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NB-IoT和LoRa不用电池也可以工作:无源物联网为LPWAN开辟新机遇!

来源:物联网智库发布日期:2022-04-13浏览次数:作者:赵小飞

随着环境能量采集技术的进一步发展,无源物联网技术不仅能够为仅需微瓦级别功耗的反向散射通信节点提供能量来源,也能够在一定场景下为NB-IoT、LoRa等低功耗广域网络(LPWAN)终端提供能量支持,让此前依赖于电池工作的节点可以彻底摆脱电池,实现更长生命周期。
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无源物联网已成为业界关注的一个热点,随着5G Advanced和6G研究和讨论不断深入,无源物联网也作为未来升级版5G和6G的重点研究课题,并承载着蜂窝网络支撑海量节点乃至千亿级连接的任务。对于无源物联网的研究,重点集中在能量获取、低功耗通信、低功耗计算、低功耗传感等方向,其中前两项是无源物联网的重点,相应的主流的技术是环境能量采集和反向散射通信技术。 随着环境能量采集技术的进一步发展,该技术不仅能够为仅需微瓦级别功耗的反向散射通信节点提供能量来源,也能够在一定场景下为NB-IoT、LoRa等低功耗广域网络(LPWAN)终端提供能量支持,让此前依赖于电池工作的节点可以彻底摆脱电池,实现更长生命周期。

低功耗是物联网发展的一条主线

降低终端节点功耗一直是物联网发展中的核心主题之一,过去十余年产生了多项技术创新,对降低物联网节点功耗有明显的作用,目前也已发展成为物联网产业界最受关注的领域,可以说低功耗是物联网发展的一条主路径。 以蜂窝物联网为例,早在2009年,3GPP在其R8版本标准中,就对低功耗的蜂窝物联网接入终端定义了LTE Cat.1的标准,经过多年发展,Cat.1已成为蜂窝物联网的主力之一;更吸引业界目光的NB-IoT在2016年推出首个标准,其最大的卖点也是进一步降低了功耗,在特定场景电池供电5-10年也能驱动其工作;近期,5G R17冻结在即,其中RedCap(缩减能力终端)备受关注,也是在很大程度上降低了5G物联网终端的功耗。

在非蜂窝物联网领域,最为典型的低功耗广域网络技术LoRa也是近年来物联网的热点,支持了大量传感器终端低功耗接入;局域物联领域也将降低功耗作为其核心技术路径之一,如蓝牙每推出一代新技术都会将低功耗作为其重要亮点,WiFi联盟推出专门的低功耗标准WiFi Halow来支持海量节点通过WiFi接入。 以上各类低功耗的技术和标准大大扩展了物联网连接的范畴。近年来,物联网新增的连接节点中,采用低功耗技术的连接占比最大,可以说低功耗已成为物联网连接的绝对主力。不过,现有低功耗技术支持的物联网节点依然需要各种形式主动供电,虽然大部分仅需普通电池或纽扣电池,但很多场景并不具备电池供电的条件,或者场景生命周期大于电池寿命会产生较高维护成本,这些是无源物联网需要支持的场景。 目前大规模商用的低功耗广域网络主要以NB-IoT、LoRa为代表,相关节点通过电池驱动工作。不过,业界已经开始探索对其无源化升级,通过环境能量采集技术,为NB-IoT、LoRa节点提供能量支持,做到免电池、免维护并永久供能,在很多场景扩大了NB-IoT、LoRa的应用范围和降低成本。

NB-IoT、LoRa无源化正在进行中

从公开资料看,针对NB-IoT、LoRa的无源化工作已经在探索中,也有小范围落地,这方面主要集中在环境能量采集技术与NB-IoT、LoRa结合形成的自供能模块,其中环境能量采集方案主要由一些初创型公司提供。 早在2019年,海思半导体就和荷兰一家能源管理芯片公司Nowi合作,推出能源自给的NB-IoT平台,并在2020年实现第二代升级。该平台是基于海思的Hi2115 NB-IoT解决方案和Nowi的NH2能量收集电源管理芯片,通过能量收集供能为芯片和模组长期供电,支持NB-IoT传输。Nowi是一家专注于能量采集管理的初创公司,核心技术为环境能源收集管理,其目标是为低功耗连接应用提供“一插永逸”(Plug & Forget)的供电方案。

2021年1月,比利时一家名为e-peas的半导体初创公司与蜂窝芯片厂商Sequans合作,推出自供电的LTE-M/NB-IoT解决方案。该方案采用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将能量从光伏接收电量传输到储存组件,然后供给Sequans的LTE-M/NB-IoT组件工作。双方推出的示范套装附带一个小型的室内光伏电池单元,该电池单元可使用室内照明作为环境能量来源。

2021年4月,日本村田公司(Murata)与Nowi公司合作推出无电池LoRa方案参考平台,该平台使用村田的LoRa模块,由Nowi的能量采集电源管理(PMIC)芯片,该电源管理芯片为Smtech的LoRa收发器以及意法半导体的MCU供给能量。在这一参考平台下,一些场景可以大范围部署无电池的低功耗广域网络节点。

