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，發現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不再那么遙不可及。

　　在物聯網智庫往期文章《徹底拋棄電池，5G支持無源物聯網，比NB-IoT影響更廣泛的技術要來了？》中曾經提到：“一張蜂窩網絡連接千億級終端，關鍵點在無源物聯網。”文章還介紹了基于藍牙、WiFi、LoRa無源物聯網的情況，但圍繞5G無源物聯網的突破卻寥寥可數。

　　5G承載了千億級物聯網接入的愿景，對無源物聯網支持必不可少。

　　如果能夠解鎖基于5G的無源物聯網，這些無源接入很可能會成為未來5G連接中規模最大的群體，將5G連接能力擴展到更大范圍的物理世界中。

　　因此，基于5G的無源物聯網尤其值得關注。

　　不過這是一項極具挑戰的課題，好在如今一些團隊已經取得了明顯進展。

　　本文將介紹基于5G的無源物聯網最新信息。

　　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，以便讓各種物聯網傳感器持續運行的方案，外觀如同一張貼紙。

　　根據測試，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網絡不僅用于信號傳輸，同時還可作為一張無線供電網絡，為小型物聯網設備持續供電。

　　該技術可以讓我們將無源物聯網的范疇擴展到5G網絡。

　　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網設備工作。

　　由于5G波束的方向為非常分散的狀態，一個賦形波束朝著一個狹小的方向并且持續移動，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絡，具有寬頻帶、同時多波束、真時延、設計簡單等突出優點。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化，初創公司Atheraxon正在用其開發一款基于5G無源物聯網的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賽”中脫穎而出的初創公司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，從天線從周圍環境中捕捉到無線電波之時就已啟動。

　　這家初創公司的思路是創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，并最終驅動物聯網設備等負載工作。

　　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等蜂窩網絡，以及WiFi、ZigBee等局域網絡…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，能量供應比現有的能量采集技術提升了十余倍。并經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網節點。

　　我們常常提到的無源物聯網，按照字面理解，其實就是沒有“能量源”的物聯網。

　　無源，就是不通過插頭連接外部電源、不帶電池。無源物聯網，不是網絡無源，而是終端節點無源。

　　無源，并不是終端節點不需要電能，而是換了一種獲取能量的方式。

　　現在大家熱議的“無源物聯網”，主要是指基于無線電磁能量捕捉技術的物聯網。也就是說，是指物聯網終端通過采集網絡側發射過來的無線電波，捕捉和收集能量的物聯網技術。

　　隨著5G的大規模推廣，這些無源物聯網節點不知不覺中擁有了一個可以廣泛覆蓋的無線供電網絡，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字信號，這意味著5G網絡必須選擇更高的通信頻率。基于目前通信頻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，毫米波通信的實現也伴隨著一定的代價。

　　首先，在發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域，5G網絡需要建設比4G數量更多、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絡的形式進行。

　　一枚硬幣總有兩面，5G密集部署的網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。”

　　當然5G無源物聯網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，無源物聯網的應用領域預計也將越來越廣。