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无电池6G要来了?

发布时间:2021-12-09

1901年,物理学家尼古拉·特斯拉欲在纽约长岛兴建一座高塔进行跨大西洋无线电广播和无线电能传输实验。彼时,他到处拉赞助,最后说服了亿万富翁约翰·皮尔庞特·摩根为其投资了15万美元。

而后,尼古拉·特斯拉在开始建造一座名为沃登克里弗塔(又名特斯拉塔)的巨大无线供电站。铁塔高57米,顶部有一个直径为20米的半球型圆顶。在铁塔尚未完工之际,就已迫不及待地开始了他的实验。

然而,尼古拉·特斯拉只成功了一半。不到五年,铁塔在建造中遇到了财政问题,工程无法继续,甚至最终被拆除。

如今,在纽约长岛仍留有特斯拉的遗迹,曾经的实验室后面还留着一片古老的地基。

这是目前我们所知道的通过空气传输电力最早起源。而现在的物联网新风口无源物联网也离不开空气传输电力。

当下被大众所熟知的特斯拉电动汽车品牌名正是来源于此。

我们对于无源物联网的需求

正如尼古拉·特斯拉预言的那样,无线通信可以改变世界。即便他未能在这条路上“走”很远,但是随着无线通信技术的发展以及现实迫切的需求,今天我们再次尼古拉·特斯拉这一想法列入发展重点,在空气传输电力这件事上付诸行动。

前几年,全球各大知名研究机构都热衷于去预测未来联网终端的数量。IDC专家预测,到2025年,全球将部署多达416亿个联网设备。一旦部署,物联网设备的最大的后勤挑战之一就是如何应对其有限的电池寿命。

如果达到这一预测的体量,那也意味着为物联网革命提供动力可能需要相应的416亿块电池来保持这些物联网设备收集、分析和发送数据。而这也将同步触发出一个巨大的挑战。

即便该行业最终实现了平均每个终端设备电池拥有10 年使用寿命的目标,但全球每天仍需要更换海量的电池。显然,这不是一个可行的计划。

说到这里,或许可以认为,电池在一定是物联网基础设施快速扩展规模和成本效益的限制因素。

数以万亿计的联网设备将需要数以万亿计的电池,从成本、物流和可持续性的角度来看,这简直太令人望而却步了,无法证明其好处。出于这个原因(以及我们在电池问题白皮书中概述的其他原因),万亿节点物联网必须消除电池。真正无处不在的联网设备需要通过内置电池以外的其他方式发电,从本质上来说,要实现无需添加、监控或更换单个电池即可在任何地方增加联网设备的部署。

无电池传感器或能直面这一挑战

众所周知,由于海量的物联网设备通常部署在偏远、偏僻的地区,人工访问这些设备并更换电池不方便且成本很高。

为了解决这一问题,如今有公司提出无电池传感器。

总部位于加州圣克拉拉市的一家名为Everactive的初创公司正致力于这样的创新,其Eversensor包含多种类型的传感器,并以混合的形式产生电力,包括室内太阳能、振动和热能。该公司表示,其Eversensors可以持续使用20年而不需要日常维护。

Everactive公司可以提供定制的集成电路,这些集成电路在收集到的环境能量水平较低的情况下完全连续运行,以达到联网设备始终在线、自我维持且无需电池的状态。

在解决了电源问题之后,人们面临着额外的技术挑战:无线网络。具体来说,利用Evernet无线协议实现在足够低的功率预算下运行以保持电池不受干扰,还可以同时支持:

  • 高密度网络(支持数千台设备)
  • 低延迟操作(读取:实时通信)
  • 足够的数据速率
  • 可靠的范围(距离和通过障碍物和干扰的穿透性)

那么,Evernet 协议解决物联网的无线网络问题?

Evernet协议是一种符合 FCC 标准的专有无线网络解决方案,旨在支持高密度的无电池设备。据悉,它利用 Everactive公司始终在线的超低功耗 (ULP) 接收器来显着降低功耗,同时支持数千台设备,具有毫秒级延迟和 250 米以上的非视距范围。

Everactive 公司通过利用始终在线的 ULP 接收器通过其物联网网关的加密广播通道处理所有网络同步流量来实现这些突破。时间同步是所有无线网络中的必要功能,这通常是任何标准无线协议(例如蓝牙、Wi-Fi 和 LoRa)中最耗电的功能。

时间同步是无线设备如何有效地共享无线频谱以及如何跨无线链路协调传感和控制功能。时间同步越精确,网络的效率就越高,从而更容易扩展设备密度并支持更高的吞吐量。对于主要由事件驱动的传感器应用,这意味着在检测到事件之前无线流量很少,设备的大部分功耗都花在了网络同步上。

由于 Everactive 始终在线的 ULP 接收器需要如此微不足道的功率(活动时仅为 200 纳瓦),因此 Evernet 解锁了更高的性能。实际上,它“颠倒了网络”,允许每台设备一直监听每条广播的网关消息——一直。这意味着网络持续同步,几乎没有功率损失。持续同步意味着 Evernet 可以将更多设备以更高的平均吞吐量和低延迟通信打包到任何一台设备。Everactive 从根本上改进了无线网络管理,所有这些都在收集的能量预算之内。

从上图可以看出,Everactive公司的 ULP 接收器与最先进的已发表研究结果在有功功率和灵敏度(无线范围的度量)方面的比较。该图突出显示了与同类最佳 COTS 接收器相比功率降低了 1,000 倍。相比之下,蓝牙和 Zigbee 等现有接收器的功率范围为 5,000-30,000W。

除了网络同步之外,Everactive公司的永远在线 ULP 接收器可以解码基本操作指令并处理来自物联网网关甚至其他传感器的全局和/或本地网络级中断。这增加了 ULP 通信通道,用于设备配置或漫游指令、设备控制消息,甚至通过三角定位进行定位。对于常规双向数据流量,片外 sub-GHz 无线电与采用 IEEE 802.15.4 标准的协议一起使用。由于此无线电仅用于数据,而不需要用于网络同步,因此无线通信的平均功率大大降低。

Evernet 还利用时分多址 (TDMA) 和网关通过始终在线的 ULP 接收器分配的时隙,以及我们定制的、完全集成的片上系统 (SoC) 提供的本地定时参考。将这些功能引入 SoC 并使用 Everactive 专有的 ULP 电路设计专业知识可将功耗降低 1,000 倍,同时与其他无线标准相比提高网络性能。

无电池6G要来了?

近日,从公开渠道上了解到,Everactive公司加入Next G Alliance,后者是北美制定6G的组织,该联盟成立目的在于推动北美6G及未来行动技术领导地位,该联盟聚焦于研发、制造、标准化和市场等多个面向,并积极制定6G国家路线图,确立6G技术核心优先事项,以影响政府政策和投资,同时促进「Next G」技术商用化。

这或许意味着6G正在将无源的特点等加入规划路线中,无电池6G也将随着未来6G的应用而到来。

此前,IDTechEx发布的 “2021-2041 6G通信市场、设备和材料”报告预测了6G路线图以及一些挑战和机遇。

2021-2041 6G路线图

报告指出,显而易见,5G服务远远超出了移动电话甚至个人电子产品的总体需求,6G的情况将更为如此。物与物的通信可能比人类的通信更为重要。

就通信技术的未来而言,我们不仅仅关注手机的需求。我们还需要关注物联网设备的需求,以塑造直接连接到网络的无电池设备的未来。随着全球思维从制造更多能源转变为使用更少能源并利用周围环境的能源,希望将无电池的观点带入到未来的物联网应用中。

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