知名科幻作家劉慈欣的《三體2：黑暗森林》中有這么一幕,，主人公在未來醒來時，發(fā)現(xiàn)了人類擁有永遠都用不完的能量,，周圍的物品全都是無線供電,，不需要任何的有線連接就可以隔空獲得電能。
那時“插頭”已成為一種歷史名詞,，地球實現(xiàn)了全方位無線供電,，電像空氣一樣無處不在。
聽上去是不是很酷,？但其實,，如今的我們離這個未來場景已經(jīng)不再那么遙不可及。
在物聯(lián)網(wǎng)智庫往期文章《徹底拋棄電池,，5G支持無源物聯(lián)網(wǎng),，比NB-IoT影響更廣泛的技術要來了？》中曾經(jīng)提到：“一張蜂窩網(wǎng)絡連接千億級終端,，關鍵點在無源物聯(lián)網(wǎng),。”文章還介紹了基于藍牙,、WiFi,、LoRa無源物聯(lián)網(wǎng)的情況，但圍繞5G無源物聯(lián)網(wǎng)的突破卻寥寥可數(shù),。
5G承載了千億級物聯(lián)網(wǎng)接入的愿景，對無源物聯(lián)網(wǎng)支持必不可少,。
如果能夠解鎖基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng),，這些無源接入很可能會成為未來5G連接中規(guī)模最大的群體，將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中,。
因此,，基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)尤其值得關注,。
不過這是一項極具挑戰(zhàn)的課題，好在如今一些團隊已經(jīng)取得了明顯進展,。
本文將介紹基于5G的無源物聯(lián)網(wǎng)最新信息,。
01
匯聚5G賦形波束的能量
第一個方案由佐治亞理工學院的研究人員提出。
這是一種通過收集周圍特定頻段的5G射頻能量來獲得電能,，以便讓各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器持續(xù)運行的方案,，外觀如同一張貼紙。
根據(jù)測試,，該方案可以提供大約6微瓦的電力,，最大可達180米的采集范圍，比現(xiàn)有的能量采集技術提升了21倍,。
通過這個方案,，研究人員希望將5G網(wǎng)絡不僅用于信號傳輸，同時還可作為一張無線供電網(wǎng)絡,，為小型物聯(lián)網(wǎng)設備持續(xù)供電,。
該技術可以讓我們將無源物聯(lián)網(wǎng)的范疇擴展到5G網(wǎng)絡。
佐治亞理工學院本次提出的方案,，其基本構想是最大限度的采集5G波束中的能量,，并利用這些能量驅動物聯(lián)網(wǎng)設備工作。
由于5G波束的方向為非常分散的狀態(tài),，一個賦形波束朝著一個狹小的方向并且持續(xù)移動,，而非從信號塔中散射出來的一層層的能量圈或者扇形面，因此準確采集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鍵技術。
簡單介紹,，羅特曼透鏡是最常用的多波束形成網(wǎng)絡,，具有寬頻帶、同時多波束,、真時延,、設計簡單等突出優(yōu)點。自1963年被提出以來,，羅特曼透鏡被廣泛應用于諸如雷達,、衛(wèi)星、無線通信等軍事領域與民用領域,。
但是工程師們一般只用羅特曼透鏡來發(fā)送信號,，而不是接收信號，這也是本方案的突破之處。
基于羅特曼透鏡,，研究人員設計的整流天線方案看起來就像一只“狼蛛”,，“張牙舞爪”的捕捉來自四面八方5G波束的能量，并將其匯聚,。
蜘蛛狀的“腿”從中央身體的兩側延伸出來,。在一邊，這些腿連接8個小天線,；在另一邊,，它們連接6個波束端口。
小天線捕捉微波,，并將它們聚焦到波束端口,，當然方案中還包含將接收到的微波轉化為電能的部分。
圖（a） 通過在天線和整流器之間使用羅特曼透鏡實現(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度擴展到120度以上,，圍繞28GHz左右波段的毫米波能量進行采集,。
“即便是將貼紙型整流天線粘在小型無人機上，我們設想這個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,。
為了更快的推進該技術的產業(yè)化,，初創(chuàng)公司Atheraxon正在用其開發(fā)一款基于5G無源物聯(lián)網(wǎng)的RFID產品。
02
提升射頻能量采集的轉化效率
無獨有偶,。
在“思科全球問題解決者挑戰(zhàn)賽”中脫穎而出的初創(chuàng)公司Teratonix,，也在探索通過擁有專利的射頻能量采集器，捕捉周圍環(huán)境中游蕩的射頻信號,，并將其轉換為電能,。上圖是該公司開發(fā)的一款基于采集射頻能量供電的藍牙信標。
這個方案是基于卡內基梅隆大學的研究成果,。
