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    無電池6G要來了?

    2021-12-08 14:14 物聯傳媒
    關鍵詞:6G

    導讀:眾所周知,由于海量的物聯網設備通常部署在偏遠、偏僻的地區,人工訪問這些設備并更換電池不方便且成本很高。為了解決這一問題,如今有公司提出無電池傳感器。

    1901年,物理學家尼古拉·特斯拉欲在紐約長島興建一座高塔進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗。彼時,他到處拉贊助,最后說服了億萬富翁約翰·皮爾龐特·摩根為其投資了15萬美元。

    而后,尼古拉·特斯拉在開始建造一座名為沃登克里弗塔(又名特斯拉塔)的巨大無線供電站。鐵塔高57米,頂部有一個直徑為20米的半球型圓頂。在鐵塔尚未完工之際,就已迫不及待地開始了他的實驗。

    然而,尼古拉·特斯拉只成功了一半。不到五年,鐵塔在建造中遇到了財政問題,工程無法繼續,甚至最終被拆除。

    如今,在紐約長島仍留有特斯拉的遺跡,曾經的實驗室后面還留著一片古老的地基。

    這是目前我們所知道的通過空氣傳輸電力最早起源。而現在的物聯網新風口無源物聯網也離不開空氣傳輸電力。

    當下被大眾所熟知的特斯拉電動汽車品牌名正是來源于此。

    我們對于無源物聯網的需求

    正如尼古拉·特斯拉預言的那樣,無線通信可以改變世界。即便他未能在這條路上“走”很遠,但是隨著無線通信技術的發展以及現實迫切的需求,今天我們再次尼古拉·特斯拉這一想法列入發展重點,在空氣傳輸電力這件事上付諸行動。

    前幾年,全球各大知名研究機構都熱衷于去預測未來聯網終端的數量。IDC專家預測,到2025年,全球將部署多達416億個聯網設備。一旦部署,物聯網設備的最大的后勤挑戰之一就是如何應對其有限的電池壽命。

    如果達到這一預測的體量,那也意味著為物聯網革命提供動力可能需要相應的416億塊電池來保持這些物聯網設備收集、分析和發送數據。而這也將同步觸發出一個巨大的挑戰。

    即便該行業最終實現了平均每個終端設備電池擁有10 年使用壽命的目標,但全球每天仍需要更換海量的電池。顯然,這不是一個可行的計劃。

    說到這里,或許可以認為,電池在一定是物聯網基礎設施快速擴展規模和成本效益的限制因素。

    數以萬億計的聯網設備將需要數以萬億計的電池,從成本、物流和可持續性的角度來看,這簡直太令人望而卻步了,無法證明其好處。出于這個原因(以及我們在電池問題白皮書中概述的其他原因),萬億節點物聯網必須消除電池。真正無處不在的聯網設備需要通過內置電池以外的其他方式發電,從本質上來說,要實現無需添加、監控或更換單個電池即可在任何地方增加聯網設備的部署。

    無電池傳感器或能直面這一挑戰

    眾所周知,由于海量的物聯網設備通常部署在偏遠、偏僻的地區,人工訪問這些設備并更換電池不方便且成本很高。

    為了解決這一問題,如今有公司提出無電池傳感器。

    總部位于加州圣克拉拉市的一家名為Everactive的初創公司正致力于這樣的創新,其Eversensor包含多種類型的傳感器,并以混合的形式產生電力,包括室內太陽能、振動和熱能。該公司表示,其Eversensors可以持續使用20年而不需要日常維護。

    Everactive公司可以提供定制的集成電路,這些集成電路在收集到的環境能量水平較低的情況下完全連續運行,以達到聯網設備始終在線、自我維持且無需電池的狀態。

    在解決了電源問題之后,人們面臨著額外的技術挑戰:無線網絡。具體來說,利用Evernet無線協議實現在足夠低的功率預算下運行以保持電池不受干擾,還可以同時支持:

    • 高密度網絡(支持數千臺設備)

    • 低延遲操作(讀?。簩崟r通信)

    • 足夠的數據速率

    • 可靠的范圍(距離和通過障礙物和干擾的穿透性)

    那么,Evernet 協議解決物聯網的無線網絡問題?

