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        NB-IoT和LoRa不用電池也可以工作:無源物聯網為LPWAN開辟新機遇!

        來源:物聯網智庫發布日期:2023-01-10瀏覽次數:作者:趙小飛

        隨著環境能量采集技術的進一步發展,無源物聯網技術不僅能夠為僅需微瓦級別功耗的反向散射通信節點提供能量來源,也能夠在一定場景下為NB-IoT、LoRa等低功耗廣域網絡(LPWAN)終端提供能量支持,讓此前依賴于電池工作的節點可以徹底擺脫電池,實現更長生命周期。

        無源物聯網已成為業界關注的一個熱點,隨著5G Advanced和6G研究和討論不斷深入,無源物聯網也作為未來升級版5G和6G的重點研究課題,并承載著蜂窩網絡支撐海量節點乃至千億級連接的任務。對于無源物聯網的研究,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網的重點,相應的主流的技術是環境能量采集和反向散射通信技術。 隨著環境能量采集技術的進一步發展,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等低功耗廣域網絡(LPWAN)終端提供能量支持,讓此前依賴于電池工作的節點可以徹底擺脫電池,實現更長生命周期。

        低功耗是物聯網發展的一條主線

        降低終端節點功耗一直是物聯網發展中的核心主題之一,過去十余年產生了多項技術創新,對降低物聯網節點功耗有明顯的作用,目前也已發展成為物聯網產業界最受關注的領域,可以說低功耗是物聯網發展的一條主路徑。 以蜂窩物聯網為例,早在2009年,3GPP在其R8版本標準中,就對低功耗的蜂窩物聯網接入終端定義了LTE Cat.1的標準,經過多年發展,Cat.1已成為蜂窩物聯網的主力之一;更吸引業界目光的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物聯網終端的功耗。

        在非蜂窩物聯網領域,最為典型的低功耗廣域網絡技術LoRa也是近年來物聯網的熱點,支持了大量傳感器終端低功耗接入;局域物聯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聯盟推出專門的低功耗標準WiFi Halow來支持海量節點通過WiFi接入。 以上各類低功耗的技術和標準大大擴展了物聯網連接的范疇。近年來,物聯網新增的連接節點中,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網連接的絕對主力。不過,現有低功耗技術支持的物聯網節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生較高維護成本,這些是無源物聯網需要支持的場景。 目前大規模商用的低功耗廣域網絡主要以NB-IoT、LoRa為代表,相關節點通過電池驅動工作。不過,業界已經開始探索對其無源化升級,通過環境能量采集技術,為NB-IoT、LoRa節點提供能量支持,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的無源化工作已經在探索中,也有小范圍落地,這方面主要集中在環境能量采集技術與NB-IoT、LoRa結合形成的自供能模塊,其中環境能量采集方案主要由一些初創型公司提供。 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公司,核心技術為環境能源收集管理,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到儲存組件,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絡節點。

        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“能源自主蜂窩物聯網開發解決方案”,這一方案被稱為NB-IoT自主開發方案(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網公司,也在和相關物聯網模組廠商合作,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已經形成上億級的連接規模,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,低功耗廣域網絡終端節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點生命周期的要求,由此產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,具體環境和業務模型差別很大,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牲畜,由于環境復雜,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、長距離物聯網通信技術,在這些場景中非常適合支持感知節點數據回傳。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終端節點更長時間、更低成本運行,因此環境能量采集技術就派上用場。

        筆者曾在《遠低于NB-IoT功耗,無源物聯網才是實現千億級IoT連接的“殺器”!》一文中對環境能量采集進行總結,這一技術可以驅動物聯網終端節點擺脫電池困擾,實現長期供能。不過,環境能量采集技術對于NB-IoT、LoRa節點的支持面臨巨大的挑戰,集中體現在環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化才能滿足NB-IoT、LoRa節點通信需求。 中國科學院北京納米能源與系統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的模組的發射和接收功率都在毫瓦級別,尤其是發送數據的最大功率達到數百毫瓦。

        環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。 因此,環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定,需要能源管理相關技術有效整合起來,才能為節點供電或存儲到能量儲能單元中形成連續供能。

        目前,很多新興的無源物聯網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,嘗試過數百種組合,實現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網企業,一些傳統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。

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