從射頻信號到直流電的轉換過程,，從天線從周圍環(huán)境中捕捉到無線電波之時就已啟動。
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,，能夠同時接收水平與垂直的極化波,，這也是該技術能夠商用的關鍵。
簡單介紹原理,，由于無線電波在天線上形成了不斷變化的電勢差,，從而導致整流電路中電荷的移動，這些電能暫存于特制電容中,，并最終驅動物聯(lián)網(wǎng)設備等負載工作,。
我們每天都被各種射頻信號包圍，除了收音機、電視,，還有2G/ 3G/ 4G/ 5G/ NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡，以及WiFi,、ZigBee等局域網(wǎng)絡…借助這些射頻信號能夠進行能量收集,，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,，通過使用最大功率點追蹤的方法，并通過提高能量的轉換效率,，可以應用的場景不斷拓寬,。
由于受到現(xiàn)有二極管技術的實際限制，只能捕獲單一頻率的射頻信號,，而且轉換效率很低,。
卡內基梅隆大學的研究人員研發(fā)的高響應度金屬-半導體-金屬MSM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,，采集寬帶信號的潛力。
據(jù)稱該方案的采集速度最高可達單一頻率二極管采集速度的1000倍,，能量供應比現(xiàn)有的能量采集技術提升了十余倍,。并經(jīng)Teratonix公司驗證，在不依賴電池的情況下,，該方案可以為傳感器,、可穿戴設備和植入式醫(yī)療設備供電。
03
5G射頻能量采集時代即將開啟
海量物理終端由于本身條件的限制,，可能連小型電池供電的條件都不具備,，或者受限于廉價成本的限制，比如一些快消品,、物流包裹,、產品外包裝、倉庫貨物盤點等,，這些構成了千億級無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點,。
我們常常提到的無源物聯(lián)網(wǎng)，按照字面理解，其實就是沒有“能量源”的物聯(lián)網(wǎng),。
無源,，就是不通過插頭連接外部電源、不帶電池,。無源物聯(lián)網(wǎng),，不是網(wǎng)絡無源，而是終端節(jié)點無源,。
無源,，并不是終端節(jié)點不需要電能，而是換了一種獲取能量的方式,。
現(xiàn)在大家熱議的“無源物聯(lián)網(wǎng)”,，主要是指基于無線電磁能量捕捉技術的物聯(lián)網(wǎng)。也就是說,，是指物聯(lián)網(wǎng)終端通過采集網(wǎng)絡側發(fā)射過來的無線電波,，捕捉和收集能量的物聯(lián)網(wǎng)技術。
隨著5G的大規(guī)模推廣,，這些無源物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點不知不覺中擁有了一個可以廣泛覆蓋的無線供電網(wǎng)絡,，就此也可能開辟一個射頻能量采集的新時代。
我們都知道,，可見光譜介于紫外光和紅外光之間,，波長范圍在400和700納米之間。上圖是頻譜分布的示意圖,，從右到左,，波長變得越來越短，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,，這意味著5G網(wǎng)絡必須選擇更高的通信頻率?；谀壳巴ㄐ蓬l率的實際使用情況來看,，能夠提供這樣高帶寬的空閑頻段，往往在24GHz以上,，這個頻段的載波波長是毫米級,，所以5G在這個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院的研究人員,，他們恰恰是利用毫米波采集能量,。
當然，毫米波通信的實現(xiàn)也伴隨著一定的代價,。
首先,，在發(fā)射功率不變的情況下,，頻率越高的信號，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)絡需要建設比4G數(shù)量更多,、分布更密集的基站,。
其次，毫米波信號的穿透能力較低,，基本上不能穿透任何固體，尤其進行室內覆蓋時,，5G的部署方案就必須采用超密集網(wǎng)絡的形式進行,。
一枚硬幣總有兩面，5G密集部署的網(wǎng)絡設施為射頻能量采集提供了得天獨厚的條件,。正如佐治亞理工學院的研究人員所說：“從技術上講,，5G就是能源?！?/p>
當然5G無源物聯(lián)網(wǎng)的能源采集不會僅局限于毫米波,，而是將會擴展到整個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源,。
與此同時，隨著半導體技術的進步,，終端芯片的功耗降低到毫瓦級甚至更低,，再加上能量轉換技術的不斷升級，通過采集射頻能量,，無源物聯(lián)網(wǎng)的應用領域預計也將越來越廣,。
