Ambient IoT设备-1

最近无线通信中又出现了一种备受关注的设备类型，叫Ambient IoT。IoT我们并不陌生，指物联网设备。Ambient一词该如何理解呢？它的原意是“周围环境的”，可以是周围环境的声音、温度、能量等。那么Ambient IoT可以理解为：能够利用周围环境中的射频、太阳能/光、压电（动能/振动）、电磁、静电、热、热电、磁、风/水、声等等进行通信的IoT设备。

哈哈，听上去是不是有一种“天人合一”、“大道至简”、“万物归宗”的感觉呢？

01、Ambient IoT设备特性

在3GPP中，Ambient IoT被定义为依赖于超低功耗的超低复杂度设备，适用于超低端物联网应用。具体特性如下：

能量存储：

纯粹的无电池设备，完全没有能量存储能力，完全依赖于外部能源的可用性。

能量存储能力有限，无需手动更换或充电的设备。

功耗：

对于A型设备，发送/接收期间的功耗目标是 ≤ 1 μW 或 ≤ 10 μW；

对于B型设备B，发送/接收期间的目标是

- 设备 A 的功耗 ≪ 设备 B 的功耗 < 设备 C 的功耗；或

- 设备 A 的功耗 ≤ 设备 B 的功耗 < 设备 C 的功耗。

对于C型设备，发送/接收期间的设备功耗≤1mW 至 ≤10mW。

复杂度：

对于A型设备，目标是与UHF RFID ISO18000-6C (EPC C1G2)的复杂度相当；UHF：0.3～3GHz

对于B型设备：

- 设备A的复杂度 < 设备B < 设备C的复杂度；

对于C型设备，复杂度目标要比NB-IoT低几个数量级。

覆盖距离：

室内最大距离 10 - 50 米；

室外最大距离 50 - 500 米。

数据速率：

对于上行链路和下行链路，用户体验数据速率目标值最大不低于 5 kbps；

最小不低于 0.1 kbps。

单向端到端最大延迟：

较长时延目标：10 秒

较短延迟目标：1 秒

定位精度：

由蜂窝网络（包括辅助节点）执行时，绝对定位精度的设计目标是

1~3 米 @ 90% 室内或室外定位；

几十米 @ 90% 室外定位。

连接密度：

最大连接密度目标为室内场景每100平方米150个设备。

室外场景每100 平方米20个设备。

移动速度：

设计目标是10 公里/小时，至少在室内场景下是如此。

Ambient IoT的中文名称通常叫做：无源IoT 或 环境IoT。那么它的优势是什么呢？

第一是免维护：物联网设备的现场维护既费时又费钱，而且会增加运行的复杂性，Ambient IoT设备无需持续供电或更换电池；

第二是低复杂性和低成本；

第三是环保：根据预测，假设物联网设备的电池寿命平均为两年，那么到2025年，每天将有7800万块电池被丢弃。因此，凭借从环境能源中采集能量这一特点创造出更加持久、可自我维持的环境物联网设备将对环境非常的友好。

以上我们初步了解了Ambient IoT的名称和概念。所以说，无线通信从2G到5G，是一路系统性能与复杂度飙升的过程。然而，在5G赋能万物互联的时代，一个反转正在发生：为应对海量低功耗、低成本场景，产业正主动“做减法”，催生了RedCap（轻量化5G）乃至无源终端的Ambient IoT。这标志着技术演进从追求“万物高性能互联”的普适性复杂，走向了“量体裁衣”式的精准简化。它极大降低了物联网的部署与使用门槛，真正为万物深度、无缝接入数字世界扫清了障碍，让规模化智能无处不在成为可能。

02、Ambient IoT的使用场景

对于使用场景，大家自然能够想到所有IoT的应用都有可能成为Ambient IoT的使用场景，如下表。但有人也许会问，比如在自动化仓储或生鲜食品供应链等等应用中，与目前传统在使用的RFID（射频识别）技术，岂不是有所雷同？确实是这样，两者很像，前面也提到了，对于A型无源IoT设备，复杂度的设计目标就是与UHF频段的RFID设备相当。但最关键的区别是，这里应用的是传统的基站或终端作为读写器，而非专用的RFID读写器设备。且UHF频段的RFID的可用频谱有限，在我国的最新管理规定中，只有920-925MHz作为RFID的专用频率。系统容量受限，也难以构建具有无缝覆盖能力的大规模网络。

我们来看一个典型的Ambient IoT的使用场景：智能电网变电站（substation）。变电站是电网的重要组成部分。通过这些变电站，变压器将电压从高压转换为低压，再通过输电线路将电力输送到配电站。全球约有8000万公里的输配电线路，未来十年，约有1600万公里的现有配电线路和150万公里的输电线路需要更换或数字化，同时还需要更换开关设备、变压器、电表和其他关键部件。其中，美国大约270万公里，欧盟大约370万公里，中国超过700万公里。

那么对变电站进行监控就非常必要，例如：户外超高压变电站，可能会由于接触不良等导致服务故障；室内/室外屏蔽柜可能由于电线连接不良导致短路甚至火灾；而地下输配电线路的电缆可能被老鼠咬断，以及排水系统故障导致地下电缆损坏；对于架空输配电线路，架空电缆可能受到振动或移位，或者难以为监测这些参数的传感器提供电源。

如果不及时发现故障并进行处理，可能会导致电力问题并造成能源损失，还会导致停电和昂贵设备的损失，此外还会造成人员伤亡和火灾等事故。因此，对变电站及其设备进行监控对于确保电力网络的安全和稳定非常重要。

对于以上使用案例，数据采集过程通常对延迟要求不高，但必须高效连接大量传感器，特别是考虑到许多传感器的电源有限，而且在某些情况下，数据传输的频率（每5-15分钟）相对较高，用于关键设备监控和保护的传感器数据每几秒钟采集一次。此外，现场物联网设备的寿命预计为十年或更长。许多生产系统都需要获得监管部门的批准（如安全认证），因此通常必须避免对运行中的生产系统进行更改。传感器通常部署在难以接近的位置，物理更换成本过高。

所以说，Ambient IoT设备在实现上述场景的最低能耗无线通信方面大有可为。因为，它们通常没有电池或无需手动更换电池或充电，只能从环境中获取能量，具备10-15年的使用寿命。此外，还具有足够大的5G覆盖范围的通信服务可用性，这对于电力网络中的关键设备的远程监控非常重要。

（未完待续）