiàn)射頻和電能的雙組合

　　圖（b） 模擬最大陣列因子和不同尺寸羅特曼透鏡的角度覆蓋圖

　　圖（c） 基于羅特曼透鏡的整體方案

　　羅特曼透鏡將能量匯聚的視野從20度擴(kuò)展到120度以上，圍繞28GHz左右波段的毫米波能量進(jìn)行采集,。

　　“即便是將貼紙型整流天線粘在小型無(wú)人機(jī)上,，我們?cè)O(shè)想這個(gè)方案仍然可以可靠的從整座城市的5G基站收集能量，并支撐飛行,。”研究人員提到,。

　　為了更快的推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,，初創(chuàng)公司Atheraxon正在用其開(kāi)發(fā)一款基于5G無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的RFID產(chǎn)品。

　　02

　　提升射頻能量采集的轉(zhuǎn)化效率

　　無(wú)獨(dú)有偶,。

　　在“思科全球問(wèn)題解決者挑戰(zhàn)賽”中脫穎而出的初創(chuàng)公司Teratonix,，也在探索通過(guò)擁有專利的射頻能量采集器，捕捉周?chē)h(huán)境中游蕩的射頻信號(hào),，并將其轉(zhuǎn)換為電能,。上圖是該公司開(kāi)發(fā)的一款基于采集射頻能量供電的藍(lán)牙信標(biāo)。

　　這個(gè)方案是基于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究成果,。

　　從射頻信號(hào)到直流電的轉(zhuǎn)換過(guò)程,，從天線從周?chē)h(huán)境中捕捉到無(wú)線電波之時(shí)就已啟動(dòng)。

　　這家初創(chuàng)公司的思路是創(chuàng)造一種具有高增益的多頻帶天線,，能夠同時(shí)接收水平與垂直的極化波,，這也是該技術(shù)能夠商用的關(guān)鍵。

　　簡(jiǎn)單介紹原理,，由于無(wú)線電波在天線上形成了不斷變化的電勢(shì)差,，從而導(dǎo)致整流電路中電荷的移動(dòng)，這些電能暫存于特制電容中,，并最終驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等負(fù)載工作,。

　　我們每天都被各種射頻信號(hào)包圍，除了收音機(jī)、電視,，還有2G/ 3G/ 4G/ 5G/ NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡(luò),，以及WiFi、ZigBee等局域網(wǎng)絡(luò)…借助這些射頻信號(hào)能夠進(jìn)行能量收集,，雖然獲取的只有非常少的電量,。

　　隨著射頻能量發(fā)射器用戶的增加，平均收集到的能量也逐步增多,，通過(guò)使用最大功率點(diǎn)追蹤的方法,，并通過(guò)提高能量的轉(zhuǎn)換效率，可以應(yīng)用的場(chǎng)景不斷拓寬,。

　　由于受到現(xiàn)有二極管技術(shù)的實(shí)際限制,，只能捕獲單一頻率的射頻信號(hào)，而且轉(zhuǎn)換效率很低,。

　　卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員研發(fā)的高響應(yīng)度金屬-半導(dǎo)體-金屬M(fèi)SM二極管改變了這種狀況,。

　　如下圖所示，MSM超高速二極管的能量采集范疇涵蓋了米波,、分米波和厘米波,，能夠發(fā)揮從廣播與電視、3G,、4G,、5G、WiFi等廣泛頻譜中,，采集寬帶信號(hào)的潛力,。

　　據(jù)稱該方案的采集速度最高可達(dá)單一頻率二極管采集速度的1000倍，能量供應(yīng)比現(xiàn)有的能量采集技術(shù)提升了十余倍,。并經(jīng)Teratonix公司驗(yàn)證,，在不依賴電池的情況下，該方案可以為傳感器,、可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療設(shè)備供電,。

　　03

　　5G射頻能量采集時(shí)代即將開(kāi)啟

　　海量物理終端由于本身?xiàng)l件的限制，可能連小型電池供電的條件都不具備,，或者受限于廉價(jià)成本的限制,，比如一些快消品、物流包裹,、產(chǎn)品外包裝,、倉(cāng)庫(kù)貨物盤(pán)點(diǎn)等，這些構(gòu)成了千億級(jí)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn),。

　　我們常常提到的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),，按照字面理解,，其實(shí)就是沒(méi)有“能量源”的物聯(lián)網(wǎng)。

　　無(wú)源,，就是不通過(guò)插頭連接外部電源,、不帶電池。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng),，不是網(wǎng)絡(luò)無(wú)源,，而是終端節(jié)點(diǎn)無(wú)源。

　　無(wú)源,，并不是終端節(jié)點(diǎn)不需要電能,，而是換了一種獲取能量的方式。

　　現(xiàn)在大家熱議的“無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)”,，主要是指基于無(wú)線電磁能量捕捉技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng),。也就是說(shuō)，是指物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)采集網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)射過(guò)來(lái)的無(wú)線電波,，捕捉和收集能量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),。

　　隨著5G的大規(guī)模推廣，這些無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不知不覺(jué)中擁有了一個(gè)可以廣泛覆蓋的無(wú)線供電網(wǎng)絡(luò),，就此也可能開(kāi)辟一個(gè)射頻能量采集的新時(shí)代,。

　　我們都知道，可見(jiàn)光譜介于紫外光和紅外光之間,，波長(zhǎng)范圍在400和700納米之間,。上圖是頻譜分布的示意圖，從右到左,，波長(zhǎng)變得越來(lái)越短，頻率和能量隨之增加,。

　　5G的特色之一是傳輸更高帶寬的數(shù)字信號(hào),，這意味著5G網(wǎng)絡(luò)必須選擇更高的通信頻率?；谀壳巴ㄐ蓬l率的實(shí)際使用情況來(lái)看,，能夠提供這樣高帶寬的空閑頻段，往往在24GHz以上,，這個(gè)頻段的載波波長(zhǎng)是毫米級(jí),，所以5G在這個(gè)頻段的通信也被稱為毫米波通信。

　　前文提到的佐治亞理工學(xué)院的研究人員,，他們恰恰是利用毫米波采集能量,。

　　當(dāng)然，毫米波通信的實(shí)現(xiàn)也伴隨著一定的代價(jià),。

　　首先,，在發(fā)射功率不變的情況下,，頻率越高的信號(hào)，衰減的速度越快,，傳輸距離越短,。因此為了覆蓋相同面積的區(qū)域，5G網(wǎng)絡(luò)需要建設(shè)比4G數(shù)量更多,、分布更密集的基站,。

　　其次，毫米波信號(hào)的穿透能力較低,，基本上不能穿透任何固體,，尤其進(jìn)行室內(nèi)覆蓋時(shí)，5G的部署方案就必須采用超密集網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行,。

　　一枚硬幣總有兩面,，5G密集部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施為射頻能量采集提供了得天獨(dú)厚的條件。正如佐治亞理工學(xué)院的研究人員所說(shuō)：“從技術(shù)上講,，5G就是能源,。”

　　當(dāng)然5G無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的能源采集不會(huì)僅局限于毫米波,，而是將會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)5G,。既有低頻、中頻,、還有毫米波高頻,，5G頻段分布較廣的特性，保證了廣泛的射頻能量來(lái)源,。

　　與此同時(shí),，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，終端芯片的功耗降低到毫瓦級(jí)甚至更低,，再加上能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷升級(jí),，通過(guò)采集射頻能量，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)計(jì)也將越來(lái)越廣,。