    Evernet協議是一種符合 FCC 標準的專有無線網絡解決方案,旨在支持高密度的無電池設備。據悉,它利用 Everactive公司始終在線的超低功耗 (ULP) 接收器來顯著降低功耗,同時支持數千臺設備,具有毫秒級延遲和 250 米以上的非視距范圍。

    Everactive 公司通過利用始終在線的 ULP 接收器通過其物聯網網關的加密廣播通道處理所有網絡同步流量來實現這些突破。時間同步是所有無線網絡中的必要功能,這通常是任何標準無線協議(例如藍牙、Wi-Fi 和 LoRa)中最耗電的功能。

    時間同步是無線設備如何有效地共享無線頻譜以及如何跨無線鏈路協調傳感和控制功能。時間同步越精確,網絡的效率就越高,從而更容易擴展設備密度并支持更高的吞吐量。對于主要由事件驅動的傳感器應用,這意味著在檢測到事件之前無線流量很少,設備的大部分功耗都花在了網絡同步上。

    由于 Everactive 始終在線的 ULP 接收器需要如此微不足道的功率(活動時僅為 200 納瓦),因此 Evernet 解鎖了更高的性能。實際上,它“顛倒了網絡”,允許每臺設備一直監聽每條廣播的網關消息——一直。這意味著網絡持續同步,幾乎沒有功率損失。持續同步意味著 Evernet 可以將更多設備以更高的平均吞吐量和低延遲通信打包到任何一臺設備。Everactive 從根本上改進了無線網絡管理,所有這些都在收集的能量預算之內。

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    從上圖可以看出,Everactive公司的 ULP 接收器與最先進的已發表研究結果在有功功率和靈敏度(無線范圍的度量)方面的比較。該圖突出顯示了與同類最佳 COTS 接收器相比功率降低了 1,000 倍。相比之下,藍牙和 Zigbee 等現有接收器的功率范圍為 5,000-30,000W。

    除了網絡同步之外,Everactive公司的永遠在線 ULP 接收器可以解碼基本操作指令并處理來自物聯網網關甚至其他傳感器的全局和/或本地網絡級中斷。這增加了 ULP 通信通道,用于設備配置或漫游指令、設備控制消息,甚至通過三角定位進行定位。對于常規雙向數據流量,片外 sub-GHz 無線電與采用 IEEE 802.15.4 標準的協議一起使用。由于此無線電僅用于數據,而不需要用于網絡同步,因此無線通信的平均功率大大降低。

    Evernet 還利用時分多址 (TDMA) 和網關通過始終在線的 ULP 接收器分配的時隙,以及我們定制的、完全集成的片上系統 (SoC) 提供的本地定時參考。將這些功能引入 SoC 并使用 Everactive 專有的 ULP 電路設計專業知識可將功耗降低 1,000 倍,同時與其他無線標準相比提高網絡性能。

    無電池6G要來了?

    近日,從公開渠道上了解到,Everactive公司加入Next G Alliance,后者是北美制定6G的組織,該聯盟成立目的在于推動北美6G及未來行動技術領導地位,該聯盟聚焦于研發、制造、標準化和市場等多個面向,并積極制定6G國家路線圖,確立6G技術核心優先事項,以影響政府政策和投資,同時促進「Next G」技術商用化。

    這或許意味著6G正在將無源的特點等加入規劃路線中,無電池6G也將隨著未來6G的應用而到來。

    此前,IDTechEx發布的 “2021-2041 6G通信市場、設備和材料”報告預測了6G路線圖以及一些挑戰和機遇。

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    2021-2041 6G路線圖

    報告指出,顯而易見,5G服務遠遠超出了移動電話甚至個人電子產品的總體需求,6G的情況將更為如此。物與物的通信可能比人類的通信更為重要。

    就通信技術的未來而言,我們不僅僅關注手機的需求。我們還需要關注物聯網設備的需求,以塑造直接連接到網絡的無電池設備的未來。隨著全球思維從制造更多能源轉變為使用更少能源并利用周圍環境的能源,希望將無電池的觀點帶入到未來的物聯網應用中。

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