在今年的MWC期间,村田公司、德国电信以及Nowi公司合作推出了“能源自主蜂窝物联网开发解决方案”,这一方案被称为NB-IoT自主开发方案(Autonomous NB-IoT Development Solution,ANDS),号称全球最小的能源采集NB-IoT模块。在这一方案中,村田提供其小尺寸的1YS NB-IoT模组,德国电信的nuSIM直接集成到村田公司的模组,Nowi提供其NH2能源采集芯片,该芯片体积为3x3mm,可为解决方案提供永久供能。

这一方案涵盖了无线通信、电源管理和SIM管理。 笔者了解到,国内一家名为飞英思特的无源物联网公司,也在和相关物联网模组厂商合作,通过其微能管理模块,为NB-IoT模组提供能源,支持一些场景下NB-IoT免电池工作。 目前,NB-IoT、LoRa已经形成上亿级的连接规模,广泛分布于多个场景。若无源化技术能够成熟,则会进一步扩展NB-IoT、LoRa的应用场景,为其打开新的市场空间。

进一步破解NB-IoT、LoRa无源化的壁垒

目前,低功耗广域网络终端节点普遍采用电池供电来驱动其工作,基本满足了智能水表、智能燃气表、智能烟感、智能追踪定位等场景终端生命周期供电的需求。不过,低功耗广域网络终端无源化依然有不少需求,在笔者看来,这些需求主要表现在以下两方面:

(1)NB-IoT、LoRa等技术比较适合部分场景对通信技术的需求,但电池供电周期低于场景对终端节点生命周期的要求,由此产生更换电池等维护成本;

(2)反向散射通信技术目前还处于商业化早期,其通信距离、吞吐量、安全性等各方面尚不完善,能够应用的场景有限。

以NB-IoT为例,虽然NB-IoT相比LTE功耗大幅下降,而且引入了eDRX和PSM省电模式进一步降低终端能耗来提升电池使用时间,但在实际部署场景中,具体环境和业务模型差别很大,普通电池不一定能够支持所宣称的5-10年的周期,用更大容量电池会造成成本提升和终端体积增大,不利于终端快速部署。

例如,针对牛羊等牲畜的定位终端,尤其是对大量牲畜群或者散养牲畜,由于环境复杂,定位终端功耗大于理论功耗,往往需要在牲畜生长周期内重新更换电池。 不过,NB-IoT、LoRa等技术是目前成熟的大连接、长距离物联网通信技术,在这些场景中非常适合支持感知节点数据回传。目前成熟的反向散射通信技术的距离仅有10米级,传输速率也非常低,相关性能替代NB-IoT、LoRa技术,所以NB-IoT、LoRa依然是一些低功耗广域场景的首选。此时就需要采用免电池供电的技术,支持NB-IoT、LoRa终端节点更长时间、更低成本运行,因此环境能量采集技术就派上用场。

笔者曾在《远低于NB-IoT功耗,无源物联网才是实现千亿级IoT连接的“杀器”!》一文中对环境能量采集进行总结,这一技术可以驱动物联网终端节点摆脱电池困扰,实现长期供能。不过,环境能量采集技术对于NB-IoT、LoRa节点的支持面临巨大的挑战,集中体现在环境能量采集技术获取的能量非常微弱,需要通过大量技术优化才能满足NB-IoT、LoRa节点通信需求。 中国科学院北京纳米能源与系统研究所专家张小涵等人在一篇学术论文中总结了典型的环境能量采集技术能够获取的能量密度如下:

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可以看出,典型的环境能量采集技术如太阳能、温差能、射频能、振动能等所能获取的能量密度大部分在微瓦级别,而NB-IoT、LoRa的模组的发射和接收功率都在毫瓦级别,尤其是发送数据的最大功率达到数百毫瓦。

环境能量采集获取的能量微弱性、随机性使其驱动NB-IoT、LoRa模组工作面临巨大挑战。 因此,环境能量采集技术并非仅仅聚焦于能量采集,采集后对其微弱能量的管理、存储等也非常重要,尤其是能量管理异常重要,因为通过太阳能、温差、振动、射频采集转换形成的能量比较微弱且不稳定,需要能源管理相关技术有效整合起来,才能为节点供电或存储到能量储能单元中形成连续供能。

目前,很多新兴的无源物联网厂商都将能量管理作为其核心技术,不断提升对采集的微弱能量管理的效率,比如采用采用优化的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking)算法等手段。笔者曾和飞英思特团队交流,获知其为了获得较好的微能量管理效率,尝试过数百种组合,实现七种模块组合的低功耗微能管理架构。 能量采集技术尤其是微能管理技术的进展,为NB-IoT、LoRa的无源化提供了解决方案。

微能管理领域也吸引了大量厂商入局,除了新兴的无源物联网企业,一些传统的半导体厂商如德州仪器、安美森等也非常重视微能管理技术和产品的提升。当然,还有一个老生常谈的因素就是成本,当能量采集系列技术支撑的自供能方案能够显著低于现有电池供电的方案,相信在很多场景能够得到NB-IoT、LoRa方案商的青睐,也就能大幅扩展NB-IoT、LoRa的市场空间。

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